Zink-luft batterier

[HP]

Udstyret med et par udmærkede høreapparater er jeg blevet opmærksom på, at de er forsynet med zink-luft batterier i form af knapceller. Det overrasker mig. Hvordan kan man få zink og luft sammen til at skabe en spænding i et batteri?
Batterierne er meget små og alligevel kan de levere energi nok til at få apparaterne til at virke i flere dage.
Hvad er kemien i det foretagende?
Hvilket leder til det næste spørgsmål: Hvordan kan man med ét metal alene (bly) skabe et "livskraftigt" startbatteri med en rimelig spænding og en meget stor kapacitet? Som ingeniør burde jeg vel vide det - men jeg må jo have glemt det! 

Rolig nu

HP

[harbst]

Detaljerne i Zink-luft elementet kender jeg ikke så meget til.
du kan læse om gaselektroder her
http://en.wikipedia.org/wiki/Gas_diffusion_electrode
Zink elektroden kendes fra daniel elementet og fra de gammeldags tørelementer med brunsten.
 

Blyelementet består ikke af to blyplader, men af en bly plade med en blysvamp i et gitter.
Den anden plade er lavet på samme måde men er oxideret i svampen og i pladens overflade til blyoxid PBO.

Ved afladning dannes blysylfat på begge plader. Når de er ens bliver spændingen nul, men afladningen bør afbrydes allerede ved omkring 2 volt cellespænding. Ellers er det ikke til at vende processen og lade op igen mange gange.

Sulfatet kommer fra elektrolytten som er svovlsyre. Ved afladning falder syrens koncentration . Ladetilstanden måles derfor bedst ved at måle syrens koncentration. 

[Morten Jødal]

Enhver elektrisk celle - uanset type - virker ved, at ét stof - typisk et metal, og meget ofte zink - oxideres og derved afgiver 1 eller flere elektroner. Disse elektroner optages så af et andet stof, som dermed reduceres.
Fidusen er at få disse to processer til at foregå fysisk adskilt, så elektronerne er nødt til at løbe gennem en ydre ledning, for at processen sker - ellers får vi kun varme, men ingen strøm, ud af processen.

Det er svært at finde en god beskrivelse af et zink-luft-batteri på nettet, men en meget overordnet har jeg fundet her.

Den korte forklaring er, at Zn oxideres til ionen Zn²⁺ og altså afgiver 2 elektroner.
Reduktionen består i princippet af, at O (i form af O₂ fra luft) omdannes til (i princippet) ionen O^2-. Denne ion er så aggressiv, at den altid knytter sig til noget andet, derfor forbeholdet. Til at transportere ilt ind til zinkoverfladen benyttes en væske (elektrolyt), som er en opløsning af kaliumhydroxid KOH.
Der skal bruges en metaloverflade til at sikre forbindelsen til elektrolytten, og de fleste zink-luftbatterier indeholder desuden kviksølv, hvorfor de er miljøfarligt affald.

Harbsts forklaring på blyakkumulatoren er jeg ikke helt enig i. Bly kan bruges til begge plader, fordi metallet har to forskellige ioner, nemlig Pb²⁺ og Pb⁴⁺.
Når akkumulatoren tages i brug, er den "tøropladet", idet det ene sæt plader er belagt med en overflade af PbO₂ - altså ikke PbO. PbO₂ indeholder ionen Pb⁴⁺. Under afladning transporteres sulfationer (SO₄^2-) gennem elektrolytten, som består af svovlsyre H₂SO₄. Herved omdannes begge overflader til PbSO₄, som indeholder Pb²⁺.
Det smarte ved netop denne celletype er, at man kan sende strøm igennem "den gale vej" og derved opnå, at den ene plade belægges med Pb(SO₄)₂, som indeholder blyioner med 4 plusladninger, Pb⁴⁺. Den anden overflade reduceres til frit blymetal, Pb.
I begge pladelag tjener det rene blymetal nedenunder som både bæremedie og som ledning for elektronerne.
En fuldt opladet blycelle har en spænding på lidt over 2V. Og den kan aflades til betydeligt mindre. Typisk vil startproblemer opstå, hvis en bilakkumulator med 6 celler aflades til omkring 8V, altså omkring 1,3V pr. celle. Men på dette tidspunkt kan man bare sætte en batterilader til - eller køre en tur, når det lykkes at få startet bilen - for at få akkumulatoren til at virke igen. Hvor undergrænsen er, som forhindrer den i at blive genopladet, ved jeg ikke; men det er betydeligt under 2V.

