Bateria elektriko

Bateria elektrikoak zelula elektrokimiko batez baino gehiagoz osaturiko gailuak dira eta metaturiko energia kimikoa, korronte elektrikoa bihurtzen dute. Bateria elektrikoak kanpo konexioen bidez karga transferitzen dieten gailu elektronikoei, hala nola, linternak, smartphoneak eta ibilgailu elektrikoak. Bateria batek karga transferitzen duenean, bere terminal positiboari katodoa deritzo, eta negatiboari anodo. Bateria beste gailu bati atxikitzen zaionean, energia altuko erreaktiboak, energia baxuko produktu bilakatzen ditu erredox prozesu baten bidez.

Bateriak

Primarioak eta sekundarioak 
Bateria elektrikoak primario edo sekundario gisa sailka daitezke:

 Bateria primarioak deskargatuak izan arte erabiltzeko diseinaturik daude. Bere erreakzioak itzulezinak dira, beraz, ezin dira birkargatu.

 Bateria sekundarioak birkarga daitezke. Erreakzioak itzulgarriak direnez, korronte elektrikoa aplikatuz gero, hasierako produktuak lor ditzakegu.

Baterien ezaugarriak 
Honako hauek dira bateria batek dituen ezaugarriak:

1) Mota 
Bateriak primario eta sekundario gisa sailka daitezke.

2) Tentsioa 

Baterien potentzial-diferentzia teorikoa, serie elektrokimikoen bidez determina daiteke Eº balioak erabiliz:

Eº (bateria) = Eº (katodoa) – Eº (anodoa)

Honako kalkulu honekin, potentzial-diferentzia estandarra kalkulatzen da. Balio teoriko hau Nernst-en ekuazioaren bidez aldatua da, zeinak erreaktiboen kantitate ez-estandarrak hartzen dituen kontuan. Nernsten potentziala aldatuz joango da bateria deskargatzen doan heinean, erreaktiboen kontzentrazioa aldatuz doalako.

3) Deskarga-kurba 
Deskarga-kurbak potentzial-aldaketaren araberako kurba da, deskargaturiko kapazitatearekiko adierazten dena. Deskarga-kurba laua potentziala konstante mantentzen denaren seinale da.

4) Kapazitatea 
Bateria baten kapazitate-teorikoa erreakzio elektrokimiko batean parte-hartzen duen elektrizitate kantitatea da. Q bidez adierazten da, ondorengo ekuazioaren bidez:

non, x = erreakzioan parte-harturiko molak diren, n = erreakzioan zehar transferitutako elektroi kopurua erreaktiboaren moleko eta F = Faradayren konstantea.

Kapazitatea orokorrean masa unitatetan adierazten da, eta ez moletan, hurrengo ekuazioa jarraituz:

non Mr = Masa molekularra den. Kapazitatea Ampère-ordu gramoko adierazten da (A·h/g).

5) Energia dentsitatea 
Energia dentsitatea bateria bakoitzeko zelula bakoitzak sorturiko energia da (bolumen unitateko).

6) Tenperaturarekiko dependentzia 
Erreakzioaren etekina zinetikaren araberakoa da, zeinak tenperaturaren menpekotasuna duen. Barne-erresistentzia tenperaturaren menpekoa da ere; tenperatura baxuek barne-erresistentzia altua dute. Tenperatura baxuetan, elektrolitoa izoztu daiteke potentzial baxuagoa emanez, ioien mugimendua murriztua delako. Tenperatura altuetan konposatu kimikoak deskonposa daitezke, edo albo-erreakzioak aktibatu daitezke, kapazitatea murriztuz.

7) Bizitza-denbora 
Bateria baten bizitza denbora karga/deskarga kopuruaren arabera sailkatzen dira, muga gisa bateriaren kapazitatea %80ra erortzean determinatzen dena. Orokorrean, 500 eta 1200 ziklo bitartean burutzen dituzte.

Baterien bizitza-denborak behera egin dezake ondorengo arrazoiak direla medio:

 Gainkarga
 Gaindeskarga
 Zirkuitu laburren presentzia
 Diseinaturik dagoena baino korronte gehiago aplikatzea
 Tenperatura bortitzak nabaritzea

8) Kostua 
Honek, bateriaren hasierako kostua bera, eta birkargatze eta mantentze-lanak ditu tartean.

Bateria Motak

Pb bateriak 
Gaston Planté fisikari frantsesak berunezko bateria 1859. urtean sortu egin zuen. Birkargatu daitekeen bateriarik zaharrena izanda, energia-pisu ratio eta energia-bolumen ratio txarrak dauzka. Hala ere, gaur egun kotxeetako baterietan erabiltzen da korronte altuak aplikatzeko karga espezifiko nahiko ona daukalako. Anodoa berunezkoa izanda eta katodoa berun (IV) oxidozkoa izanda, hurrengo erredox erreakzioak gertatzen dira energia elektrikoa sortzeko:

Pb + HSO4- <=> PbSO4 + H+ + 2e-

PbO2 + HSO4- + 3 H+ + 2e- <=> 2PbSO4 + 2H2O

Nikel-kadmio bateriak 
Nikel-kadmio bateriak birkargatu ahal diren bateria mota dira. Anodoa kadmio metalezkoa eta katodoa nikel oxido hidroxidozkoa da. Nahiz eta energia espezifikoa eta energia dentsitate baxuak izan, ziklo kopuru nahiko altua daukan bateria mota da. Hala ere, Europar Batasunean baterien hauen erabilpena debekatuta dago baldintza normaletan kadmioaren kaltegarritasunagatik ingurumenean. Hurrengo erredox erreakzioak hartzen dute parte:

