ปฏิกิริยาเคมีแบตเตอรี่กรดตะกั่ว
หลักการทำงานและปฏิกิริยาของแบตเตอรี่ตะกั่ว-กรด
แบตเตอรี่ทั้งหมดเป็นระบบไฟฟ้าเคมีซึ่งทำหน้าที่เป็นแหล่งพลังงานไฟฟ้าและพลังงาน แต่ละระบบมี 2 อิเล็กโทรด (ขั้วบวกและขั้วลบ) อิเล็กโทรไลต์และตัวแยก ระบบไฟฟ้าเคมีส่วนใหญ่มีโลหะออกไซด์หรือออกซิเจนเป็นค่าบวกและโลหะมีค่าเป็นค่าลบ ระบบสามารถจำแนกเพิ่มเติมเป็นแบตเตอรี่หลักและรอง แบตเตอรี่หลักเป็นแบบใช้ครั้งเดียว ในขณะที่แบตเตอรี่สำรองสามารถคายประจุและชาร์จใหม่ได้หลายครั้ง
แบตเตอรีสำรองที่ประสบความสำเร็จและประสบความสำเร็จบางส่วนมีอยู่ในตารางต่อไปนี้:
| ระบบเคมีไฟฟ้า | อิเล็กโทรดบวก | เชิงลบ | อิเล็กโทรไลต์ | หมายเหตุ | ||
|---|---|---|---|---|---|---|
| แบตเตอรี่กรดตะกั่ว | ตะกั่วเปอร์ออกไซด์ PBO2 | โลหะตะกั่วในรูปแบบรูพรุน | เจือจางกรดซัลฟิวริก | อิเล็กโทรไลต์ที่ใช้ในปฏิกิริยา + การนำไอออนอิเล็กทรอนิกส์ | ||
| แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน | ลิเธียมกับออกไซด์ของโคบอลต์ นิกเกิล แมงกานีส เหล็ก | กราไฟท์, ซิลิกอนที่มีลิเธียม | ส่วนผสมตัวทำละลายอินทรีย์สำหรับเกลือลิเธียม | อิเล็กโทรไลต์เพื่อนำลิเธียมไอออนระหว่าง 2 อิเล็กโทรด - ไม่มีปฏิกิริยาเคมี | ||
| นิกเกิลแคดเมียม | นิกเกิล ออกซีไฮดรอกไซด์ Ni(O) OH | โลหะแคดเมียม | เจือจางโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ | อิเล็กโทรไลต์เพื่อนำไอออนอิเล็กทรอนิกส์เท่านั้น | ||
| นิกเกิล เมทัล ไฮไดรด์ | นิกเกิล ออกซีไฮดรอกไซด์ Ni(O) OH | ไฮโดรเจนถูกดูดซับในโลหะผสม | เจือจางโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ | อิเล็กโทรไลต์เพื่อนำไอออนอิเล็กทรอนิกส์เท่านั้น | ||
ปฏิกิริยาเคมีของแบตเตอรี่กรดตะกั่ว:
แบตเตอรี่ตะกั่วกรดมีส่วนประกอบการทำงานหลัก 3 ส่วน:
- ตะกั่วไดออกไซด์ (PbO₂) ก่อตัวเป็นขั้วบวกที่มีรูพรุน
- ตะกั่วในสภาพเป็นรูพรุนจะสร้างขั้วลบที่มีรูพรุน
- เจือจางกรดซัลฟิวริกที่มีความหนาแน่นตั้งแต่ 1.200 ถึง 1.280 ความถ่วงจำเพาะเป็นอิเล็กโทรไลต์ ในแบตเตอรี่ VRLA ปริมาตรของกรดจะต่ำ ดังนั้นความถ่วงจำเพาะของกรดที่สูงกว่าเช่น 1.300 -1.320 จึงมักใช้เพื่อให้ได้ความจุที่ออกแบบไว้
อิเล็กโทรดทำขึ้นเป็นรูพรุนโดยใช้สารเติมแต่งพิเศษในระหว่างการผลิต เพื่อให้แน่ใจว่าปฏิกิริยาจะเกิดขึ้นทั่วทั้งแผ่นแบตเตอรี่จำนวนมาก ตัวแยก แบตเตอรี่ (ไม่ใช่ตัวนำไฟฟ้า) ช่วยในการแยกอิเล็กโทรด 2 ขั้วจากการลัดวงจร แต่ยอมให้ไอออนอิเล็กทรอนิกส์ผ่านได้โดยมี ความต้านทานไฟฟ้า ต่ำสุด
เมื่อแบตเตอรี่เชื่อมต่อกับโหลด (การคายประจุ) อะตอมของตะกั่วบนแผ่นลบจะแยกออกเป็นไอออนตะกั่ว (Pb²⁺) และอิเล็กตรอน 2 ตัว อิเล็กตรอนที่สร้างหน่วยพื้นฐานของกระแสเริ่มต้นที่แผ่นลบและไหลผ่านขั้วลบเข้าสู่วงจรภายนอก
หลังจากผ่านโหลดอิเล็กตรอนมาถึงขั้วบวก อิเล็กตรอนแปลง (ลด) ตะกั่วไดออกไซด์เป็นไอออนตะกั่ว
