Galvaanielement (patarei/aku) — mis on keemiline rakk, tüübid ja ajalugu
Keemiline rakk muudab keemilise energia elektrienergiaks. Enamik patareisid on keemilised elemendid. Aku sees toimub keemiline reaktsioon, mis põhjustab elektrivoolu voolu. Keemilises muundamises on võtmerolliks redoks-reaktsioonidel: ühes elektrodis toimub oksüdeerumine (elektronide eraldumine) ja teises elektrodis vastuvõtmine ehk redutseerumine; elektronid liiguvad läbi välise vooluringi ja ioonid läbi elektroliidi, säilitades laengutasakaalu.
Kuidas kemikaalne rakk töötab
Igas patareis on kaks peamist osa: elektroodid (anood ja katood) ning elektroliit. Anoodist eralduvad elektronid oksüdeerumisel ja liiguvad välise vooluringi kaudu katoodi, kus need osalevad redutseerumisreaktsioonis. Elektroliit võimaldab ioonide liikumist elektroodide vahel, säilitades elektroneutraliteeti. Mõnel laboratoorsel galvaanilisel rakul on lisaks soolasilm (salt bridge), mis ühendab poolrakkude lahuseid ja võimaldab ioonide liikuvust ilma lahuseid segamata.
Tüübid – esmased ja teisased elemendid
- Esmased (mitte-laetavad) patareid annavad elektrit kuni nende kemikaalid on ära kulunud. Pärast seda pole neid enam võimalik tööks taastada ja neid nimetatakse sageli "kasuta ja viska" patareideks. Näited: tavaline tsink-süsinikpatarei, alalisel kasutusel olevaid nöörpatareisid (button cells) sisaldavad lahendusi.
- Teisased (laetavad) akud saab uuesti laadida, juhtides elektrivoolu tagurpidi läbi aku, mis pöörab keemilised reaktsioonid ja taastab elektroodide esialgse keemilise oleku. Neid akusid leiutas 1859. aastal prantsuse teadlane Gaston Plante. Tavalised näited on plii-aku (autodes), NiMH- ja liitiumioonakud.
Tuntud keemilised süsteemid ja rakendused
- Alkaliinpatarei (1,5 V) – laialt kasutusel AA, AAA ja sarnastes formides; suurem energiasisaldus võrreldes vanemate tsink-süsinik patareidega.
- Tsink-süsinik – odav, tavakasutuseks väiksema töömahuga seadmetes.
- Plii-aku – raskem, aga suudab anda suurt voolu (käivitusvool), kasutatakse autodes ja varutoitesüsteemides; iga plii-aku element annab ~2 V.
- NiCd (nikelkadmium) ja NiMH (nikkel-metallhüdriid) – korduvlaetavad, NiMH-il parem energiatihedus ja vähem mäluefekti võrreldes NiCd-ga.
- Liitium-ioon (Li-ion) – kõrge energiatihedus ja pikk eluiga, kasutatakse nutiseadmetes, elektrisõidukites ja kaasaegsetes elektroonikaseadmetes; arendustööd hõlmavad paljusid teadlasi, oluliseks pöördepunktiks 1990ndate alguse kommertsialistumine.
- Nutikasutus ja suured paigaldised – sõidukite akud, jälgimissüsteemid, taastuvenergia salvestus (tasakaalustavad päikese/tuule tootmist) ning Allveelaevad vajavad väga suuri patareisid.
Mõõtühikud ja peamised omadused
- Pinge (V) – ühe raku nominaalpinge sõltub keemiast (näiteks alkaliin ~1,5 V, liitiumioon ~3,6–3,7 V).
- Mahtuvus (Ah) – amperitundides mõõdetud laeng, mis näitab kui kaua aku suudab teatud voolu anda.
- Energiasisaldus (Wh/kg või Wh/L) – kui palju energiat mahub massi- või ruumühikusse; oluline mobiilsete seadmete ja sõidukite osas.
- Sisene takistus – mõjutab pingelangust koorma all ja soojuskaod; madal sisetakistus tähendab paremat võimekust anda suuri voole.
Ohutus, ladustamine ja keskkonnamõju
Patareide käsitsemisel tuleb järgida ohutusnõudeid: ära lühista klemmid, ära purusta ega kuumuta akut, väldi vedelike lekkimist. Liitium-ioonakudel on võimalus tekkida termilise jooksu (thermal runaway), mis võib põhjustada plahvatust või tulekahju, seetõttu on vajalikud kaitseelektroonika ja õige laadimistsükkel. Patareide õige kogumine ja taaskasutus on väga olulised – paljudes akudes on raskemetalle või muid ohtlikke aineid, mis võivad keskkonda kahjustada, kui neid valesti kõrvaldada. Ringlussevõtt võimaldab ka väärtuslikke materjale taastada.
