- Onderdelen van alkalinebatterijen
- Basis elektrolyten
- Functioneren
- Oplaadbare batterijen
- Toepassingen
- Referenties
De alkalinebatterij is een batterij waarvan de pH van de elektrolytische samenstelling basisch is. Dit is het belangrijkste verschil tussen deze batterij en vele andere, waar de elektrolyten zuur zijn; zoals het geval is met zink-koolstofbatterijen die NH 4 Cl- zouten gebruiken , of zelfs geconcentreerd zwavelzuur in autoaccu's.
Het is ook een droge cel, aangezien de basiselektrolyten de vorm hebben van een pasta met een laag vochtgehalte; maar voldoende om een migratie van de ionen die deelnemen aan de chemische reacties naar de elektroden toe te staan, en zo het elektronencircuit te voltooien.
Bron: Mike Mozart via Flickr.
Hierboven is een Duracell 9V-batterij afgebeeld, een van de bekendste voorbeelden van alkalinebatterijen. Hoe groter de batterij, hoe langer de levensduur en werkcapaciteit (vooral als ze worden gebruikt voor energie-intensieve apparaten). Voor kleine apparaten heb je AA- en AAA-batterijen.
Een ander verschil, afgezien van de pH van hun elektrolytensamenstelling, is dat ze, oplaadbaar of niet, over het algemeen langer meegaan dan zuurbatterijen.
Onderdelen van alkalinebatterijen
In de zinkkoolstofbatterij zitten twee elektroden: een van zink en de andere van grafietkoolstof. In zijn "basisversie" bestaat een van de elektroden in plaats van grafiet uit mangaan (IV) oxide, MnO 2 gemengd met grafiet.
Het oppervlak van beide elektroden wordt verbruikt en bedekt door de vaste stoffen die het resultaat zijn van de reacties.
Bron: hoofdhouder, van Wikimedia Commons
Ook is er in plaats van een blik met een homogeen zinkoppervlak als celcontainer een serie compact discs (afbeelding boven).
In het midden van alle schijven ligt een staaf MnO 2 , aan de bovenkant waarvan een isolerende ring uitsteekt en de positieve pool (kathode) van de batterij markeert.
Merk op dat de schijven bedekt zijn met een poreuze en een metalen laag; de laatste kan ook een dunne plastic film zijn.
De basis van de cel is de negatieve pool, waar het zink oxideert en de elektronen vrijgeeft; maar deze hebben een extern circuit nodig om de bovenkant van de batterij te bereiken, de positieve pool.
Het oppervlak van het zink is niet glad, zoals bij Leclanché-cellen het geval is, maar ruw; dat wil zeggen, ze hebben veel poriën en een groot oppervlak die de activiteit van de batterij verhogen.
Basis elektrolyten
De vorm en structuur van de batterijen veranderen naargelang het type en het ontwerp. Alle alkalinebatterijen hebben echter gemeen dat hun elektrolytische samenstelling een basische pH heeft, die het gevolg is van de toevoeging van NaOH of KOH aan het pasteuze mengsel.
Eigenlijk zijn het de OH-ionen - degenen die deelnemen aan de reacties die verantwoordelijk zijn voor de elektrische energie die door deze objecten wordt geleverd.
Functioneren
Wanneer de alkalinebatterij op het apparaat is aangesloten en ingeschakeld, reageert het zink onmiddellijk met de OH - van de pasta:
Zn (s) + 2OH - (aq) => Zn (OH) 2 (s) + 2e -
De 2 elektronen die vrijkomen door de oxidatie van zink gaan naar het externe circuit, waar ze verantwoordelijk zijn voor het starten van het elektronische mechanisme van het apparaat.
Vervolgens keren ze terug naar de batterij via de positieve pool (+), de kathode; dat wil zeggen, ze reizen door de MnO 2 -grafietelektrode. Omdat de pasta een bepaalde luchtvochtigheid heeft, vindt de volgende reactie plaats:
2MnO 2 (s) + 2H 2 O (l) + 2e - => 2MnO (OH) (s) + 2OH - (aq)
Nu wordt de MnO 2 verminderd of krijgt hij de elektronen van de Zn. Om deze reden komt deze aansluiting overeen met de kathode, waar de reductie plaatsvindt.
