BATTERIJTYPES, KENMERKEN EN REACTIES - CHEMIE - 2025

Op de markt kun je verschillende soorten batterijen krijgen met hun eigen kenmerken . Batterijen, die niets meer zijn dan voltaïsche cellen, bieden consumenten het voordeel dat ze overal elektriciteit kunnen meenemen (zolang de omstandigheden niet drastisch zijn).

Batterijen kunnen over het algemeen geïsoleerd worden gekocht; maar ze worden ook in serie of parallel met elkaar gekoppeld bereikt, waarvan de set wordt wat ze batterijen noemen. En zo worden de termen 'batterijen' en 'batterijen' soms zonder onderscheid gebruikt, zelfs als ze niet hetzelfde zijn.

Alkalinebatterijen: een van de meest populaire soorten batterijen. Bron: Pexels.

Stapels kunnen in talloze kleuren, vormen en maten worden geleverd, net zoals ze van andere materialen kunnen worden gemaakt. Evenzo, en nog belangrijker, dient de interne structuur, waar de chemische reacties plaatsvinden die elektriciteit opwekken, om ze van elkaar te onderscheiden.

De afbeelding hierboven toont bijvoorbeeld drie alkalinebatterijen, een van de meest voorkomende. De term alkalisch verwijst naar het feit dat het medium waar de afgifte en stroom van elektronen plaatsvindt basisch is; dat wil zeggen, het heeft een pH groter dan 7 en OH ^- anionen en andere negatieve ladingen overheersen .

Algemeen klassement

Voordat u enkele van de verschillende soorten batterijen die er zijn, aanpakt, moet u weten dat deze wereldwijd als primair of secundair zijn geclassificeerd.

Primair

Primaire batterijen zijn batterijen die, als ze eenmaal zijn verbruikt, moeten worden weggegooid of gerecycled, aangezien de chemische reactie waarop de elektrische stroom is gebaseerd, onomkeerbaar is. Daarom kunnen ze niet worden opgeladen.

Ze worden voornamelijk gebruikt in toepassingen waar het onpraktisch is om elektrische energie op te laden; zoals in militaire apparaten, midden op het slagveld. Evenzo zijn ze ontworpen voor apparatuur die weinig energie verbruikt, zodat ze langer meegaan; bijvoorbeeld afstandsbedieningen of draagbare consoles (zoals Gameboy, Tetris en Tamagotchi).

Alkalinebatterijen, om een ​​ander voorbeeld te noemen, behoren ook tot het primaire type. Ze hebben meestal cilindrische vormen, hoewel dit niet betekent dat cilindrische batterijen niet secundair of oplaadbaar kunnen zijn.

middelbare scholen

In tegenstelling tot primaire batterijen kunnen secundaire batterijen worden opgeladen als ze leeg zijn.

Dit komt omdat de chemische reacties die daarin plaatsvinden omkeerbaar zijn en daarom, na het aanleggen van een bepaalde spanning, ervoor zorgt dat de productsoort weer reactief wordt, waardoor de reactie opnieuw begint.

Sommige secundaire cellen (batterijen genoemd) zijn meestal klein, net als de primaire; ze zijn echter bedoeld voor apparaten die meer energie verbruiken en waarvoor het gebruik van primaire batterijen economisch en energetisch onpraktisch zou zijn. Batterijen van mobiele telefoons bevatten bijvoorbeeld secundaire cellen.

Ook zijn secundaire cellen ontworpen voor grote apparatuur of circuits; bijvoorbeeld autoaccu's, die bestaan ​​uit meerdere accu's of voltaïsche cellen.

Ze zijn over het algemeen duurder dan primaire cellen en batterijen, maar voor langdurig gebruik blijken ze een geschiktere en effectievere optie te zijn.