[harbst]

Hurra Morten!
Nu er der et punkt hvor vi er uenige. I hvert fald om hvad der er det essentielle i beskrivelserne

Der skal ikke nødvendigvis metalplader til i et element, for at lede strømmen.  Kulstof er ofte anvendt. Hvis du påstår det er et metal,skal du kikke tilbage i dine egne forklaringer på metal i en tidligere diskussion.

Der dannes ikke blysulfat i blyakkumulatorcellen ved opladning . Der dannes svovlsyre, bly og PbO2.
Den eneste fejl i min fremstilling jeg erkender var et manglende 2 tal.

Det er ødelæggende i længden for et startbatteri at aflades så dybt som du angiver.  Problemet er at der dannes noget blysulfat, som man ikke kan regenerere.

I øvrigt lider din elektriske elementforklaring af at være alt for kemisk. Der er ingen som er i tvivl om at zink-luft elementet virker ved at zinken oxideres. Spørgmålet er mere hvordan man udnytter energiomsætningen til en elektrisk strøm i en ydre kreds. 

[Mogens Larsen1]

Det smarte ved netop denne celletype er, at man kan sende strøm igennem "den gale vej" og derved opnå, at den ene plade belægges med Pb(SO₄)₂, som indeholder blyioner med 4 plusladninger, Pb⁴⁺. Den anden overflade reduceres til frit blymetal, Pb.

Det er nu ikke bly(IV)sulfat Pb(SO₄)₂ som dannes ved opladning, men PbO₂.

PbO₂ er brunt og hvis man selv laver en lille blyakkumulator ved at stikke to blystykker ned i fortyndet svovlsyre og lader den op, så bliver den ene elektrode betrukket med med en brun overflade - PbO₂. Hvilket også er det som er beskrevet i lærerbøger om elektrokemi.

Årsagen til at det kan være svært at genoplade et fuldstændigt afladet batteri, skyldes at belægningen af bly(II)sulfat er for tykt og tæt, og nærmest virker isolerende. 

[Morten Jødal]

Der dannes ikke blysulfat i blyakkumulatorcellen ved opladning. Der dannes svovlsyre, bly og PbO2.

Hurra! Så lykkedes det dig alligevel at slå mig på et kemisk punkt! Du har ret, bly(IV)sulfat er ikke stabilt under de aktuelle betingelser, men spaltes til svovlsyre og PbO₂ (bemærk det sænkede 2-tal - det er essentielt! )

Den eneste fejl i min fremstilling jeg erkender var et manglende 2 tal.

Den fejl er til gengæld helt essentiel - for uden dette 2-tal i PbO₂ ville der ikke være sket en oxidation, og det er vi jo enige om, at der er.

Der skal ikke nødvendigvis metalplader til i et element, for at lede strømmen.  Kulstof er ofte anvendt.

Ja, her må jeg igen beklage min egen mangel på præcision. Der skal en leder til for at transportere strømmen til den ydre ledning, og kulstof i form af grafit er tilstrækkeligt ledende til at kunne bruges over korte afstande. Du har ret i, at man på grund af prisen ofte foretrækker kulstof til den ene elektrode i engangsbatterier. Jeg var i mit svar fokuseret på de to former, der blev spurgt til: Zink-luft og blyakkumulatorer - og deri bruges ikke kulstof.

