AZ AKKUMULÁTOR TÍPUSAI, JELLEMZŐI ÉS REAKCIÓI - KÉMIA - 2026

A piacon lehet kapni különböző típusú elemeket együtt a saját jellemzői. Az akkumulátorok, amelyek nem más, mint a feszültség alatt álló elemek, azzal az előnnyel járnak, hogy a fogyasztókat bárhol magával viheti (mindaddig, amíg a feltételek nem drasztikusak).

Az akkumulátorok általában szigeteltként vásárolhatók meg; de sorosan vagy párhuzamosan, egymással párosítva is elérhetők, amelyek készletét az akkumulátornak nevezik. És így van, hogy az „elemek” és az „elemek” kifejezéseket néha különbségtétel nélkül használják, még akkor is, ha nem azonosak.

Alkáli elemek: az egyik legnépszerűbb típusú elem. Forrás: Pexels.

A halmok számtalan színben, formában és méretben kaphatók, ugyanúgy, mint más anyagból is. Hasonlóképpen, és ami még fontosabb, belső szerkezete, ahol az elektromos áramot előállító kémiai reakciók zajlanak, megkülönbözteti őket egymástól.

Például a fenti képen három alkáli elem látható, amelyek az egyik leggyakoribb. Az alkalikus kifejezés arra a tényre utal, hogy a közeg, ahol az elektronok felszabadulása és áramlása történik, bázikus; azaz, hogy pH-ja nagyobb, mint 7, és OH ^- anionok és más negatív töltéseket túlsúlyban.

Általános rangsorolás

Mielőtt a különféle típusú akkumulátorokkal foglalkozna, meg kell tudni, hogy ezeket globálisan elsődleges vagy másodlagos osztályba sorolták.

Elsődleges

Az elsődleges akkumulátorok azok, amelyeket elfogyasztva el kell dobni vagy újrahasznosítani, mivel az elektromos áram alapjául szolgáló kémiai reakció visszafordíthatatlan. Ezért nem tölthetők újra.

Elsősorban olyan alkalmazásokban használják, ahol nem praktikus az elektromos energia újratöltése; például a katonai eszközökben, a csatatér közepén. Hasonlóképpen, olyan berendezésekre tervezték, amelyek kevés energiát fogyasztanak, így hosszabb ideig tartanak; például távirányítók vagy hordozható konzolok (például Gameboy, Tetris és Tamagotchi).

Az alkáli elemek, még egy példa említésére, szintén az elsődleges típushoz tartoznak. Általában hengeres alakúak, bár ez nem jelenti azt, hogy a hengeres akkumulátorok nem lehetnek másodlagosak vagy újratölthetők.

középiskolák

Az elsődleges akkumulátoroktól eltérően a másodlagos akkumulátorokat újratöltheti, ha lemerül az energia.

Ennek oka az, hogy a bennük zajló kémiai reakciók visszafordíthatók, és ezért egy bizonyos feszültség alkalmazása után a termékfajok ismét reaktívvá válnak, és ezáltal újra elindítják a reakciót.

Néhány másodlagos elem (úgynevezett elem) általában kicsi, mint az elsődleges cellák; mindazonáltal olyan készülékekhez készültek, amelyek több energiát fogyasztanak, és amelyekre az elsődleges akkumulátorok használata gazdasági és energetikai szempontból nem lenne praktikus. Például a mobiltelefon akkumulátorai másodlagos cellákat tartalmaznak.

A szekunder cellákat nagy készülékekhez vagy áramkörökhöz is tervezték; például autóakkumulátorok, amelyek több elemből vagy feszültségű elemből állnak.

Általában drágábbak, mint az elsődleges elemek és elemek, de hosszú távú használatra sokkal megfelelőbb és hatékonyabb megoldás.

Egyéb szempontok

A halmokat elsődleges vagy másodlagos osztályba sorolják; de a kereskedelem vagy a népszerűség szerint általában osztályozzák alakjuk (hengeres, téglalap alakú, gombos típusú), a tervezett eszköz (kamerák, járművek, számológépek), nevük (AA, AAA, C, D, N, A23 stb.) szerint.), valamint azok IEC és ANSI kódjai.

