TIPURI DE BATERII, CARACTERISTICI ȘI REACȚII - CHIMIE - 2025

Pe piață puteți obține diferite tipuri de baterii cu caracteristici proprii. Bateriile, care nu sunt altceva decât celule voltaice, oferă consumatorilor avantajul de a transporta energie electrică cu ele oriunde (atâta timp cât condițiile nu sunt drastice).

Bateriile pot fi cumpărate, în general, izolate; dar, de asemenea, sunt realizate cuplate între ele în serie sau în paralel, al căror set ajunge să fie ceea ce numesc baterii. Și astfel, uneori, termenii „baterii” și „baterii” sunt folosiți fără discriminare, chiar și atunci când nu sunt aceiași.

Baterii alcaline: unul dintre cele mai populare tipuri de baterii. Sursa: Pexels.

Stivele pot veni în nenumărate culori, forme și dimensiuni, la fel cum pot fi realizate din alte materiale. De asemenea, și mai important, structura sa internă, în care au loc reacțiile chimice care generează energie electrică, servește pentru a le diferenția unele de altele.

De exemplu, imaginea de mai sus arată trei baterii alcaline, una dintre cele mai frecvente. Termenul alcalin se referă la faptul că mediul în care are loc eliberarea și fluxul de electroni este de bază; adică are un pH mai mare de 7 și OH ^- predomină anionii și alte sarcini negative.

Clasament general

Înainte de a aborda unele dintre diferitele tipuri de baterii de acolo, este necesar să știm că acestea sunt clasificate global ca primare sau secundare.

Primar

Bateriile primare sunt cele care, odată consumate, trebuie aruncate sau reciclate, deoarece reacția chimică pe care se bazează curentul electric este ireversibilă. Prin urmare, ele nu pot fi reîncărcate.

Sunt utilizate în principal în aplicații în care este imposibil să reîncărcați energie electrică; cum ar fi în dispozitivele militare, în mijlocul câmpului de luptă. De asemenea, sunt proiectate pentru echipamente care consumă puțină energie, astfel încât acestea să dureze mai mult; de exemplu, telecomenzi sau console portabile (cum ar fi Gameboy, Tetris și Tamagotchi).

Bateriile alcaline, pentru a cita un alt exemplu, aparțin și tipului primar. De obicei, au forme cilindrice, deși acest lucru nu implică faptul că bateriile cilindrice nu pot fi secundare sau reîncărcabile.

licee

Spre deosebire de bateriile primare, bateriile secundare pot fi reîncărcate odată ce au rămas fără energie.

Acest lucru se datorează faptului că reacțiile chimice care apar în interiorul acestora sunt reversibile și, prin urmare, după aplicarea unei anumite tensiuni, determină ca specia produs să devină din nou reactivă, începând astfel din nou reacția.

Unele celule secundare (numite baterii) sunt de obicei mici, precum cele primare; cu toate acestea, sunt destinate dispozitivelor care consumă mai multă energie și pentru care utilizarea bateriilor primare ar fi imposibilă din punct de vedere economic și energetic. De exemplu, bateriile de telefon mobil conțin celule secundare.

De asemenea, celulele secundare sunt proiectate pentru echipamente sau circuite mari; de exemplu, bateriile auto, care sunt formate din mai multe baterii sau celule voltaice.

În general, sunt mai scumpe decât celulele și bateriile primare, dar pentru utilizarea pe termen lung ajung să fie o opțiune mai potrivită și mai eficientă.

Alte aspecte

Stivele sunt clasificate fie primare, fie secundare; dar comercial sau popular, sunt de obicei clasificate în funcție de forma (cilindrică, dreptunghiulară, tip buton), dispozitivul destinat (camere, vehicule, calculatoare), numele acestora (AA, AAA, C, D, N, A23 etc. ) și codurile lor IEC și ANSI.

De asemenea, caracteristici precum tensiunea lor (1,2 până la 12 volți), precum și durata de viață utilă și prețurile sunt responsabile pentru a le oferi o anumită clasificare în ochii consumatorului.

