Hvad er en kemisk celle (batteri)? Definition og typer
Lær hvad en kemisk celle (batteri) er — hvordan den omdanner kemisk til elektrisk energi, typer (genopladelige og engangs), anvendelser, levetid og kort historie.
En kemisk celle omdanner kemisk energi til elektrisk energi. De fleste batterier er kemiske celler. En kemisk reaktion finder sted i batteriet og får elektrisk strøm til at strømme. Enkelt sagt omdannes energi fra stoffer inde i cellen til elektroner, som bevæger sig gennem en ydre leder og kan udføre arbejde (fx drive en lampe eller en motor).
Hvordan virker en kemisk celle?
En kemisk celle består typisk af tre hoveddele:
- Anoden (negativ elektrode under afladning) hvor oxidation finder sted (stoffer afgiver elektroner).
- Kathoden (positiv elektrode under afladning) hvor reduktion finder sted (stoffer optager elektroner).
- Elektrolytten, en ionledende substans som forbinder de to elektroder internt og gør det muligt for ioner at bevæge sig for at opretholde elektronneutralitet.
Når cellen aflades, bevæger elektronerne sig fra anoden gennem den ydre kreds til kathoden. I selve cellen sker der en redoxreaktion (reduktion-oxidation), som er selve kilden til den elektriske spænding. En enkelt kemisk celle har et bestemt spændingsniveau, mens et "batteri" ofte består af flere celler for at opnå højere spænding eller kapacitet.
Typer af batterier (kort oversigt)
Man deler ofte batterier i to hovedkategorier:
- Primære batterier (ikke-genopladelige) — producerer elektricitet indtil de kemiske stoffer er opbrugte. Eksempler: alkaline-batterier, zink-kul (zink-carbon), nogle lithium-primære celler. De er praktiske til engangsbrug og udskiftes, når de er tomme.
- Sekundære batterier (genopladelige) — kan genoplades ved at føre strøm tilbage gennem cellen og derved gendanne de oprindelige kemikalier. Almindelige typer: bly-syre (bruges i biler), NiCd (nikkel-cadmium), NiMH (nikkel-metalhydrid) og moderne lithium-ion (bruges i smartphones, elbiler og bærbare computere).
Der findes også specielle typer som flow-batterier (bruges i store energilagringsanlæg), brændselsceller (omdanner brændstof kemisk til elektricitet kontinuerligt, fx brintceller) og nye teknologier som faste-state-batterier under udvikling.
Vigtige tekniske begreber
- Spænding (V) — den elektriske potentialforskel en celle leverer; bestemt af de anvendte kemikalier.
- Kapacitet (mAh eller Ah) — hvor meget elektrisk ladning batteriet kan levere over tid; angiver hvor længe en enhed kan køre ved en given strømstyrke.
- Energitæthed (Wh/kg) — hvor meget energi batteriet kan lagre i forhold til vægt; vigtig for bærbare enheder og køretøjer.
- Power density — hvor hurtigt energi kan leveres (vigtig for startmotorer og høj-effekt-anvendelser).
- Indre modstand og selvafladning — påvirker hvor effektivt og hvor længe en celle kan levere strøm uden tab.
- Cykelliv — antal fulde opladnings-/afladningscyklusser et genopladeligt batteri kan tåle før kapaciteten falder betydeligt.
Anvendelser og eksempler
Batterier findes i mange størrelser og til mange formål: fra små knapcellebatterier i ure og medicinsk udstyr, AA- og AAA-batterier i fjernbetjeninger og legetøj, batterier i kameraer, til store batteripakker i biler, busser, og industrielle energilager. Endnu større batterisystemer bruges i energiopbevaring til elnettet — og ubåde kræver meget store batterier til at operere under vand.
