Die Alkalibatterie ist eine Batterie, bei der der pH-Wert ihrer Elektrolytzusammensetzung basisch ist. Dies ist der Hauptunterschied zwischen dieser Batterie und vielen anderen, bei denen die Elektrolyte sauer sind. wie es bei Zink-Kohlenstoff-Batterien der Fall ist, die NH 4 Cl- Salze oder sogar konzentrierte Schwefelsäure in Autobatterien verwenden.
Es ist auch eine Trockenzelle, da die Grundelektrolyte in Form einer Paste mit einem geringen Prozentsatz an Feuchtigkeit vorliegen; aber genug, um eine Migration der an den chemischen Reaktionen beteiligten Ionen zu den Elektroden zu ermöglichen und damit den Elektronenkreislauf zu vervollständigen.
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Oben abgebildet ist eine Duracell 9V-Batterie, eines der bekanntesten Beispiele für Alkalibatterien. Je größer der Akku ist, desto länger ist seine Lebensdauer und Arbeitskapazität (insbesondere wenn sie für energieintensive Geräte verwendet werden). Für Kleingeräte haben Sie AA- und AAA-Batterien.
Ein weiterer Unterschied neben dem pH-Wert ihrer Elektrolytzusammensetzung besteht darin, dass sie, ob wiederaufladbar oder nicht, im Allgemeinen länger halten als Säurebatterien.
Alkalische Batteriekomponenten
In der Zink-Kohlenstoff-Batterie befinden sich zwei Elektroden: eine aus Zink und eine aus graphitischem Kohlenstoff. In seiner "Grundversion" besteht eine der Elektroden anstelle von Graphit aus Mangan (IV) -oxid, MnO 2 gemischt mit Graphit.
Die Oberfläche beider Elektroden wird verbraucht und von den Feststoffen bedeckt, die aus den Reaktionen resultieren.
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Anstelle einer Dose mit einer homogenen Zinkoberfläche als Zellbehälter gibt es auch eine Reihe von CDs (oberes Bild).
In der Mitte aller Scheiben liegt ein Stab aus MnO 2 , an dessen oberem Ende eine Isolierscheibe hervorsteht und den positiven Anschluss (Kathode) der Batterie markiert.
Beachten Sie, dass die Scheiben mit einer porösen und einer metallischen Schicht bedeckt sind. Letzteres könnte auch eine dünne Kunststofffolie sein.
Die Basis der Zelle ist der negative Anschluss, an dem das Zink oxidiert und die Elektronen freisetzt. Diese benötigen jedoch einen externen Stromkreis, um die Oberseite der Batterie, ihren positiven Anschluss, zu erreichen.
Die Oberfläche des Zinks ist nicht glatt wie bei Leclanché-Zellen, sondern rau; Das heißt, sie haben viele Poren und eine große Oberfläche, die die Aktivität der Batterie erhöhen.
Grundelektrolyte
Die Form und Struktur der Batterien ändert sich je nach Typ und Design. Allen Alkalibatterien ist jedoch ein basischer pH-Wert ihrer Elektrolytzusammensetzung gemeinsam, der auf die Zugabe von NaOH oder KOH zu der pastösen Mischung zurückzuführen ist.
Tatsächlich sind es die OH-Ionen - diejenigen, die an den Reaktionen beteiligt sind, die für die von diesen Objekten bereitgestellte elektrische Energie verantwortlich sind.
Funktion
Wenn die Alkalibatterie an das Gerät angeschlossen und eingeschaltet wurde, reagiert das Zink sofort mit dem OH - aus der Paste:
Zn (s) + 2OH - (aq) => Zn (OH) 2 (s) + 2e -
Die 2 durch die Oxidation von Zink freigesetzten Elektronen wandern zum externen Stromkreis, wo sie für den Start des elektronischen Mechanismus des Geräts verantwortlich sind.
Dann kehren sie über den Pluspol (+), die Kathode, zur Batterie zurück. das heißt, sie wandern durch die MnO 2 -Graphit- Elektrode . Da die Nudeln eine bestimmte Luftfeuchtigkeit haben, findet folgende Reaktion statt:
2MnO 2 (s) + 2H 2 O (l) + 2e - => 2MnO (OH) (s) + 2OH - (aq)
Jetzt wird das MnO 2 reduziert oder gewinnt die Elektronen des Zn. Aus diesem Grund entspricht dieser Anschluss der Kathode, an der die Reduktion stattfindet.
Es ist zu beachten, dass das OH - am Ende des Zyklus regeneriert wird, um die Oxidation von Zn wieder zu starten; Mit anderen Worten, sie diffundieren in die Mitte der Paste, bis sie wieder mit dem Zinkpulver in Kontakt kommen.
Ebenso werden keine gasförmigen Produkte gebildet, wie dies bei der Zink-Kohlenstoff-Zelle der Fall ist, bei der NH 3 und H 2 erzeugt werden .
Es wird einen Punkt geben, an dem die gesamte Oberfläche der Elektrode von den Feststoffen von Zn (OH) 2 und MnO (OH) bedeckt wird , wodurch die Lebensdauer der Batterie endet.
Wiederaufladbare Batterien
Die beschriebene Alkalibatterie ist nicht wiederaufladbar. Wenn sie einmal „leer“ ist, kann sie nicht mehr verwendet werden. Dies ist bei wiederaufladbaren nicht der Fall, die durch reversible Reaktionen gekennzeichnet sind.
Um die Produkte in Reaktanten umzuwandeln, muss ein elektrischer Strom in die entgegengesetzte Richtung angelegt werden (nicht von Anode zu Kathode, sondern von Kathode zu Anode).
Ein Beispiel für eine wiederaufladbare Alkalibatterie ist NiMH. Es besteht aus einer NiOOH-Anode, die Elektronen an die Nickelhydridkathode verliert. Wenn der Akku verwendet wird, entlädt er sich, und daher kommt der bekannte Ausdruck "Laden des Akkus".
Somit kann es bei Bedarf hunderte Male aufgeladen werden. Die Zeit kann jedoch nicht vollständig umgekehrt werden und die ursprünglichen Bedingungen werden erreicht (was unnatürlich wäre).
Es kann auch nicht willkürlich aufgeladen werden: Die vom Hersteller empfohlenen Richtlinien müssen befolgt werden.
Deshalb gehen diese Batterien früher oder später auch verloren und verlieren ihre Wirksamkeit. Es hat jedoch den Vorteil, dass es nicht schnell wegwerfbar ist und weniger zur Kontamination beiträgt.
Andere wiederaufladbare Batterien sind Nickel-Cadmium- und Lithium-Batterien.
Anwendungen
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Einige Varianten von Alkalibatterien sind so klein, dass sie in Uhren, Fernbedienungen, Uhren, Radios, Spielzeug, Computern, Konsolen, Taschenlampen usw. verwendet werden können. Andere sind größer als eine Figur eines Star Wars-Klons.
Tatsächlich sind dies diejenigen auf dem Markt, die gegenüber anderen Batterietypen (zumindest für den Heimgebrauch) überwiegen. Sie halten länger und erzeugen mehr Strom als herkömmliche Leclanché-Batterien.
Obwohl die Zink-Mangan-Batterie keine giftigen Substanzen enthält, eröffnen andere Batterien wie Quecksilberbatterien eine Debatte über ihre möglichen Auswirkungen auf die Umwelt.
Andererseits funktionieren Alkalibatterien in einem weiten Temperaturbereich sehr gut. Sie können sogar unter 0 ° C arbeiten und sind daher eine gute elektrische Energiequelle für Geräte, die von Eis umgeben sind.
Verweise
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