Paristot ja akut — miten kemiallinen kenno tuottaa sähköä

Paristot ja akut: miten kemiallinen kenno tuottaa sähköä — ymmärrä ladattavien ja kertakäyttöisten akkujen toiminta, historia ja käytännön vinkit arkeen.

Tekijä: Leandro Alegsa

Kemiallinen kenno muuntaa kemiallisen energian sähköenergiaksi. Useimmat akut ovat kemiallisia kennoja. Akun sisällä tapahtuu kemiallinen reaktio, joka saa aikaan sähkövirran kulun. Periaatteessa kyse on kahden erilaisten aineiden välisten hapettumis–pelkistymisreaktioiden (redox) hyödyntämisestä siten, että elektroneja siirtyy aineelta toiselle ulkoisen johdon kautta — tämän elektronivirran voi käyttää sähkölaitteiden toimintaan.

Miten kemiallinen kenno tuottaa sähköä

Kemiallinen kenno koostuu yleensä kahdesta elektrodista (anodi ja katodi) ja niitä erottavasta elektrolyytistä. Lyhyesti:

  • Anodi (negatiivinen napa): kemiallisessa reaktiossa aine hapettuu ja luovuttaa elektroneja.
  • Kathodi (positiivinen napa): vastaanottaa elektroneja ja pelkistyy.
  • Elektrolyytti: ionien johtava aine, joka sallii varauksen tasapainottamisen kennon sisällä ilman, että elektronit kulkevat suoraan elektrodien välillä.
  • Elektronit kulkevat anodilta katodille ulkoisen piirin kautta — tämä elektronivirta on hyödyllinen sähköenergia.

Kennojen jännite riippuu käytetyistä kemikaaleista ja reaktioiden energiasta. Esimerkiksi tavallinen alkaliparisto antaa noin 1,5 V, NiMH- ja NiCd-kennot noin 1,2 V, ja litiumioniakut tyypillisesti noin 3,6–3,7 V per kenno.

Ladattavat ja ei-ladattavat paristot

Paristoja on kahta päätyyppiä - ladattavia ja ei-ladattavia.

Ei-ladattava akku (primääriparisto) tuottaa sähköä, kunnes sen sisältämät kemikaalit on käytetty loppuun. Tällaisia kutsutaan usein "käytä ja heitä" -paristoiksi. Yleisiä primäärikemioita ovat sinkki-hiili ja alkaliparistot.

Ladattava akku (toissijainen kenno) voidaan ladata uudelleen johtamalla sähkövirta taaksepäin kennon läpi; tämän reversoivan virran vaikutuksesta kemialliset reaktiot kääntyvät, ja akku voidaan käyttää uudelleen tuottamaan lisää sähköä. Ranskalainen tiedemies Gaston Plante keksi nämä ladattavat akut vuonna 1859 (lyijyakun periaate).

Termistössä suomen kielessä "paristo" usein viittaa kertakäyttöiseen kennon, kun taas "akku" tarkoittaa ladattavaa yksikköä — käyttö vaihtelee arkipuheessa.

Yleisiä paristokemioita ja ominaisuuksia

  • Sinkki-hiili (zink-hiili): edullinen, käytetty perusparistoissa, alhainen kapasiteetti ja lyhyempi käyttöikä.
  • Alkaliparisto: yleisin kertakäyttöinen paristo, parempi kapasiteetti ja varaus säilyy pitkään.
  • NiCd (nikkelikadmium): varhainen ladattava tyyppi, kestävä mutta kärsii muistiefektistä ja sisältää myrkyllistä kadmiumia.
  • NiMH (nikkelimetallihydridi): korvasi monissa sovelluksissa NiCd:n, suurempi kapasiteetti ja vähemmän ympäristöhaittoja.
  • Lyijyakku: käytetään autoissa; raskas mutta suuritehoinen ja erittäin kierrätettävä. Auton 12 V akku koostuu kuudesta 2 V kennosta sarjassa.
  • Litium-ioni (Li-ion): korkea energiatiheys, kevyt ja yleinen kannettavissa laitteissa ja sähköautoissa; vaatii suojaelektroniikkaa ylikuormituksen ja ylikuumenemisen estämiseksi.