Andere aspecten

Stapels worden geclassificeerd als primair of secundair; maar commercieel of in de volksmond worden ze meestal geclassificeerd op basis van hun vorm (cilindrisch, rechthoekig, knoptype), het beoogde apparaat (camera's, voertuigen, rekenmachines), hun namen (AA, AAA, C, D, N, A23, enz. ), en hun IEC- en ANSI-codes.

Ook kenmerken zoals hun spanning (1,2 tot 12 volt), evenals hun levensduur en prijzen, zijn verantwoordelijk voor het geven van een bepaalde classificatie in de ogen van de consument.

Lijst met batterijtypen

-Koolstof-zink

Koolstof-zinkbatterijen (ook bekend als Leclanché-cellen of zoutoplossingbatterijen) zijn een van de meest primitieve, en worden momenteel als bijna niet gebruikt in vergelijking met andere batterijen; vooral in vergelijking met alkalinebatterijen, die hoewel ze wat duurder zijn, een langere levensduur en voltages hebben.

Zoals de naam doet vermoeden, bestaan ​​de elektroden uit een zinken bus en een grafietstaaf, die respectievelijk overeenkomen met de anode en de kathode.

In de eerste elektrode, de anode, ontstaan ​​elektronen door oxidatie van metallisch zink. Deze elektronen gaan vervolgens door een extern circuit dat het apparaat van elektrische energie voorziet, en komen dan terecht bij de grafietkathode, waar de cyclus wordt voltooid door het mangaandioxide waarin het is ondergedompeld te verminderen.

Reacties

De chemische vergelijkingen voor de reacties die optreden bij de elektroden zijn:

Zn (s) → Zn ²⁺ (ac) + 2e ^- (Anode)

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) (Kathode)

Deze batterijen lijken erg op alkalinebatterijen: beide zijn cilindrisch (zoals die op de afbeelding). Koolstof-zinkbatterijen kunnen echter worden onderscheiden door de kenmerken die aan de buitenkant zijn aangegeven in detail te lezen, of als hun IEC-code wordt voorafgegaan door de letter R. Hun spanning is 1,5 V.

-Alkalisch

Alkalinebatterijen lijken erg op het koolstof-zink type, met het verschil dat het medium waar de elektroden zich bevinden OH ^- anionen bevat . Dit medium bestaat uit sterke elektrolyten van kaliumhydroxide, KOH, dat bijdraagt ​​aan de OH ^- die deelnemen en "samenwerken" in de migratie van elektronen.

Het wordt geleverd in verschillende maten en voltages, hoewel de meest voorkomende 1,5V is. Het zijn misschien wel de bekendste batterijen op de markt (bijvoorbeeld Duracell).

De reacties die optreden bij uw elektroden zijn:

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

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

Hoe sneller de temperatuur stijgt, hoe sneller de reacties optreden en hoe sneller de accu's leeglopen. Interessant is dat populaire geruchten de ronde deden om ze in de vriezer te leggen om hun levensduur te verlengen; Bij afkoeling kan de inhoud echter mogelijk stollen, wat kan leiden tot latere defecten of risico's.

Kwik

Waarschijnlijke kwikbatterij, die kan worden verward met de zilveroxidebatterij. Bron: Multicherry.

Kwikbatterijen zijn erg karakteristiek vanwege hun eigenaardige vorm van zilveren knoppen (afbeelding hierboven). Bijna iedereen zou ze op het eerste gezicht herkennen. Ze zijn ook alkalisch, maar hun kathode bevat naast grafiet en mangaandioxide ook kwikoxide, HgO; dat, na te zijn gereduceerd, wordt omgezet in metallisch kwik:

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

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

Merk op hoe OH ^- anionen worden verbruikt en geregenereerd in deze celreacties .

Omdat het kleine batterijen zijn, is het bedoeld voor kleine apparaten, zoals horloges, rekenmachines, speelgoedbesturingen, enz. Iedereen die een van deze voorwerpen heeft gebruikt, zal zich realiseren dat het bijna een "eeuwigheid" niet nodig is om de batterijen te vervangen; wat overeenkomt met ongeveer 10 jaar.