ในอิเล็กโทรดทั้งขั้วบวกและขั้วลบ ไอออนตะกั่ว (Pb²⁺) ทำปฏิกิริยากับกรดซัลฟิวริกเพื่อสร้างลีดซัลเฟต (ทฤษฎีดับเบิ้ลซัลเฟตของแกลดสโตน) ในระบบเคมีไฟฟ้าอื่นๆ เช่น แบตเตอรี่นิกเกิล-แคดเมียม แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน อิเล็กโทรไลต์จะไม่มีส่วนร่วมในปฏิกิริยา หน้าที่ของมันคือการนำไอออนระหว่างอิเล็กโทรดทั้งสองเท่านั้น
ปฏิกิริยาระหว่างการคายประจุ - ปฏิกิริยาเคมีของแบตเตอรี่ตะกั่วกรด
ปฏิกิริยาระหว่างการคายประจุ (ซึ่งเป็นหน้าที่หลักของแบตเตอรี่)
Pb (เชิงลบ) → PB²⁺ + 2 อี⁻ —————————— 1
PbO₂( บวก) Pb⁴⁺ + 2 e⁻ → Pb²⁺ ——————————2
Pb²⁺ + SO₄²⁻ (จากกรด) → PbSO₄ (ในอิเล็กโทรดทั้งสอง)——–3
ระหว่างการชาร์จ ของแบตเตอรี่ตะกั่วกรดที่คายประจุแล้ว ปฏิกิริยาทั้ง 3 ประการเกิดขึ้นในทิศทางย้อนกลับ ข้างต้นเป็นปฏิกิริยาเคมีและไฟฟ้าเคมีแบบง่ายที่เกิดขึ้นในแบตเตอรี่กรดตะกั่ว ทำให้เป็นระบบแบตเตอรี่แบบรีชาร์จที่ไว้วางใจได้มากที่สุดหรือ ระดับมัธยมศึกษา ระบบแบตเตอรี่
ความแตกต่างระหว่างแบตเตอรี่หลักและรองคืออะไร? ในขณะที่ใช้แบตเตอรี่หลัก & โยน & ไม่สามารถชาร์จใหม่ได้ แบตเตอรี่สำรอง on การชาร์จ ส่วนประกอบ 3 ทั้งหมด – บวก ลบ และกรดจะถูกสร้างขึ้นใหม่
ดังนั้นเซลล์/แบตเตอรี่แบบชาร์จซ้ำได้หรือสำรองจึงถูกสร้างขึ้น ดังนั้นชื่อแบตเตอรี่สำรอง
วัฏจักรออกซิเจนภายใน - ปฏิกิริยาเคมีของแบตเตอรี่กรดตะกั่ว
ในระหว่างการชาร์จแบตเตอรี่ VRLA:
ที่แผ่นขั้วบวก ก๊าซ O2 จะถูกวิวัฒนาการและผลิตโปรตอนและอิเล็กตรอน
2H2O → 4H + + O2 ↑ + 4e- ……… สมการ 1
2Pb + O2 → 2PbO
2PbO + 2H 2 SO 4 → 2PbSO 4 + 2H 2 O
——————————————————
2Pb + O2 + 2H 2 SO 4 → 2PbSO 4 + 2H 2 O + ความร้อน ……… สมการ 2
—————————————————–
แต่เนื่องจากเป็นกระบวนการชาร์จ ตะกั่วซัลเฟตที่ผลิตขึ้นอีกครั้งจึงต้องถูกแปลงเป็นตะกั่ว กรดซัลฟิวริกถูกสร้างขึ้นโดยเส้นทางไฟฟ้าเคมีโดยทำปฏิกิริยากับโปรตอน (ไอออนของไฮโดรเจน) และอิเล็กตรอนที่เกิดจากการสลายตัวของน้ำที่เพลตบวกเมื่อพวกมันถูกประจุ
2PbSO 4 + 4H + + 4e − → 2Pb + 2H 2 SO 4 ……… สมการ 3
ปฏิกิริยาการคายประจุและประจุ - ปฏิกิริยาเคมีของแบตเตอรี่กรดตะกั่ว
ปฏิกิริยาของเซลล์กัลวานิกหรือแบตเตอรี่มีความเฉพาะเจาะจงกับระบบหรือเคมี:
ตัวอย่างเช่น เซลล์กรดตะกั่ว:
Pb + PbO 2 + 2H 2 SO 4 การคายประจุ ↔ ประจุ 2PbSO 4 + 2H 2 O E° = 2.04 V
ในเซลล์ Ni-Cd
Cd + 2NiOOH + 2H 2 O การคายประจุ ↔ ประจุ Cd(OH) 2 + 2Ni(OH) 2 E° = 1.32 V
ในเซลล์ Zn-Cl 2 :
Zn + Cl 2 การคายประจุ ↔ ประจุ ZnCl 2 E° = 2.12 V
ในเซลล์ของแดเนียล (นี่คือเซลล์หลัก ในที่นี้ ให้สังเกตว่าไม่มีลูกศรย้อนกลับ)
Zn + Cu 2+ การคายประจุ ↔ ประจุ Zn 2+ + Cu(s) E° = 1.1 V
จะเกิดอะไรขึ้นระหว่างปฏิกิริยาการปลดปล่อยและประจุภายในเซลล์? ปฏิกิริยาเคมีแบตเตอรี่กรดตะกั่ว
อิเล็กโทรไลต์: 2H 2 SO 4 = 2H + + 2HSO 4‾
เพลทลบ: Pb° = Pb 2+ HSO 4 + 2e
Pb 2+ + HSO 4‾ = PbSO 4 ↓ + H +
⇓
เพลทบวก: PbO 2 = Pb 4+ + 2O 2-
Pb 4+ + 2e = Pb 2+
Pb 2+ + 3H + + HSO 4‾ +2O 2- =PbSO 4 ¯ ↓+ 2H 2 O
กรดซัลฟิวริกเป็นอิเล็กโทรไลต์ที่แรง โดยแยกออกเป็นไฮโดรเจนไอออนและไบซัลเฟตไอออน (เรียกอีกอย่างว่าไฮโดรเจนซัลเฟตไอออน)
