Batteri Arbejdsprincip: Hvordan fungerer et batteri?

Arbejdsmåde for batteri

Et batteri fungerer ved oksidation og reduktion af en elektrolyt med metaller. Når to forskellige metaller, kaldet elektroder, placeres i en opløst elektrolyt, finder oksidations- og reduktionsreaktioner sted i elektroderne, afhængigt af metallets elektronaffinitet. Som resultat af oksidationsreaktionen bliver den ene elektrod negativt opladet (kaldet katod), og som følge af reduktionsreaktionen bliver den anden elektrod positivt opladet (kaldet anod).

Katoden danner den negative terminal, mens anoden danner den positive terminal på et batteri. For at forstå batteriets grundlæggende princip korrekt, bør vi først have en grundlæggende forståelse af elektrolyter og elektronaffinitet. Når to forskellige metaller er fordøjet i en elektrolyt, vil der være en spændingsforskel mellem disse metaller.

Det er fundet, at når nogle bestemte forbindelser tilføjes vand, opdeler de sig og producerer negative og positive ioner. Dette type forbindelse kaldes en elektrolyt. De populære eksempler på elektrolyter er næsten alle typer salt, syrer og baser osv. Den energi, der frigives under accept af et elektron af et neutralt atom, kaldes elektronaffinitet. Da atomstrukturerne for forskellige materialer er forskellige, vil elektronaffiniteten for forskellige materialer variere.

Hvis to forskellige typer metaller bliver fordøjet i samme elektrolytløsning, vil den ene få elektroner, mens den anden vil slippe elektroner. Hvilket metal (eller metallisk forbindelse) der vil få elektroner, og hvilket der vil miste elektroner, afhænger af elektronaffiniteten for disse metaller. Metallet med lav elektronaffinitet vil få elektroner fra de negative ioner i elektrolytløsningen.

På den anden side vil metallet med høj elektronaffinitet slippe elektroner, og disse elektroner kommer ud i elektrolytløsningen og tilføjes de positive ioner i løsningen. På denne måde får det ene af disse metaller elektroner, mens det andet mister elektroner. Derved vil der være en forskel i elektronkoncentration mellem disse to metaller.

Denne forskel i elektronkoncentration forårsager en elektrisk spændingsforskel mellem metallerne. Denne elektriske spændingsforskel eller emf kan bruges som en spændingskilde i enhver elektronisk eller elektrisk kredsløb. Dette er et generelt og grundlæggende princip for batterier, og dette er hvordan et batteri fungerer.

Alle battericeller er baseret på dette grundlæggende princip. Lad os diskutere dem én efter én. Som vi sagde tidligere, udviklede Alessandro Volta den første battericelle, og denne celle er kendt som den simple voltaiske celle. Denne type simple celle kan let oprettes. Tag en beholder og fyld den med opløst svovlsyre som elektrolyt. Nu fordøjer vi en zink- og en kobberstang i løsningen, og vi forbinder dem eksternt via en elektrisk belastning. Nu er din simple voltaiske celle færdig. Strøm vil begynde at strømme gennem den eksterne belastning.

Zink i opløst svovlsyre giver elektroner som følgende:

Disse Zn + + ioner passer ind i elektrolyten, og hver af Zn + + ionerne efterlader to elektroner i stangen. Som følge af den ovenstående oksidationsreaktion, bliver zinkelektroden negativt opladet og fungerer derfor som katod. Dermed øges koncentrationen af Zn + + ioner nær katoden i elektrolyten.

Ifølge egenskaberne af elektrolytet har opløst svovlsyre og vand allerede disassocieret sig til positive hydroniumioner og negative sulfat-ioner som følgende:

På grund af den høje koncentration af Zn+ + ioner nær katoden, bliver H3O+ ioner repulseret mod kobberelektroden og slipper elektroner fra atomerne i kobberstangen. Følgende reaktion finder sted ved anoden:

Som følge af reduktionsreaktionen, der finder sted ved kobberelektroden, bliver kobberstangen positivt opladet og fungerer derfor som anod.

Daniell-celle

En Daniell-celle består af en kobberbehålder, der indeholder kobbersulfatløsning. Kobberbehålderen selv fungerer som den positive elektrod. En porøs pot, der indeholder opløst svovlsyre, placeres i kobberbehålderen. En amalgameret zinkstang, der er fordøjet i svovlsyren, fungerer som den negative elektrod.

Opløst svovlsyre i den porøse pot reagerer med zink, og som resultat udfoldes brint. Reaktionen finder sted som følgende:

Dannelsen af ZnSO4 i den porøse pot påvirker ikke cellen, indtil krystalde af ZnSO4 depositeres. Brintgassen passer gennem den porøse pot og reagerer med CuSO4-løsningen som følgende:

Kobber, der dannes, depositeres i kobberbehålderen.

Batteriets historie

I 1936, midt i sommeren, blev en gammel grav opdaget under konstruktionen af en ny jernbane nær byen Bagdad i Irak. Relikvierne, der blev fundet i graven, var omkring 2000 år gamle. Blandt disse relikvier var der nogle lerpotter, der var forseglet med tjære. En jerinstang, omgivet af en cylindrisk tube lavet af en rullet kobberplade, projicerede ud fra denne forsegling.

Når opdagere fyldte disse potter med en sur flydende væske, fandt de en spændingsforskel på omkring 2 volt mellem jer og kobber. Disse lerpotter mistænkedes for at være 2000 år gamle battericeller. De navngav potten som Partiske batteri.

I 1786 blev den italienske anatomist og fysiolog Luigi Galvani overrasket, da han så, at når han rørte døde froghindben med to forskellige metaller, kontraktere musklerne i benene.

Han kunne ikke forstå den faktiske årsag, ellers ville han have været kendt som den første opfinder af battericellen. Han troede, at reaktionen kunne skyldes en egenskab hos vevet.