Autor: Mgr. Stanislava Bubíková AKUMULÁTORY Datum (období) tvorby: 15. 3. 2012 Ročník: devátý Vzdělávací oblast: Člověk a příroda / Chemie / Chemické reakce 1
Anotace: Žáci se seznámí se zdroji elektrického proudu, které využívají chemické reakce. V rámci tohoto modulu žáci rozdělí zdroje podle možnosti dobíjení. Vyjmenují používané články a akumulátory a přiřadí je k používaným přístrojům. Posoudí jejich nebezpečnost. 2
Galvanický článek chemický zdroj elektrického napětí napětí na galvanickém článku vzniká z rozdílu potenciálů na elektrodách potenciály vznikají chemickými reakcemi mezi elektrodami a elektrolytem reakce jsou samovolné nebo vyvolané průchodem elektrického proudu (elektrolýzou) proud elektronů anoda = oxidace katoda = redukce proud iontů Obr. č. 1: Chemická reakce v galvanickém článku (upraveno) [2] dostupné z: http://commons.wikim edia.org/wiki/file:galva nic_element.svg redukce oxidace 3
Galvanický článek po zapojení článku do elektrického obvodu probíhají uvnitř článku reakce, kterými se postupně snižuje elektrická energie uložená v článku článek se vybíjí nevratné reakce - napětí článku se po vybití nedá obnovit (primární články) vratné reakce - článek se dá znova nabít (sekundární články, akumulátory) zinková anoda měděná katoda pórovitá přepážka proud kationtů proud aniontů Obr. č.2: Chemická reakce v galvanickém článku s pórovitou membránou (upraveno) [3] dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:galvanic_cell-ca.png Obr. č. 3: Akumulátory [4] dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file: VARTA_Akkumulatoren.jpg 4
Voltův článek první zdroj elektrického proudu z roku 1799 stavba článku: zinková katoda (-) (vznik Zn 2+ iontů) měděná anoda (+) (vznik plynného vodíku H 2 ) elektrolyt: zředěná H 2 SO 4 použit při konstrukci první baterie (Voltova sloupu) Obr. č. 4: Voltův článek [5] dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:zncuvoltaiccell.svg 5
Suchý článek stavba článku: uhlíková anoda (+) obalená směsí práškového uhlíku a burelu = oxidu manganičitého (MnO 2 ) zinková katoda (-) (vnější obal článku) rovnice vybíjení článku Zn + 2 NH 4 Cl + 2 MnO 2 [Zn(NH 3 ) 2 ]Cl 2 + 2 MnO(OH) elektrolyt: vodný roztok salmiaku = chloridu amonného (NH 4 Cl) nasáknutý do směsi při vybíjení je spotřebováván zinek a tvoří se voda kovový obal - pól (+) uhlíková anoda zinková katoda burel oxid manganičitý elektrolyt roztok salmiaku kovové dno - pól (-) Obr. č. 5: Suchý článek [6] dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/fil e:zincbattery_%281%29.png 6
Galvanické články z přírodních materiálů k výrobě chemické energie je možné použít i potraviny Obr. č. 6: Baterie z bramboru [7] dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:potato-battery-5495.jpg Obr. č. 7: Baterie z citronů [8] dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:lemon_batteries_circuit_1390001_nevit.jpg 7
Galvanický článek a elektrolýza galvanický článek chemický zdroj elektrického napětí používá chemickou reakci mezi elektrodami v elektrolytu elektrolýza chemická reakce probíhá při průchodu stejnosměrného proudu elektrodami v elektrolytu Obr. č. 8: Elektrolýza a galvanický článek [9] dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wi ki/file:kathode_anode.jpg 8
Akumulátor zařízení na opakované uchovávání elektrické energie sekundární článek nejdříve je potřeba článek nabít a teprve poté je možné jej použít jako zdroj dobíjecí baterie, akumulátory olověný Ni-Cd Ni-MH Li-ion Li-pol Obr. č. 9: Autobaterie [10] dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file :Yuasa_WaveRunner_Battery.jpg Obr. č. 10: Ni-MH baterie [11] dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:uniross_ni-mh_batteries.jpg 9
