17.5 Rafhlöður og efnarafalar

Margir tæknilegir hlutir tengjast síðustu tveggja alda rannsóknum í rafefnafræði, en enginn er augljósari en rafhlaðan. Rafhlaða (e. battery) er galvanískur rafall sem hefur verið sérstaklega hannaður og smíðaður á þann hátt sem hentar best fyrirhugaðri notkun hans sem raforkugjafi fyrir tiltekin not. Ein af fyrstu farsælu rafhlöðunum var Daniell-rafallinn, sem byggði á sjálfgengri oxun sinks með kopar(II)-jónum (Mynd 17.8):

Mynd 17.8 Mynd af Daniell-rafal úr tímariti frá 1904 (til vinstri) ásamt einfaldaðri mynd sem sýnir rafefnafræði rafalsins (til hægri). Í hönnuninni frá 1904 var notaður gljúpur leirpottur til að geyma innihald annars hálfkersins og til að þjóna sem saltbrú yfir í hitt hálfkerið.

Zn (s) + {Cu}^{2 +} (a q) ⟶ {Zn}^{2 +} (a q) + Cu (s)

Nútímarafhlöður eru til í mörgum myndum til að henta ýmsum notum, allt frá örsmáum hnapparafhlöðum sem sjá fyrir lítilli orkuþörf úra til mjög stórra rafhlaðna sem notaðar eru til að veita varaorku fyrir raforkukerfi sveitarfélaga. Sumar rafhlöður eru hannaðar fyrir einnota notkun og er ekki hægt að endurhlaða þær (einnota rafhlöður (e. primary cells)), á meðan aðrar byggja á þægilega afturkræfum efnahvörfum sem leyfa endurhleðslu með utanaðkomandi aflgjafa (endurhlaðanlegar rafhlöður (e. secondary cells)). Þessi kafli mun veita yfirlit yfir grundvallarþætti rafefnafræði nokkurra rafhlaðna sem flestir neytendur þekkja, og mun kynna tengt rafefnafræðilegt tæki sem kallast efnarafall og getur boðið upp á bætta afköst í ákveðnum tilvikum.

Einnota rafhlöður

Algeng einnota rafhlaða er þurrafhlaðan (e. dry cell), sem notar sinkhylki bæði sem ílát og anóðu („–“ skaut) og grafítstöng sem katóðu („+“ skaut). Sinkhylkið er fyllt með rafkleyfismauki sem inniheldur mangan(IV)oxíð, sink(II)klóríð, ammóníumklóríð og vatn. Grafítstöng er dýft í rafkleyfismaukið til að fullkomna rafalinn. Sjálfgenga efnahvarfið í rafalanum felur í sér oxun sinks:

anode hvarf: Zn (s) ⟶ {Zn}^{2+} (a q) + 2 e^{−}

og afoxun mangans(IV)

reduction hvarf: 2 {MnO}_{2} (s) + 2 {NH}_{4} Cl (a q) + 2 e^{−} ⟶ {Mn}_{2} O_{3} (s) + 2 {NH}_{3} (a q) + H_{2} O (l) + 2 {Cl}^{−}

sem saman gefa efnahvarf rafalsins:

cell hvarf: 2 {MnO}_{2} (s) + 2 {NH}_{4} Cl (a q) + Zn (s) ⟶ {Zn}^{2+} (a q) + {Mn}_{2} O_{3} (s) + 2 {NH}_{3} (a q) + H_{2} O (l) + 2 {Cl}^{−} E_{cell} ~ 1,5 V

Spennan (rafalspenna) þurrafhlöðu er um það bil 1,5 V. Þurrafhlöður eru fáanlegar í ýmsum stærðum (t.d. D, C, AA, AAA). Allar stærðir þurrafhlaðna samanstanda af sömu íhlutunum og sýna því sömu spennu, en stærri rafhlöður innihalda meira magn af oxunar-afoxunarhvarfefnum og geta því flutt samsvarandi meira magn af hleðslu. Eins og aðra galvaníska rafala er hægt að raðtengja þurrafhlöður til að fá rafhlöður með hærri spennu, ef þörf krefur.

