Princip rada baterije: Kako baterija radi?

Princip rada baterije

Baterija radi na principu oksidacije i redukcije elektrolita sa metaličnim materijalima. Kada se dva različita metalična materijala, zvani elektrodi, postave u razređeni elektrolit, oksidacija i redukcija se odvijaju na elektrodama u zavisnosti od elektronske afiniteta metala na elektrodama. Kao rezultat oksidacione reakcije, jedan elektrod postaje negativno nabijen, što se naziva katodom, a zbog reakcije redukcije, drugi elektrod postaje pozitivno nabijen, što se naziva anodom.

Katoda čini negativni terminal, dok anoda čini pozitivni terminal baterije. Da bi se pravilno shvatio osnovni princip rada baterije, najpre treba imati osnovno znanje o elektrolitima i elektronskoj afinitetu. Zapravo, kada su dva različita metala uronjena u elektrolit, nastaje razlika potencijala između ovih metala.

Utvrđeno je da, kada su neki specifični spojevi dodati vodi, oni se rastvaraju i proizvode negativne i pozitivneione. Ovaj tip spoja se naziva elektrolit. Popularni primeri elektrolita su gotovo svi vrste sova, kiselina i baza itd. Energija koja se oslobađa tokom prihvatanja elektrona neutralnim atomom poznata je kao elektronska afinitet. Budući da su atomske strukture za različite materijale različite, elektronska afinitet različitih materijala će biti različit.

Ako su dva različita metala uronjena u isto rastvor elektrolita, jedan će dobiti elektrone, a drugi će ih ispuštati. Koji metal (ili metalični spoj) će dobiti elektrone, a koji će ih gubit, zavisi od elektronske afiniteta ovih metala. Metal sa niskim elektronskim afinitetom će dobiti elektrone od negativnih iona rastvora elektrolita.

Sa druge strane, metal sa visokim elektronskim afinitetom će ispuštati elektrone, a ti elektroni će izaći u rastvor elektrolita i pripasti pozitivnim ionima rastvora. Na taj način, jedan od ovih metala dobija elektrone, a drugi ih gubi. Kao rezultat, nastaje razlika u koncentraciji elektrona između ova dva metala.

Ova razlika u koncentraciji elektrona dovodi do razlike u električnom potencijalu između metala. Ova električna razlika potencijala ili EMF može se koristiti kao izvor napona u bilo kom elektronskom ili električnom krugu. Ovo je opšti i osnovni princip rada baterije i to je kako baterija funkcioniše.

Svi baterijski celiji bazirani su samo na ovom osnovnom principu. Recimo po jedan po jedan. Kao što smo već rekli, Alessandro Volta je razvio prvu baterijsku celiju, a ta celija je poznata kao jednostavna volta čelija. Ovaj tip jednostavne čelije može se lako kreirati. Uzmite kontejner i ispunite ga razređenom sirotom kiselinom kao elektrolitom. Sada uronite jednu cinkovu i jednu bakrenu štapicu u rastvor i spojite ih vanjski električnim opterećenjem. Sada je vaša jednostavna volta čelija završena. Struja će početi teći kroz vanjsko opterećenje.

Cink u razređenoj sirotom kiselini odbacuje elektrone kako sledi:

Ovi Zn + + ioni prođu u elektrolit, a svaki od Zn + + iona ostavlja dva elektrona u štapici. Kao rezultat gore navedene oksidacione reakcije, cink elektroda ostaje negativno nabijen, pa deluje kao katoda. Takođe, koncentracija Zn + + iona blizu katode u elektrolitu se povećava.

Prema svojstvima elektrolita, razređena sirot kiselina i voda su već disocirale na pozitivne hidronijum iona i negativne sulfat iona kako sledi:

Zbog visoke koncentracije Zn+ + iona blizu katode, H3O+ ioni se otjeruju ka bakreno elektrodi i diskontinuirano apsorbiraju elektrone od atoma bakrene štapice. Sledeća reakcija se odvija na anodi:

Kao rezultat reakcije redukcije koja se odvija na bakreno elektrodi, bakrena štapica postaje pozitivno nabijena, pa deluje kao anoda.

Daniell čelija

Daniell čelija sastoji se od bakrenog posuda koja sadrži rastvor sulfata bakra. Sam bakreni posud deluje kao pozitivna elektroda. Porozna posuda koja sadrži razređenu sirčanu kiselinu smještena je u bakreni posud. Amalgamirana cinkasta štapica, uronjena unutar sirčane kiseline, deluje kao negativna elektroda.

Razređena sirčana kiselina u poroznoj posudi reagira sa cinkom i kao rezultat hidrogen se elabira. Reakcija se odvija kako sledi:

Formiranje ZnSO4 u poroznoj posudi ne utiče na rad čelije sve dok kristali ZnSO4 ne budu depone. Plin hidrogen prolazi kroz poroznu posudu i reagira sa CuSO4 rastvorom kako sledi:

Bakar tako formiran se deponuje na bakrenom posudu.

Istorija baterije

Godine 1936, usred leta, otkrih se drevni grob tijekom građevine nove željezničke pruge blizu grada Bagdad u Iraku. Relikvije pronađene u tom grobu bile su oko 2000 godina stare. Među ovim relikvijama bile su neke glinske posude zapljusnute brikom. Željezni štap, okružen cilindričnim cevom napravljenom od savijenog bakrenog listića, izbacivao se iz ovog zapljusnutog vrha.

Kada su otkrivatelji ispunili ove posude kiselim tečnjem, otkrili su razliku potencijala od oko 2 volti između željeza i bakra. Ove glinske posude sumnjali su da su 2000-godišnje staro baterijske celije. Nazvali su ih Partianska baterija.

Godine 1786, Luigi Galvani, talijanski anatom i fiziolog, bio je iznenaden vidom da su mišići nogu mrtvih žaba skupljalile kada ih je dotakao sa dva različita metala.

Nije shvatio stvarni razlog, inače bi bio poznat kao prvopronalazač baterijske celije. Mislio je da reakcija može biti posljedica osobine tkiva.