Ogniwa elektrochemiczne i baterie

Elektrochemiczne źródła energii obejmują różne rodzaje ogniw galwanicznych, które przekształcają energię chemiczną w elektryczną. Jednym z przykładów jest ogniwo Daniella, w którym zachodzi reakcja między cynkiem a miedzią:

Zn(s) + Cu²⁺(aq) → Zn²⁺(aq) + Cu(s)

W tym procesie energia jest przekazywana do otoczenia w formie ciepła, gdy blaszka cynkowa jest zanurzana w roztworze siarczanu(VI) miedzi(II).

Highlight: W ogniwach galwanicznych aż 97% energii może zostać pozyskana w postaci pracy elektrycznej, a tylko 3% stanowi efekt termiczny.

Rodzaje ogniw galwanicznych można podzielić na:

• Nieregenerowalne (jednorazowego użytku)
• Regenerowalne (wielokrotnego ładowania)

Baterie to zestawy co najmniej dwóch ogniw galwanicznych połączonych szeregowo lub równolegle. Napięcie elektryczne między elektrodami końcowymi ogniw połączonych szeregowo jest iloczynem liczby ogniw i napięcia pojedynczego ogniwa.

Example: Alessandro Volta skonstruował pierwszą baterię o napięciu około 180 V, łącząc szeregowo wiele ogniw.

Schemat ogniwa Volty przedstawia się następująco:

(-) Zn(s) | H₂SO₄(aq) | Cu(s) (+)

W obwodzie zamkniętym ogniwa Volty prąd przepływa dzięki procesom redukcji i utleniania.

Akumulatory i ogniwa specjalne

Ogniwo Leclanchégo to jedno z najbardziej popularnych ogniw nieregenerowanych, o sile elektromotorycznej (SEM) wynoszącej około 1,5 V. Jego schemat przedstawia się następująco:

Zn(s) | NH₄Cl(aq) | MnO₂(s)

Na elektrodzie cynkowej, która jest biegunem ujemnym, zachodzi proces utleniania polegający na roztwarzaniu metalu elektrody:

Zn(s) → Zn²⁺(aq) + 2e⁻

Akumulatory to rodzaje ogniw galwanicznych, które można wielokrotnie ładować i rozładowywać. Reakcje elektrodowe zachodzące podczas czerpania prądu (rozładowywania) można odwrócić w procesie elektrolizy (ładowania).

Definition: Akumulator to ogniwo regenerowalne, w którym można wielokrotnie powtarzać procesy ładowania i rozładowywania.

W pojazdach mechanicznych powszechnie stosowany jest akumulator ołowiowy, którego schemat wygląda następująco:

Pb(s) | H₂SO₄(aq) | PbO₂(s)

Podczas ładowania akumulatora zachodzą te same reakcje, lecz w przeciwnym kierunku.

Highlight: Akumulatory litowo-jonowe są szeroko stosowane w małych urządzeniach elektronicznych, takich jak telefony i tablety, a także w napędach samochodów elektrycznych.

Siła elektromotoryczna akumulatorów litowo-jonowych wynosi 3 V. Ich schemat można przedstawić jako:

Li(s) | LiClO₄(s) | TiS₂(s)

Na elektrodzie litowej zachodzi proces utleniania litu, a jego jony wędrują do drugiej elektrody, gdzie ulegają redukcji, a wytworzony lit wbudowuje się w sieć krystaliczną siarczku tytanu(IV).