Zilveroxide

Zilveroxide batterijen. Bron: Lukas A, CZE.

Het belangrijkste defect van kwikbatterijen is dat ze, wanneer ze worden afgedankt, een ernstig probleem voor het milieu vormen vanwege de giftige eigenschappen van dit metaal. Misschien is dit de reden waarom het geen IEC- en ANSI-codes heeft. Voor zilveroxidebatterijen wordt hun IEC-code voorafgegaan door de letter S.

Een van de vervangers voor kwikbatterijen is de zilveroxidebatterij, veel duurder, maar met minder ecologische impact (bovenste afbeelding). Ze bevatten oorspronkelijk kwik om zink te beschermen tegen alkalische corrosie.

Het is verkrijgbaar met een spanning van 1,5 V en de toepassingen lijken sterk op die van de kwikbatterij. In feite zien beide batterijen er op het eerste gezicht identiek uit; hoewel er veel grotere zilveroxidepalen kunnen zijn.

De reacties op zijn elektroden zijn:

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

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

Het water ondergaat vervolgens elektrolyse en valt uiteen in H ⁺ en OH ^- ionen .

Merk op dat in plaats van kwik, metallisch zilver op de kathode wordt gevormd.

-Nikkel-cadmium (NiCad)

NiCd-batterij. Bron: LordOider.

Vanaf dit punt worden de secundaire cellen of batterijen beschouwd. Net als kwikbatterijen zijn nikkel-cadmium-batterijen schadelijk voor het milieu (voor dieren in het wild en de gezondheid) vanwege het metaal-cadmium.

Ze worden gekenmerkt door het genereren van hoge elektrische stromen en kunnen een groot aantal keren worden opgeladen. In feite kunnen ze in totaal 2000 keer worden opgeladen, wat gelijk staat aan buitengewone duurzaamheid.

De elektroden bestaan ​​uit nikkeloxidehydroxide, NiO (OH), voor de kathode en metallisch cadmium voor de anode. De chemische grondgedachte blijft in wezen hetzelfde: cadmium (in plaats van zink) verliest elektronen en cadmium NiO (OH) krijgt ze.

De halfcelreacties zijn:

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

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

De OH ^- anionen zijn weer afkomstig van de KOH-elektrolyt. NiCad-batterijen produceren dus nikkel- en cadmiummetaalhydroxiden.

Ze worden afzonderlijk of gekoppeld in pakketten gebruikt (zoals die in het geel, afbeelding hierboven). Ze komen dus in grote of kleine verpakkingen. Kleintjes vinden gebruik in speelgoed; maar de grote worden gebruikt voor vliegtuigen en elektrische voertuigen.

-Nikkel-metaalhydride (Ni-HM)

Ni-HM-batterijen. Bron: Ramesh NG van Flickr (https://www.flickr.com/photos/rameshng/5645036051)

Een andere bekende cel of batterij die qua energiecapaciteit de NiCad overtreft, is Ni-HM (nikkel en metaalhydride). Het kan worden geleverd in cilindrisch formaat (conventionele batterijen, afbeelding hierboven) of gekoppeld in een batterij.

Chemisch gezien heeft het bijna dezelfde eigenschappen als NiCad-batterijen, met als belangrijkste verschil de negatieve elektrode: de kathode is geen cadmium, maar een intermetallische legering van zeldzame aarden en overgangsmetalen.

Deze legering is verantwoordelijk voor het absorberen van de waterstof die tijdens het opladen wordt gevormd, waardoor een complex metaalhydride ontstaat (vandaar de letter H in de naam).