Lühike ajalooline ülevaade
Galvaani ja volta ajalugu: 1700–1800. aastate teadustööd kuulsate teadlaste Luigi Galvani ja Alessandro Volta vahel viisid arusaamiseni elektrienergia ja bioloogiliste efektide seosest ning lõplikult Volta voltaapse torniga (voltaic pile) 1800. aastal demonstreeris esimest pidevat elektrivoolu. Sellest pärit terminit "galvaanielement" kasutatakse endiselt. 1859. aastal parandas ja leiutas korduvlaetava pliiakuga süsteemi prantsuse insener Gaston Plante, mis pani aluse kaasaegsetele akudele; hilisemad leiutised ja arendused (nt NiCd, NiMH, Li-ion) on jätkanud akutehnoloogia kiiret arengut ning võimaldanud ulatuslikku kasutust kaasaskantavas elektroonikas ja transpordis.
Patareisid on mitmesuguse kujuga ja suurusega, alates väga väikestest nupp-patareidest, mida kasutatakse kellades, kaugjuhtimispultides ja kaamerates, kuni autodes kasutatavate pliiakude või veelgi suuremate energiavarustussüsteemideni. Oluline on valida patarei sobiv keemia ja mõõtmed vastavalt seadme nõudmistele (pinge, mahtuvus, laaditsüklite arv, töötemperatuur ja ohutus).
Keemiliste rakkude tüübid
- Lihtne lahter
- Kuivelement
- Märg rakk
- Kütuseelement
- Päikesepatarei
- Elektriline rakk
Elektrokeemilised elemendid
Äärmiselt oluline oksüdatsiooni- ja reduktsioonireaktsioonide klass, mida kasutatakse patareides kasuliku elektrienergia saamiseks. Lihtsa elektrokeemilise elemendi saab valmistada vase- ja tsinkmetallidest koos nende sulfaatide lahustega. Reaktsiooni käigus saab elektronid tsingist elektriliselt juhtiva tee kaudu kasulikuks elektrivooluks vasele üle kanda.
Elektrokeemilise elemendi saab luua, paigutades metallelektroodid elektrolüütidesse, kus keemiline reaktsioon kas kasutab või tekitab elektrivoolu. Elektrokeemilisi elemente, mis tekitavad elektrivoolu, nimetatakse voltaelementideks või galvaanilisteks elementideks ning tavalised patareid koosnevad ühest või mitmest sellisest elemendist. Teistes elektrokeemilistes elementides kasutatakse väljastpoolt tulevat elektrivoolu, et käivitada keemiline reaktsioon, mis ei toimuks spontaanselt. Selliseid elemente nimetatakse elektrolüütilisteks elementideks.
Voltaic-elemendid
Elektrokeemilise elemendi, mis põhjustab välise elektrivoolu voolu, saab luua kahe erineva metalliga, kuna metallid erinevad elektronide kaotamise kalduvuse poolest. Tsink kaotab kergemini elektrone kui vask, nii et tsingi ja vase metalli paigutamine nende soolade lahustesse võib põhjustada elektronide voolu läbi välise juhtme, mis viib tsingist vaseni. Kuna tsink aatom annab elektrone, muutub see positiivseks iooniks ja läheb vesilahusesse, vähendades tsinkelektroodi massi. Vase poolel võimaldavad saadud kaks elektroni muuta lahusest pärit vaseiooni laenguta vase aatomiks, mis ladestub vaseelektroodile, suurendades selle massi. Need kaks reaktsiooni kirjutatakse tavaliselt järgmiselt
Zn(s) --> Zn2+(aq) + 2e
Cu2+(aq) + 2e ---> Cu(s)
Sulgudes olevad tähed on lihtsalt meeldetuletus, et tsink läheb tahkest ainest (s) vesilahuseks (aq) ja vask vastupidi. Elektrokeemia keeles on tüüpiline nimetada neid kahte protsessi "poolreaktsioonideks", mis toimuvad kahel elektroodil.
| Zn(s) -> Zn2+(aq) + 2e |
|
| Cu2+(aq) + 2e- -> Cu(s) |
Selleks, et voltaelement jätkaks välise elektrivoolu tekitamist, peavad lahuses olevad sulfaatioonid liikuma paremalt vasakule, et tasakaalustada elektronide voolu välisahelas. Metallioonide endi liikumine elektroodide vahel peab olema takistatud, seega peab mingi poorne membraan või muu mehhanism tagama negatiivsete ioonide selektiivse liikumise elektrolüüdis paremalt vasakule.
