Αλκαλική μπαταρία

Η αλκαλική μπαταρία είναι ο πιο συχνά χρησιμοποιούμενος τύπος μπαταρίας. Οι μπαταρίες είναι δημοφιλείς καθώς μπορούν να επαναφορτιστούν εάν μειωθεί η παραγωγή ενέργειας. Η βασική αρχή πίσω από κάθε μπαταρία είναι η αξιοποίηση της κίνησης των ηλεκτρονίων που παράγονται λόγω χημικών αντιδράσεων για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.

Ιστορία των αλκαλικών μπαταριών

Ο Γάλλος επιστήμονας George Leclanche εφηύρε τον πρώτο τύπο μπαταρίας. Η κυψέλη του Lechlanche δημιουργήθηκε χρησιμοποιώντας ένα ηλεκτρολυτικό διάλυμα, έναν αποπολωτικό και δύο ηλεκτρόδια. Ωστόσο, αυτό το κελί δεν ήταν ούτε φορητό ούτε διακριτό. Για να αντιμετωπιστούν τα μειονεκτήματα της κυψέλης της Lechlance, δημιουργήθηκε η αλκαλική μπαταρία.

Ο Lew Urry, ένας Καναδός χημικός μηχανικός στην Eveready Battery, δημιούργησε το πρώτο αλκαλικό στοιχείο. Μια αλκαλική μπαταρία είναι συνήθως κυλινδρική και περιέχει χημικές ουσίες που υφίστανται χημική αντίδραση. Το αλκαλικό στοιχείο αναπτύχθηκε για τη δημιουργία μιας φορητής μπαταρίας με καλή διάρκεια ζωής.

Κατασκευή αλκαλικής μπαταρίας

Ένα κοίλο χαλύβδινο τύμπανο σχηματίζει το σώμα ενός αλκαλικού κυττάρου. Χρησιμεύει ως δοχείο για τα χημικά μέσα και ως κάθοδος για τις αντιδράσεις. Ένα καπάκι με ελαφρά προεξοχή τοποθετείται στο επάνω μέρος ως θετικός πόλος της μπαταρίας. Το διοξείδιο του μαγγανίου κονιοποιείται σε μορφή λεπτού κόκκου για το μείγμα καθόδου της μπαταρίας και αναμιγνύεται με σκόνη άνθρακα. Στη συνέχεια, το μείγμα προσαρμόζεται στην εσωτερική πλευρά του κυλινδρικού δοχείου, απλώνοντάς το στα τοιχώματά του.

Ένας διαχωριστής χαρτιού εισάγεται μεταξύ του κονιοποιημένου διοξειδίου του μαγγανίου και της ανόδου στην εσωτερική πλευρά. Ο υπόλοιπος χώρος είναι όπου ο διαχωριστής χαρτιού είναι γεμάτος με ψευδάργυρο σε σκόνη, ο οποίος λειτουργεί ως άνοδος. Το διαχωριστικό χαρτί είναι προ-εμποτισμένο σε υδροξείδιο του καλίου και χρησιμεύει ως ηλεκτρολύτης μεταξύ του διοξειδίου του μαγγανίου και της ανόδου ψευδαργύρου.

Ένας πείρος εισάγεται στην κεντρική θέση του άξονα της μπαταρίας για τη συγκέντρωση αρνητικού φορτίου. Αυτή η ακίδα συνδέεται με μια πλάκα στο κάτω μέρος στην εξωτερική πλευρά της μπαταρίας. Ένα πλαστικό κάλυμμα χωρίζει την πλάκα και το θετικό τύμπανο της μπαταρίας. Ο πείρος που εισάγεται ονομάζεται αρνητικός πείρος συλλέκτη και είναι συνήθως κατασκευασμένος από μέταλλο όπως ορείχαλκος.

Αρχή λειτουργίας μιας αλκαλικής μπαταρίας

Μια αλκαλική μπαταρία παράγει ηλεκτρική ενέργεια μέσω χημικής ενέργειας. Δύο διαφορετικές αντιδράσεις συμβαίνουν μέσα σε μια μπαταρία, η ανοδική αντίδραση στην άνοδο και η καθοδική αντίδραση στην κάθοδο. Ο ηλεκτρολύτης που λειτουργεί ως το κοινό μέσο όπου συμβαίνουν αυτές οι αντιδράσεις είναι το υδροξείδιο του καλίου που έχει εμποτιστεί στον διαχωριστή χαρτιού μεταξύ των δύο ηλεκτροδίων.

