بیو باتری  - جلسه پنجم

اهداف جلسه:

• آشنایی با باتری‌های لیتیوم-یونی

• آشنایی با جهت حرکت آنیون ها و کاتیون ها

• آشنایی با نقش دیواره متخلخل

• آشنایی با پتانسیل احیا و نقش آن در تعیین آند و کاتد 

• آشنایی با چگونگی نمایش آند و کاتد در یک پیل

• آشنایی با نامگذاری ترکیبات یونی

مقدمه

تولیدکنندگان باتری همیشه در راه بهبود باتری‌ها، استفاده از مواد شیمیایی جدیدتر با ظرفیت بالاتر و کاهش اندازه و وزن باتری‌ها حرکت کرده‌اند. نسل جدید باتری های روی-یونی که قیمت آنها، نصف قیمت تمام شده برای باتری های لیتیوم-یونی رایج در بازار است، جدید ترین دستاوردیست که می تواند جوامع را از نیروگاه های سنتی تولید کننده ی برق دور و به سمت ذخیره سازی انرژی الکتریکی ناشی از انرژی های تجدید پذیر همچون باد و خورشید سوق دهد.

از این رو گروهی از محققین در دانشگاه Waterloo have، موفق به تولید باتری هایی شدند که از مواد غیر سمی، غیر قابل اشتعال و بی خطر به عنوان محلول آبی الکترولیت با pH،خنثی استفاده می کند. علاوه بر الکترولیت، الکترود منفی شامل فلز ارزان قیمت روی و الکترود مثبت شامل اکسید وانادیوم است.

در ادامه ی بحث ساختار باتری ها به جهت حرکت آنیون ها و کاتیون ها می پردازیم.

5-1 جهت حرکت آنیون ها و کاتیون ها 

در نخستین نظر ، شگفت آور به نظر می‌رسد که آنیون ها یعنی یون هایی که بار منفی دارند، باید به طرف آند که الکترود منفی است، سیر کنند و بر عکس کاتیون ها که حامل بار مثبت هستند به طرف کاتد که قطب مثبت است، بروند (باید توجه داشت که در داخل پیل حرکت یون ها مدار الکتریکی را کامل می‌کنند). اما بررسی دقیق واکنش های الکترودی پاسخ این مساله ظاهرا غیر عادی را بدست می‌دهد. در آند، یون های روی تولید می‌شوند و الکترون ها در فلز، به جای می‌مانند. از طرف دیگر، خنثی بودن الکتریکی محلول همواره باید حفظ شود.

بنابراین در محلول پیرامون الکترود باید به همان قدر بار منفی از آنیون ها وجود داشته باشد که بار مثبت از کاتیون ها وجود دارد. از این رو یون های SO-24 به طرف آند می‌روند تا اثر یون های Zn2+ را که تولید می‌شوند خنثی کنند. در همان زمان ، یون های روی از آند دور می‌شوند و به طرف کاتد می‌روند. در کاتد الکترون ها صرف کاهش یون های 2+Cu و تبدیل آنها به فلز مس می‌شوند. در حالی که یون های 2+Cu بار خود را تخلیه می‌کنند، یون های 2+Cu بیشتری به محوطه پیرامون کاتد می‌آیند تا جای یون های خارج شده را بگیرند. اگر چنین نشود ، یون های  SO2-4 اضافی در اطراف کاتد ایجاد می‌شوند. 

5-2 نقش دیواره متخلخل 

دیواره متخلخل را به این منظور اضافه می‌کنند که از اختلاط مکانیکی محلول نیم پیل ها ممانعت به عمل آورد. بدیهی است که اگر یون های 2+Cu با الکترود فلز روی تماس پیدا کنند، الکترون ها به جای آن که از مدار خارجی بگذرند، مستقیما به یون های 2+Cu منتقل خواهند شد. وقتی که سلول بطور عادی کار می‌کند، انتقال از این مدار کوتاه صورت نمی‌گیرد. زیرا یون های  2+Cu در جهتی حرکت می‌کنند که از الکترود روی دور شوند. 

