Bateriile electice

Realizat de:

Alexandru Prodan

Serban Danciu

Cristian Padurariu

Tiberiu Topala

Elementul Galvanic

Elementul galvanic (Bateria) este un mediu electrochimic de stocare a energiei. La descărcare se transformă energia chimică (stocată) în energie electrică cu ajutorul unei reacții (redox) electrochimice. De la inventarea primei baterii, așa numita pilă voltaică, în anul 1800 de către fizicianul italian Alessandro Volta, și, în special, de la apariția celulei Daniell în 1836, bateriile au devenit o sursă de electricitate comună multor aplicații atât din aria casnică, cât și din aria industrială. Conform unei estimării realizate în anul 2005, industria dedicată acestora generează la nivel global 48 de miliarde de dolari americani, cu o creștere anuală de 6%.

• Există două tipuri principale de baterii: baterii primare (baterii de unică folosință) și baterii secundare (baterii reîncărcabile). Bateriile pot căpăta forme diverse.

Bateriile se gasesc peste tot: in masinile noastre, PC-uri, laptop-uri, MP3 player-e portabile si telefoane mobile. O baterie este in esenta o doza in care se gasesc substante chimice care produc electroni. Reactiile chimice care produc electroni sunt denumite reactii electrochimice.

Cateva aspecte de baza privind bateriile Daca examinati orice baterie, veti observa ca

are doi poli - un anod si un catod. Anodul este marcat cu semnul +, sau pozitiv, in timp ce catodul este marcat cu -, adica negativ. Intr-o celula AA, C sau D (baterii normale, pentru lanterne), polii bateriei sunt anodul si catodul. Intr-o baterie mare de masina, exista doi piloni grei de plumb care au rolul de anod si catod.

Electronii se aduna la polul negativ al bateriei. Atunci cand conectati un fir intre anod si catod, electronii vor migra extrem de rapid din partea negativa in cea pozitiva (si vor consuma bateria foarte repede - acest fapt tinde de asemenea sa fie foarte periculos, mai ales in cazul bateriilor mari, deci nu este ceva recomandabil). In mod normal, bateriei i se conecteaza prin intermediul firului un anumit tip de consumator. Acel consumator poate fi un bec, un motor sau un circuit electronic, ca de exemplu un radio.

Generalitati

In interiorul bateriei propriu-zise, o reactie chimica produce electronii. Viteza producerii de electroni din aceasta reactie chimica (rezistenta interna a bateriei) controleaza cati electroni se pot deplasa intre anod si catod. Electronii migreaza din baterie intr-un fir, si trebuie sa se deplaseze de la catod la anod pentru ca reactia chimica sa poata avea loc. De aceea, o baterie poate sta pe un raft timp de un an si totusi sa dispuna de suficienta energie - daca electronii nu migreaza dinspre catod inspre anod, reactia chimica nu are loc. Odata ce conectati un fir, reactia incepe.

Prima baterie a fost creata de Alessandro Volta in 1800. Pentru a crea bateria sa, a creat o pila, alternand straturi de zinc, sugativa imbibata in apa sarata si argint, astfel: Acest dispozitiv este cunoscut sub denumirea de pila voltaica. Straturile superioare si inferioare ale pilei, trebuie sa fie din metale diferite.

Experimente: Pila Voltaica Experimente: Pila Voltaica

Daca vreti sa aflati mai multe despre relatiile electrochimice folosite pentru crearea Daca vreti sa aflati mai multe despre relatiile electrochimice folosite pentru crearea

bateriilor, puteti face cu usurinta experimente acasa, pentru a incerca diferite bateriilor, puteti face cu usurinta experimente acasa, pentru a incerca diferite

combinatii. Pentru a realiza in conditii optime aceste experimente, trebuie sa combinatii. Pentru a realiza in conditii optime aceste experimente, trebuie sa

cumparati un volt-ohm-metru de la magazinul de electronice sau de componente cumparati un volt-ohm-metru de la magazinul de electronice sau de componente

pentru calculatoare. Asigurati-va ca volt-ohm-metrul poate citi tensiuni joase (in pentru calculatoare. Asigurati-va ca volt-ohm-metrul poate citi tensiuni joase (in

jurul valorii de 1 volt) si intensitati joase de curent (intre 5 si 10 miliamperi). In jurul valorii de 1 volt) si intensitati joase de curent (intre 5 si 10 miliamperi). In

acest mod, veti putea observa cu exactitate procesele ce se desfasoara in baterie.acest mod, veti putea observa cu exactitate procesele ce se desfasoara in baterie.

