Skip to main content
Global

17.5: Betri na seli za mafuta

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    176073

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    Malengo ya kujifunza
    • Kuainisha betri kama msingi au sekondari
    • Andika baadhi ya sifa na mapungufu ya betri
    • Kutoa maelezo ya jumla ya kiini cha mafuta

    Betri ni kiini cha electrochemical au mfululizo wa seli zinazozalisha sasa umeme. Kimsingi, kiini chochote cha galvanic kinaweza kutumika kama betri. Betri bora haiwezi kukimbia chini, kuzalisha voltage isiyobadilika, na kuwa na uwezo wa kukabiliana na hali mbaya ya mazingira ya joto na unyevu. Betri halisi hupiga usawa kati ya sifa bora na mapungufu ya vitendo. Kwa mfano, wingi wa betri ya gari ni kuhusu kilo 18 au juu ya 1% ya wingi wa gari la wastani au lori la wajibu. Aina hii ya betri ingekuwa ugavi nishati karibu ukomo kama kutumika katika smartphone, lakini itakuwa kukataliwa kwa ajili ya maombi haya kwa sababu ya wingi wake. Kwa hiyo, hakuna betri moja ni “bora” na betri huchaguliwa kwa programu fulani, kuweka vitu kama wingi wa betri, gharama zake, kuaminika, na uwezo wa sasa katika akili. Kuna aina mbili za msingi za betri: msingi na sekondari. Betri chache za kila aina zinaelezwa ijayo.

    Tembelea tovuti hii ili ujifunze zaidi kuhusu betri.

    Betri za Msingi

    Betri za msingi ni betri za matumizi moja kwa sababu haziwezi kuchajiwa tena. Betri ya msingi ya kawaida ni kiini kavu (Kielelezo\(\PageIndex{1}\)). Kiini kavu ni betri ya zinki-kaboni. Zinki inaweza kutumika kama chombo na electrode hasi. Electrode nzuri ni fimbo iliyofanywa kwa kaboni ambayo imezungukwa na kuweka ya oksidi ya manganese (IV), kloridi ya zinki, kloridi ya amonia, poda ya kaboni, na kiasi kidogo cha maji. Majibu ya anode yanaweza kuwakilishwa kama oxidation ya kawaida ya zinki:

    \[\ce{Zn}(s)⟶\ce{Zn^2+}(aq)+\ce{2e-} \hspace{20px} E^\circ_{\ce{Zn^2+/Zn}}=\mathrm{−0.7618\: V} \nonumber \]

    Majibu ya cathode ni ngumu zaidi, kwa sehemu kwa sababu mmenyuko zaidi ya moja hutokea. Mfululizo wa athari ambayo hutokea kwenye cathode ni takriban

    \[\ce{2MnO2}(s)+\ce{2NH4Cl}(aq)+\ce{2e-}⟶\ce{Mn2O3}(s)+\ce{2NH3}(aq)+\ce{H2O}(l)+\ce{2Cl-} \nonumber \]

    Majibu ya jumla ya betri ya zinki-kaboni yanaweza kuwakilishwa kama

     

    \[\ce{2MnO2}(s) + \ce{2NH4Cl}(aq) + \ce{Zn}(s) ⟶ \ce{Zn^2+}(aq) + \ce{Mn2O3}(s) + \ce{2NH3}(aq) + \ce{H2O}(l) + \ce{2Cl-} \nonumber \]

    na uwezo wa jumla wa seli ambayo ni ya awali kuhusu 1.5 V, lakini inapungua kama betri inatumiwa. Ni muhimu kukumbuka kwamba voltage iliyotolewa na betri ni sawa bila kujali ukubwa wa betri. Kwa sababu hii, betri za D, C, A, AA, na AAA zote zina kiwango cha voltage sawa. Hata hivyo, betri kubwa zinaweza kutoa moles zaidi ya elektroni. Kama chombo cha zinki kinachoksidisha, yaliyomo yake hatimaye huvuja nje, hivyo aina hii ya betri haipaswi kushoto katika kifaa chochote cha umeme kwa muda mrefu.

