Batterij werkingsprincipe: Hoe werkt een batterij?

Werkingsprincipe van de batterij

Een batterij werkt op basis van oxidatie- en reductiereacties van een elektrolyt met metalen. Wanneer twee verschillende metalen, genaamd elektroden, in een verdund elektrolyt worden geplaatst, vinden oxidatie- en reductiereacties plaats in de elektroden, afhankelijk van de elektronaffiniteit van het metaal van de elektroden. Als gevolg van de oxidatiereactie wordt één elektrode negatief geladen, genaamd kathode, en als gevolg van de reductiereactie wordt de andere elektrode positief geladen, genaamd anode.

De kathode vormt de negatieve pool terwijl de anode de positieve pool van de batterij vormt. Om het basisprincipe van de batterij goed te begrijpen, moeten we eerst enkele basisconcepten over elektrolyten en elektronaffiniteit hebben. Wanneer twee verschillende metalen in een elektrolyt worden ondergedompeld, zal er een potentiaalverschil tussen deze metalen ontstaan.

Het is gevonden dat, wanneer bepaalde stoffen aan water worden toegevoegd, ze oplossen en negatieve en positieve ionen produceren. Dit soort stof wordt een elektrolyt genoemd. Bekende voorbeelden van elektrolyten zijn bijna alle soorten zouten, zuren en basen. De energie die vrijkomt bij het accepteren van een elektron door een neutraal atoom wordt elektronaffiniteit genoemd. Aangezien de atoomstructuur voor verschillende materialen verschillend is, zal de elektronaffiniteit van verschillende materialen ook verschillen.

Als twee verschillende soorten metalen in dezelfde elektrolytoplossing worden ondergedompeld, zal het ene elektronen winnen en het andere elektronen afgeven. Welk metaal (of metallisch verbond) elektronen zal winnen en welk elektronen zal verliezen, hangt af van de elektronaffiniteit van deze metalen. Het metaal met lage elektronaffiniteit zal elektronen winnen van de negatieve ionen in de elektrolytoplossing.

Aan de andere kant zal het metaal met hoge elektronaffiniteit elektronen afgeven, en deze elektronen komen in de elektrolytoplossing terecht en worden toegevoegd aan de positieve ionen in de oplossing. Op deze manier wint het ene metaal elektronen en het andere verliest elektronen. Hierdoor ontstaat er een verschil in elektronconcentratie tussen deze twee metalen.

Dit verschil in elektronconcentratie veroorzaakt een elektrisch potentiaalverschil tussen de metalen. Dit elektrische potentiaalverschil of emf kan worden gebruikt als een spanningsbron in elke elektronica of elektrisch circuit. Dit is een algemeen en basis principe van de batterij en dit is hoe een batterij werkt.

Alle batterijcellen zijn gebaseerd op dit basisprincipe. Laten we ze een voor een bespreken. Zoals we eerder zeiden, ontwikkelde Alessandro Volta de eerste batterijcel, en deze cel staat bekend als de eenvoudige voltaïsche cel. Deze soort eenvoudige cel kan gemakkelijk gemaakt worden. Neem een container en vul hem met verdund zwavelzuur als elektrolyt. Nu dompelen we een zink- en een koperstaaf in de oplossing en verbinden ze extern met een elektrische belasting. Nu is uw eenvoudige voltaïsche cel voltooid. Stroom zal beginnen te stromen door de externe belasting.

Zink in verdund zwavelzuur geeft elektronen af als volgt:

Deze Zn + + ionen gaan de elektrolyt binnen, en elk van de Zn + + ionen laat twee elektronen achter in de staaf. Als gevolg van de bovengenoemde oxidatiereactie blijft de zinkelektrode negatief geladen en fungeert dus als kathode. Daardoor neemt de concentratie van Zn + + ionen in de buurt van de kathode in de elektrolyt toe.

Volgens de eigenschappen van de elektrolyt zijn het verdunde zwavelzuur en water al gedissocieerd in positieve hydroniumionen en negatieve sulfatenionen zoals hieronder gegeven:

Vanwege de hoge concentratie van Zn+ + ionen in de buurt van de kathode, worden de H3O+ ionen weggedreven naar de koperen elektrode en ontladen door elektronen te absorberen van atomen van de koperen staaf. De volgende reactie vindt plaats aan de anode:

Als gevolg van de reductiereactie die plaatsvindt aan de koperen elektrode, wordt de koperen staaf positief geladen en fungeert daarom als anode.

Daniell-cel

De Daniell-cel bestaat uit een koperen vat met een kopersulfaatoplossing. Het koperen vat zelf fungeert als de positieve elektrode. Een poreuze pot met verdund zwavelzuur wordt in het koperen vat geplaatst. Een amalgameerde zinkstaaf, die in het zwavelzuur is ondergedompeld, fungeert als de negatieve elektrode.

Het verdunde zwavelzuur in de poreuze pot reageert met zink en als gevolg hiervan wordt waterstof geproduceerd. De reactie verloopt als volgt:

De vorming van ZnSO4 in de poreuze pot heeft geen invloed op de werking van de cel totdat kristallen van ZnSO4 worden afgezet. Het waterstofgas gaat door de poreuze pot en reageert met de CuSO4 oplossing als volgt:

Het zo gevormde koper wordt afgezet op het koperen vat.

Geschiedenis van de batterij

In het jaar 1936, midden in de zomer, werd tijdens de bouw van een nieuwe spoorlijn in de buurt van de stad Bagdad in Irak een oude graftombe ontdekt. De relikwieën die in die tombe werden gevonden, waren ongeveer 2000 jaar oud. Onder deze relikwieën waren enkele kleipotten dichtgemaakt met pek. Een ijzeren staaf, omringd door een cilindrische buis gemaakt van een gewikkeld koperen blad, stak uit deze dichte bovenkant.

Toen de ontdekkers deze potten vulden met een zuur, vonden ze een potentiaalverschil van ongeveer 2 volt tussen het ijzer en het koper. Deze kleipotten werden verdacht als 2000 jaar oude batterijcellen. Ze noemden de pot de Parthische batterij.

In 1786, kreeg Luigi Galvani, een Italiaanse anatomist en fysioloog, tot zijn verbazing te zien dat wanneer hij dode kikkerbenen aanraakte met twee verschillende metalen, de spieren van de benen samentrokken.

Hij kon de echte reden niet begrijpen, anders zou hij bekend zijn geweest als de eerste uitvinder van de batterijcel. Hij dacht dat de reactie mogelijk was door een eigenschap van de weefsels.