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 / 0článok
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.