Princip fungování baterie: Jak baterie funguje?

Princip chodby baterie

Baterie fungují na základě oxidace a redukce elektrolytu s kovy. Když se dva odlišné kovy, nazývané elektrody, umístí do ředěného elektrolytu, v elektrodách dochází k reakcím oxidace a redukce, podle elektronové afinitu kovů těchto elektrod. V důsledku reakce oxidace se jedna elektroda nabije negativně (kathoda) a v důsledku reakce redukce se druhá elektroda nabije pozitivně (anoda).

Kathoda tvoří negativní pól, zatímco anoda tvoří pozitivní pól baterie. Pro správné pochopení základního principu baterie bychom měli mít nějaké základní znalosti o elektrolytech a elektronové afinitě. Ve skutečnosti, když jsou dva odlišné kovy ponořeny do elektrolytu, vznikne mezi nimi potenciální rozdíl.

Je známo, že při přidání některých specifických látek do vody se tyto látky rozpustí a vytvářejí negativní a pozitivní ionty. Tento typ látky se nazývá elektrolyt. Mezi běžné příklady elektrolytů patří téměř všechny druhy solí, kyselin a zásad. Energie uvolněná při přijetí elektronu neutrálním atomem se nazývá elektronová afinita. Protože atomová struktura různých materiálů je různá, elektronová afinita různých materiálů se liší.

Pokud jsou dva odlišné kovy ponořeny do stejného roztoku elektrolytu, jeden z nich získá elektrony a druhý je uvolní. Závisí to na elektronové afinitě těchto kovů. Kov s nízkou elektronovou afinitou získá elektrony od negativních iontů roztoku elektrolytu.

Naopak kov s vysokou elektronovou afinitou uvolní elektrony, které se dostanou do roztoku elektrolytu a spojí se s pozitivními ionty roztoku. Tímto způsobem jeden z těchto kovů získá elektrony a druhý je ztratí. V důsledku toho vznikne rozdíl v koncentraci elektronů mezi těmito dvěma kovy.

Tento rozdíl v koncentraci elektronů způsobí vznik elektrického potenciálního rozdílu mezi kovy. Tento elektrický potenciální rozdíl nebo emf lze využít jako zdroj napětí v jakékoli elektronice nebo elektrickém obvodu. Toto je obecný a základní princip baterie a takto funguje baterie.

Všechny články baterií jsou založeny pouze na tomto základním principu. Pojďme si je projít jednu po druhé. Jak jsme již řekli, Alessandro Volta vyvinul první článek baterie, a tento článek je znám jako jednoduchý voltaický článek. Tento jednoduchý článek lze velmi snadno vytvořit. Vezměte kontejner a vyplňte ho ředěnou sírovou kyselinou jako elektrolytem. Nyní ponoříme do roztoku jeden cínový a jeden měděný hrot a spojíme je externě elektrickým zátěžem. Nyní máte dokončený jednoduchý voltaický článek. Proud začne proudit přes externí zátěž.

Cín v ředěné sírové kyselině uvolňuje elektrony následovně:

Tyto Zn + + ionty procházejí do elektrolytu a každý z těchto Zn + + iontů nechává dva elektrony v hrotu. V důsledku výše uvedené reakce oxidace zůstane cínová elektroda negativně nabita a tedy působí jako kathoda. Koncentrace Zn + + iontů blízko kathody v elektrolytu se zvýší.

Podle vlastností elektrolytu se ředěná sírová kyselina a voda již rozpadly na pozitivní hydroniové ionty a negativní síranové ionty následovně:

V důsledku vysoké koncentrace Zn+ + iontů blízko kathody jsou H3O+ ionty odraženi k měděné elektrodě a uvolněny absorpcí elektronů z atomů měděného hrotu. Následující reakce probíhá na anodě:

V důsledku probíhající reakce redukce na měděné elektrodě se měděný hrot nabije pozitivně a tedy působí jako anoda.

Daniellov článek

Daniellov článek se skládá z měděné nádoby obsahující roztok síranu měďnatého. Měděná nádoba sama působí jako pozitivní elektroda. Poroškový hrnec obsahující ředěnou sírovou kyselinu je umístěn v měděné nádobě. Amalgamovaný cínový hrot, ponořený do sírové kyseliny, působí jako negativní elektroda.

Ředěná sírová kyselina v poroškovém hrcenci reaguje s cínem a v důsledku toho vzniká vodík. Reakce probíhá následovně:

Vznik ZnSO4 v poroškovém hrcenci neovlivňuje funkci článku, dokud se neusadí krystaly ZnSO4. Vodíkový plyn prochází poroškovým hrcencem a reaguje s roztokem CuSO4 následovně:

Vzniklá měď se usazuje na měděné nádobě.

Historie baterie

V roce 1936 uprostřed léta byla při stavbě nové železniční trati poblíž Bagdádu v Iráku objevena starověká hrobka. Relikvie nalezené v této hrobce byly asi 2000 let staré. Mezi těmito relikviemi byly některé hliněné nádoby uzavřené na vrcholu smolou. Železný hrot, obklopen válcovou trubicí z obaleného měděného plechu, vyčníval z tohoto uzavřeného vrcholu.

Když objevitelé tyto nádoby naplnili kyselou tekutinou, zjistili, že mezi železem a mědí existuje potenciální rozdíl asi 2 voltů. Tyto hliněné nádoby byly podezřelé, že se jedná o 2000leté články baterie. Nazvali tyto nádoby partskou baterií.

V roce 1786 italský anatom a fyziolog Luigi Galvani byl překvapen, když viděl, že když dotkl mrtvé žábrové nohy dvěma odlišnými kovy, svaly nohy se stáhly.

Nerozuměl skutečnému důvodu, jinak by byl znám jako první vynálezce článku baterie. Domníval se, že reakce mohla být způsobena vlastností tkáně.