Hoe werkt een batterij?

Energie kan niet worden gecreëerd of vernietigd, maar kan wel in verschillende vormen worden opgeslagen. Eén manier om energie op te slaan is in de vorm van chemische energie in een batterij. Wanneer een batterij in een stroomkring wordt aangesloten, kan hij elektriciteit produceren.

Een batterij heeft twee uiteinden: een positieve pool (kathode) en een negatieve pool (anode). Als je de twee uiteinden met een draad verbindt, ontstaat er een stroomkring. Elektronen stromen door de draad en er ontstaat een elektrische stroom. In de batterij vindt een reactie tussen chemicaliën plaats. Maar de reactie vindt alleen plaats als er een stroom van elektronen is. Batterijen kunnen lange tijd worden bewaard en nog steeds werken omdat het chemische proces pas begint als de elektronen via een stroomkring van de negatieve naar de positieve pool stromen.

Een chemische reactie vindt plaats in een batterij

Een eenvoudig voorbeeld — De citroencelbatterij

Laten we beginnen met een heel eenvoudige batterij die gebruik maakt van een citroen waarin twee verschillende metalen voorwerpen zijn gestoken, bijvoorbeeld een gegalvaniseerde spijker en een koperen munt of draad. Het koper dient als positieve elektrode of kathode en de gegalvaniseerde (met zink beklede) spijker als de elektron-producerende negatieve elektrode of anode. Deze twee voorwerpen werken als elektroden en veroorzaken een elektrochemische reactie die een klein potentiaalverschil genereert.

Omdat koperatomen (Cu) meer elektronen aantrekken dan zinkatomen (Zn), zullen, als u een stuk koper en een stuk zink met elkaar in contact brengt, elektronen van het zink naar het koper gaan. Als de elektronen zich concentreren op het koper, zullen ze elkaar afstoten en de stroom elektronen van zink naar koper stoppen. Aan de andere kant, als je strips van zink en koper in een geleidende oplossing legt, en ze aan de buitenkant met een draad verbindt, zullen de reacties tussen de elektroden en de oplossing de elektronen continu door de draad laten stromen.

In een citroenbatterij treedt zowel oxidatie (verlies van elektronen) als reductie (winst van elektronen) op. Deze batterij is vergelijkbaar met de oorspronkelijke “eenvoudige voltaïsche cellen” die door Alessandro Volta werden uitgevonden (zie hieronder). Aan de anode wordt metallisch zink geoxideerd, dat als Zn2+-ionen in de zure oplossing terechtkomt:

Zn –> Zn2 + + 2 e-

Aan de koperkathode worden waterstofionen (opgeloste protonen uit de zure oplossing in de citroen) gereduceerd tot moleculaire waterstof:

2H++ 2e- –> H2

Waardoor bewegen de elektronen?

Als je een bal die je vasthoudt loslaat, valt hij op de grond omdat het zwaartekrachtsveld van de aarde de bal naar beneden trekt. Op dezelfde manier moeten geladen deeltjes, zoals elektronen, arbeid verrichten om ze van het ene punt naar het andere te verplaatsen. De hoeveelheid werk per eenheid van lading wordt het elektrische potentiaalverschil tussen de twee punten genoemd. De eenheid van potentiaalverschil wordt volt genoemd.

Het potentiaalverschil tussen de kathode en de anode ontstaat door de chemische reactie. In de batterij worden elektronen door de chemische reactie naar de positieve kant geduwd, waardoor een potentiaalverschil ontstaat.

Dit potentiaalverschil drijft de elektronen door de draad.

Potentiaalverschil kan positief of negatief zijn, vergelijkbaar met gravitatie-energie, die een heuvel op of af beweegt. In een batterij gaat de stroom elektronen bergafwaarts… elektronen kunnen ook bergopwaarts stromen, zoals in het geval van een batterijlader.

Waarom gaan elektronen niet gewoon van de anode naar de kathode in de batterij?

De elektrolyt in de batterij zorgt ervoor dat eenzame elektronen niet rechtstreeks van de anode naar de kathode in de batterij gaan. Wanneer de aansluitpolen zijn verbonden met een geleidende draad, kunnen de elektronen gemakkelijk van de anode naar de kathode stromen.

In welke richting bewegen de elektronen in de draad?

Elektronen zijn negatief geladen, dus worden ze aangetrokken door de positieve kant van een batterij en afgestoten door de negatieve kant. Wanneer de batterij wordt aangesloten op een apparaat dat de elektronen laat doorstromen, stromen ze van de negatieve (anode) naar de positieve (kathode) pool.

Wie heeft de elektrochemische cel (batterij) uitgevonden?

Hoe werkt een moderne batterij (zink-koolstof-batterij)?

Een zink-koolstof droge cel of batterij is verpakt in een zinken bus die zowel als houder als negatieve pool (anode) dient. De positieve pool is een koolstofstaaf die is omgeven door een mengsel van mangaandioxide en koolstofpoeder. De gebruikte elektrolyt is een pasta van zinkchloride en ammoniumchloride, opgelost in water. De staaf koolstof (grafiet) vangt de elektronen op die van de anode van de batterij komen om terug te keren naar de kathode van de batterij. Koolstof is het enige praktische geleidende materiaal, omdat elk gangbaar metaal snel zal corroderen in de positieve elektrode in elektrolyt op basis van zout. Het zink wordt geoxideerd volgens de volgende halfvergelijking. Zn(s) –> Zn2+(aq) + 2 e- Het mangaandioxide wordt gemengd met koolstofpoeder om de elektrische geleiding te verhogen. De reactie verloopt als volgt: 2MnO2(s) + 2 e- + 2NH4Cl(aq)–> Mn2O3(s) + 2NH3(aq) + H2O(aq) + 2 Cl- en de CL verbindt zich met de Zn2+. In deze halfreactie wordt het mangaan gereduceerd van een oxidatietoestand van (+4) tot (+3). Er zijn nog meer mogelijke nevenreacties, maar de totale reactie in een zink-koolstofcel kan als volgt worden weergegeven: Zn(s) + 2MnO2(s) + 2NH4Cl(aq) —> Mn2O3(s) + Zn(NH3)2Cl2 (aq) + H2O(l) De batterij heeft een e.m.f. van ongeveer 1,5 V.

Wat zijn de verschillende soorten batterijen?

Verschillende soorten batterijen maken gebruik van verschillende soorten chemicaliën en chemische reacties. Enkele van de meest voorkomende soorten batterijen zijn: