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 pierwotnymiogniwo nieodwracalnenieodwracalnymi 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 wtórnymiogniwo odwracalneogniwami 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.

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).

RF0Tj2vDy8kU0

Na zdjęciu jest kilka baterii typu paluszek. Mają kształt walca.

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: $\mathrm{Zn}\to {\mathrm{Zn}}^{2+}+2 {\mathrm{e}}^{-}$

• Katoda: $2 {{\mathrm{NH}}_4}^{+}+2 {\mathrm{e}}^{-}\to 2 {\mathrm{NH}}_3+{\mathrm{H}}_2\uparrow$

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: $\mathrm{Zn}+2 {\mathrm{OH}}^{-}\to \mathrm{Zn}{\left(\mathrm{OH}\right)}_2+2 {\mathrm{e}}^{-}$

• Katoda: $2{\mathrm{MnO}}_2+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}+2 {\mathrm{e}}^{-}\to {\mathrm{Mn}}_2{\mathrm{O}}_3+2 {\mathrm{OH}}^{-}$

Reakcja sumaryczna:

RcuB8A4IKBH59

Ilustracja przedstawia schemat budowy baterii. Jest podłużny. Na dole po lewej stronie jest znak plus, na dole na środku znak minus. Elektrony płyną od plusa do minusa - od zewnętrznej warstwy baterii przez jej środek. Przedostatnia warstwa baterii wypełniona jest ${\mathrm{M}\mathrm{n}\mathrm{O}}_2+\mathrm{C}$. Wewnętrzna część KOH+Zn. Przez środek, wzdłuż baterii biegnie czerwona linia.

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.

R173xoaLFqWZI

Na zdjęciu są cztery baterie typu paluszki. Leżą w jednym rzędzie.

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: $\mathrm{Zn}\to {\mathrm{Zn}}^{2+}+2 {\mathrm{e}}^{-}$

• Katoda: $2 {\mathrm{Ag}}^{+}+2 {\mathrm{e}}^{-}\to 2 \mathrm{Ag}$

Reakcja sumaryczna:

Elektrolitem jest najczęściej wodny roztwór wodorotlenku potasu. Stosowane są przede wszystkim w kamerach, kalkulatorach i zegarkach.

R16WZPJ07a3Nu

Na zdjęciu jest kilka okrągłych, płaskich baterii. Przypominają monety.

Pozostałe ogniwa nieodwracalne to np.:

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.

Rt7JiUJGg77UB

Na zdjęciu na blacie stoją dwa akumulatory. Są prostokątne. Mają plastikową obudowę.

W trakcie poboru prądu z akumulatora (rozładowania), na elektrodach zachodzą następujące reakcje chemiczne:

• Anoda: $\mathrm{Pb}+{{\mathrm{SO}}_4}^{2-}\rightleftarrows {\mathrm{PbSO}}_4+2 {\mathrm{e}}^{-}$

• Katoda: ${\mathrm{PbO}}_2+{{\mathrm{SO}}_4}^{2-}+4 {\mathrm{H}}_3{\mathrm{O}}^{+}+2 {\mathrm{e}}^{-}\rightleftarrows {\mathrm{PbSO}}_4+6 {\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$

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) $\mathrm{NiO}\left(\mathrm{OH}\right)$, a anodę metaliczny kadm. Elektrolitem jest wodny roztwór wodorotlenku potasu.  Ze względu na uciążliwy efekt pamięciefekt pamięci ogniwaefekt pamięci, są coraz rzadziej stosowane, na korzyść akumulatorów $\mathrm{Li}-\mathrm{Ion}$ i $\mathrm{NiHM}$.

Reakcje zachodzące podczas rozładowania ogniwa:

• Anoda: $\mathrm{Cd}+2 {\mathrm{OH}}^{-}\to \mathrm{Cd}{\left(\mathrm{OH}\right)}_2+2 {\mathrm{e}}^{-}$

• Katoda: $2 \mathrm{NiO}\left(\mathrm{OH}\right)+2 {\mathrm{H}}_2\mathrm{O}+2 {\mathrm{e}}^{-}\to 2 \mathrm{Ni}{\left(\mathrm{OH}\right)}_2+2 {\mathrm{OH}}^{-}$

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.

RZOt6M9Hr7m5A

Na zdjęciu są zapakowane w żółtą folię cztery baterie typu paluszki. Na opakowaniu są dwa piktogramy: jeden dotyczy recyklingu - jest pod nim napis Ni-Cd, drugi zakazu wrzucania do pojemników na śmieci - jest pod nim napis Cd. Na górze opakowania w lewym rogu jest znak minus, w prawym plus.

Pozostałe ogniwa odwracalne (akumulatory) to np:

Słownik

Bibliografia

Czerwiński A., Akumulatory, baterie, ogniwa, Warszawa 2005.

Gomółka J., Kowalczyk F., Franke A., Współczesne chemiczne źródła prądu, Warszawa 1977.