A diagram of a cross section of a dry cell battery is shown. The overall shape of the cell is cylindrical. The lateral surface of the cylinder, indicated as a thin red line, is labeled “zinc can (electrode).” Just beneath this is a slightly thicker dark grey surface that covers the lateral surface, top, and bottom of the battery, which is labeled “Porous separator.” Inside is a purple region with many evenly spaced small darker purple dots, labeled “Paste of M n O subscript 2, N H subscript 4 C l, Z n C l subscript 2, water (cathode).” A dark grey rod, labeled “Carbon rod (electrode),” extends from the top of the battery, leaving a gap of less than one-fifth the height of the battery below the rod to the bottom of the cylinder. A thin grey line segment at the very bottom of the cylinder is labeled “Metal bottom cover (negative).” The very top of the cylinder has a thin grey surface that curves upward at the center over the top of the carbon electrode at the center of the cylinder. This upper surface is labeled “Metal top cover (positive).” A thin dark grey line just below this surface is labeled “Insulator.” Below this, above the purple region, and outside of the carbon electrode at the center is an orange region that is labeled “Seal.” — Mynd 17.9 Skýringarmynd sýnir dæmigerða þurrafhlöðu.

Alkalínrafhlöður (e. alkaline batteries) (Mynd 17.10) voru þróaðar á sjötta áratugnum til að bæta afköst þurrafhlöðunnar og voru hannaðar í kringum sömu oxunar-afoxunarpörin. Eins og nafnið gefur til kynna nota þessar tegundir rafhlaðna basíska rafkleyfa, oft kalíumhýdroxíð. Efnahvörfin eru

\begin{array}{l} \underline{\begin{array}{l} anode: Zn (s) + 2 {OH}^{−} (a q) ⟶ ZnO (s) + H_{2} O (l) + {2e}^{−} \\ cathode: 2 {MnO}_{2} (s) + H_{2} O (l) + {2e}^{−} ⟶ {Mn}_{2} O_{3} (s) + {2OH}^{−} (a q) \end{array}} \\ cell: Zn (s) + {2MnO}_{2} (s) ⟶ ZnO (s) + {Mn}_{2} O_{3} (s) E_{cell} = +1,43 V \end{array}

Alkalínrafhlaða getur skilað um þrisvar til fimm sinnum meiri orku en sink-kolefnis þurrafhlaða af svipaðri stærð. Alkalínrafhlöður eiga það til að leka kalíumhýdroxíði, svo þær ætti að fjarlægja úr tækjum við langtímageymslu. Þótt sumar alkalínrafhlöður séu endurhlaðanlegar eru flestar það ekki. Tilraunir til að endurhlaða alkalínrafhlöðu sem ekki er endurhlaðanleg leiða oft til þess að rafhlaðan rofnar og kalíumhýdroxíð rafkleyfinn lekur.

A diagram of a cross section of an alkaline battery is shown. The overall shape of the cell is cylindrical. The lateral surface of the cylinder, indicated as a thin red line, is labeled “Outer casing.” Just beneath this is a thin, light grey surface that covers the lateral surface and top of the battery. Inside is a blue region with many evenly spaced small darker dots, labeled “M n O subscript 2 (cathode).” A thin dark grey layer is just inside, which is labeled “Ion conducting separator.” A purple region with many evenly spaced small darker dots fills the center of the battery and is labeled “ zinc (anode).” The very top of the battery has a thin grey curved surface over the central purple region. The curved surface above is labeled “Positive connection (plus).” At the base of the battery, an orange structure, labeled “Protective cap,” is located beneath the purple and blue central regions. This structure holds a grey structure that looks like a nail with its head at the bottom and pointed end extending upward into the center of the battery. This nail-like structure is labeled “Current pick up.” At the very bottom of the battery is a thin grey surface that is held by the protective cap. This surface is labeled “Negative terminal (negative).” — Mynd 17.10 Alkalínrafhlöður voru hannaðar sem endurbættar útgáfur af sink-kolefnis (þurr) rafhlöðum.

