Preskočiť na obsah
Chcete tieto pokusy naživo? Prinesiem ich do vašej školy ako show.Show a workshopy
Späť

Vzdelávanie · Učivo

Redoxné reakcie a elektrochémia

lekcia 6

Batérie a akumulátory

Úroveň výkladu:
základná školastredná škola, s rozšíreniami pre náročnejších

úvod

V diaľkovom ovládači sú tužkové batérie, v mobile plochý akumulátor, v kľúči od auta malý gombík a pod kapotou auta ťažký akumulátor so štítkom 12 V. Všetky sú to galvanické články, v ktorých redoxná reakcia vyrába prúd, ako ukazuje lekcia Galvanický článok. Líšia sa tým, z akých látok sú, aké napätie dávajú, koľko energie sa do nich zmestí a či sa dajú znova nabiť.

teória

Článok, batéria a akumulátor

  • Primárny článok sa po vybití nabiť nedá. Reakcia v ňom prebehne len jedným smerom. Patrí sem alkalická tužková batéria aj väčšina gombíkových článkov.
  • Akumulátor sa dá znova nabiť. Prúd z nabíjačky obráti reakciu, ktorá pri vybíjaní dodáva prúd. Nabíjanie je teda elektrolýza, ako ukazuje lekcia Elektrolýza.

Slovo batéria znamená presne vzaté niekoľko článkov spojených za sebou, ako v aute. V bežnej reči sa batériou volá aj jeden tužkový článok.

teória

Bežné články

  • Alkalický článok (tužková batéria) má napätie 1,5 V. Záporným pólom je práškový zinok, kladným oxid manganičitý a elektrolytom hydroxid draselný. Napája ovládače, hračky a hodiny.
  • Gombíkové články sú malé a ploché. Lítiový gombík má 3 V a je v kľúčoch od auta a v kuchynských váhach. Článok s oxidom strieborným (1,55 V) poháňa náramkové hodinky. Zinkovo-vzduchový článok v načúvacích prístrojoch má dierky: kladnou elektródou je v ňom kyslík zo vzduchu.
  • Olovený akumulátor v aute má šesť článkov po 2 V, spolu 12 V. Elektródy sú z olova a oxidu olovičitého a elektrolytom je zriedená kyselina sírová. Na chvíľu dodá veľký prúd, ktorý roztočí štartér, a počas jazdy ho dobíja alternátor. Kyselinu sírovú v autobatérii spomína aj lekcia Síra.
  • Lítium-iónový akumulátor má napätie 3,6 až 3,7 V a do malého objemu sa doň zmestí veľa energie. Je v mobiloch, notebookoch, elektrických bicykloch a elektromobiloch. Prečo práve lítium, ukazuje lekcia Alkalické kovy.
  • Nikel-metalhydridový akumulátor (1,2 V) má tvar tužkovej batérie, ale dá sa nabiť.

teória

Palivový článok

V bežnom článku sú zásoby látok zavreté vnútri, a keď sa minú, článok je vybitý. Do palivového článku sa palivo privádza stále. Najčastejšie je to vodík, ktorý sa s kyslíkom zo vzduchu bez plameňa mení na vodu a elektrinu. Je to tá istá reakcia ako horenie vodíka, ktoré ukazuje pokus Zmes vodíka a kyslíka, no energia sa neuvoľní ako teplo a výbuch, ale ako prúd. Palivové články dodávali elektrinu a pitnú vodu kozmickým lodiam Apollo a dnes poháňajú vodíkové autobusy a autá.

vyskúšaj si

Batéria a kde ju nájdeš

Ku každému článku alebo akumulátoru priraď, kde sa používa.

0 / 0

článok

kde ho nájdeš

teória

Kapacita a energia

Na akumulátore mobilu nájdeš napríklad údaj 4 000 mAh. To je kapacita, náboj, ktorý akumulátor dokáže dodať. Miliampérhodina znamená prúd jedného miliampéra počas jednej hodiny. Akumulátor so 4 000 mAh teda vydrží dodávať prúd 200 mA počas 4 000 : 200 = 20 hodín.

Koľko energie je v akumulátore uložené, závisí aj od napätia. Energia vo watthodinách je napätie krát kapacita v ampérhodinách: 3,7 V · 4 Ah = 14,8 Wh. Jedna watthodina je 3,6 kJ. Elektromobil má batériu s energiou desiatok kilowatthodín, niekoľko tisíc ráz viac ako mobil.

Pozor na jednotky. Kapacita v mAh hovorí, ako dlho batéria vydrží dodávať prúd, napätie vo voltoch hovorí, s akou silou ho tlačí obvodom. Dva akumulátory s rovnakou kapacitou môžu mať rôznu energiu, ak majú rôzne napätie. Pri výpočtoch si kapacitu v mAh preveď na Ah: 4 000 mAh = 4 Ah.

pozor

Bezpečnosť a recyklácia

  • Batériu neskratuj: drôt alebo kľúč medzi pólmi spôsobí veľký prúd, batéria sa prehreje a môže vytiecť alebo začať horieť.
  • Nafúknutý lítiový akumulátor je nebezpečný. Prestaň ho používať a nenabíjaj ho.
  • Batéria nepatrí do koša na zmiešaný odpad ani do ohňa. Lítiové batérie, ktoré sa v smetiarskom aute stlačia, spôsobujú požiare. Batérie obsahujú zinok, mangán, nikel, olovo, lítium či kobalt, ktoré v prírode škodia a pri recyklácii sa dajú znova využiť.
  • Použité batérie zober do zbernej nádoby. Predajne, ktoré batérie predávajú, ich musia bezplatne zobrať späť.