Daca atasati un fir partii superioare si inferioare a pilei, puteti masura Daca atasati un fir partii superioare si inferioare a pilei, puteti masura tensiunea si intensitatea din pila. Pila poate avea orice dimensiune doriti, tensiunea si intensitatea din pila. Pila poate avea orice dimensiune doriti, iar fiecare strat va mari tensiunea cu o anumita valoare. iar fiecare strat va mari tensiunea cu o anumita valoare.

Chimia bateriei:Pila Voltaica

In secolul al XIX-lea, inaintea In secolul al XIX-lea, inaintea inventarii generatorului electric inventarii generatorului electric (generatorul nu a fost inventat si (generatorul nu a fost inventat si construit pana in deceniul 8 al construit pana in deceniul 8 al secolului XIX), celula Daniell secolului XIX), celula Daniell (cunoscuta de asemenea sub alte (cunoscuta de asemenea sub alte trei denumiri - celula "Picior de trei denumiri - celula "Picior de cioara", datorita formei cioara", datorita formei caracteristice a electrodului de caracteristice a electrodului de zinc; "celula gravitationala", zinc; "celula gravitationala", datorita faptului ca gravitatia tine datorita faptului ca gravitatia tine separati cei doi sulfati, si "celula separati cei doi sulfati, si "celula umeda", prin antiteza cu "celula umeda", prin antiteza cu "celula uscata" moderna, deoarece uscata" moderna, deoarece foloseste lichide drept electroliti), foloseste lichide drept electroliti), era extrem de utilizata pentru era extrem de utilizata pentru operarea telegrafului si a soneriilor operarea telegrafului si a soneriilor de la usa.de la usa.

Chimia bateriei: Chimia bateriei: PilaPila Daniell Daniell

Celula Daniell este o celula Celula Daniell este o celula

umeda ce consta din placute umeda ce consta din placute

de cupru si zinc si sulfati de de cupru si zinc si sulfati de

cupru si zinc. cupru si zinc.

Pentru a crea o celula Daniell, placuta de cupru este plasata la fundul unui Pentru a crea o celula Daniell, placuta de cupru este plasata la fundul unui

recipient din sticla. Se toarna solutie de sulfat de cupru deasupra placutei, recipient din sticla. Se toarna solutie de sulfat de cupru deasupra placutei,

pana la umplerea pe jumatate a recipientului. Dupa aceea se atarna in pana la umplerea pe jumatate a recipientului. Dupa aceea se atarna in

recipient o placuta de zinc, si se toarna cu mare atentie solutie de sulfat de recipient o placuta de zinc, si se toarna cu mare atentie solutie de sulfat de

zinc. Sulfatul de cupru este mai dens decat sulfatul de zinc, astfel ca acesta zinc. Sulfatul de cupru este mai dens decat sulfatul de zinc, astfel ca acesta

din urma va "pluti" deasupra sulfatului de cupru. Desigur, un asemenea din urma va "pluti" deasupra sulfatului de cupru. Desigur, un asemenea

dispozitiv nu va functiona intr-o lanterna, insa functioneaza bine in aplicatii dispozitiv nu va functiona intr-o lanterna, insa functioneaza bine in aplicatii

stationare. Daca puteti obtine sulfat de zinc si sulfat de cupru, puteti incerca stationare. Daca puteti obtine sulfat de zinc si sulfat de cupru, puteti incerca

sa construiti propria celula Daniell. sa construiti propria celula Daniell.

Pila LeclancheCea mai comuna forma de pila galvanica este pila Leclanche inventata de chimistul francez Georges Leclanch în 1860. In limbaj popular este numita pila uscata sau baterie proiectoare. Pila Leclanche utilizata ln zilele noastre este foarte similara inventiei originale. Electrolitul consta dintr-un amestec de clorura de amoniu si clorura de zinc facuta pasta. Electrodul negativ este facut din zinc ca si carcasa externa a pilei, iar electrodul pozitiv, o tija de carbune înconjurata de un amestec de carbon si dioxid de mangan. Pila Leclanche produce circa 1,5V. Pila Leclanché este frecvent utilizata pentru alimentarea aparatelor de radio cu tranzistori, a lanternelor de buzunar, la instalatii de semnalizare etc.