Ugyanakkor az olyan tulajdonságok, mint a feszültségük (1,2–12 V), valamint hasznos élettartamuk és árai felelősek bizonyos osztályozásért a fogyasztó szemében.

Az elemtípusok listája

Cx-cink

A szén-cink akkumulátorok (más néven Leclanché elemek vagy fiziológiás sós elemek) az egyik legelterjedtebbek, és jelenleg a többi elemhez képest szinte használaton kívülinek tekintik; különösen az alkáli elemekhez képest, amelyek kissé drágábbak, hosszabb élettartamúak és feszültségűek.

Amint a neve is sugallja, az elektródjai cinkkannából és grafitrúdból állnak, amelyek megfelelnek az anódnak és a katódnak.

Az első elektródban, az anódban, az elektronok a fém cink oxidációjával származnak. Ezek az elektronok ezután egy külső áramkörön áthaladnak, amely az eszközt elektromos energiával látja el, majd a grafit-katódon végzik, ahol a ciklus azzal a mangán-dioxid-redukcióval fejeződik be, amelybe belemerül.

reakciók

Az elektródokon zajló reakciók kémiai egyenletei:

Zn (ek) → Zn ²⁺ (ac) + 2e ^- (anód)

2 MnO ₂ (s) + 2e ^- + 2 NH ₄ Cl (aq) → Mn ₂ O ₃ (s) + 2 NH ₃ (aq) + H ₂ O (l) + 2 Cl ^- (aq) (katód)

Ezek az elemek nagyon hasonlóak az alkáli elemekhez: mindkettő hengeres (mint például a képen). A szén-cink akkumulátorok azonban megkülönböztethetők a külső részen feltüntetett jellemzők részletes leolvasásával, vagy ha IEC kódját R betű előzi meg. Feszültségük 1,5 V.

-Lúgos

Az alkáli elemek nagyon hasonló a szén-cink típusú, azzal a különbséggel, hogy a közeg, ahol az elektródák vannak elhelyezve tartalmazza OH ^- anionok. Ez a közeg erős kálium-hidroxid elektrolitokból (KOH) áll, amelyek hozzájárulnak az OH-hoz ^- amelyek részt vesznek és "együttműködnek" az elektronok vándorlásában.

Különböző méretű és feszültségű, de a leggyakoribb 1,5 V. Talán ezek a legismertebb akkumulátorok a piacon (például Duracell).

Az elektródoknál fellépő reakciók a következők:

Zn (s) + 2OH ^- (aq) → ZnO (s) + H ₂ O (l) + 2e ^- (anód)

2MnO ₂ (s) + H ₂ O (l) + 2e ^- → Mn ₂ O ₃ (s) + 2OH ^- (aq) (katód)

A hőmérséklet emelkedésével minél gyorsabb a reakció, és annál gyorsabban merülnek fel az elemek. Érdekes módon a népszerű pletykák elterjedtek, hogy élettartamuk meghosszabbítása érdekében őket fagyasztóba helyezzék; Hűtve azonban tartalma megszilárdulhat, ami későbbi hibákhoz vagy kockázatokhoz vezethet.

Higany

Valószínű higany elem, amely összetéveszthető az ezüst-oxid elemmel. Forrás: Multicherry.

A higanyelemek nagyon jellemzőek az ezüstgombok jellegzetes alakja miatt (a fenti kép). Első pillantásra szinte mindenki felismeri őket. Ezek szintén lúgosak, de katódjuk a grafit és a mangán-dioxid mellett a higany-oxidot és a HgO-t is tartalmazza; amely redukció után fémes higanyá alakul:

Zn (s) + 2OH ^- (aq) → ZnO (s) + H ₂ O (l) + 2e ^-

HgO (s) + H ₂ O + 2e ^- → Hg (ek) + 2OH ^-

Figyeld meg, hogy OH ^- anionok fogyasztása és regenerálni, ezeknek a sejteknek reakciókat.

Kis elemként, kis készülékekhez, például órákhoz, számológépekhez, játékvezérlőkhöz stb. Bárki, aki e tárgyak valamelyikét felhasználta, rájön, hogy szinte "örökkévalóságig" nem kell cserélni az elemeket; ami körülbelül 10 évnek felel meg.

Ezüst-oxid

Ezüst-oxid elemek. Forrás: Lukas A, CZE.