I øvrigt lider din elektriske elementforklaring af at være alt for kemisk. Der er ingen som er i tvivl om at zink-luft elementet virker ved at zinken oxideres. Spørgmålet er mere hvordan man udnytter energiomsætningen til en elektrisk strøm i en ydre kreds. 

Jeg skrev:

Enhver elektrisk celle - uanset type - virker ved, at ét stof - typisk et metal, og meget ofte zink - oxideres og derved afgiver 1 eller flere elektroner. Disse elektroner optages så af et andet stof, som dermed reduceres.
Fidusen er at få disse to processer til at foregå fysisk adskilt, så elektronerne er nødt til at løbe gennem en ydre ledning, for at processen sker - ellers får vi kun varme, men ingen strøm, ud af processen.

... og jeg vil ikke mene, det kan gøres mindre kemisk.
en oxidation/reduktion ER en afgivelse/optagelse af elektroner - det er simpelthen definitionen på disse to delprocesser!
Og det helt essentielle i ethvert elektrisk element ER, at disse to processer skal foregå fysisk adskilt. En forklaring på et element, der ikke indeholder flytning af elektroner ved en kemisk proces, er ingen forklaring. Netop derfor er det helt essentielt, om et givet element indeholder PbO eller PbO₂ - der er to elektroner på bly-ionen til forskel, og det er dem, der skal bruges til at give strøm!

Du har givetvis ret i, at en akkumulator dårligt tåler mange gentagne afladninger til 8V, men jeg vil absolut anfægte, at grænsen er 2V pr. celle - den er noget lavere.

[Morten Jødal]

Det er gået op for mig under denne debat, at et gennemgående problem for ikke-kemikere er at forstå det helt centrale begreb ioner.
En ion er et atom, hvori antallet af negative elektroner ikke er det samme som antallet af positive ladninger i kernen - og den har derfor elektrisk ladning.
En meget stor del af alle atomer i denne verden er ioner, og de er helt centrale for at forstå elektriske celler.

Jeg vil derfor prøve at give en kort forklaring på de to omtalte batterityper, der helt og holdent er fokuseret på ioner.

På cellens anode sker der en oxidation, anodematerialet afgiver altså elektroner e^- (definitionen på oxidation, jfr. mit forrige indlæg):

Zink-luft: Zn  ->  Zn²⁺ + 2 e^-

Blyakku:  Pb  ->  Pb²⁺ + 2 e^-

Disse elektroner skal så gerne gennem en passende leder afleveres til det apparat, der skal bruge strøm.

På cellens katode sker der det modsatte, en reduktion, som kræver elektroner tilført udefra (de kommer så tilbage fra apparatet):

Zink-luft: O₂ + 4 e^-  ->  2 O^2-

Blyakku: Pb⁴⁺ + 2 e^-  ->  Pb²⁺

Dette er de helt basale reaktioner, som er ansvarlige for elementets produktion af strøm, og de skal med i en elementær forklaring. men de udgør naturligvis ikke en fuldstændig beskrivelse.

For at det skal kunne virke i praksis, hører der nogle transportreaktioner til, og de foregår i den opløsning, der kaldes en elektrolyt. De kræver også ioner. I Zink-luft-cellen er den vigtigste transportion hydroxylionen OH^-, i blycellen er det sulfationen SO₄^2-.
For cellens virkemåde er det vigtigt, at når ioner flytter sig, flytter vi også elektrisk ladning, og dermed hindres ophobning af elektroner ved katoden. Ionerne flytter negativ ladning tilbage mod anoden.

Endelig sker der i de fleste celler en sammenklumpning af positive og negative ioner til faste stoffer.
I Zink-luft-cellen går Zn²⁺ og O^2- sammen til ZnO, i blycellen dannes PbSO₄ på begge pladesæt ved afladning - og i den opladede celle har Pb⁴⁺ angrebet vandet i den fortyndede svovlsyre, der er elektrolyt og "stjålet" O^2-, så der dannes PbO₂ og H⁺. Sidstnævnte indgår i svovlsyre.
Men disse "stofdannende" processer er absolut sekundære, og der findes celletyper, hvor der ikke dannes fast stof ved anoden, men det oxiderede anodemateriale i stedet opløses som ioner i elektrolytten.