5-3 پتانسیل احیا و نقش آن در تعیین آند و کاتد 

در مقایسه پتانسیل احیا دو عنصر، عنصری که پتانسیل احیای بالاتری دارد، به عنوان کاتد و عنصری که پتانسیل احیای پایین تری دارد، به عنوان آند پیل در نظر گرفته می‌شود. در پیل دانیل نیز، چون روی پتانسیل احیای پایین تری در مقایسه با فلز مس دارد، به عنوان آند و مس به عنوان کاتد و عنصر احیا شونده بکار رفته است.

5-4 چگونگی نمایش آند و کاتد در یک پیل 

اگر در پیل دانیل ، محلول های 1M از ZnSO4 و 1M از CuSO4 بکار رفته باشد، آن پیل را با نمادگذاری زیر نشان می‌دهیم:

Zn(s)│Zn2 + (1M)│Cu2 + (1M)│Cu(s(

که در آن، خطوط کوتاه عمودی، حدود فازها را نشان می‌دهند. بنابر قرار داد، ماده تشکیل دهنده آند را اول و ماده تشکیل دهنده کاتد را در آخر می‌نویسیم و مواد دیگر را به ترتیبی که از طرف آند با آنها برخورد می‌کینم، میان آنها قرار می‌دهیم.

5-5 نامگذاری ترکیبات یونی 

نامگذاری ترکیبات یونی بر قواعدی چند استوار است. ابتدا از کاتیون (یون مثبت) ترکیب نام برده می‌شود و آنیون (یون منفی) پس از آن ذکر می‌شود. 

کاتیون: بیشتر کاتیون ها، یون های تک اتمی‌اند که توسط فلزات بوجود می‌آیند. اگر فلز تنها یک نوع کاتیون ایجاد کند، نام یون ، همانند فلز مربوط است. +Na یون سدیم است. یعنی فلز سدیمی که ابتدا بصورت گازی در آمده است و از سدیم یک الکترون با اعمال انرژی یونش گرفته شده است 2+Mg یون منیزیم است 3+Al ، یون آلومینیوم است.

آنیون: آنیون های تک‌اتمی از اتم فلزات به وجود می‌آیند. نام آنها از طریق حذف بخش آخر نام عنصر و افزودن پسوند "- ید" به باقیمانده به دست می‌آید -Cl یون کلرید است 2-O ، یون اکسید است 3-N یون نیترید است. اما، تمام آنیون هایی که نامشان به "ید" ختم می‌شود تک اتمی نیستند. بلکه معدودی آنیون های چند اتمی نیز نامشان با این پسوند ختم می‌شود. مثلا -CN یون سیانید است -OH یون هیدروکسید است 2-O2 یون پروکسید است.

تکلیف1: با توجه به موضوعات مورد بحث در این درس در مورد پتانسیل احیا و نقش آن در تعیین آند و کاتد تحقیق و بررسی نمایید و مطالب خود را دسته بندی کنید.

تکلیف2: با توجه به مطالب درس آیا می توانید با کمک دبیر پژوهش خود یک باتری ساده بسازید؟ تفاوت باتری که شما ساختید با باتری لیتیومی چیست؟

محل بازدید/ اردو/ خرید: _________

منابع مطالعه: برای کسب اطلاعات بیش تر در زمینه مطالب مرتبط این درس کتاب "سوخت زیستی از ریز جلبک ها" ترجمان: دکتر محمود حافظیه، حمیرا حسین پور و سمیرا حافظیه را مطالعه نمایید.

مطالب مرتبط: 

بیو باتری، جلسه اول 

بیو باتری، جلسه دوم

بیو باتری، جلسه سوم

بیو باتری، جلسه چهارم

بیو باتری، جلسه پنجم 

بیو باتری، جلسه ششم 

بیو باتری، جلسه هفتم 

بیو باتری، جلسه هشتم

⁠

تهیه کننده: الهام گارسچی

تنظیم کننده: محبوبه همت