Przeczytaj
Czym jest ogniwo?
Ogniwo to urządzenie bezpośrednio zamieniające energię chemiczną na energię elektryczną prądu stałego. Energię chemiczną otrzymuje się w wyniku reakcji chemicznych, które w tym ogniwie zachodzą.
Ogniwo z reguły składa się z dwóch elektrod zanurzonych w roztworze elektrolitu, czyli substancji, która w roztworze wodnym dysocjuje na jony. Przepływ jonów umożliwia zachodzenie reakcji chemicznych, a na powierzchni elektrod wytwarza się potencjał elektrochemiczny. Dzięki różnicy potencjałów, po podłączeniu przewodnika, zaczyna w nim płynąć prąd. Aby otrzymać wyższe napięcia, trzeba połączyć ogniwa w zespoły. Otrzymuje się wówczas np. ogniwa AA lub AAA zwane potocznie bateriami alkalicznymi, które są jednorazowego użytku – nie można ich powtórnie naładować. Tego typu ogniwa nazywamy nieodwracalnymi lub pierwotnyminieodwracalnymi lub pierwotnymi, ponieważ reakcja, będąca źródłem prądu, zachodzi w sposób nieodwracalny. Istnieją jednak ogniwa, które mogą być rozładowywane i ładowane ponownie (na ogół można wykonać od 100 do 1000 cykli ładowania i rozładowania ogniwa). Nazywa się je ogniwami odwracalnymi lub wtórnymiogniwami odwracalnymi lub wtórnymi, ponieważ reakcja chemiczna, która przebiega w układzie, jest odwracalna poprzez doprowadzenie prądu stałego z zewnątrz. Współcześnie nazywa się je akumulatorami – służą bowiem do akumulowania (gromadzenia) energii.
Ogniwa nieodwracalne (pierwotne)
Ogniwo cynkowo‑węglowe (ogniwo Leclanchégo)
Jest to najpopularniejsze ogniwo galwaniczne, występujące powszechnie w handlu. Są to tzw. „baterie” okrągłe, różnej wielkości, oznaczane symbolami R3/AAA, R6/AA (tzw. paluszek), R10, R14, R20 (o napięciu 1,5 V) lub baterie płaskie (o napięciu 4,5 V – trzy ogniwa R12 połączone szeregowo).
Biegunem ujemnym jest elektroda cynkowa, natomiast biegun dodatni wykonany jest w postaci pręta węglowego (grafitu), wokół którego umieszczony jest sproszkowany tlenek manganu(IV). Między biegunami znajduje się elektrolit o odczynie kwasowym, w skład którego wchodzi chlorek amonu oraz chlorek cynku. Zewnętrzna strona cynkowego pojemnika pokryta jest szczelną osłoną, zabezpieczającą przed wyciekami elektrolitu. Jeśli kwaśny elektrolit wydostanie się na zewnątrz ogniwa, to może zniszczyć gniazdo baterii, obwody drukowane lub elementy elektroniczne.
Bezpośrednim źródłem prądu w ogniwie cynkowo‑węglowym są reakcje utlenienia cynku (elektroda cynkowa) i redukcji jonów amonowych (elektroda węglowa):
Anoda:
Katoda:
Schemat budowy ogniwa cynkowo‑węglowego zapisuje się w następujący sposób:
Ogniwo alkaliczne
Ogniwa alkaliczne występują powszechnie w handlu, np. jako popularne „baterie” okrągłe różnej wielkości, oznaczane symbolami LR03 (AAA), LR6 (AA, tzw. paluszek), LR14 (C) lub LR20 (D). Nazwa „ogniwo alkaliczne” pochodzi od zasadowego (alkalicznego) odczynu elektrolitu, którym jest wodny roztwór wodorotlenku potasu. Biegun ujemny ogniwa wykonany jest z cynku, a biegun dodani z tlenku manganu(IV). Zasada działania ogniwa polega więc na reakcji chemicznej, zachodzącej pomiędzy cynkiem a tlenkiem manganu(IV):
Anoda:
Katoda:
Reakcja sumaryczna:
Pojemność ogniw alkalicznych jest wyższa niż cynkowo‑węglowych i wytrzymują one wyższy pobór prądu. Ogniwa alkaliczne pracują efektywnie w zakresie temperatur od -30 do +70°C.