A higanyelemek fő hibája az, hogy a hulladéklerakás során a fém mérgező tulajdonságai miatt komoly problémát jelentenek a környezet számára. Talán ezért hiányzik az IEC és ANSI kód. Az ezüst-oxid-akkumulátorok esetében az IEC-kódot S betű előzi meg.

A higanyelemek egyik helyettesítője az ezüst-oxid-akkumulátornak felel meg, sokkal drágább, de kevésbé ökológiai hatással (felső kép). Eredetileg higanyt tartalmaztak, hogy megvédjék a cinket az alkalikus korrózió ellen.

1,5 V feszültséggel kapható, és alkalmazásai nagyon hasonlóak a higanyakkumulátoréhoz. Valójában első pillantásra mindkét elem azonosnak tűnik; bár lehetnek sokkal nagyobb ezüst-oxid cölöpök.

Az elektródok reakciói a következők:

Zn (s) + 2OH ^- (aq) → Zn (OH) ₂ (s) + 2 e ^-

Ag ₂ O (s) + 2H ⁺ (aq) + 2e ^- → 2Ag (s) + H ₂ O (l)

A víz ezt követően megy elektrolízis, bomló be H ⁺ és OH ^- ionok.

Vegye figyelembe, hogy a higany helyett fém ezüst képződik a katódon.

-Nikkel-kadmium (NiCad)

NiCd akkumulátor. Forrás: LordOider.

Ettől a ponttól kezdve a szekunder cellákat vagy az elemeket figyelembe veszik. A higanyelemekhez hasonlóan a nikkel-kadmium elemek károsak a környezetre (a vadon élő állatok és az egészség számára) a fém-kadmium miatt.

Ezeket nagy elektromos áram generálása jellemzi, és számos alkalommal újratölthetők. Valójában összesen 2000 alkalommal tölthetők újra, ami megegyezik a rendkívüli tartóssággal.

Elektródjai nikkel-oxid-hidroxidból, NiO (OH) -ból állnak a katódhoz, és fém-kadmiumból az anódhoz. A kémiai indoklás lényegében változatlan: a kadmium (a cink helyett) elveszíti az elektronokat, és a kadmium NiO (OH) nyeri őket.

A félcellás reakciók a következők:

Cd (s) + 2OH ^- (aq) → Cd (OH) ₂ (s) + 2e ^-

2NiO (OH) (ek) + 2H ₂ O (l) + 2e ^- → 2Ni (OH) ₂ (ek) + OH ^- (aq)

Az OH ^- anionok, ismét jönnek a KOH elektrolit. A NiCad akkumulátorok ekkor nikkel- és kadmium-fém-hidroxidokat termelnek.

Ezeket külön-külön használják, vagy csomagokban csatolják (például a sárga képen, a fenti képen). Tehát nagy vagy kis csomagokban érkeznek. A kicsik használják a játékokat; de a nagyokat repülőgépekre és elektromos járművekre használják.

-Nikkel-fém-hidrid (Ni-HM)

Ni-HM elemek. Forrás: Ramesh NG a Flickr-től (https://www.flickr.com/photos/rameshng/5645036051)

Egy másik jól ismert elem vagy elem, amely energiakapacitása felett meghaladja a NiCad, a Ni-HM (nikkel- és fémhidrid). Lehet hengeres formátumban (hagyományos akkumulátorok, a fenti ábra), vagy akkumulátorral összekapcsolva.

Kémiai szempontból szinte azonos tulajdonságokkal rendelkezik, mint a NiCad akkumulátorok, fő különbség a negatív elektródja: a katód nem kadmium, hanem ritkaföldfémek és átmeneti fémek intermetall ötvözete.

Ez az ötvözet felelős a töltés során képződött hidrogén abszorpciójában, és így komplex fémhidrid képződik (így a neve H betűje).

Noha a Ni-HM akkumulátorok több energiát szolgáltatnak (kb. 40% -kal több), drágábbak, gyorsabban elhasználódnak és nem tölthetők fel ugyanolyan alkalommal, mint a NiCad akkumulátorok; vagyis rövidebb hasznos élettartamúak. Hiányzik azonban a memóriahatás (az akkumulátorok teljesítménye elveszik, mert nem merültek fel teljesen).