Sikkerhed, miljø og bortskaffelse
Batterier kan indeholde giftige eller brandfarlige materialer. Forkert behandling kan føre til lækage, brand eller eksplosion (fx termisk runaway i nogle litium-batterier). Derfor er der anbefalinger for sikker opladning, opbevaring og transport. Genbrug og korrekt bortskaffelse er vigtige for at reducere miljøpåvirkning og genvinde værdifulde materialer som kobolt, lithium, bly og nikkel. Mange steder findes indsamlingssystemer og genbrugsordninger for batterier.
En kort historisk note
De første genopladelige batterier blev udviklet af den franske ingeniør Gaston Planté i 1859 (bly-syre-batteriet). Siden da er teknologien udviklet kraftigt med nye materialer og design, som har øget både energitæthed, levetid og sikkerhed.
Samlet set er en kemisk celle en praktisk måde at lagre og frigive energi på gennem kontrollerede kemiske reaktioner. Valg af type batteri afhænger af anvendelse, krav til vægt, pris, sikkerhed og miljøhensyn.
Typer af kemiske celler
- Enkel celle
- Tørcelle
- Våd celle
- Brændselscelle
- Solcelle
- Elektrisk celle
Elektrokemiske celler
En yderst vigtig klasse af oxidations- og reduktionsreaktioner anvendes til at levere nyttig elektrisk energi i batterier. En simpel elektrokemisk celle kan fremstilles af kobber- og zinkmetaller med opløsninger af deres sulfater. Under reaktionen kan elektroner overføres fra zink til kobber gennem en elektrisk ledende bane som en nyttig elektrisk strøm.
En elektrokemisk celle kan oprettes ved at placere metalelektroder i en elektrolyt, hvor en kemisk reaktion enten bruger eller genererer en elektrisk strøm. Elektrokemiske celler, der genererer en elektrisk strøm, kaldes voltaiske celler eller galvaniske celler, og almindelige batterier består af en eller flere sådanne celler. I andre elektrokemiske celler anvendes en eksternt tilført elektrisk strøm til at fremkalde en kemisk reaktion, som ikke ville opstå spontant. Sådanne celler kaldes elektrolytiske celler.
Voltaiske celler
En elektrokemisk celle, som forårsager ekstern elektrisk strøm, kan oprettes ved hjælp af to forskellige metaller, da metaller har forskellig tendens til at miste elektroner. Zink mister lettere elektroner end kobber, så ved at placere zink- og kobbermetal i opløsninger af deres salte kan man få elektroner til at strømme gennem en ekstern ledning, der fører fra zink til kobber. Når et zinkatom leverer elektronerne, bliver det en positiv ion og går i vandig opløsning, hvilket mindsker zinkelektrodens masse. På kobbersiden gør de to modtagne elektroner det muligt at omdanne en kobberion fra opløsningen til et uladet kobberatom, som sætter sig på kobberelektroden, hvilket øger dens masse. De to reaktioner skrives typisk som følger
Zn(s) --> Zn2+(aq) + 2e -
Cu2+(aq) + 2e- --> Cu(s)
Bogstaverne i parentes er blot en påmindelse om, at zink går fra et fast stof (s) til en vandopløsning (aq) og omvendt for kobberets vedkommende. Det er typisk i elektrokemiens sprog at betegne disse to processer som "halvreaktioner", der finder sted ved de to elektroder.
| Zn(s) -> Zn2+(aq) + 2e - |
|
| Cu2+(aq) + 2e- -> Cu(s) |
For at den voltaiske celle fortsat kan producere en ekstern elektrisk strøm, skal der ske en bevægelse af sulfationerne i opløsningen fra højre til venstre for at afbalancere elektronstrømmen i det eksterne kredsløb. Metalionerne selv skal forhindres i at bevæge sig mellem elektroderne, så en slags porøs membran eller en anden mekanisme skal sørge for en selektiv bevægelse af de negative ioner i elektrolytten fra højre til venstre.
Der kræves energi for at tvinge elektronerne til at bevæge sig fra zink- til kobberelektroden, og den mængde energi pr. ladningsenhed, der er til rådighed i voltacellen, kaldes cellens elektromotoriske kraft (emf). Energi pr. ladningsenhed udtrykkes i volt (1 volt = 1 joule/coulomb).