Ogniwo tlenkowo‑srebrowe
Ogniwo tlenkowo‑srebrowe, to tzw. baterie guzikowe. Posiadają ujemny biegun, wykonany z cynku, oraz dodatni, wykonany z tlenku srebra(I). Zasada działania ogniwa polega więc na reakcji chemicznej, zachodzącej pomiędzy cynkiem a tlenkiem srebra(I):
Anoda:
Katoda:
Reakcja sumaryczna:
Elektrolitem jest najczęściej wodny roztwór wodorotlenku potasu. Stosowane są przede wszystkim w kamerach, kalkulatorach i zegarkach.
Pozostałe ogniwa nieodwracalne to np.:
Ogniwa odwracalne (wtórne, akumulatory)
Akumulator kwasowo‑ołowiowy (akumulator Plantego)
Jest to jeden z najczęściej stosowanych akumulatorów ze względu na najniższe koszty, dużą odporność na warunki zewnętrzne, a także dużą ilość cykli ładowania i rozładowywania. Dzięki temu stosowany jest bardzo często jako źródło zasilania rozrusznika samochodowego. Ogniwo to jest zbudowane z elektrody ołowiowej (anody), elektrody z tlenku ołowiu(IV) (katody) oraz ok. 37% roztworu wodnego kwasu siarkowego, spełniającego funkcję elektrolitu. Jego wadą jest duży ciężar.
W trakcie poboru prądu z akumulatora (rozładowania), na elektrodach zachodzą następujące reakcje chemiczne:
Anoda:
Katoda:
Reakcje te można sumarycznie przedstawić jako:
Schemat budowy ogniwa ołowiowego zapisuje się w następujący sposób:
W trakcie ładowania zachodzą dokładnie takie same reakcje, tyle że w drugą stronę. Czyli anoda, wykonana z metalicznego ołowiu, ma znak ujemny (−) w trakcie poboru prądu oraz znak dodatni (+) w trakcie ładowania. Natomiast katoda, wykonana z tlenku ołowiu(IV), ma znak dodatni (+) w trakcie poboru prądu, a znak ujemny (−) w trakcie ładowania.
Akumulator niklowo‑kadmowy
Jest to akumulator zasadowy, w którym katodę stanowi tlenek wodorotlenek niklu(III) , a anodę metaliczny kadm. Elektrolitem jest wodny roztwór wodorotlenku potasu. Ze względu na uciążliwy efekt pamięciefekt pamięci, są coraz rzadziej stosowane, na korzyść akumulatorów i .
Reakcje zachodzące podczas rozładowania ogniwa:
Anoda:
Katoda:
W trakcie ładowania kierunek reakcji jest odwrotny.
Reakcje te można sumarycznie przedstawić jako:
Schemat budowy ogniwa niklowo‑kadmowego zapisuje się w następujący sposób:
Akumulator niklowo‑kadmowy stosowany jest powszechnie w wielu urządzeniach elektronicznych, np. przenośnym sprzęcie audiowizualnym, radiotelefonach czy różnego typu grach. Ogniwo to charakteryzuje się dużą ilością cykli ładowania i rozładowywania (do około 1000 cykli), a w związku z tym, długim czasem życia. Jego zaletą jest również mała masa w porównaniu do ciężkich akumulatorów ołowiowych.
Pozostałe ogniwa odwracalne (akumulatory) to np:
Słownik
(ogniwo pierwotne) ogniwo galwaniczne, w którym reakcje chemiczne przebiegają w sposób nieodwracalny (tylko w jednym kierunku)
(ogniwo wtórne) ogniwo galwaniczne, w którym reakcje chemiczne przebiegają w sposób odwracalny, tzn. możliwa jest regeneracja materiału elektrod, w wyniku przepuszczania przez układ prądu stałego z zewnętrznego źródła; ogniwami galwanicznymi odwracalnymi są akumulatory elektryczne
szereg zjawisk objawiających się pozorną lub rzeczywistą utratą pojemności akumulatora
Bibliografia
Czerwiński A., Akumulatory, baterie, ogniwa, Warszawa 2005.
Gomółka J., Kowalczyk F., Franke A., Współczesne chemiczne źródła prądu, Warszawa 1977.