Hoe Werken Batterijen?

{h1}

Een blik op de wetenschap achter batterijen, inclusief de onderdelen van een batterij en hoe deze onderdelen samenwerken om een ​​elektrische stroom te produceren die in uw zak kan worden gedragen.

Batterijen zijn overal. De moderne wereld is afhankelijk van deze draagbare energiebronnen, die zich in alles bevinden, van mobiele apparaten tot hoorapparaten tot auto's.

Maar ondanks hun prevalentie in het dagelijks leven van mensen, gaan batterijen vaak over het hoofd. Denk er eens over: weet je echt hoe een batterij werkt? Zou je het aan iemand anders kunnen uitleggen?

Hier is een overzicht van de wetenschap achter de energiebron voor smartphones, elektrische auto's, pacemakers en nog veel meer. [Quiz: elektrische versus gasvoertuigen]

Anatomie van een batterij

De meeste batterijen bevatten drie basisonderdelen: elektroden, een elektrolyt en een afscheider, volgens Ann Marie Sastry, mede-oprichter en CEO van Sakti3, een op Michigan gebaseerde startaccu-technologie.

Er zijn twee elektroden in elke batterij. Beide zijn gemaakt van geleidend materiaal, maar ze hebben verschillende rollen. Eén elektrode, die bekend staat als de kathode, wordt aangesloten op het positieve uiteinde van de batterij en is de plaats waar de elektrische stroom de batterij verlaat tijdens het ontladen, oftewel wanneer de batterij wordt gebruikt om iets van stroom te voorzien. De andere elektrode, bekend als de anode, maakt verbinding met het negatieve uiteinde van de batterij en is de plaats waar de elektrische stroom binnenkomt (of elektronen verlaten) de batterij tijdens ontlading.

Tussen deze elektroden, en ook daarbinnen, bevindt zich de elektrolyt. Dit is een vloeibare of gelachtige substantie die elektrisch geladen deeltjes of ionen bevat. De ionen worden gecombineerd met de materialen waaruit de elektroden bestaan ​​en produceren chemische reacties die een batterij in staat stellen een elektrische stroom te genereren. [Inside Look to How Batteries Work (Infographic)]

></p><figcaption><p>Typische batterijen worden aangedreven door een chemische reactie. [Zie volledige infographic]</p>Krediet: door Karl Tate, Infographics Artist </figcaption> </figure><p>Het laatste deel van de batterij, de afscheider, is vrij eenvoudig. De rol van de scheider is om de anode en de kathode binnen de batterij van elkaar gescheiden te houden. Zonder een separator zouden de twee elektroden in contact komen, wat een kortsluiting zou veroorzaken en zou voorkomen dat de batterij correct zou werken, legt Sastry uit.</p><h2 id=Hoe het werkt

Om je voor te stellen hoe een batterij werkt, moet je jezelf voorstellen dat je alkalinebatterijen, zoals dubbele AA's, in een zaklamp steekt. Wanneer je die batterijen in de zaklamp steekt en vervolgens inschakelt, maak je echt een circuit af. De opgeslagen chemische energie in de batterij wordt omgezet in elektrische energie, die uit de batterij en in de basis van de lamp van de zaklamp reist, waardoor deze oplicht. Daarna komt de elektrische stroom weer in de batterij, maar aan het andere uiteinde van waar hij oorspronkelijk uitkwam.

Alle delen van de batterij werken samen om de zaklamp te laten oplichten. De elektroden in de batterij bevatten atomen van bepaalde geleidende materialen. In een alkalische batterij is de anode bijvoorbeeld typisch gemaakt van zink en werkt mangaandioxide als de kathode. En de elektrolyt tussen en binnen die elektroden bevat ionen. Wanneer deze ionen de atomen van de elektroden ontmoeten, vinden bepaalde elektrochemische reacties plaats tussen de atomen van de ionen en de elektroden.

De reeks chemische reacties die optreedt in de elektroden zijn gezamenlijk bekend als oxidatie-reductie (redox) reacties. In een batterij staat de kathode bekend als het oxidatiemiddel omdat het elektronen van de anode accepteert. De anode staat bekend als het reductiemiddel, omdat het elektronen verliest.

Uiteindelijk leiden deze reacties tot de stroom van ionen tussen de anode en de kathode, evenals het bevrijden van elektronen van de atomen van de elektrode, zei Sastry.

Deze vrije elektronen komen samen in de anode (het onderste, platte deel van een alkalinebatterij). Als een resultaat hebben de twee elektroden verschillende ladingen: de anode wordt negatief geladen als elektronen worden vrijgegeven en de kathode wordt positief geladen als elektronen (die negatief geladen zijn) worden verbruikt. Dit verschil in lading zorgt ervoor dat de elektronen naar de positief geladen kathode willen bewegen. Ze hebben echter geen manier om er te komen in de batterij omdat de separator dit verhindert.

Wanneer je de schakelaar op je zaklamp aanraakt, verandert alles. De elektronen hebben nu een pad om bij de kathode te komen. Maar eerst moeten ze de basis van de lamp van je zaklamp passeren. Het circuit is voltooid wanneer de elektrische stroom opnieuw de batterij binnengaat via de bovenkant van de batterij aan de kathode.

Oplaadbaar versus niet-oplaadbaar

Voor primaire batterijen, zoals die in een zaklamp, zullen de reacties die de batterij van brandstof voorzien uiteindelijk stoppen, wat betekent dat de elektronen die de batterij van zijn lading voorzien, niet langer een elektrische stroom zullen veroorzaken. Wanneer dit gebeurt, is de batterij leeg of "dood", zei Sastry.