Selleks, et sundida elektrone tsinkelektroodilt vaskelektroodile liikuma, on vaja energiat ning voltaelementi energiahulka laenguühiku kohta nimetatakse elemendi elektromotoorseks jõuks (emf). Energiat laenguühiku kohta väljendatakse voltides (1 volt = 1 džauli/kuuli).
On selge, et raku energia saamiseks peab tsingi oksüdeerumisel vabanema rohkem energiat, kui kulub vase redutseerimiseks. Sellelt saab sellest protsessist saada piiratud koguse energiat, kuna protsessi piirab kas elektrolüüdis või metallelektroodides oleva materjali hulk. Näiteks kui vase poolel oleks üks mol sulfaatioone SO42-, siis on protsess piiratud kahe mooli elektronide ülekandmisega läbi väliskontuuri. Elektronide moolis sisalduvat elektrilaengu suurust nimetatakse Faraday konstandiks ja see on võrdne Avogadro arvu ja elektronilaengu korrutisega:
Faraday konstant = F = ANe = 6,022 x 1023 x 1,602 x 10 -19= 96,485 Coulomb/mool
Voltaikelemendi energiakogus on antud elemendi pinge korrutatuna ülekantud elektronide moolarvuga korrutatuna Faraday konstandiga.
Elektrienergia väljund = nFE
Raku emf Ecell võib ennustada kahe metalli standardelektroodipotentsiaalide põhjal. Tsink/vaskelemendi puhul on standardtingimustes arvutatud elemendi potentsiaal 1,1 volti.
Lihtne lahter
Lihtelemendis on tavaliselt vask- (Cu) ja tsinkplaadid (Zn) lahjendatud väävelhappes. Tsink lahustub ja vaskplaadile tekivad vesinikumullid. Need vesinikumullid takistavad voolu läbimist, nii et lihtsat elementi saab kasutada ainult lühikest aega. Pideva voolu tagamiseks on vesiniku oksüdeerimiseks vaja depolaatorit (oksüdeerivat ainet). Danieli elemendis on depolaatoriks vasksulfaat, mis vahetab vesiniku vase vastu. Leclanche'i patareis on depolaatoriks mangandioksiid, mis oksüdeerib vesiniku veeks.
Lihtne lahter
Daniel raku
Inglise keemik John Frederick Daniell töötas 1836. aastal välja voltaelementi, milles kasutati tsinki ja vaske ning nende ioonide lahuseid.
Key
- Tsinkvarras = negatiivne klemm
- 2HSO4 = lahjendatud väävelhappe elektrolüüt
- Poorsed potid eraldavad kaks vedelikku
- CuSO4 = vasesulfaatdepolaator
- Vaskpott = positiivne klemm
Danieli raku skeem
Küsimused ja vastused
K: Mis on keemiline rakk ja mis on selle eesmärk?
V: Keemiline element on seade, mis muundab keemilist energiat elektrienergiaks. Selle eesmärk on toota keemilise reaktsiooni abil elektrivoolu.
K: Mis on enamik patareisid?
V: Enamik patareisid on keemilised elemendid.
K: Mis toimub patarei sees, mis põhjustab elektrivoolu voolu?
V: Patarei sees toimub keemiline reaktsioon, mis põhjustab elektrivoolu voolu.
K: Mitut tüüpi patareisid on olemas ja millised on need?
V: On olemas kahte peamist tüüpi patareisid - need, mis on laetavad, ja need, mis ei ole laetavad.
K: Mis juhtub, kui mitte-laetav aku saab tühjaks?
V: Mitte-laetav aku annab elektrit, kuni selles olevad kemikaalid on ära kasutatud. Siis ei ole sellest enam kasu ja selle võib ära visata.
K: Kes ja millal leiutas laetavad patareid?
V: Taaslaetavad patareid leiutas 1859. aastal prantsuse teadlane Gaston Plante.
K: Kas patareid võivad olla erineva suurusega ja milline on näide seadmest, mis vajab suurt patareid?
V: Jah, patareid võivad olla mitmesuguse kujuga ja suurusega. Näide seadmest, mis vajab suurt akut, on allveelaev.
