Av S. Hussain Ather | Uppdaterad 30 augusti 2022
Att stöta på ett dött batteri är frustrerande, särskilt när det avbryter din enhet. Att förstå kemin som driver batteritömning kan hjälpa dig att förutse fel, välja rätt batterityp och förlänga livslängden på dina enheter.
Batterier är galvaniska celler som omvandlar kemisk energi till elektrisk energi genom en spontan redoxreaktion. I en typisk primär cell fungerar två olika metaller som elektroder:katoden (ofta en metallkatjon som koppar) där reduktion sker, och anoden (ofta en metallanjon som zink) där oxidation sker. Elektrolyten – en vätska eller gel som innehåller joner – underlättar laddningsöverföringen mellan elektroderna.
Primärbatterier tar slut när deras elektrolyt torkar eller när nyckelreaktanter - som mangandioxid i alkaliska celler - är helt förbrukade. Vid den tidpunkten kan inga fler elektroner flöda, och batteriet anses vara tomt.
Kom ihåg den mnemoniska OLJERIGEN (Oxidation är förlust, reduktion är vinst) för att hålla elektronflödesriktningen rak i ditt sinne. För elektrodnamn, tänk ANod → OXidation, REDuktion → KATod .
Lågprishushållsbatterier använder ofta kol-zink-kemi. Deras design tillåter en mild galvanisk korrosion som fortfarande kan generera elektricitet i en sluten krets, vilket är anledningen till att de kan driva enkla prylar i flera år.
Uppladdningsbara litiumjonceller kan genomgå exotermiska reaktioner när de skadas eller överladdas. Den inre temperaturen kan stiga till cirka 1 000°C, vilket gör att kopparströmkollektorerna smälter och cellen går sönder – en händelse som vanligtvis kallas en termisk flykt.
År 1836 introducerade den brittiske kemisten John Frederic Daniell Daniell-cellen , en design med dubbla elektrolyter som förbättrade livslängden jämfört med de tidigare voltaiska cellerna. Denna innovation banade väg för telegrafi och elektrometallurgi.
Sekundära celler lagrar laddning genom att vända redoxreaktionen under laddning. Nyckelmaterial inkluderar nickelhydroxid- eller litiumjonkemi. Över upprepade cykler kan elektrodmaterial brytas ned, elektrolyten kan torka och cellens kapacitet minskar – vilket så småningom gör batteriet tomt.
Från bilstartare och elektriska rullstolar till elverktyg och lagring i nätskala, laddningsbara celler är en del av det moderna livet. Ingenjörer förfinar ständigt kemi för att balansera energitäthet, cykellivslängd och säkerhet.
Den kemiska energin som lagras i ett batteri frigörs när elektroner strömmar genom en extern krets. Drivkraften är skillnaden i Gibbs fria energi (ΔG) mellan reaktanter och produkter. I en galvanisk cell relaterar standardcellpotentialen (E°) till ΔG° via:
E° =-AG°/(nF)
där n är antalet överförda elektroner och F (96485,33 Cmol⁻¹) är Faradays konstant. För en Daniell-cell, ΔG° ≈ -213kJmol⁻¹, vilket ger en nominell spänning på 1,10V.
Dela upp den övergripande reaktionen i halvreaktioner. Använd till exempel CuSO₄ och ZnSO₄:
Cu²⁺ + 2e⁻ ⇌ Cu E° = +0.34 V Zn²⁺ + 2e⁻ ⇌ Zn E° = -0.76 VGenom att vända zinkhalvreaktionen blir den totala cellpotentialen +0,34V - (-0,76V) =1,10V.
Batteriets livslängd beror på kemi, användningsmönster och driftsförhållanden. Att förstå den underliggande vetenskapen möjliggör bättre enhetsdesign, smartare användningsvanor och säkrare batterihantering.