Lista tipurilor de baterii

-Zinc-carbon

Bateriile carbon-zinc (cunoscute și sub denumirea de celule Leclanché sau baterii saline) sunt una dintre cele mai primitive și sunt considerate în prezent aproape în uz în comparație cu alte baterii; mai ales, în comparație cu bateriile alcaline, care, deși sunt puțin mai scumpe, au o durată de viață mai lungă și tensiuni.

După cum sugerează numele său, electrozii săi constau dintr-o cutie de zinc și o tijă de grafit, corespunzând anodului și respectiv catodului.

La primul electrod, anodul, electronii sunt originati prin oxidarea zincului metalic. Acești electroni trec apoi printr-un circuit extern care alimentează dispozitivul cu energie electrică, apoi ajung la catodul de grafit, unde ciclul este finalizat prin reducerea dioxidului de mangan în care este imersat.

reacţii

Ecuațiile chimice pentru reacțiile care apar la electrozi sunt:

Zn (s) → Zn ²⁺ (ac) + 2e ^- (Anod)

2 MnO ₂ (s) + 2e ^- + 2 NH ₄ Cl (aq) → Mn ₂ O ₃ (s) + 2 NH ₃ (aq) + H ₂ O (l) + 2 Cl ^- (aq) (Catod)

Aceste baterii sunt foarte asemănătoare cu bateriile alcaline: ambele sunt cilindrice (cum este cea din imagine). Cu toate acestea, bateriile carbon-zinc pot fi distinse dacă caracteristicile etichetate pe exterior sunt citite în detaliu sau dacă codul lor IEC este precedat de litera R. Tensiunea lor este de 1,5 V.

-Alcalin

Bateriile alcaline sunt foarte asemănătoare cu tipul carbon-zinc, cu diferența că mediul în care se află electrozii conține OH ^- anioni . Acest mediu este format din electroliți puternici de hidroxid de potasiu, KOH, care contribuie la OH ^- care participă și „colaborează” la migrarea electronilor.

Are dimensiuni și tensiuni diferite, deși cea mai frecventă este 1.5V. Sunt probabil cele mai cunoscute baterii de pe piață (Duracell, de exemplu).

Reacțiile care apar la electrozii dvs. sunt:

Zn (s) + 2OH ^- (aq) → ZnO (s) + H ₂ O (l) + 2e ^- (anodă)

2MnO ₂ (s) + H ₂ O (l) + 2e ^- → Mn ₂ O ₃ (s) + 2OH ^- (aq) (catod)

Pe măsură ce temperatura crește, reacțiile sunt mai rapide și descărcarea bateriilor mai rapidă. Interesant, zvonurile populare s-au răspândit pentru a le pune la congelator pentru a le crește durata de viață; Cu toate acestea, atunci când este răcit, conținutul său poate suferi o solidificare posibilă care poate duce la defecte sau riscuri ulterioare.

Mercur

Probabil baterie de mercur, care poate fi confundată cu bateria de oxid de argint. Sursa: Multicherry.

Bateriile cu mercur sunt foarte caracteristice datorită formei lor deosebite de butoane argintii (imaginea de mai sus). Aproape toată lumea le-ar recunoaște la prima vedere. De asemenea, sunt alcaline, dar catodul lor încorporează, pe lângă grafit și dioxid de mangan, oxid de mercur, HgO; care, după reducerea sa, este transformat în mercur metalic:

Zn (s) + 2OH ^- (aq) → ZnO (s) + H ₂ O (l) + 2e ^-

HgO (s) + H ₂ O + 2e ^- → Hg (s) + 2OH ^-

Notă modul în care OH ^- anioni sunt consumate și regenerate în aceste reacții celulare .

Fiind baterii mici, este destinată dispozitivelor mici, precum ceasuri, calculatoare, comenzi pentru jucării etc. Oricine a folosit oricare dintre aceste obiecte va fi realizat că nu este necesar să schimbi bateriile aproape o „eternitate”; ceea ce ar fi echivalent cu 10 ani, aproximativ.

Oxid de argint

Baterii cu oxid de argint. Sursa: Lukas A, CZE.