Στην άνοδο, λαμβάνει χώρα οξείδωση και περιλαμβάνει την απελευθέρωση ηλεκτρονίων. Το ηλεκτρόδιο ψευδαργύρου οξειδώνεται για να σχηματίσει οξείδιο ψευδαργύρου. Η ανοδική αντίδραση μπορεί να γραφτεί ως

Zns + 2HO–aq → ZnOs + H2O + 2e–

Η ενέργεια αυτής της αντίδρασης είναι Eanode =–1,28 V

Στην κάθοδο, λαμβάνει χώρα αναγωγή και περιλαμβάνει την αύξηση ηλεκτρονίων. Το μαγγάνιο μειώνεται από την κατάσταση οξείδωσης +4 στην κατάσταση οξείδωσης +2. Η καθοδική αντίδραση μπορεί να δοθεί ως

2MnO2(s) + H2Oaq + 2e– → Mn2O3(s) + 2OH–aq

Η ενέργεια αυτής της αντίδρασης δίνεται ως Ecathode=+0,15 V

Όταν λαμβάνεται συνολικά, η αντίδραση που συνεχίζει να εμφανίζεται στο αλκαλικό κύτταρο δίνεται από 

Zns + 2MnO2 Mn2O3 + ZnO

Η συνολική ενέργεια ή τάση που παράγεται από την αντίδραση δίνεται ως

Ecell =Ecathode – Eanode

Ecell =0,15 – (-1,28) V

Ecell =1,43 V

Συνήθως, οι αλκαλικές μπαταρίες έχουν ονομαστική τάση 1,5 V και μια νέα αλκαλική κυψέλη χωρίς εκφόρτιση μπορεί να έχει δυναμικό 1,5 έως 1,65 βολτ. Και στις δύο αντιδράσεις, τα ηλεκτρόνια παράγονται από την ανοδική αντίδραση και χρησιμοποιούνται από την καθοδική αντίδραση. Καθώς η άνοδος και η κάθοδος διαχωρίζονται, ο μόνος τρόπος για να μετακινηθούν τα ηλεκτρόνια από την άνοδο στην κάθοδο είναι μέσω ενός εξωτερικού κυκλώματος. Αυτή η κίνηση των ηλεκτρονίων οδηγεί σε ηλεκτρισμό από την μπαταρία.

Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα

• Υψηλή ενεργειακή πυκνότητα παρατηρείται σε αλκαλικά κύτταρα
• Τα αλκαλικά κύτταρα μπορούν να χρησιμοποιηθούν συνεχώς ή σε διαλείμματα με εφαρμογές
• Τα αλκαλικά κύτταρα διατηρούν σταθερή απόδοση τόσο σε υψηλούς όσο και σε χαμηλούς ρυθμούς εκφόρτισης
• Έχουν επίσης σταθερή έξοδο σε θερμοκρασία περιβάλλοντος καθώς και χαμηλή θερμοκρασία
• Τα αλκαλικά κύτταρα παρουσιάζουν μικρή εσωτερική αντίσταση μαζί με μεγαλύτερη διάρκεια ζωής
• Λιγότερη διαρροή 

Το μόνο μειονέκτημα ενός αλκαλικού στοιχείου είναι το σχετικά υψηλό κόστος παραγωγής, δεδομένης της τεράστιας ζήτησης σε όλο τον κόσμο.

Τύποι αλκαλικών μπαταριών

Οι αλκαλικές μπαταρίες παίρνουν το όνομά τους από το αλκάλιο που χρησιμοποιείται για να λειτουργεί ως ηλεκτρολύτης μεταξύ των ηλεκτροδίων. Όπως σε αυτό το παράδειγμα, το υδροξείδιο του καλίου χρησιμοποιείται ως ηλεκτρολύτης που είναι αλκάλιο. Με βάση τα ενεργά υλικά που χρησιμοποιούνται στις πλάκες των κυττάρων, τα αλκαλικά κύτταρα διακρίνονται σε τέσσερις τύπους:

• Σίδηρος νικελίου
• Νικέλιο κάδμιο
• Ασημένιος ψευδάργυρος
• Μπαταρία Alkum

Συμπέρασμα

Η αλκαλική μπαταρία είναι η πιο δημοφιλής μπαταρία που χρησιμοποιείται αυτή τη στιγμή. Οι μπαταρίες είναι δημοφιλείς καθώς μπορούν να επαναφορτιστούν εάν μειωθεί η παραγωγή ενέργειας. Η βασική αρχή πίσω από κάθε μπαταρία είναι η εκμετάλλευση της κίνησης των ηλεκτρονίων που παράγεται λόγω χημικών αντιδράσεων για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.

Ένας Καναδός χημικός μηχανικός δημιούργησε το πρώτο αλκαλικό κύτταρο. Μια αλκαλική μπαταρία είναι συνήθως κυλινδρική και περιέχει χημικές ουσίες που υφίστανται χημική αντίδραση στο εσωτερικό της. Το αλκαλικό στοιχείο αναπτύχθηκε για να δημιουργήσει μια μπαταρία που ήταν φορητή και είχε καλή διάρκεια ζωής.