Éppen ezért nem szabad használni azokat a gépeket, amelyek hosszú távon működnek; bár ezt a problémát enyhítették az LSD-NiHM akkumulátorok. Hasonlóképpen, a Ni-HM elemek vagy elemek nagyon stabil hőkarakterisztikájúak, széles hőmérsékleti tartományban működtethetők, és nem jelentenek kockázatot.

reakciók

Az elektródoknál fellépő reakciók a következők:

Ni (OH) ₂ (s) + OH ^- (aq) ⇌ NiO (OH) (s) + H ₂ O (l) + e ^-

H ₂ O (l) + M (s) + e ^- ⇌ OH ^- (aq) + MH (s)

Ion-lítium

Lítium-ion akkumulátor laptophoz. Forrás: Kristoferb a Wikipedia-ból.

A lítium cellákban és az akkumulátorokban a Li ⁺ ionok migrációján alapulnak, amelyek az anódból a katódba kerülnek. Ez az elektrosztatikus repuláció terméke a növekvő pozitív töltés miatt.

Néhányan újratölthetők, például laptop akkumulátorok (felülnézet), mások pedig hengeres és téglalap alakú akkumulátorok (LiSO ₂, LiSOCl ₂ vagy LiMnO ₂) nem tölthetők fel.

A lítium-ion akkumulátorokat nagyon könnyű és energikus tulajdonságok jellemzik, ami lehetővé teszi számukra sok elektronikus eszközben, például okostelefonokban és orvosi berendezésekben történő felhasználást. Hasonlóképpen, alig szenvednek a memória hatástól, töltöttsűrűségük meghaladja a NiCad és Ni-HM cellák és akkumulátorok sűrűségét, és hosszabb ideig tartanak a töltés.

Ezek azonban nagyon érzékenyek a magas hőmérsékletre, még felrobbannak is; és ezen túlmenően általában drágábbak, mint más akkumulátorok. Ennek ellenére a lítium akkumulátorokat kedvezően tekintik a piacon, és sok fogyasztó ezeket a legjobbnak értékeli.

-Savas ólom

Jellemző ólomsav akkumulátor gépjárművekhez. Forrás: Tntflash

És végül, az ólomsavbaktériumok, amint a neve is sugallja, nem tartalmaznak OH ^- hanem H ⁺ -ionokat; pontosabban egy kénsav tömény oldata. A fénysugár cella a dobozukban található (felső kép), ahol három vagy hat sorba kapcsolható, így 6 vagy 12 V-os akkumulátort kap.

Nagy mennyiségű elektromos töltést képes generálni, és mivel nagyon nehézek, olyan alkalmazásokhoz vagy készülékekhez szánják őket, amelyeket nem lehet kézzel szállítani; például autók, napelemek és tengeralattjárók. Ez a savas akkumulátor a legrégebbi, és az autóiparban továbbra is működik.

Elektródái ólomból készültek: PbO ₂ a katódhoz, és szivacsos fém ólom az anódhoz. Ezekben a következő reakciók alakulnak ki:

Pb (s) + HSO ^- ₄ (aq) → PbSO ₄ (s) + H ⁺ (aq) + 2e ^-

PbO ₂ (s) + HSO ^- ₄ (aq) + 3H ⁺ (aq) + 2e ^- → PbSO ₄ (s) + 2H ₂ O (l)

Irodalom

1. Whitten, Davis, Peck és Stanley. (2008). Kémia. (8. kiadás). CENGAGE Tanulás.
2. Odunlade Emmanuel. (2018. július 24.) Különböző típusú elemek és alkalmazásuk. Circuit Digest. Helyreállítva: circuitdigest.com
3. TESZT. (Sf). Az elemek típusai. Helyreállítva: prba.org
4. Isidor Buchman. (2019). Mi a legjobb akkumulátor? Battery University. Helyreállítva: batteryuniversity.com
5. A McGraw-Hill társaságok. (2007). 12. fejezet: Elemek.. Helyreállítva: oakton.edu
6. Shapley Patricia. (2012). Általános típusú akkumulátorok. Illinoisi Egyetem. Helyreállítva: butane.chem.uiuc.edu
7. Ökológiai attitűd. (2017. január 22.) Az elemek típusai: teljes útmutató a meglévő elemekkel. Helyreállítva: actitudecologica.com