Principalul defect al bateriilor cu mercur este acela că atunci când sunt aruncate reprezintă o problemă serioasă pentru mediu, din cauza caracteristicilor toxice ale acestui metal. Poate din acest motiv îi lipsesc codurile IEC și ANSI. Pentru bateriile cu oxid de argint, codul lor IEC este precedat de litera S.

Unul dintre înlocuitorii bateriilor cu mercur corespunde bateriei de oxid de argint, mult mai scump, dar cu impact mai puțin ecologic (imaginea de sus). Inițial conțineau mercur pentru a proteja zincul împotriva coroziunii alcaline.

Este disponibil cu o tensiune de 1,5V, iar aplicațiile sale sunt foarte similare cu cele ale bateriei cu mercur. De fapt, la prima vedere ambele baterii arată identice; cu toate că pot exista pile mult mai mari de oxid de argint.

Reacțiile la electrozii săi sunt:

Zn (s) + 2OH ^- (aq) → Zn (OH) ₂ (s) + 2 e ^-

Ag ₂ O (s) + 2H ⁺ (aq) + 2e ^- → 2AG (s) + H ₂ O (l)

Apa ulterior suferă de electroliză, se descompune într - H ⁺ și OH ^- ioni .

Rețineți că în loc de mercur, argintul metalic este format pe catod.

-Nickel-cadmium (NiCad)

Baterie NiCd. Sursa: LordOider.

Din acest punct sunt luate în considerare celulele secundare sau bateriile. Ca și bateriile cu mercur, bateriile de nichel cadmiu sunt dăunătoare mediului (pentru viața sălbatică și sănătatea) din cauza cadmiului metalic.

Acestea sunt caracterizate prin generarea de curenți electrici mari și pot fi reîncărcate de nenumărate ori. De fapt, acestea pot fi reîncărcate în total 2000 de ori, ceea ce este egal cu o durabilitate extraordinară.

Electrozii săi constau din hidroxid de oxid de nichel, NiO (OH), pentru catod și cadmiu metalic pentru anod. Rațiunea chimică, în esență, rămâne aceeași: cadmiul (în loc de zinc) pierde electroni, iar cadmiul NiO (OH) îi câștigă.

Reacțiile semicelulare sunt:

Cd (s) + 2OH ^- (aq) → Cd (OH) ₂ (s) + 2e ^-

2NiO (OH) (s) + 2H ₂ O (l) + 2e ^- → 2Ni (OH) ₂ (s) + OH ^- (aq)

OH ^- anioni , din nou, provin din electrolitul KOH. Bateriile NiCad, apoi, sfârșesc prin a genera hidroxizi de nichel și cadmiu.

Acestea sunt utilizate individual sau cuplate în pachete (precum cea din galben, imaginea de mai sus). Așa că vin în pachete mari sau mici. Cei mici găsesc folos în jucării; dar cele mari sunt folosite pentru aeronave și vehicule electrice.

-Hidrura de nichel-metal (Ni-HM)

Baterii Ni-HM. Sursa: Ramesh NG de la Flickr (https://www.flickr.com/photos/rameshng/5645036051)

O altă celulă sau baterie cunoscută, care depășește NiCad în capacitățile energetice, este Ni-HM (nichel și hidrură de metal). Poate veni în format cilindric (baterii convenționale, imagine de mai sus) sau cuplat într-o baterie.

Chimic, are aproape aceleași caracteristici ca bateriile NiCad, principala diferență fiind electrodul său negativ: catodul nu este cadmiu, ci un aliaj intermetalic de pământuri rare și metale de tranziție.

Acest aliaj este responsabil de absorbția hidrogenului format în timpul încărcării, generând o hidrură metalică complexă (de aici litera H pe numele său).

Deși bateriile Ni-HM oferă mai multă energie (cu aproximativ 40% mai mult), ele sunt mai scumpe, se uzează mai repede și nu pot fi reîncărcate același număr de ori ca bateriile NiCad; adică au o viață utilă mai scurtă. Cu toate acestea, le lipsește efectul de memorie (pierderea performanței bateriilor din cauza neîncărcării complete).

