Batteri arbetsprincip: Hur fungerar en batteri?
Batteriets fungeringsprincip
Ett batteri fungerar genom oxidations- och reduktionsreaktioner mellan en elektrolyt och metaller. När två olika metalliska ämnen, kallade elektroder, placeras i en uttunnad elektrolyt, sker oxidations- och reduktionsreaktioner i elektroderna beroende på elektronaffiniteten hos metallerna. Som ett resultat av oxidationsreaktionen blir ena elektroden negativt laddad, kallas katod, och p.g.a. reduktionsreaktionen blir den andra elektroden positivt laddad, kallas anod.
Katoden bildar den negativa polen medan anoden bildar den positiva polen av ett batteri. För att förstå batteriets grundläggande princip korrekt, bör vi först ha några grundläggande begrepp om elektrolyter och elektronaffinitet. När två olika metaller doppas i en elektrolyt uppstår det en spänningskillnad mellan dessa metaller.
Det har visat sig att när vissa specifika föreningar tillsätts vatten, löser de upp sig och producerar negativa och positiva jon. Denna typ av förening kallas elektrolyt. Populära exempel på elektrolyter är nästan alla typer av salt, syror och baser m.m. Energin som frigörs när ett neutralt atom tar emot en elektron kallas elektronaffinitet. Eftersom atomstrukturerna för olika material är olika, kommer elektronaffiniteten för olika material att skilja sig åt.
Om två olika typer av metaller doppas i samma elektrolytlösning, kommer den ena att få elektroner och den andra att släppa elektroner. Vilken metall (eller metallisk förening) som får elektroner och vilken som släpper elektroner, beror på elektronaffiniteten hos dessa metaller. Metallen med låg elektronaffinitet kommer att få elektroner från de negativa jonerna i elektrolytlösningen.
Å andra sidan kommer metallen med hög elektronaffinitet att släppa elektroner och dessa elektroner kommer ut i elektrolytlösningen och läggs till de positiva jonerna i lösningen. På detta sätt får den ena metallen elektroner och den andra släpper elektroner. Som ett resultat uppstår det en skillnad i elektronkoncentrationen mellan dessa två metaller.
Denna skillnad i elektronkoncentration orsakar en elektrisk spänningskillnad som utvecklas mellan metallerna. Denna elektriska spänningskillnad eller emf kan användas som en spänningkälla i valfri elektronik eller elektrisk krets. Detta är en generell och grundläggande batteriprincip och detta är hur ett batteri fungerar.
Alla battericeller bygger endast på denna grundläggande princip. Låt oss diskutera dem en efter en. Som vi tidigare nämnde, utvecklade Alessandro Volta den första battericellen, och denna cell är populärt känd som den enkla voltaiska cellen. Denna typ av enkel cell kan skapas mycket enkelt. Ta en behållare och fyll den med uttunkad svavelsyra som elektrolyt. Nu doppa vi en zink- och en kopparstav i lösningen och ansluter dem externt med en elektrisk belastning. Nu är din enkla voltaiska cell klar. Ström kommer att börja flöda genom den externa belastningen.
Zink i uttunken svavelsyra ger ifrån sig elektroner som nedan:
Dessa Zn + + jon passerar in i elektrolyten, och varje Zn + + jon lämnar två elektroner i staven. Som ett resultat av ovanstående oxidationsreaktion blir zinkelektroden negativt laddad och därför fungerar den som en katod. Konsekvent ökar koncentrationen av Zn + + jon nära katoden i elektrolyten.
Enligt egenskapen hos elektrolyten har uttunken svavelsyra och vatten redan disassocierats till positiva hydroniumjon och negativa sulfatjon som nedan:
P.g.a. den höga koncentrationen av Zn+ + jon nära katoden, repelleras H3O+ jon mot kopparelektroden och avlastas genom att absorbera elektroner från atomer i kopparstaven. Följande reaktion sker vid anoden:
Som ett resultat av reduktionsreaktionen som sker vid kopparelektroden, blir kopparstaven positivt laddad och därför fungerar den som en anod.
Daniells cell
Daniells cell består av en kopparbehållare som innehåller kopparsulfatlösning. Kopparbehållaren själv fungerar som den positiva elektroden. En porös pot med uttunken svavelsyra placeras i kopparbehållaren. En amalgamerad zinkstav, doppad i svavelsyran, fungerar som den negativa elektroden.
Uttunken svavelsyra i den porösa poten reagerar med zink och som resultat frigörs väte. Reaktionen sker som nedan:
Bildandet av ZnSO4 i den porösa poten påverkar inte cellens funktion tills kristaller av ZnSO4 bildas. Vätegas passerar genom den porösa poten och reagerar med CuSO4-lösningen som nedan:
Koppar som bildas deponeras i kopparbehållaren.
Batteriets historia
I året 1936 under mitten av sommaren upptäcktes en antik grav under bygget av en ny järnvägslinje nära Bagdad i Irak. Relikvier hittade i denna grav var omkring 2000 år gamla. Bland dessa reliker fanns det några lerkrusar som var seglade överst med tjära. En järnstav, omgiven av en cylinderformad slang gjord av virad kopparplåt, stack ut från detta seglade lock.
När upptäckarna fyllde dessa krusar med en sur lösning, fann de en spänningskillnad på ungefär 2 volt mellan järnet och kopparen. Dessa lerkrusar misstänktes vara 2000-åriga battericeller. De döpte krusen till Partiska batterier.
I 1786 blev den italienske anatomen och fysiologen Luigi Galvani förvånad när han såg att när han nuddade döda grodben med två olika metaller, kontraherade benens muskler.
Han kunde inte förstå den faktiska orsaken, annars skulle han ha blivit känd som den förste uppfinnaren av battericellen. Han trodde att reaktionen kunde bero på en egenskap hos vävnaden.