Akumulátor elektrochemické akumulátory využívají přeměnu elektrické energie na energii chemickou, kterou je možno transformovat zpět napětí na článcích elektrochemických akumulátorů jsou relativně malá okolo 1,2 3,7 V články jsou sdružovány do akumulátorových baterií pro dosažení vyššího napětí Obr. č. 11: Akumulátorová baterie z osobního auta [12] dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:car-battery-recharger.jpg 10
Typy akumulátorů olověný katody (-) houbovité olovo (Pb) anody (+) oxid olovičitý (PbO 2 ) elektrolyt zředěná (35 %) kyselina sírová (H 2 SO 4 ) kapacita od 1 do 10 000 Ah výhody: dobře zvládnutá technologie výroby relativně nízká cena a vysoký výkon nevýhody: toxicita olova, žíravý elektrolyt použití: záložní zdroje pro telekomunikační zařízení, počítačové systémy, letiště, nemocnice startovací autobaterie trakční golfové a vysokozdvižné vozíky Obr. č. 12: Olověný akumulátor [13] dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:akumulator.jpg rovnice vybíjení akumulátoru Pb + 2 H 2 SO 4 + PbO 2 2 PbSO 4 + 2 H 2 O rovnice nabíjení akumulátoru 2 PbSO 4 + 2 H 2 O Pb + 2 H 2 SO 4 + PbO 2 11
Typy akumulátorů Ni-Cd (nikl-kadmiový) struktura: katoda (-) kadmium(cd) anoda (+) oxid-hydroxid niklitý NiO(OH) elektrolyt hydroxid draselný (KOH) výhody: vydrží skladování ve vybitém stavu odolnost vůči hlubokému vybití pracuje za nižších teplot nevýhody: toxicita kadmia (záporná elektroda) elektrolyt (KOH) reaguje se vzdušným CO 2 na uhličitan rovnice vybíjení akumulátoru Cd + 2NiO(OH) + 2H 2 O Cd(OH) 2 + 2Ni(OH) 2 Obr. č. 13: Ni-Cd akumulátory [14] dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:nicd_various.jpg 12
Typy akumulátorů Ni-MH (nikl-metalhydridový) struktura: katoda (-) kovová slitina (Ni, Co, Mn, Al) anoda (+) oxid-hydroxid niklitý NiO(OH) elektrolyt hydroxid draselný (KOH) výhody: větší kapacita než Ni-Cd delší životnost (až 1 000 nabíjecích cyklů) nevýhody: samovybíjení (15 30 % za měsíc) špatně pracuje při nižších teplotách elektrolyt (KOH) reaguje se vzdušným CO 2 na uhličitan použití: vysílačky, chůvičky, přenosné telefony rovnice vybíjení akumulátoru MH + NiO(OH) M + Ni(OH) 2 Obr. č. 14: Ni-MH baterie [15] dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:pa nasonic_akku_2000mah.jpg 13
Typy akumulátorů Li-ion (lithium-iontový) struktura: katoda (-) lithium v grafitu anoda (+) oxid lithno-kobaltitý elektrolyt sůl lithia v organickém rozpouštědle výhody: větší kapacita než Ni-MH malé rozměry samovybíjení (jen 5 % za měsíc) delší životnost (až 2 000 nabíjecích cyklů) nevýhody: stárnutí (bez ohledu na používání) špatně reaguje na úplné vybití použití: elektronika ANODA chránit před přehřátím, skladovat v chladnu nenechat nabité na 100 %, nevybíjet úplně rovnice vybíjení akumulátoru Li 1/2 CoO 2 + Li 1/2 C 6 C 6 + LiCoO 2 LEGENDA grafit kov litium kyslík separátor bezvodý elektrolyt nabíjení vybíjení Obr. č. 15: Li-ion akumulátor (upraveno) [16] dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:li- Ion_%28CoO2-Carbon_Scheme%29.svg 14 KATODA
Li-pol (lithium-polymerový) struktura: katoda (-) lithium v grafitu anoda (+) oxid lithno-kobaltitý LiCoO 2 elektrolyt vodivý polymer (polyethyleneoxid) výhody: velká kapacita malý rozměr delší životnost (až 1 000 nabíjecích cyklů) samovybíjení (5 % za měsíc) Typy akumulátorů nevýhody: možnost výbuchu (zkrat) kapacita klesá i při nepoužívání cena použití: mobilní telefony, fotoaparáty, notebooky Obr. č. 16: Li-pol akumulátor [17] dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:lipolybattery.jpg 15