    Kielelezo\(\PageIndex{1}\): Mchoro unaonyesha sehemu ya msalaba wa betri ya tochi, kiini cha zinki-kaboni kavu.
    Mchoro wa sehemu ya msalaba wa betri ya kiini kavu huonyeshwa. Sura ya jumla ya seli ni cylindrical. Upeo wa uso wa silinda, unaonyeshwa kama mstari mwembamba mwembamba, unaitwa “zinki inaweza (electrode).” Chini ya hii ni kidogo nene giza kijivu uso kwamba inashughulikia uso lateral, juu, na chini ya betri, ambayo ni lebo “porous separator.” Ndani ni zambarau kanda na wengi sawasawa spaced ndogo dots nyeusi zambarau, kinachoitwa “Weka ya M n O Subscript 2, N H subscript 4 C l, Z n C l subscript 2, maji (cathode).” Fimbo ya kijivu giza, iliyoitwa “fimbo ya kaboni (electrode),” inatoka juu ya betri, na kuacha pengo la chini ya moja ya tano urefu wa betri chini ya fimbo hadi chini ya silinda. Sehemu nyembamba ya mstari wa kijivu chini ya silinda inaitwa “Chuma cha chini cha chuma (hasi).” Juu sana ya silinda ina nyembamba kijivu uso kwamba curves zaidi katika kituo juu ya juu ya electrode kaboni katikati ya silinda. Uso huu wa juu umeandikwa “Chuma cha juu cha chuma (chanya).” Mstari mwembamba wa kijivu chini ya uso huu umeitwa “Insulator.” Chini ya hili, juu ya kanda ya zambarau, na nje ya electrode ya kaboni katikati ni mkoa wa machungwa unaoitwa “Muhuri.”

    Betri za alkali (Kielelezo\(\PageIndex{2}\)) were developed in the 1950s partly to address some of the performance issues with zinc–carbon dry cells. They are manufactured to be exact replacements for zinc-carbon dry cells. As their name suggests, these types of batteries use alkaline electrolytes, often potassium hydroxide. The reactions are

    \[\begin{align*} &\textrm{anode: }\ce{Zn}(s)+\ce{2OH-}(aq)⟶\ce{ZnO}(s)+\ce{H2O}(l)+\ce{2e-} \hspace{40px} E^\circ_\ce{anode}=\mathrm{−1.28\: V}\\ &\underline{\textrm{cathode: }\ce{2MnO2}(s)+\ce{H2O}(l)+\ce{2e-}⟶\ce{Mn2O3}(s)+\ce{2OH-}(aq) \hspace{40px} E^\circ_\ce{cathode}=\mathrm{+0.15\: V}}\\ &\textrm{overall: }\ce{Zn}(s)+\ce{2MnO2}(s)⟶\ce{ZnO}(s)+\ce{Mn2O3}(s) \hspace{40px} E^\circ_\ce{cell}=\mathrm{+1.43\: V} \end{align*} \nonumber \]

    Betri ya alkali inaweza kutoa mara tatu hadi tano nishati ya seli ya kavu ya zinki-kaboni ya ukubwa sawa. Betri za alkali zinaweza kuvuja hidroksidi ya potasiamu, hivyo hizi zinapaswa pia kuondolewa kwenye vifaa vya kuhifadhi muda mrefu. Wakati baadhi ya betri alkali ni rechargeable, wengi si. Majaribio ya kurejesha betri ya alkali ambayo haipatikani mara nyingi husababisha kupasuka kwa betri na kuvuja kwa electrolyte ya hidroksidi ya potasiamu.

    alt
    Kielelezo\(\PageIndex{2}\): Betri za alkali ziliundwa kama nafasi za moja kwa moja kwa betri za zinki-kaboni (kiini kavu).

    Betri za sekondari

    Betri za sekondari zinaweza kutolewa. Hizi ni aina za betri zinazopatikana katika vifaa kama vile simu za mkononi, vidonge vya elektroniki, na magari.

    Nickel-cadmium, au NiCd, betri (Kielelezo\(\PageIndex{3}\)) hujumuisha cathode ya nickel-plated, anode ya cadmium-plated, na electrode ya hidroksidi Sahani nzuri na hasi, ambazo zimezuiwa kupunguzwa na separator, zimeunganishwa pamoja na kuweka katika kesi hiyo. Hii ni muundo wa “jelly-roll” na inaruhusu kiini cha NiCd kutoa sasa zaidi kuliko betri ya alkali ya ukubwa sawa. Athari ni