Paristojen kapasiteetti mitataan yleensä milliampeeritunteina (mAh) tai ampeeritunteina (Ah). Energiatiheys ilmoitetaan wattitunteina per kilogramma (Wh/kg).

Käyttö, turvallisuus ja ympäristö

  • Älä oikosulje paristoja tai akkuja — se voi aiheuttaa voimakkaan virtapiikin, kuumenemisen ja jopa palon.
  • Sekoitettujen merkkien tai eri ikäisten paristojen käyttäminen yhdessä voi aiheuttaa epätasaista kuormitusta ja vuotoja; laitteissa suositellaan käyttämään samanlaisia ja saman ikäisiä kennoja.
  • Lataus: käytä aina valmistajan suosittelemaa laturia ja latausprofiilia. Litiumakkuja ei tule yliladata tai ladata liian korkeassa lämpötilassa; se voi aiheuttaa lämmönnousun ja harvinaisissa tapauksissa thermal runaway -ilmiön.
  • Itsepurkautuminen: ladattavat kennot menettävät varauksensa hitaasti myös käyttämättöminä. NiMH-kennoilla on korkeampi itsepurkautuminen kuin litium-ioni-kennoilla.
  • Kierrätys ja hävittäminen: monet paristot sisältävät raskasmetalleja tai muita haitallisia aineita. Esim. lyijyakut ja käytetyt litiumakut tulee viedä asianmukaisiin kierrätyspisteisiin. Lyijyakut ovat erittäin kierrätettyjä, kun taas litiumakkujen kierrätys on haastavampaa mutta tärkeää.
  • Selkeät merkkaukset: paristoissa on yleensä navat merkittynä + ja −. Myös muodot (AA, AAA, C, D, 9 V) ovat standardoituja fyysisiä kokoja, joita laitteet käyttävät.

Käyttökohteet ja esimerkkejä

Paristoja on monen muotoisia ja kokoisia, hyvin pienistä leluissa ja kameroissa käytettävistä paristoista autoissa käytettäviin paristoihin ja jopa suurempiin paristoihin. Sukellusveneissä tarvitaan erittäin suuria akkuja. Sähköajoneuvot käyttävät suuria litiumioniakkupaketteja, kun taas kannettavat laitteet hyötyvät kevyistä ja korkeatiheisistä kennoista.

Lyhyt historiallinen viite: ensimmäinen elektrochemiallinen paristo kehitettiin Alessandro Voltan voltaattisessa pinossa noin 1800, Daniell-kenno toi käytännöllisemmän ja stabiilimman lähteen myöhemmin, ja Gaston Planten kehitys 1859 johti käytännölliseen ladattavaan lyijyakkuun.

Yhteenvetona: kemiallinen kenno tuottaa sähköä kontrolloidulla kemiallisella reaktiolla, ja eri kennotyypit soveltuvat eri käyttötarkoituksiin riippuen energiatiheydestä, kustannuksista, turvallisuudesta ja kierrätettävyydestä. Oikea käyttö, lataus ja hävittäminen pidentävät kennon käyttöikää ja vähentävät ympäristövaikutuksia.

Kemialliset solutyypit

Sähkökemialliset kennot

Erästä erittäin tärkeää hapettumis- ja pelkistymisreaktioiden luokkaa käytetään tuottamaan hyödyllistä sähköenergiaa akuissa. Yksinkertainen sähkökemiallinen kenno voidaan valmistaa kupari- ja sinkkimetalleista ja niiden sulfaattiliuoksista. Reaktiossa elektronit voivat siirtyä sinkistä kupariin sähköä johtavaa reittiä pitkin hyödyllisenä sähkövirtana.