Endurhlaðanlegar rafhlöður

Nikkel-kadmíum (e. nickel-cadmium), eða NiCd, rafhlöður (Mynd 17.11) samanstanda af nikkelhúðaðri katóðu, kadmíumhúðaðri anóðu og kalíumhýdroxíð raftroði. Jákvæðu og neikvæðu plöturnar, sem eru varðar fyrir skammhlaupi með skilju, eru rúllaðar saman og settar í hylkið. Þetta er „rúllutertu“-hönnun og gerir NiCd-rafalnum kleift að skila mun meiri straumi en alkalínrafhlaða af svipaðri stærð. Efnahvörfin eru

\begin{array}{l} \underline{\begin{array}{l} anode: Cd (s) + {2OH}^{−} (a q) ⟶ {Cd(OH)}_{2} (s) + {2e}^{−} \\ cathode: {NiO}_{2} (s) + {2H}_{2} O (l) + {2e}^{−} ⟶ {Ni(OH)}_{2} (s) + {2OH}^{−} (a q) \end{array}} \\ cell: Cd (s) + {NiO}_{2} (s) + {2H}_{2} O (l) ⟶ {Cd(OH)}_{2} (s) + {Ni(OH)}_{2} (s) E_{cell} ~ 1,2 V \end{array}

Ef rétt er farið með hana er hægt að endurhlaða NiCd-rafhlöðu um 1000 sinnum. Kadmíum er eitraður þungmálmur svo NiCd-rafhlöður ætti aldrei að rjúfa eða brenna og þeim skal fargað í samræmi við viðeigandi leiðbeiningar um eitraðan úrgang.

Mynd 17.11 NiCd-rafhlöður nota „rúllutertu“-hönnun sem eykur verulega magn straums sem rafhlaðan getur skilað samanborið við alkalínrafhlöðu af svipaðri stærð.

Litíumjónarafhlöður (e. lithium ion batteries) (Mynd 17.12) eru meðal vinsælustu endurhlaðanlegu rafhlaðnanna og eru notaðar í mörgum færanlegum rafeindatækjum. Efnahvörfin eru

\begin{array}{l} \underline{\begin{array}{l} cathode: {Li}_{1 − x} {CoO}_{2} + x {Li}^{+} + x e^{−} ⇌ {LiCoO}_{2} \\ anode: x {LiC}_{6} ⇌ x {Li}^{+} + x e^{−} + x C_{6} \end{array}} \\ cell: {Li}_{1 − x} {CoO}_{2} + x {LiC}_{6} ⇌ {LiCoO}_{2} + x C_{6} E_{cell} ~ 3,7 V \end{array}

Breytileg hlutfallaefnafræði kerfishvarfsins leiðir til breytileika í kerspennu, en við dæmigerðar aðstæður er x yfirleitt ekki meira en 0,5 og kerspennan er um það bil 3,7 V. Litíumrafhlöður eru vinsælar vegna þess að þær geta veitt mikinn straum, eru léttari en sambærilegar rafhlöður af öðrum gerðum, framleiða nánast stöðuga spennu þegar þær afhlaðast og missa hleðsluna aðeins hægt þegar þær eru geymdar.

Mynd 17.12 Í litíumjónarafhlöðu flæðir hleðsla þegar litíumjónirnar flytjast milli anóðu og katóðu.