Probabil cea mai simpla pe care o puteti crea este denumita baterie zinc/carbon. Intelegand reactiile chimice care au loc inauntrul bateriei, puteti intelege si modul in care bateriile functioneaza in general. Imaginati-va ca aveti la dispozitie un recipient ce contine acid sulfuric (H2SO4). Inserati in el o bagheta din zinc si veti observa ca acidul va incepe imediat sa descompuna zincul. Veti observa cum in jurul zincului se formeaza bule de hidrogen gazos, iar bagheta si acidul vor incepe sa se incalzeasca. Moleculele de acid se descompun in trei ioni: doi ioni de H+ si un ion de SO4

--. Atomii de zinc de la suprafata baghetei din zinc pierd doi electroni (2e-), devenind ioni de Zn++. Ionii de Zn++ se combina cu ionul de SO4

--, dand nastere la ZnSO4, care se dizolva in acid. Electronii din atomii de zinc se combina cu ionii de hidrogen din acid, dand nastere la molecule de H2 (hidrogen gazos). Putem observa hidrogenul in stare gazoasa sub forma de bule care se regasesc pe suprafata baghetei de zinc. Daca inserati o bagheta din carbon in acid, acidul nu produce nici o reactie asupra ei. Insa in cazul in care conectati un fir intre bagheta din zinc si cea din carbon, au loc doua schimbari: electronii trec prin sarma si se combina cu hidrogenul, la nivelul baghetei din carbon, astfel ca din bagheta de carbon se degaja hidrogen in stare gazoasa. Se degaja insa mai putina caldura. Puteti produce suficienta energie pentru un bec sau un alt consumator, pe baza fluxului de electroni din fir, si de asemenea puteti masura voltajul si intensitatea curentului din bucata de sarma. O parte din caldura e folosita in miscarea electronilor. Electronii se deplaseaza pe bagheta din carbon, deoarece le e mai usor sa se combine acolo cu hidrogenul. Voltajul caracteristic al celulei este de 0,76 volti. La un moment dat, bagheta din zinc se dizolva complet sau ionii de hidrogen din acid sunt utilizati integral, iar atunci bateria "moare“.

Reacţiile chimice din baterie

Substantele chimice din bateriile moderne Substantele chimice din bateriile moderne

• Bateriile moderne utilizeaza o gama larga de substante chimice, menite sa dea nastere Bateriile moderne utilizeaza o gama larga de substante chimice, menite sa dea nastere reactiilor. Dintre combinatiile tipice de substante chimice in baterii, amintim: reactiilor. Dintre combinatiile tipice de substante chimice in baterii, amintim:

• Bateria zinc-carbon - Cunoscuta de asemenea si drept baterie standard pe baza de Bateria zinc-carbon - Cunoscuta de asemenea si drept baterie standard pe baza de carbon, combinatia zinc-carbon este folosita pentru toate bateriile ieftine AA, C si D. carbon, combinatia zinc-carbon este folosita pentru toate bateriile ieftine AA, C si D. Electrozii sunt zincul si carbonul, intre aceste substante existand o pasta acida, care Electrozii sunt zincul si carbonul, intre aceste substante existand o pasta acida, care are rolul de electrolit. are rolul de electrolit.

• Bateria alcalina - Folositi la bateriile Duracell si Energizer, electrozii sunt zincul si Bateria alcalina - Folositi la bateriile Duracell si Energizer, electrozii sunt zincul si oxidul de magneziu, impreuna cu un electrolit alcalin. oxidul de magneziu, impreuna cu un electrolit alcalin.

• Bateria pe baza de litiu - Litiul, iodatul de litiu si iodatul de plumb sunt utilizate in Bateria pe baza de litiu - Litiul, iodatul de litiu si iodatul de plumb sunt utilizate in aparatele de fotografiat datorita puterii mari pe care o genereaza. aparatele de fotografiat datorita puterii mari pe care o genereaza.

• Bateria plumb-acid - Este utilizata in automobile, iar electrozii sunt facuti din plumb si Bateria plumb-acid - Este utilizata in automobile, iar electrozii sunt facuti din plumb si oxid de plumb impreuna cu un puternic electrolit acid (este reincarcabila). oxid de plumb impreuna cu un puternic electrolit acid (este reincarcabila).

• Bateria nichel-cadmiu - Electrozii sunt hidroxid de nichel si cadmiu, electrolitul fiind Bateria nichel-cadmiu - Electrozii sunt hidroxid de nichel si cadmiu, electrolitul fiind hidroxidul de potasiu (este reincarcabila). hidroxidul de potasiu (este reincarcabila).

• Bateria nichel-metal - Acest tip de baterie tinde sa inlocuiasca bateria nichel-cadmiu, Bateria nichel-metal - Acest tip de baterie tinde sa inlocuiasca bateria nichel-cadmiu, deoarece nu sufera din cauza "efectului de memorie" de care sufera bateria nichel-deoarece nu sufera din cauza "efectului de memorie" de care sufera bateria nichel-cadmiu (este reincarcabila). cadmiu (este reincarcabila).

• Bateria litiu-ion - Cu un foarte bun raport putere/greutate, aceasta baterie este deseori Bateria litiu-ion - Cu un foarte bun raport putere/greutate, aceasta baterie este deseori intalnita in lap top-urile performante si in telefoanele mobile (este reincarcabila). intalnita in lap top-urile performante si in telefoanele mobile (este reincarcabila).