[harbst]

Morten du er alt for kemisk.

Enhver ingeniør kan huske fra sin skoletid at man kan lave elektriske elementer med to FORSKELLIGE METALLER  i en elekrolyt.  Elektroingeniørerne kan forhåbentlig også huske at beregne spændingerne ud fra metallerne og koncentrationen af deres ioner i elektrolytten.
Enkelte husker måske også noget om kalomel elektroden og brintelektroden.

Men HP og andre kan undre sig over at det  - efter navnene at dømme- også kan være med to ens metaller eller med et metal og en gas.
Forklaringen med ioner og oxidering hjælper ikke på forståelsen.

Hvis du kigger godt på dit eget link vil du finde ud af at zink-luft elementet bruger en elektrode af kulstof, som luften diffunderer igennem. 

[Morten Jødal]

Morten du er alt for kemisk.

Et batteri er en elektrokemisk celle, og hvis man forsøger at springe kemien over, forstår man intet!
Så kommer man til at lave fatale brølere som at tage fejl af bly(IV)oxid PbO₂ og bly(II)oxid PbO - når det netop er omdannelsen af Pb⁴⁺ til Pb²⁺, der er den drivende kraft i den pågældende elektrode.

Enhver ingeniør kan huske fra sin skoletid at man kan lave elektriske elementer med to FORSKELLIGE METALLER  i en elekrolyt.

Det afgørende er i så fald, at disse to metaller skal stå passende langt fra hinanden i spændingsrækken, som angiver de pågældende metallers tilbøjelighed til oxidation. Man kan også lave elementer, hvor samme metal står i opløsninger med forskellig koncentration af ioner.
Disse forhold er meget vigtige for folk, der arbejder med korrosion.
Men de helt almindelige tørelementer indeholder (bortset fra en evt. beskyttende metalkapsel) kun ÉT metal (zink) som frit grundstof! Det oxideres. Reduktionen består i, at én slags manganioner reduceres til en anden slags manganioner - så ioner er vigtige, også her.

Forklaringen med ioner og oxidering hjælper ikke på forståelsen.

Jeg beklager, at det ikke er lykkedes at få dig til at forstå det væsentlige.  :'(

Derimod er det en interessant detalje, at diffusionslaget i et zink-luftbatteri åbenbart består af porøst kulstof - men dette lag deltager ikke i den spændingsgivende reaktion.

[harbst]

Nu er det jo blot din påstand, hvem der ikke forstår.

For dig er de lille 2 tal måske det væsenligste. For andre er det væsentlige at vide hvordan man sætter en ledning til luften , eller hvorfor elektroderne alligevel ikke er ens i blycellen.

Det er også væsentligt at vide at bilens blybatteri bruger svovlsyre under afladning og gendanner den ved opladning. Det er det hele målingen af ladetilstanden ved et aerometer er baseret på.

Spændingen afhænger af så mange ting, og er et dårligt mål for ladetilstanden. Den siger mere om det umiddelbart foregående forløb end om evnen til at give strøm i fremtiden.

Pas på du ikke tager fejl af elementer og batterier.  der skal flere elementer til at danne et batteri.
Ligesom en kanon ikke er et kanonbatteri, er en elektrokemisk celle ikke et batteri, selv om mange alligevel kalder den sådan.

 

[Mogens Larsen1]

Jeg vil give Morten fuldstændig ret i at man ikke kan komme uden om kemien når man taler om batterier/elektrokemiske celler/ brændselsceller osv.

Det kan jo også være fordi jeg selv er kemiker, men det ændrer jo ikke noget ved det faktum at hvis man ikke kender de kemiske processer der ligger til grund, så er det svært at forklare hvorfor tingene virker som de nu en gang gør. Eller at man ikke kan videreudvikle tingene hvis man ikke fatter hvad der sker.