Hoewel Ni-HM-batterijen meer vermogen leveren (ongeveer 40% meer), zijn ze duurder, verslijten ze sneller en kunnen ze niet hetzelfde aantal keren worden opgeladen als NiCad-batterijen; dat wil zeggen, ze hebben een kortere levensduur. Ze missen echter het geheugeneffect (prestatieverlies van batterijen doordat ze niet volledig worden ontladen).

Om deze reden mogen ze niet worden gebruikt in machines die langdurig werken; hoewel dit probleem is verlicht met de LSD-NiHM-batterijen. Evenzo hebben Ni-HM-cellen of -batterijen zeer stabiele thermische eigenschappen, omdat ze bij een breed temperatuurbereik kunnen worden gebruikt zonder een risico te vormen.

Reacties

De reacties die optreden bij uw elektroden zijn:

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-lithium

Lithium-ionbatterij voor een laptop. Bron: Kristoferb van Wikipedia.

In lithiumcellen en batterijen zijn ze gebaseerd op de migratie van Li ⁺ -ionen , die worden overgedragen van de anode naar de kathode, een product van elektrostatische afstotingen als gevolg van de toenemende positieve lading.

Sommige kunnen worden opgeladen, zoals laptopbatterijen (bovenste afbeelding), en andere, cilindrische en rechthoekige batterijen (LiSO ₂ , LiSOCl ₂ of LiMnO ₂ ) kunnen dat niet.

Lithium-ionbatterijen worden gekenmerkt door zeer licht en energiek, waardoor ze in veel elektronische apparaten, zoals smartphones en medische apparatuur, kunnen worden gebruikt. Evenzo hebben ze nauwelijks last van het geheugeneffect, overtreft hun ladingsdichtheid die van NiCad- en Ni-HM-cellen en batterijen, en het duurt langer om ze te ontladen.

Ze zijn echter erg gevoelig voor hoge temperaturen, zelfs voor explosie; en bovendien zijn ze meestal duurder in vergelijking met andere batterijen. Toch worden lithiumbatterijen positief beoordeeld op de markt, en veel consumenten beoordelen ze als de beste.

- Zuur lood

Typische loodzuuraccu voor auto's. Bron: Tntflash

En tot slot bevatten loodzuurbacteriën, zoals de naam suggereert, geen OH ^- maar H ⁺ -ionen ; specifiek een geconcentreerde oplossing van zwavelzuur. De voltaïsche cellen bevinden zich in hun dozen (bovenste afbeelding), waar drie of zes in serie kunnen worden gekoppeld, waardoor respectievelijk een 6 of 12 V-batterij wordt verkregen.

Het is in staat grote hoeveelheden elektrische lading op te wekken en omdat ze erg zwaar zijn, zijn ze bedoeld voor toepassingen of apparaten die niet handmatig kunnen worden vervoerd; bijvoorbeeld auto's, zonnepanelen en onderzeeërs. Deze zuurbatterij is de oudste en komt nog steeds voor in de auto-industrie.

De elektroden zijn gemaakt van lood: PbO ₂ voor de kathode en sponsachtige metalen draad voor de anode. De reacties die daarin optreden zijn:

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)

Referenties

1. Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Chemie. (8e ed.). CENGAGE Leren.
2. Odunlade Emmanuel. (24 juli 2018). Verschillende soorten batterijen en hun toepassingen. Circuit Digest. Hersteld van: circuitdigest.com
3. TEST. (sf). Soorten batterijen. Hersteld van: prba.org
4. Isidor Buchman. (2019). Wat is de beste batterij? Batterij Universiteit. Hersteld van: batteryuniversity.com
5. De McGraw-Hill-bedrijven. (2007). Hoofdstuk 12: Batterijen. . Hersteld van: oakton.edu
6. Shapley Patricia. (2012). Veelvoorkomende batterijtypen. Universiteit van Illinois. Hersteld van: butane.chem.uiuc.edu
7. Ecologische houding. (22 januari 2017). Soorten batterijen: complete gids met de batterijen die er zijn. Hersteld van: actitudecologica.com