Sähkökemiallinen kenno voidaan luoda sijoittamalla metalliset elektrodit elektrolyyttiin, jossa kemiallinen reaktio joko käyttää tai tuottaa sähkövirtaa. Sähkövirtaa tuottavia sähkökemiallisia kennoja kutsutaan volttikennoiksi tai galvaanisiksi kennoiksi, ja tavalliset akut koostuvat yhdestä tai useammasta tällaisesta kennosta. Muissa sähkökemiallisissa kennoissa käytetään ulkoisesti syötettyä sähkövirtaa sellaisen kemiallisen reaktion käynnistämiseen, joka ei tapahdu spontaanisti. Tällaisia kennoja kutsutaan elektrolyyttisiksi kennoiksi.

Voltaiset kennot

Sähkökemiallinen kenno, joka aiheuttaa ulkoisen sähkövirran kulun, voidaan luoda käyttämällä mitä tahansa kahta eri metallia, koska metalleilla on erilainen taipumus menettää elektroneja. Sinkki menettää elektroneja helpommin kuin kupari, joten sinkki- ja kuparimetallien sijoittaminen niiden suolojen liuoksiin voi aiheuttaa elektronien virtauksen ulkoisen johtimen läpi, joka johtaa sinkistä kupariin. Kun sinkkiatomi antaa elektroneja, siitä tulee positiivinen ioni ja se menee vesiliuokseen, jolloin sinkkielektrodin massa pienenee. Kuparin puolella saadut kaksi elektronia mahdollistavat sen, että se muuttaa liuoksesta tulevan kupari-ionin varauksettomaksi kupariatomiksi, joka laskeutuu kuparielektrodille, jolloin sen massa kasvaa. Nämä kaksi reaktiota kirjoitetaan tyypillisesti seuraavasti

Zn(s) --> Zn2+(aq) + 2e

Cu2+(aq) + 2e ---> Cu(s)

Suluissa olevat kirjaimet ovat vain muistutus siitä, että sinkki siirtyy kiinteästä aineesta (s) vesiliuokseen (aq) ja kupari päinvastoin. Sähkökemian kielessä on tyypillistä kutsua näitä kahta prosessia "puolireaktioiksi", jotka tapahtuvat kahdessa elektrodissa.

Zn(s) -> Zn2+(aq) + 2e

Sinkin "puolireaktio" luokitellaan hapettumiseksi, koska se menettää elektroneja. Päätettä, jossa hapettuminen tapahtuu, kutsutaan "anodiksi". Pariston tapauksessa tämä on negatiivinen napa.

 

Kuparin "puolireaktio" luokitellaan pelkistymiseksi, koska se saa elektroneja. Pääte, jossa pelkistyminen tapahtuu, on nimeltään "katodi". Paristossa tämä on positiivinen napa.

Cu2+(aq) + 2e- -> Cu(s)

Jotta volttikenno voisi jatkaa ulkoisen sähkövirran tuottamista, liuoksessa olevien sulfaatti-ionien on siirryttävä oikealta vasemmalle, jotta elektronivirta ulkoisessa virtapiirissä tasapainottuisi. Itse metalli-ionien liikkuminen elektrodien välillä on estettävä, joten jonkinlaisen huokoisen kalvon tai muun mekanismin on huolehdittava siitä, että negatiiviset ionit liikkuvat elektrolyytissä valikoivasti oikealta vasemmalle.

Tarvitaan energiaa, jotta elektronit siirtyisivät sinkistä kuparielektrodiin, ja volttikennosta saatavaa energiamäärää varauksen yksikköä kohti kutsutaan kennon sähkömotoriseksi voimaksi (emf). Energia latausyksikköä kohti ilmaistaan voltteina (1 voltti = 1 joule/coulomb).