Olovo zo starých autobatérií sa recykluje takmer celé. Ortuť, ktorá bola kedysi aj v bežných batériách, sa do nich v Európskej únii už nesmie pridávať. Pri lítiových akumulátoroch sa recyklácia rozbieha: získava sa z nich lítium, kobalt, nikel a meď.

Čo sa deje vnútri

Alkalický článok. Zinok sa oxiduje a oxid manganičitý redukuje, zjednodušene Zn + 2 MnO₂ → ZnO + Mn₂O₃. Mangán prejde z +IV na +III.

Olovený akumulátor. Pri vybíjaní sa olovo oxiduje a oxid olovičitý redukuje, oboje na síran olovnatý:

Pb + PbO₂ + 2 H₂SO₄ ⇄ 2 PbSO₄ + 2 H₂O

Doprava prebieha vybíjanie, doľava nabíjanie. Kyselina sírová sa pri vybíjaní spotrebúva a pribúda voda, hustota elektrolytu klesá asi z 1,28 g/cm³ na 1,1 g/cm³. Je to komproporcionácia: olovo z 0 a z +IV prejde na +II.

Lítium-iónový akumulátor neobsahuje kovové lítium. Ióny Li⁺ sa pri nabíjaní ukladajú medzi vrstvy grafitu a pri vybíjaní putujú elektrolytom späť do oxidu kovu, napríklad LiCoO₂ alebo LiFePO₄. Elektróny pritom tečú vonkajším obvodom. Ióny sa tak kolíšu medzi elektródami tam a späť, preto sa mu niekedy hovorí „hojdací“ článok.

Vodíkový palivový článok. Na anóde sa vodík oxiduje, H₂ → 2 H⁺ + 2 e⁻, katióny H⁺ prejdú membránou ku katóde, kde sa redukuje kyslík: O₂ + 4 H⁺ + 4 e⁻ → 2 H₂O. Teoretické napätie je rozdiel potenciálov kyslíkovej a vodíkovej elektródy, 1,23 V. Pod prúdom dá jeden článok asi 0,7 V, preto sa články skladajú za sebou.

Pri batériách do áut a lietadiel rozhoduje energia na kilogram. Lítium je najľahší kov a jeho článok má vysoké napätie, preto lítiový akumulátor uloží na kilogram niekoľkokrát viac energie ako olovený.

rozšírenie Prečo batéria v mraze slabne

V zime sa mobil na mraze rád vypne, hoci ukazoval ešte tretinu nabitia, a v teple sa znova zapne. Batéria sa nevybila, len spomalila. Reakcie na elektródach v chlade prebiehajú pomalšie a ióny sa v zhustnutom elektrolyte pohybujú ťažšie. Akumulátor potom nestíha dodávať prúd, napätie pod záťažou klesne a mobil sa radšej vypne. Po zohriatí sa reakcie zrýchlia a energia je znova k dispozícii. Ako teplota ovplyvňuje rýchlosť reakcií, ukazuje lekcia Rýchlosť chemických reakcií.

Lítiové akumulátory sa však na mraze nemajú nabíjať: lítium sa vtedy namiesto do grafitu môže vylúčiť ako kov a akumulátor poškodiť. Elektromobily preto batériu v zime pred nabíjaním zohrievajú.

teória

Časté chyby

  • „Batéria je plná elektrónov.“ Batéria uchováva chemickú energiu v látkach. Elektróny ňou len pretekajú, a počet elektrónov v nej sa nemení.
  • „Nabíjanie napĺňa akumulátor elektrinou.“ Prúd z nabíjačky obráti chemickú reakciu a energia sa uloží v látkach na elektródach.
  • „Viac mAh znamená vyššie napätie.“ Kapacita a napätie sú rôzne veličiny. Kapacita hovorí, ako dlho batéria vydrží, napätie, s akou silou tlačí prúd.
  • „Jednu batériu môžem hodiť do koša.“ Aj jedna batéria obsahuje kovy, ktoré škodia prírode, a lítiová môže v smetiarskom aute začať horieť. Batérie patria do zberu.

Ako sa kovy, z ktorých sú batérie, vyrábajú z rúd, ukazuje ďalšia lekcia Výroba kovov.

výdrž batérie z kapacity a prúdu, energia vo Wh, powerbanka a elektromobil

Kapacita a energia batérie

príklad 1

0 / 0

rozumieš tomu?

Otestuj sa

4 otázok · úroveň ZŠ4 otázok · úroveň SŠ

Kvíz: Batérie a akumulátory

Otázka 1/4

Čím sa líši akumulátor od bežnej tužkovej batérie?

Skóre: 0

Najprv vyber odpoveď.

Chcete tento pokus naživo?

Ukážem ho vašim žiakom na chemickej show: 15 pokusov za jednu hodinu, 5 € na žiaka.

Rezervovať termín

Nahlásiť chybu

Chyba v texte, zlá odpoveď alebo niečo, čo nefunguje? Stačí pár slov.

Čo sa stalo?
vedeckeokienko.sk/

Hlásenie uvidí len správca webu. Osobné údaje sem nepatria. Ochrana osobných údajov