• Bateria zinc-aer - Aceasta baterie este extrem de usoara si reincarcabila. Bateria zinc-aer - Aceasta baterie este extrem de usoara si reincarcabila.

• Bateria zinc-oxid de mercur - Aceasta baterie este deseori folosita in aparatele auditive. Bateria zinc-oxid de mercur - Aceasta baterie este deseori folosita in aparatele auditive.

• Bateria argint-zinc - Aceasta baterie este utilizata la aplicatiile aeronautice, datorita Bateria argint-zinc - Aceasta baterie este utilizata la aplicatiile aeronautice, datorita raportului optim putere-greutate. raportului optim putere-greutate.

• Bateria clorura de metal - Aceasta baterie este utilizata la vehiculele electrice.Bateria clorura de metal - Aceasta baterie este utilizata la vehiculele electrice.

Tipuri de acumulatori

Din ce sunt formati Anod: C Catod: oxid de Li şi Co Electrolit: Deoarece litiul reacţionează violent cu

apa şi tensiunea este suficient de mare pentru a putea descompune apa, trebuie folosit un electrolit ne-apos. Un exemplu tipic este LiPF6 dizolvat într-un amestec de carbonat de etil şi carbonat dimetilic.

Tensiune electromotoare generată: 3,7 V Cicluri de încărcare - descărcare: 500-1000 Structura: tri-strat cu electrod pozitiv (LiCoO2),

electrod negativ (cărbune special) şi strat separator. Este echipată cu o serie de dispozitive

pentru creşterea siguranţei inclusiv o valvă de gaz cu rol anti-explozie.

Sistemul de functionare

Sistemul de functionare In timpul incarcarii, incarcatorul injecteaza

curent in baterie la o tensiune mai mare decat cea nominala. Ionii de litiu (Li+) pleaca din electrodul negativ in cel pozitiv, printr-un electrolit ne-apos. Acest transfer se realizeaza prin intermediul oxidului de cobalt, care este oxidat de la Co+3 la Co+4 .

In timpul descarcarii (utilizarii in sarcina), ionii de litiu migreaza inapoi, in electrodul negativ, tot cu ajutorul carausului, oxidul de cobalt, cobaltul reducindu-se de la Co+4 la Co+3.

Ambii electrozi, atat anodul cat si catodul, au o structura poroasa, iar ionii de litiu sunt capturati in acesti pori printr-un proces denumit intercalare. In functie de materialele alese pentru constructia anodului, catodului si a electrolitului unui element, se obtin tensiuni la borne intre 3,5 si 4,2 V si capacitati intre 150 Wh/kg si 250 Wh/kg.

Descarcarea si incarcarea

Aceste circuite electronice functioneaza permanent, chiar si cand acumulatorul este decuplat de la consumator, si consuma energie. Acest consum se adauga autodescarcarii realizate prin reversibilitatea reactiilor chimice din acumulator. Cu toate acestea, acumulatorii Li-ion au o rata de autodescarcare de numai 5%, una dintre cele mai mici din gama acumulatorilor disponibili pe piata.

Functionare in conditii extreme

Functionare in conditii extreme

Operarea la temperaturi scazute determina incetinirea reactiilor chimice si fizice, cu scaderea puterii furnizate consumatorului. Operarea la temperaturi ridicate, din contra, accelereaza reactiile chimice. La circa 130°C separatorul dintre electrozi se topeste, ceea ce provoaca un scurtcircuit intre acestia; temperatura interna continua sa creasca, incepe generarea de oxigen care, in prezenta hidrocarburilor poate duce la explozii.

Utilizari. Avantaje/Dezavantaje Utilizare: camere video şi foto, aparate electrice de ras, laptopuri,

tablete, echipamente medicale, echipamente de comunicaţii, TV şi radio portabile. Ele înlocuiesc bateriile de tip NiMH şi sunt sursele preferate de energie în telefoane

mobile. Avantaje-dezavantaje: densitate înaltă de energie şi tensiune mare (de

3 ori cea a unei pile Ni-Cd sau NiMH), comportare excelentă cu temperatura, auto-

descărcare foarte lentă (poate păstra încărcarea şi 10 ani), nu prezintă efect de memorie, multiple

cicluri de încărcare (500-1000 cicluri). Pentru a evita şi depăşi problemele legate de reactivitatea accentuată a

litiului, materialul anodic nu este metalul pur ci un compus nemetalic (ex. C) care poate

stoca şi realiza schimbul de ioni de litiu. Ca acceptor al ionilor de litiu se foloseşte de ex.

CoO2, care funcţionează drept catod.