Je moet dergelijke batterijen weggooien, omdat de elektrochemische processen waardoor de batterij energie produceerde niet kunnen worden teruggedraaid, legde Sastry uit. De elektrochemische processen die zich voordoen in secundaire of oplaadbare batterijen kunnen echter worden omgekeerd door elektrische energie aan de batterij te leveren. Dit gebeurt bijvoorbeeld wanneer u de batterij van uw mobiel aansluit op een oplader die op een voedingsbron is aangesloten.

Enkele van de meest voorkomende secundaire batterijen die tegenwoordig worden gebruikt, zijn lithium-ion (Li-ion) -batterijen, die de meeste elektronische apparaten van consumenten voeden.Deze batterijen bevatten meestal een koolstofanode, een kathode gemaakt van lithium-kobaltdioxide en een elektrolyt met een lithiumzout in een organisch oplosmiddel. Andere oplaadbare batterijen zijn onder andere nikkel-cadmium (NiCd) en nikkel-metaalhydride (NiMH) -batterijen, die kunnen worden gebruikt in zaken als elektrische voertuigen en snoerloze elektrische gereedschappen. Loodzuur (Pb-acid) -batterijen worden vaak gebruikt voor het aandrijven van auto's en andere voertuigen voor starten, ontsteken en ontsteken.

Al deze oplaadbare batterijen werken volgens hetzelfde principe, Sastry zei: Wanneer u de batterij in een stroombron steekt, verandert de elektronenstroom van richting en worden de anode en de kathode teruggezet in hun oorspronkelijke staat. [Top 10 ontwrichtende technologieën]

Batterij jargon

Hoewel alle batterijen min of meer op dezelfde manier werken, hebben verschillende soorten batterijen verschillende functies. Hier zijn enkele termen die vaak in de discussie over batterijen naar voren komen:

Spanning: Als het gaat om batterijen, beschrijft spanning - ook wel bekend als nominale celspanning - de hoeveelheid elektrische kracht of druk, waarbij vrije elektronen van het positieve uiteinde van de batterij naar het negatieve einde bewegen, aldus Sastry. In batterijen met een laag voltage, beweegt een stroom langzamer (met minder elektrische kracht) uit de batterij dan in een batterij met een hogere spanning (meer elektrische kracht). De batterijen in een zaklamp hebben meestal een spanning van 1,5 volt. Als een zaklamp twee batterijen in een serie gebruikt, hebben deze batterijen of cellen een gecombineerde spanning van 3 volt.

Loodzuurbatterijen, zoals die in de meeste niet-elektrische auto's worden gebruikt, hebben meestal een spanning van 2,0 volt. Maar er zijn meestal zes van deze cellen in serie verbonden in een auto-accu, daarom heb je waarschijnlijk zulke batterijen 12-volt batterijen genoemd.

Lithium-kobalt-oxide batterijen - het meest voorkomende type Li-ion batterij gevonden in consumentenelektronica - hebben een nominale spanning van ongeveer 3,7 volt, zei Sastry.

amps: Een versterker of ampère is een maat voor de elektrische stroom, of het aantal elektronen dat door een circuit stroomt binnen een bepaald tijdsbestek.

Capaciteit: Capaciteit, of celcapaciteit, wordt gemeten in ampère-uren, wat het aantal uren is dat de batterij een bepaalde hoeveelheid elektrische stroom kan leveren voordat de spanning onder een bepaalde drempel daalt, volgens een bericht van de elektrische en computertechnologie van Rice University afdeling.

Een 9-volt alkalinebatterij - de soort die wordt gebruikt in draagbare radio's - heeft een vermogen van 1 ampère per uur, wat betekent dat deze batterij continu één ampère stroom kan leveren gedurende 1 uur voordat deze de spanningsdrempel bereikt en als leeg wordt beschouwd.

Vermogensdichtheid: Vermogensdichtheid beschrijft de hoeveelheid stroom die een batterij per gewicht kan leveren, zei Sastry. Voor elektrische voertuigen is de vermogensdichtheid belangrijk omdat deze je vertelt hoe snel de auto kan versnellen van 0 tot 60 mph (97 km / h), zei Sastry. Ingenieurs proberen voortdurend manieren te bedenken om batterijen kleiner te maken zonder hun vermogensdichtheid te verminderen.

Energiedichtheid: Energiedichtheid beschrijft hoeveel energie een batterij kan leveren, gedeeld door het volume of de massa van de batterij, zei Sastry. Dit aantal komt overeen met dingen die een grote impact hebben op gebruikers, zoals hoe lang je moet gaan voordat je je mobiel oplaadt of hoe ver je kunt rijden met je elektrische auto voordat je stopt om hem in te pluggen.

Elizabeth Palermo @ volgentechEpalermo. Volg WordsSideKick.com @wordssidekick, Facebook & Google+.

Extra middelen

  • IEEE Standards Association: batterijstandaarden
  • Environmental Protection Agency: Resource Conservation - Batteries
  • All-Battery.com: maattabel


Video Supplement: 5Havo - hoe werkt een batterij.




WordsSideKick.com
Alle Rechten Voorbehouden!
Reproductie Van Materialen Toegestaan Alleen Prostanovkoy Actieve Link Naar De Site WordsSideKick.com

© 2005–2019 WordsSideKick.com