Merk op dat de OH - aan het einde van de cyclus wordt geregenereerd om de oxidatie van Zn te hervatten; met andere woorden, ze diffunderen in het midden van de pasta totdat ze weer in contact komen met het zinkpoeder.
Evenzo zijn gasvormige producten niet gevormd, zoals bij de zinkkoolstof cel waar NH 3 en H 2 opgewekt .
Er zal een punt komen waarop het hele oppervlak van de elektrode wordt bedekt door de vaste stoffen van Zn (OH) 2 en MnO (OH), waardoor de levensduur van de batterij wordt beëindigd.
Oplaadbare batterijen
De beschreven alkalinebatterij is niet oplaadbaar, dus als deze eenmaal "leeg" is, kunt u deze niet meer gebruiken. Dit is niet het geval bij oplaadbare, die worden gekenmerkt door omkeerbare reacties.
Om de producten weer in reactanten te brengen, moet een elektrische stroom in de tegenovergestelde richting worden aangelegd (niet van anode naar kathode, maar van kathode naar anode).
Een voorbeeld van een oplaadbare alkalinebatterij is NiMH. Het bestaat uit een NiOOH-anode, die elektronen verliest aan de nikkelhydride-kathode. Wanneer de batterij wordt gebruikt, ontlaadt deze, en hier komt de bekende uitdrukking "de batterij opladen" vandaan.
Zo kan het, indien nodig, honderden keren worden opgeladen; de tijd kan echter niet volledig worden teruggedraaid en de oorspronkelijke omstandigheden worden bereikt (wat onnatuurlijk zou zijn).
Het kan ook niet op een willekeurige manier worden opgeladen: de aanbevolen richtlijnen van de fabrikant moeten worden gevolgd.
Dat is de reden waarom vroeg of laat ook deze batterijen vergaan en hun effectiviteit verliezen. Het heeft echter het voordeel dat het niet snel wegwerpbaar is, wat minder bijdraagt aan vervuiling.
Andere oplaadbare batterijen zijn nikkel-cadmium- en lithiumbatterijen.
Toepassingen
Bron: Pxhere.
Sommige varianten van alkalinebatterijen zijn zo klein dat ze kunnen worden gebruikt in horloges, afstandsbedieningen, klokken, radio's, speelgoed, computers, consoles, zaklampen, enz. Anderen zijn groter dan een beeldje van een Star Wars-kloon.
In feite zijn dit degenen op de markt die de overhand hebben op andere soorten batterijen (althans voor thuisgebruik). Ze gaan langer mee en wekken meer elektriciteit op dan conventionele Leclanché-batterijen.
Hoewel de zink-mangaanbatterij geen giftige stoffen bevat, openen andere batterijen, zoals kwikbatterijen, een debat over hun mogelijke impact op het milieu.
Aan de andere kant werken alkalinebatterijen heel goed bij een breed temperatuurbereik; Ze kunnen zelfs onder 0 ° C werken, dus ze zijn een goede bron van elektrische energie voor die apparaten die zijn omgeven door ijs.
Referenties
- Shiver & Atkins. (2008). Anorganische scheikunde. (Vierde druk). Mc Graw Hill.
- Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Chemie. (8e ed.). CENGAGE Leren.
- Bobby. (10 mei 2014). Lees meer over de meeste betrouwbare alkalinebatterijen. Hersteld van: upsbatterycenter.com
- Duracell. (2018). Veel gestelde vragen: wetenschap. Hersteld van: duracell.mx
- Boyer, Timothy. (19 april 2018). Wat is het verschil tussen alkalinebatterijen en niet-alkalinebatterijen? Wetenschappelijk. Hersteld van: sciencing.com
- Michael W. Davidson en de Florida State University. (2018). De alkaline-mangaanbatterij. Hersteld van: micro.magnet.fsu.edu