Din acest motiv nu trebuie utilizate în mașini care funcționează pe termen lung; deși această problemă a fost atenuată cu bateriile LSD-NiHM. De asemenea, celulele Ni-HM sau bateriile au caracteristici termice foarte stabile, fiind funcționabile într-o gamă largă de temperaturi, fără a reprezenta un risc.

reacţii

Reacțiile care apar la electrozii dvs. sunt:

Ni (OH) ₂ (s) + OH ^- (aq) ⇌ NiO (OH) (s) + H ₂ O (l) + e ^-

H ₂ O (l) + M (s) + e ^- ⇌ OH ^- (aq) + MH (s)

-Ion-litiu

Baterie cu litiu pentru un laptop. Sursa: Kristoferb din Wikipedia.

În celulele de litiu și baterii se bazează pe migrația ionilor Li ⁺ , care sunt transferați de la anod la catod, un produs al repulsiilor electrostatice datorită încărcării pozitive crescânde.

Unele pot fi reîncărcate, cum ar fi bateriile pentru laptop (imaginea de sus), iar altele, bateriile cilindrice și dreptunghiulare (LiSO ₂ , LiSOCl ₂ sau LiMnO ₂ ) nu pot.

Bateriile cu ioni de litiu se caracterizează prin a fi foarte ușoare și energice, ceea ce le permite să fie utilizate în multe dispozitive electronice, cum ar fi smartphone-urile și echipamentele medicale. De asemenea, acestea suferă cu greu de efectul de memorie, densitatea lor de încărcare depășește cea a celulelor și bateriilor NiCad și Ni-HM și durează mai mult până la descărcare.

Cu toate acestea, sunt foarte sensibile la temperaturi ridicate, chiar explodând; în plus, acestea tind să fie mai scumpe în comparație cu alte baterii. Cu toate acestea, bateriile cu litiu sunt privite favorabil pe piață, iar mulți consumatori le consideră cele mai bune.

-Acid plumb

Baterie tipică de acid plumb pentru automobile. Sursa: Tntflash

Și în sfârșit, bacteriile cu acid plumb, după cum sugerează și numele său, nu conțin OH ^- ci ioni H ⁺ ; în special, o soluție concentrată de acid sulfuric. Celulele voltaice sunt amplasate în interiorul cutiilor lor (imaginea superioară), unde trei sau șase dintre ele pot fi cuplate în serie, oferind o baterie de 6 sau 12 V.

Este capabil să genereze cantități mari de încărcare electrică și, deoarece sunt foarte grele, sunt destinate aplicațiilor sau dispozitivelor care nu pot fi transportate manual; de exemplu, mașini, panouri solare și submarine. Această baterie acidă este cea mai veche și este încă în vigoare în industria auto.

Electrozii săi sunt realizați din plumb: PbO ₂ pentru catod și plumb metalic spongios pentru anod. Reacțiile care apar în ele sunt:

Pb (s) + HSO ^- ₄ (aq) → PbSO ₄ (s) + H ⁺ (aq) + 2e ^-

PbO ₂ (s) + HSO ^- ₄ (aq) + 3H ⁺ (aq) + 2e ^- → PbSO ₄ (s) + 2H ₂ O (l)

Referințe

1. Whitten, Davis, Peck și Stanley. (2008). Chimie. (Ediția a VIII-a). CENGAGE Învățare.
2. Odunlade Emmanuel. (24 iulie 2018). Diferite tipuri de baterii și aplicațiile lor. Circuit Digest. Recuperat de la: circuitdigest.com
3. TEST. (Sf). Tipuri de baterii. Recuperat de la: prba.org
4. Isidor Buchman. (2019). Care este cea mai bună baterie? Universitatea Baterii Recuperat de la: batteryuniversity.com
5. Companiile McGraw-Hill. (2007). Capitolul 12: Baterii. . Recuperat din: Oakton.edu
6. Shapley Patricia. (2012). Tipuri de baterii obișnuite. Universitatea din Illinois. Recuperat din: butane.chem.uiuc.edu
7. Atitudine ecologică. (22 ianuarie 2017). Tipuri de baterii: ghid complet cu bateriile care există. Recuperat de la: actitudecologica.com