Blýsýrurafhlaðan (e. lead acid battery) (Mynd 17.13) er sú gerð aukarafhlaðna sem almennt er notuð í bifreiðum. Hún er ódýr og getur framleitt þann háa straum sem startmótorar bifreiða þurfa. Efnahvörfin fyrir blýsýrurafhlöðu eru

\begin{array}{l} \underline{\begin{array}{l} anode: Pb (s) + {HSO}_{4}^{−} (a q) ⟶ {PbSO}_{4} (s) + H^{+} (a q) + {2e}^{−} \\ {cathode: PbO}_{2} (s) + {HSO}_{4}^{−} (a q) + {3H}^{+} (a q) + {2e}^{−} ⟶ {PbSO}_{4} (s) + 2 H_{2} O (l) \end{array}} \\ cell: Pb (s) + {PbO}_{2} (s) + 2 H_{2} {SO}_{4} (a q) ⟶ {2PbSO}_{4} (s) + 2 H_{2} O (l) E_{cell} ~ 2 V \end{array}

Hvert ker framleiðir 2 V, þannig að sex ker eru raðtengd til að framleiða 12 V bílarafhlöðu. Blýsýrurafhlöður eru þungar og innihalda ætandi raflausn í vökvaformi, H₂SO₄(aq), en eru oft samt sem áður valkosturinn vegna mikils straumþéttleika þeirra. Þar sem þessar rafhlöður innihalda umtalsvert magn af blýi verður alltaf að farga þeim á réttan hátt.

A diagram of a lead acid battery is shown. A black outer casing, which is labeled “Protective casing” is in the form of a rectangular prism. Grey cylindrical projections extend upward from the upper surface of the battery in the back left and back right corners. At the back right corner, the projection is labeled “Positive terminal.” At the back right corner, the projection is labeled “Negative terminal.” The bottom layer of the battery diagram is a dark green color, which is labeled “Dilute H subscript 2 S O subscript 4.” A blue outer covering extends upward from this region near the top of the battery. Inside, alternating grey and white vertical “sheets” are packed together in repeating units within the battery. The battery has the sides cut away to show three of these repeating units which are separated by black vertical dividers, which are labeled as “cell dividers.” The grey layers in the repeating units are labeled “Negative electrode (lead).” The white layers are labeled “Postive electrode (lead dioxide).” — Mynd 17.13 Blýsýrurafhlaðan í bifreiðinni þinni samanstendur af sex kerum sem eru raðtengd til að gefa 12 V.

Efnarafalar

Efnarafali (e. fuel cell) er galvanískt ker sem notar hefðbundið brunahæft eldsneyti, oftast vetni eða metan, sem er stöðugt matað inn í kerfið ásamt oxara. (Annað, en ekki mjög vinsælt, nafn á efnarafala er flæðirafhlaða.) Innan kerfisins gangast eldsneyti og oxari undir sömu oxunar-afoxunarefnafræði og þegar þau brenna, en það gerist með hvötuðu rafefnafræðilegu ferli sem er umtalsvert skilvirkara. Til dæmis notar dæmigerður vetnisefnarafali grafítraftroð sem eru ísett platínuhvötum til að hraða tveimur hálfkerahvörfunum:

Mynd 17.14 Í þessum vetnisefnarafala hvarfast súrefni úr loftinu við vetni og myndar vatn og rafmagn.

\begin{array}{l} \underline{\begin{array}{l} Anode: 2 H_{2} (g) ⟶ 4 H^{+} (a q) + {4e}^{−} \\ Cathode: O_{2} (g) + 4 H^{+} (a q) + {4e}^{−} ⟶ {2H}_{2} O (g) \end{array}} \\ Cell: 2 H_{2} (g) + O_{2} (g) ⟶ 2 H_{2} O (g) E_{cell} ~ 1,2 V \end{array}

Þessar gerðir efnarafala framleiða yfirleitt spennu upp á um það bil 1,2 V. Í samanburði við brunahreyfil er orkunýtni efnarafala sem notar sama oxunar-afoxunarhvarf yfirleitt meira en tvöfalt meiri (~20%–25% fyrir hreyfil á móti ~50%–75% fyrir efnarafala). Vetnisefnarafalar eru almennt notaðir í lengri geimferðum og frumgerðir fyrir einkabifreiðar hafa verið þróaðar, þótt tæknin sé enn tiltölulega vanþróuð.

Námsmarkmið