Principi de funcionament de la bateria: Com funciona una bateria?
Principi de funcionament de la bateria
Una bateria funciona basant-se en la reacció d'oxidorreducció d'un electròlit amb metalls. Quan es col·loquen dues substàncies metàl·liques diferents, anomenades electrodes, en un electròlit diluït, es produeixen reaccions d'oxidorreducció en les electrodes respectivament, depenent de l'afinitat electrònica del metall de les electrodes. Com a resultat de la reacció d'oxidació, una electrode s'encarrega negativament anomenada catedra i, degut a la reacció de reducció, l'altra electrode s'encarrega positivament anomenada ànoda.
La catedra forma el terminal negatiu mentre que l'ànoda forma el terminal positiu d'una bateria. Per entendre el principi bàsic de la bateria correctament, primer hauríem de tenir alguns conceptes bàsics sobre els electròlits i l'afinitat electrònica. En realitat, quan dos metalls diferents es sumergen en un electròlit, hi haurà un diferencial de potencial produït entre aquests metalls.
Es troba que, quan s'afegeixen certs compostos a l'aigua, es dissolen i produeixen ions negatius i positius. Aquest tipus de compost és anomenat electròlit. Exemples populars d'electròlits són gairebé tots els tipus de sales, àcids i bases, etc. L'energia alliberada durant l'acceptació d'un electró per un àtom neutre és coneguda com afinitat electrònica. Com que la estructura atòmica per a diferents materials és diferent, l'afinitat electrònica de diferents materials serà diferent.
Si es sumergen dos tipus diferents de metalls en la mateixa solució d'electròlit, un d'ells guanyarà electrons i l'altre els alliberarà. Quin metall (o compost metàl·lic) guanyarà electrons i quin els perd, depèn de l'afinitat electrònica d'aquests metalls. El metall amb baixa afinitat electrònica guanyarà electrons dels ions negatius de la solució d'electròlit.
D'altra banda, el metall amb alta afinitat electrònica alliberarà electrons i aquests electrons sortiran a la solució d'electròlit i s'afegiran als ions positius de la solució. D'aquesta manera, un d'aquests metalls guanya electrons i l'altre els perd. Com a resultat, hi haurà una diferència en la concentració d'electrons entre aquests dos metalls.
Aquesta diferència en la concentració d'electrons provoca un diferencial de potencial elèctric desenvolupat entre els metalls. Aquest diferencial de potencial elèctric o f.e.m. pot ser utilitzat com a font de tensió en qualsevol electrònica o circuït elèctric. Aquest és un principi general i bàsic de la bateria i així és com funciona una bateria.
Totes les cel·les de bateria estan basades només en aquest principi bàsic. Discutim-ho una per una. Com hem dit abans, Alessandro Volta va desenvolupar la primera cel·la de bateria, i aquesta cel·la és popularment coneguda com la simple cel·la voltaica. Aquest tipus de cel·la simple es pot crear molt fàcilment. Prengui un recipient i ompli-lo amb àcid sulfúric diluït com a electròlit. Ara sumerja un rodall de zinc i un de cobre en la solució i connecte’ls externament amb una càrrega elèctrica. Ara la vostra cel·la voltaica simple està completada. La corrent començarà a fluir a través de la càrrega externa.
El zinc en àcid sulfúric diluït allibera electrons com a continuació:
Aquests Zn + + passen a l'electròlit, i cada un dels Zn + + deixa dos electrons al rodall. Com a resultat de la reacció d'oxidació anterior, l'electrode de zinc queda carregada negativament i, per tant, actua com a catedra. Conseqüentment, la concentració de Zn + + prop de la catedra a l'electròlit augmenta.
Segons la propietat de l'electròlit, l'àcid sulfúric diluït i l'aigua ja s'han dissociat en íons hidroni positius i íons sulfat negatius com a continuació:
Degut a la gran concentració de Zn+ + prop de la catedra, els H3O+ són repel·lits cap a l'electrode de cobre i es descarreguen absorint electrons dels àtoms del rodall de cobre. La següent reacció es produeix a l'ànoda:
Com a resultat de la reacció de reducció que es produeix a l'electrode de cobre, el rodall de cobre es carrega positivament i, per tant, actua com a ànoda.
Cel·la de Daniell
La cel·la de Daniell consisteix en un recipient de cobre que conté una solució de sulfat de cobre. El recipient de cobre en si mateix actua com a electrodo positiu. Un pot porós que conté àcid sulfúric diluït s'ha col·locat dins del recipient de cobre. Un rodall de zinc amalgamat, mergit dins l'àcid sulfúric, actua com a electrodo negatiu.
L'àcid sulfúric diluït dins el pot porós reacciona amb el zinc i, com a resultat, es libera hidrogen. La reacció es produeix com a continuació:
La formació de ZnSO4 dins el pot porós no afecta el funcionament de la cel·la fins que es depositen cristalls de ZnSO4. El gas d'hidrogen passa a través del pot porós i reacciona amb la solució de CuSO4 com a continuació:
El cobre format es deposita en el recipient de cobre.
Història de la bateria
En el any 1936, durant l'estiu, es va descobrir un antic tomb durant la construcció d'una nova línia de ferrocarril prop de la ciutat de Bagdad, a Iraq. Les relíquies trobades en aquest tomb eren d'uns 2000 anys d'antiguitat. Entre aquestes relíquies, hi havia algunes jarreres d'argila tancades a la part superior amb betum. Un rodall de ferro, envoltat per un tub cilíndric fet d'una fulla de cobre enrrollada, sobresortia d'aquesta part tancada.
Quan els descobridors van omplir aquestes amforaes amb un líquid àcid, van trobar un diferencial de potencial d'aproximadament 2 volts entre el ferro i el cobre. Es va sospitar que aquestes jarreres d'argila eren cèl·lules de bateria de 2000 anys d'antiguitat. Van anomenar la jarrera com a bateria parthian.
El 1786, Luigi Galvani, un anatomista i fisiòleg italià, es va sorprendre al veure que quan toca les cames d'una rana morta amb dos metalls diferents, els músculs de les cames es contractaven.
No va poder entendre la raó real, de vegades hauria estat conegut com el primer inventor de la cel·la de bateria. Va pensar que la reacció podria ser deguda a una propietat dels teixits.