Likvidace galvanické články a akumulátory obsahují toxické látky (Pb, Cd, ) Elektrolyty tvořené žíravými látkami (kyselina sírová, hydroxid draselný) likvidují se jako nebezpečný odpad umístění kontejnerů sběrné zdroje obchody prodávající baterie instituce (úřady, školy) Obr. č. 17: Kontejner na nebezpečný odpad [18] dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:kontejner_na_nebezpe%c4 %8Dn%C3%BD_odpad_%28baterie_a_akumul%C3%A1tory%29.jpg 16
Zdroje 1. BENEŠ, Pavel, Václav PUMPR a Jiří BANÝR. Základy chemie pro 2. stupeň základní školy, nižší ročníky víceletých gymnázií a střední školy. Vyd. 3. Praha: Fortuna, 2001, 96 s. ISBN 80-716-8748-0. 2. Galvanic_element.svg. WikimediaCommons [online]. 2004 [cit. 2012-03-15]. Dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:galvanic_element.svg 3. Galvanic_cell-ca.png. WikimediaCommons [online]. 2004 [cit. 2012-03-15]. Dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:galvanic_cell-ca.png 4. VARTA_Akkumulatoren.jpg. WikimediaCommons [online]. 2004 [cit. 2012-03-15]. Dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:varta_akkumulatoren.jpg 5. ZnCuVoltaicCell.svg. WikimediaCommons [online]. 2004 [cit. 2012-03-15]. Dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:zncuvoltaiccell.svg 6. Zincbattery_%281%29.png. WikimediaCommons [online]. 2004 [cit. 2012-03-15]. Dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:zincbattery_%281%29.png 7. Potato-Battery-5495.jpg. Wikimedia Commons [online]. 2004 [cit. 2012-03-15]. Dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:potato- Battery-5495.jpg 8. Lemon_batteries_circuit_1390001_nevit.jpg. WikimediaCommons [online]. 2004 [cit. 2012-03-15]. Dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:lemon_batteries_circuit_1390001_nevit.jpg 9. Kathode_anode.JPG. WikimediaCommons [online]. 2004 [cit. 2012-03-15]. Dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:kathode_anode.jpg 10. Yuasa_WaveRunner_Battery.jpg. WikimediaCommons [online]. 2004 [cit. 2012-03-15]. Dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:yuasa_waverunner_battery.jpg 11. Uniross_Ni-MH_batteries.jpg. WikimediaCommons [online]. 2004 [cit. 2012-03-15]. Dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:uniross_ni-mh_batteries.jpg 12. Car-battery-recharger.jpg. Wikimedia Commons [online]. 2004 [cit. 2012-03-15]. Dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:carbattery-recharger.jpg 13. Akumulator.jpg. Wikimedia Commons [online]. 2004 [cit. 2012-03-15]. Dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:akumulator.jpg 14. NiCd_various.jpg. Wikimedia Commons [online]. 2004 [cit. 2012-03-15]. Dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:nicd_various.jpg 15. Panasonic_Akku_2000mAh.jpg. WikimediaCommons [online]. 2004 [cit. 2012-03-15]. Dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:panasonic_akku_2000mah.jpg 16. Li-Ion_%28CoO2-Carbon_Scheme%29.svg. WikimediaCommons [online]. 2004 [cit. 2012-03-15]. Dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:li-ion_%28coo2-carbon_scheme%29.svg 17. Lipolybattery.jpg. Wikimedia Commons [online]. 2004 [cit. 2012-03-15]. Dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:lipolybattery.jpg 18. Kontejner_na_nebezpe%C4%8Dn%C3%BD_odpad_%28baterie_a_akumul%C3%A1tory%29.jpg. Wikimedia Commons [online]. 2004 [cit. 2012-03-15]. Dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:kontejner_na_nebezpe%c4%8dn%c3%bd_odpad_%28baterie_a_akumul%c3%a1tory%29.jpg 17