    \ [kuanza {align*}
    &\ textrm {anode:}\ ce {Cd} (s) +\ ce {2OH-} (aq)\ ce {Cd (OH) 2} (s) +\ ce {2e-}\
    &\ kusisitiza {\ maandishi {cathode:}\ ce {NiO2} (s) +\ ce {2H2O} (l) +\ ce {2e-}\ ce {Ni (OH) 2} (s) +\ ce {2OH-} (aq)}\\
    &\ textrm {jumla:}\ ce {Cd} (s) +\ ce {NiO2} (s) +\ ce {2H2O} (l)\ ce {Cd (OH) 2} (s) +\ ce {Ni (OH) 2} (s)\ mwisho {align*}\ nonumber\]

    Voltage ni karibu 1.2 V hadi 1.25 V kama betri inarudi. Wakati wa kutibiwa vizuri, betri ya NiCd inaweza kurejeshwa mara 1000. Cadmium ni metali nzito yenye sumu hivyo betri za NiCd hazipaswi kufunguliwa au kuwekwa kwenye takataka ya kawaida.

    alt
    Kielelezo\(\PageIndex{3}\): Betri za NiCd hutumia muundo wa “jelly-roll” ambao huongeza kiasi cha sasa betri inaweza kutoa ikilinganishwa na betri sawa ya alkali.

    Betri za lithiamu ion (Kielelezo\(\PageIndex{4}\)) ni miongoni mwa betri zinazoweza kutumika zaidi na hutumiwa katika vifaa vingi vya elektroniki vinavyotumika. Athari ni

    \[\begin{align*} &\textrm{anode: }\ce{LiCoO2}⇌\ce{Li}_{1-x}\ce{CoO2}+x\ce{Li+}+x\ce{e-}\\ &\textrm{cathode: }x\ce{Li+}+x\ce{e-}+x\ce{C6}⇌x\ce{LiC6}\\ &\overline{\textrm{overall: }\ce{LiCoO2}+x\ce{C6}⇌\ce{Li}_{1-x}\ce{CoO2}+x\ce{LiC6}} \end{align*} \nonumber \]

    Kwa coefficients inayowakilisha moles, x si zaidi ya 0.5 moles. Betri ya betri ni karibu 3.7 V. betri za lithiamu ni maarufu kwa sababu zinaweza kutoa kiasi kikubwa cha sasa, ni nyepesi kuliko betri zinazofanana za aina nyingine, huzalisha voltage karibu mara kwa mara wakati wa kutokwa, na polepole hupoteza malipo yao wakati wa kuhifadhiwa.

    alt
    Kielelezo\(\PageIndex{4}\): Katika betri ya lithiamu ion, malipo inapita kati ya electrodes kama ions lithiamu huenda kati ya anode na cathode.

    Betri ya asidi ya risasi (Kielelezo\(\PageIndex{5}\)) ni aina ya betri ya sekondari inayotumiwa katika gari lako. Ni gharama nafuu na ina uwezo wa kuzalisha sasa ya juu inayohitajika na motors starter magari. Athari za betri ya asidi ya risasi ni

    \[\begin{align*} &\textrm{anode: }\ce{Pb}(s)+\ce{HSO4-}(aq)⟶\ce{PbSO4}(s)+\ce{H+}(aq)+\ce{2e-}\\ &\underline{\textrm{cathode: } \ce{PbO2}(s)+\ce{HSO4-}(aq)+\ce{3H+}(aq)+\ce{2e-}⟶\ce{PbSO4}(s)+\ce{2H2O}(l)}\\ &\textrm{overall: }\ce{Pb}(s)+\ce{PbO2}(s)+\ce{2H2SO4}(aq)⟶\ce{2PbSO4}(s)+\ce{2H2O}(l) \end{align*} \nonumber \]

    Kila kiini hutoa 2 V, hivyo seli sita zinaunganishwa katika mfululizo ili kuzalisha betri ya gari 12-V. Betri za asidi za risasi ni nzito na zina vyenye electrolyte ya kioevu ya caustic, lakini mara nyingi bado ni betri ya uchaguzi kwa sababu ya wiani wao wa sasa. Kwa kuwa betri hizi zina kiasi kikubwa cha kuongoza, lazima ziweke vizuri.

    alt
    Kielelezo\(\PageIndex{5}\): risasi acid betri katika gari yako lina seli sita kushikamana katika mfululizo wa kutoa 12 V. gharama zao za chini na high pato la sasa hufanya wagombea hawa bora kwa ajili ya kutoa nguvu kwa motors magari starter.

