Princip rada baterije: Kako baterija radi?

Način rada baterije

Baterija radi na osnovu oksidacije i redukcije elektrolita s kovinama. Kada se dva različita kovinska materijala, nazvana elektrodama, stavljaju u razređeni elektrolit, oksidacijska i redukcijska reakcija nastaju na elektrodama, ovisno o elektronskoj afinitetu kovina elektroda. Kao rezultat oksidacijske reakcije, jedna elektroda postaje negativno nabijena, što se naziva katodom, a zbog redukcijske reakcije, druga elektroda postaje pozitivno nabijena, što se naziva anodom.

Katoda čini negativni terminal, dok anoda čini pozitivni terminal baterije. Da bi se pravilno shvatio osnovni princip rada baterije, najprije trebamo imati neke osnovne pojmove o elektrolitima i elektronskoj afinitetu. Stvar je u tome, kada se dvije različite kovine urone u elektrolit, dobit će se potencijalna razlika između tih kovina.

Utvrđeno je da, kada su određene spojeve dodane vodi, one se otopile i proizveli negativne i pozitivne iona. Ovaj tip spoja zove se elektrolit. Popularni primjeri elektrolita su gotovo sve vrste soli, kiselina i baza itd. Energija koja se oslobađa prilikom prihvaćanja elektrona neutralnim atomom poznata je kao elektronska afinitet. Budući da atomska struktura za različite materijale je različita, elektronska afinitet različitih materijala će se razlikovati.

Ako se dva različita kovinska materijala urone u isto elektrolitsko rastvorište, jedan će dobivati elektrone, a drugi će ih odbacivati. Koja kovina (ili kovinski spoj) će dobivati elektrone, a koja će ih gubit, ovisi o elektronskoj afinitetu tih kovina. Kovina s niskim elektronskim afinitetom će dobivati elektrone od negativnih iona elektrolitskog rastvora.

S druge strane, kovina s visokim elektronskim afinitetom će odbacivati elektrone, a ti elektroni će se pojaviti u elektrolitskom rastvoru i dodati pozitivnim ionima rastvora. Na taj način, jedna od tih kovina dobiva elektrone, a druga ih gubi. Rezultat toga je da će biti razlika u koncentraciji elektrona između tih dvije kovine.

Ova razlika u koncentraciji elektrona uzrokuje električnu potencijalnu razliku između kovina. Ova električna potencijalna razlika ili emf može se iskoristiti kao izvor napona u bilo kojem elektroničkom ili električnom krugu. To je opći i osnovni princip rada baterije i tako radi baterija.

Svi baterijski elementi temelje se samo na ovom osnovnom principu. Recimo to redom. Kao što smo rekli ranije, Alessandro Volta razvio je prvi baterijski element, a taj element je poznat kao jednostavna voltačka celija. Ovaj tip jednostavne celije lako se može stvoriti. Uzmite posudu i ispunite je razređenom sirotičnom kislom kao elektrolit. Sada uronimo jednu cinkovu i jednu bakrenu štapicu u rastvor i spojimo ih vanjski električnim opterećenjem. Sada je vaša jednostavna voltačka celija završena. Struja će početi teći kroz vanjsko opterećenje.

Cink u razređenoj sirotičnoj kisloj odbacuje elektrone kao što slijedi:

Ovi Zn + + joni prolaze u elektrolit, a svaki od Zn + + jonova ostavlja dva elektrona u štapici. Kao rezultat gore navedene oksidacijske reakcije, cinkova elektroda ostaje negativno nabijena i djeluje kao katoda. Tako se koncentracija Zn + + jonova blizu katode u elektrolitu povećava.

Prema svojstvu elektrolita, razređena sirotična kiselina i voda već su se disociirale u pozitivne hidronijevi jone i negativne sulfatne jone kako slijedi:

Zbog visoke koncentracije Zn+ + jonova blizu katode, H3O+ joni odbijaju se prema bakreno elektrodi i otpadaju apsorbiranjem elektrona od atoma bakrene štapice. Sljedeća reakcija događa se na anodi:

Kao rezultat redukcijske reakcije koja se odvija na bakreno elektrodi, bakrena štapica postaje pozitivno nabijena i djeluje kao anoda.

Daniellova celija

Daniellova celija sastoji se od bakrene posude koja sadrži bakreni sulfatni rastvor. Bakrena posuda sama djeluje kao pozitivna elektroda. Porozna posuda koja sadrži razređenu sirotičnu kiselinu smještena je u bakrenoj posudi. Amalgamirana cinkova štapica, uronjena unutar sirotične kiseline, djeluje kao negativna elektroda.

Razređena sirotična kiselina u poroznoj posudi reagira sa cinkom, a rezultat je da se vodik elabira. Reakcija se odvija kako slijedi:

Formiranje ZnSO4 u poroznoj posudi ne utječe na rad celije dok kristali ZnSO4 ne budu depozitirani. Plin vodika prolazi kroz poroznu posudu i reagira s CuSO4 rastvorištem kako slijedi:

Tako formirani bakar se depozitira na bakrenoj posudi.

Povijest baterije

Godine 1936., u sredinom leta, prilikom građevine nove željezničke pruge blizu Bagdada u Iraku otkriven je drevni grob. Relikvije pronađene u tom grobu bile su oko 2000 godina stare. Među tim relikvijama bile su neke glinene posude zatvorene na vrhu s pečurkom. Željezni štap, okružen cilindričnim cevom od savijenog bakrenog listića, projicirao se iz ovog zatvorenog vrha.

Kada su otkrivatelji ispunili te posude kiselim tekućinama, otkrili su potencijalnu razliku od oko 2 volti između željeza i bakra. Ove glinene posude sumnjali su da su 2000-godišnje baterijske celije. Nazvali su ih Partskom baterijom.

Godine 1786., Luigi Galvani, talijanski anatom i fiziolog, bio je iznenađen kad je vidio da se mišići mrtvih žaba skupljaju kada ih dotakne dva različita metala.

Nije mogao razumjeti pravi razlog, inače bi bio poznat kao prvi izumitelj baterijske celije. Mislio je da reakcija može biti posljedica svojstva tkiva.