Cd + 2OH- <=> Cd(OH)2 + 2e-

2NiO(OH) + 2 H2O + 2e- <=> 2Ni(OH)2 + 2OH-

Nikel-burdina bateriak 
Nikel-burdin bateriak sekundarioak dira, hau da, birkargatu ahal dira. Energia espezifiko eta energia dentsitate hain baxuak izateak eramangarritasuna zailtzen du, bolumen eta masa handiak behar baitira energia esanguratsua lortzeko. Hala ere, bizitza-denbora ez dago karga-deskarga zikloen menpean. Anodoa burdinazkoa eta katodoa nikel(III) oxidozkoa izanda, hurrengo erreakzioak gertatzen dira bateria mota hauetan:

Fe + 2OH- <=> Fe(OH)2 + 2e-

Ni2O3 + 2H2O + 2e- <=> 2NiO + 2OH-

Litiozko bateriak 

Litio metalikozko bateriak primarioak dira, hau da, ezin dira birkargatu. Energia espezifiko eta energia dentsitate altuko bateriak dira, baita boltaje altukoak ere erabilitako erreaktibo kimikoen arabera. Anodoa litio metalikozkoa da eta katodoa manganeso(IV) oxidozkoa. Hurrengo erreakzioak pairatzen ditu energia kimikoa energia elektrikoa bihurtzeko:

Li -> Li+ + e-

MnO2 + Li+ + e- -> MnOOLi

Li+ ioizko bateriak 
Litio iozko bateriak (LIB moduan laburtuta) bateria sekundarioak dira. Bateria mota hauek energia espezifikoa, energia dentsitate, ziklo kopuru eta karga espezifiko altuak aurkezten ditu. Beraz, gaur egun erabilienetarikoa da mugikorren bateriak egiteko. Gainera, bateria hauek aplika dezaketen boltajea katodoaren materialaren araberakoa da. Anodoa grafitozkoa da eta katodoa LiFePO4-zkoa edo LiNiMnCoO2-zkoa izan daiteke zeintzuk 3,2 V eta 3,7 V-tako boltajeak aplikatzen duten hurrenez hurren. Hurrengo erreakzioek hartzen dute parte bateria hauetan:

LiC6 <=> C6 + Li+ + e-

Fe4(PO4)3 + Li+ + e- <=> LiFePO4

Sodiozko bateriak 
Sodiozko bateriak bateria sekundarioak dira, hau da, birkargatu ahal diren bateriak dira. Litio ioizko bateriak baino merkeagoak dira, erabiltzen diren sodio gatzak litioarenak baino askoz ugariagoak direlako. Horrela, kostu-eraginkortasun erlazio oneko bateriak lortzen dira baldin eta masa eta energia dentsitatea garrantzi handirik ez badute. Normalean, energia berriztagarrietatik lortutako energia biltegiratzeko erabiltzen dira, zeren eta guztiz deskargatu ahal diren bateriaren materialak kaltetu barik. Bateria hauetan anodoa desordenatutako karbonozkoa da eta katodoa sodio gatzarena, adibidez, NaNi0,5Mn0,5O2-zkoa. Hurrengo erreakzioek hartzen dute parte:

C <=> C+ + e-

NaNi_{0.5}Mn_{0.5}O2 + xe- <=> Na_{1-x}Ni_{0.5}Mn_{0.5}O2

Erregai zelulak 
Erregai-zelulak zelula elektrokimikoak dira zeintzuk erregai baten energia kimikoa energia elektrikoa bihurtzen duten erreakzio elektrokimiko batez baliatuz. Erregai-zelulak baterietatik desberdintzen dira zeren eta erregai bat behar duten denbora osoan energia ekoizteko. Erregai-zelulek, beraz, energia elektrikoa jarraian sor dezakete baldin eta erregaia eta oxidatzailea fluxu jarraian elikatzen badira. Gaur egun hogeita hiru erregai-zelula ezberdin daude bakoitzak tenperatura tarte batean lan egiten duelarik. Nahiz eta gehienak ikerketa fasean aurkitzen diren, zuzeneko borohidrurozko erregai-zelulak eta Zn-airezko bateriak komertzializatu egin dira.

Zink-airezko bateriak 
Zn-airezko bateriak metal-airezko bateriak dira, non zinka oxidatzen den airean dagoen oxigenoarekin. Bateria mota hauek energia dentsitate oso altuak dituzte eta energia espezifiko altua ere bai. Hala ere, ezin dira eramangarriak izan tenperatura altuak behar baitira lan egin ahal izateko. Anodoa zink metalikozkoa izanda eta katodoa CoO-zkoa izanda karbonozko nanotutuekin, hurrengo erredox erreakzioak pairatzen dira:

Zn + 4OH- <=> Zn(OH)_4^{2-} {+} 2e-

1/2O2 + H2O + 2e- <=> 2 OH-

Erregai oxido solidozko zelulak (SOFC) 
Erregai oxido solidozko zelulak (SOFC, ingelesez Solid Oxide Fuel Cell), ingurumenarekiko garbiak diren erregai-zelulak dira. Erregai-zelula honetan, erregaia hidrogenoa da eta hau oxidatuz ura eta elektrizitatea lortzen dira. Hala ere, ezin da eramangarria izan zeren eta funtzionatzeko 600 °C-tako tenperatura behar duen. Gainera, oraindik garapen-prozesuan daude. Anodoa material zeramikozkoa da eta katodoa airezkoa da, hurrengo erreakzioak gertatuz:

2H2 + 2O^{2-} <=> H2O + 4e-

O2 + 4e- <=> 2O^{2-}

Kanpo estekak 

Bateria elektrikoak