    Seli za mafuta

    Kiini cha mafuta ni kifaa kinachobadilisha nishati ya kemikali kuwa nishati ya umeme. Seli za mafuta zinafanana na betri lakini zinahitaji chanzo cha fueli kinachoendelea, mara nyingi hidrojeni. Wataendelea kuzalisha umeme kwa muda mrefu kama mafuta yanapatikana. Seli za mafuta ya hidrojeni zimetumika kutoa nguvu kwa satelaiti, vidonge vya nafasi, magari, boti, na submarines (Kielelezo\(\PageIndex{6}\)).

    alt
    Kielelezo\(\PageIndex{6}\): Katika schematic hii ya mafuta ya hidrojeni, oksijeni kutoka hewa humenyuka na hidrojeni, huzalisha maji na umeme.

    Katika kiini cha mafuta ya hidrojeni, athari ni

    \ [kuanza {align*}
    &\ textrm {anode:}\ ce {2H2 + 2O ^ 2- 2H2O + 4e-}\
    &\ kusisitiza {\ maandishi {cathode:}\ ce {O2 + 4e- 2O ^ 2-}\ nafasi {55px}}\\
    &\ maandishi {ujumla:}\\ ce {2H {2H {2H {2 + O2 2H2O}\ mwisho {align*}\ nonumber\]

    Voltage ni kuhusu 0.9 V. ufanisi wa seli za mafuta ni kawaida kuhusu 40% hadi 60%, ambayo ni ya juu kuliko inji ya kawaida ya mwako ndani (25% hadi 35%) na, katika kesi ya seli ya mafuta ya hidrojeni, hutoa maji tu kama kutolea nje. Hivi sasa, seli za mafuta ni za gharama kubwa sana na zina vipengele vinavyosababisha kushindwa baada ya muda mfupi.

    Muhtasari

    Betri ni seli za galvanic, au mfululizo wa seli, zinazozalisha sasa umeme. Wakati seli zinaunganishwa kwenye betri, uwezo wa betri ni nyingi nyingi za uwezo wa seli moja. Kuna aina mbili za msingi za betri: msingi na sekondari. Betri za msingi ni “matumizi moja” na haziwezi kuchajiwa tena. Seli kavu na (zaidi) betri za alkali ni mifano ya betri za msingi. Aina ya pili ni rechargeable na inaitwa betri ya sekondari. Mifano ya betri za sekondari ni pamoja na nickel-cadmium (NiCd), asidi ya risasi, na betri za Seli za mafuta ni sawa na betri kwa kuwa zinazalisha umeme wa sasa, lakini zinahitaji kuongeza kuendelea kwa mafuta na oxidizer. Kiini cha mafuta ya hidrojeni hutumia hidrojeni na oksijeni kutoka hewani kuzalisha maji, na kwa ujumla ni bora zaidi kuliko inji za mwako ndani.

    Muhtasari

    betri ya alkali
    betri ya msingi ambayo inatumia alkali (mara nyingi hidroksidi ya potasiamu) electrolyte; iliyoundwa kuwa badala halisi ya kiini kavu, lakini kwa hifadhi zaidi ya nishati na kuvuja chini ya electrolyte kuliko kiini cha kavu cha kawaida
    betri
    kiini cha galvanic au mfululizo wa seli zinazozalisha sasa; kwa nadharia, kiini chochote cha galvanic
    kiini kavu
    betri ya msingi, pia huitwa betri ya zinki-kaboni; inaweza kutumika katika mwelekeo wowote kwa sababu inatumia kuweka kama electrolyte; huelekea kuvuja electrolyte wakati kuhifadhiwa
    kiini cha mafuta
    vifaa vinavyozalisha sasa umeme kwa muda mrefu kama mafuta na oxidizer vinaongezwa; ufanisi zaidi kuliko inji za mwako ndani
    betri ya asidi ya risasi
    betri ya sekondari ambayo ina seli nyingi; betri ya asidi ya risasi inayopatikana katika magari ina seli sita na voltage ya 12 V
    betri ya lithiamu ioni
    betri maarufu sana ya sekondari; hutumia ions lithiamu kufanya sasa na ni mwanga, rechargeable, na hutoa uwezo wa karibu mara kwa mara kama inavyovuja
    betri ya nickel
    (NiCd betri) betri ya sekondari ambayo inatumia cadmium, ambayo ni chuma nzito ya sumu; nzito kuliko betri za lithiamu ion, lakini kwa sifa sawa za utendaji
    betri ya msingi
    betri moja isiyo ya rechargeable
    betri ya sekondari
    betri ambayo inaweza kurejeshwa