Det er klart, at for at få energi fra cellen skal der frigøres mere energi fra oxidationen af zink, end der skal bruges til at reducere kobberet. Cellen kan give en begrænset mængde energi fra denne proces, idet processen er begrænset af mængden af materiale, der er til rådighed enten i elektrolytten eller i metalelektroderne. Hvis der f.eks. var ét mol sulfationer SO42- på kobbersiden, er processen begrænset til at overføre to mol elektroner gennem det eksterne kredsløb. Den elektriske ladning, der er indeholdt i et mol elektroner, kaldes Faraday-konstanten og er lig med Avogadros tal gange elektronladningen:
Faraday-konstant = F = ANe = 6,022 x 1023 x 1,602 x 10-19 = 96.485 Coulombs/mol
Energiudbyttet fra en voltacelle er givet ved cellens spænding gange antallet af mol af overførte elektroner gange Faraday-konstanten.
Elektrisk energiudbytte = nFE
Celleemf Ecell kan forudsiges ud fra standardelektrodepotentialerne for de to metaller. For zink/kobber-cellen under standardbetingelser er det beregnede cellepotentiale 1,1 volt.
Enkel celle
En simpel celle består typisk af plader af kobber (Cu) og zink (Zn) i fortyndet svovlsyre. Zinken opløses, og der opstår brintbobler på kobberpladen. Disse brintbobler forstyrrer strømgennemgangen, så en simpel celle kan kun bruges i kort tid. For at give en stabil strøm er der brug for en depolariserende agent (et oxidationsmiddel) til at oxidere hydrogenet. I Daniel-cellen er depolariseringsmidlet kobbersulfat, som udskifter hydrogenet med kobber. I Leclanche-batteriet er depolariseringsmidlet mangandioxid, som oxiderer brinten til vand.
Enkel celle
Daniel celle
Den engelske kemiker John Frederick Daniell udviklede en voltacelle i 1836, som anvendte zink og kobber og opløsninger af deres ioner.
Nøgle
- Zinkstang = negativ terminal
- 2HSO4 = fortyndet svovlsyreelektrolyt
- Porøs gryde adskiller de to væsker
- CuSO4 = kobbersulfat-depolarisator
- Kobberkrukke = positiv terminal
Diagram af en Daniel-celle
Spørgsmål og svar
Spørgsmål: Hvad er en kemisk celle, og hvad er dens formål?
A: En kemisk celle er en anordning, der omdanner kemisk energi til elektrisk energi. Dens formål er at producere elektrisk strøm ved hjælp af en kemisk reaktion.
Sp: Hvad er de fleste batterier?
Svar: De fleste batterier er kemiske celler.
Sp: Hvad sker der inde i et batteri, som får elektrisk strøm til at flyde?
A: Der sker en kemisk reaktion inde i batteriet, som får elektrisk strøm til at flyde.
Spørgsmål: Hvor mange typer batterier findes der, og hvad er de?
A: Der findes to hovedtyper af batterier - batterier, der kan genoplades, og batterier, der ikke kan genoplades.
Spørgsmål: Hvad sker der, når et ikke genopladeligt batteri er brugt op?
A: Et ikke-opladeligt batteri giver elektricitet, indtil kemikalierne i det er opbrugt. Så er det ikke længere brugbart og kan smides ud.
Spørgsmål: Hvem opfandt genopladelige batterier og hvornår?
A: Genopladelige batterier blev opfundet af Gaston Plante, en fransk videnskabsmand, i 1859.
Spørgsmål: Kan batterier være af forskellig størrelse, og hvad er et eksempel på en enhed, der kræver et stort batteri?
A: Ja, batterier kan have mange forskellige former og størrelser. Et eksempel på en enhed, der kræver et stort batteri, er en ubåd.
Søge