Jotta solusta saataisiin energiaa, on selvästikin saatava enemmän energiaa vapautumaan sinkin hapettumisesta kuin kuparin pelkistymiseen kuluu. Kennosta voidaan saada rajallinen määrä energiaa tästä prosessista, sillä prosessia rajoittaa joko elektrolyytissä tai metallielektrodeissa käytettävissä olevan materiaalin määrä. Jos esimerkiksi kuparin puolella olisi yksi mooli sulfaatti-ioneja SO42-, prosessi rajoittuu kahden moolin elektronien siirtämiseen ulkoisen virtapiirin kautta. Elektronimoolin sisältämää sähkövarauksen määrää kutsutaan Faradayn vakioksi, ja se on yhtä suuri kuin Avogadron luku kertaa elektronin varaus:

Faradayn vakio = F = ANe = 6,022 x 1023 x 1,602 x 10 -19= 96,485 Coulombia/mooliin.

Voltakennon energiantuotto saadaan kertomalla kennon jännite kertaa siirrettyjen elektronien moolien määrä kertaa Faradayn vakio.

Sähköenergian tuotos = nFE

Kennon emf Ecell voidaan ennustaa kahden metallin vakioelektrodipotentiaalien perusteella. Sinkki-kupari-kennolle vakio-olosuhteissa laskettu kennopotentiaali on 1,1 volttia.

Yksinkertainen solu

Yksinkertaisessa kennossa on tyypillisesti kuparia (Cu) ja sinkkiä (Zn) sisältäviä levyjä laimeassa rikkihapossa. Sinkki liukenee ja kuparilevylle ilmestyy vetykuplia. Nämä vetykuplat häiritsevät virran kulkua, joten yksinkertaista kennoa voidaan käyttää vain lyhyen aikaa. Tasaisen virran saamiseksi tarvitaan depolarisaattori (hapettava aine) hapettamaan vety. Danielin kennossa depolarisaattori on kuparisulfaatti, joka vaihtaa vedyn kupariin. Leclanchen akussa depolarisaattori on mangaanidioksidi, joka hapettaa vedyn vedeksi.

Yksinkertainen soluZoom
Yksinkertainen solu

Daniel solu

Englantilainen kemisti John Frederick Daniell kehitti vuonna 1836 volttikennon, jossa käytettiin sinkkiä ja kuparia sekä niiden ioniliuoksia.

Avain

  • Sinkkitanko = negatiivinen liitin
  • 2HSO4 = laimea rikkihappoelektrolyytti
  • Huokoinen kattila erottaa kaksi nestettä toisistaan
  • CuSO4 = kuparisulfaattidepolarisaattori
  • Kuparipannu = positiivinen pääte
Kaavio Danielin solustaZoom
Kaavio Danielin solusta

Kysymyksiä ja vastauksia

K: Mikä on kemiallinen solu ja mikä on sen tarkoitus?


A: Kemiallinen kenno on laite, joka muuntaa kemiallista energiaa sähköenergiaksi. Sen tarkoituksena on tuottaa sähkövirtaa kemiallisen reaktion avulla.

K: Mitä ovat useimmat paristot?


V: Useimmat paristot ovat kemiallisia kennoja.

K: Mitä tapahtuu pariston sisällä, mikä saa sähkövirran kulkemaan?


V: Pariston sisällä tapahtuu kemiallinen reaktio, joka saa aikaan sähkövirran kulun.

K: Kuinka monta paristotyyppiä on olemassa ja mitä ne ovat?


V: Paristoja on kahta päätyyppiä - ladattavia ja ei-ladattavia.

K: Mitä tapahtuu, kun ei-ladattava akku on käytetty loppuun?


V: Ei ladattava paristo tuottaa sähköä, kunnes sen sisältämät kemikaalit on käytetty loppuun. Silloin se ei ole enää käyttökelpoinen, ja se voidaan heittää pois.

K: Kuka keksi ladattavat paristot ja milloin?


V: Ladattavat paristot keksi ranskalainen tiedemies Gaston Plante vuonna 1859.

K: Voivatko paristot olla erikokoisia ja mikä on esimerkki laitteesta, joka tarvitsee suuren pariston?


V: Kyllä, paristoja voi olla monen muotoisia ja kokoisia. Esimerkki laitteesta, joka vaatii suuren akun, on sukellusvene.


Etsiä
AlegsaOnline.com - 2020 / 2025 - License CC3