Harbst, det kan godt være at det lille nedsænket to-tal virker ligegyldigt på dig, men det er nu engang meget vigtigt. For sjusker man her, så kan man overhovedet ikke hitte rede i hvad der bliver talt om. Så hvis man taler om kemi og gerne vil tages alvorligt så er man nødt til at tale kemikerens sprog for ellers bliver man ikke taget alvorligt.

F.eks. CO og CO₂  , det er to meget forskellige stoffer (gasser), men den ene er ekstremt giftig (CO) mens den anden er vores kendte drivhusgas CO₂. Jeg er da glad for at det er CO2 som bilerne udleder og ikke CO (med mindre det er en gammel bil).

Harbst, du harcelerer jo også ganske voldsomt når folk fedter rundt i begreber som spænding og strøm, kW og kWh osv. Men for en menigmand på gaden kan jo bruge fuldstændig samme argument, nemlig at det er ligegyldigt.

[harbst]

Jeg er da enig med Mogens og Morten om at kemien er vigtig og at det lille total bestemt ikke er ligegyldigt.
Jeg har også skrevet at det var en fejl at det ikke var med på mit første indlæg.

Men verden er ikke bare kemi, og HP s spøresmål gik slet ikke på oxidation og elektroner- det er noget kemisk fis som intet forklarer om hvordan zn -luft elementet er skruet sammen.

[Mogens Larsen1]

http://en.wikipedia.org/wiki/Zinc-air_battery
http://micro.magnet.fsu.edu/electromag/electricity/batteries/zincair.html
http://www.electric-fuel.com/evtech/index.shtml

Og nej, det er ikke noget kemisk fis.

[Morten Jødal]

Men verden er ikke bare kemi [ ...  ] noget kemisk fis.

ALLE elektrokemiske celler bruger kemisk energi til at danne elektrisk energi. Derfor kan man ikke springe kemien over, når man vil forklare virkemåden. Det er i princippet helt ligegyldigt, hvordan en given celle er "skruet sammen" - den mekaniske del kan vi roligt overlade til fabrikanterne af sådanne "batterier" (sådan siger alle - på et eller andet tidspunkt bliver det vel også "korrekt sprog"? - for sådan er nu engang sprogets logik).

HP spurgte, hvordan der kunne komme spænding ud af zink og "luft".
Svaret er altså, at "luft" i dette tilfælde skal forstås som O₂ - samt fire elektroner, der reduceres til 2 O^2-. Da elektronen som bekendt er den eneste kendte partikel, der kan transportere strøm i en metallisk leder, er det da ganske væsentligt!
Det var fint, at du påpegede carbonmembranen, der hjælper med at transportere luft den ene vej og elektroner den anden vej.
Men det er altså dette, der er kernen i HPs spørgsmål! Idet vi alle er vant til at se zink som den ene elektrode i en celle, så det var nok ikke hovedspørgsmålet, hvorfor der er zink i ...

Harbst, det kan ikke hidse mig op, at du ved for lidt om kemi - det gælder for så mange, også en hel del, der faktisk har brug for at vide mere! Men det kan i høj grad oprøre mig, når du hovent erklærer, at dette vigtige fagområde er "noget fis" - ikke mindst fordi du i andre sammenhænge er utroligt nedladende overfor folk, der ikke kender de korrekte fagtermer på dit eget område. 

[harbst]

Jeres kemiske forklaring er selfølgelig rigtig og nødvendig for  den fulde forståelse af  elektokemien.

Men opskrivning af reaktioner med ioner og elektroner giver ikke en relevant forklaring til spørgeren.

Det svarer til,  hvis en lige ville vide noget om husets elinstallation, at man så gav en kvantemekanisk forklaring på ladningstransporten i metaller.
Det fis kan spørgeren ikke bruge til noget.

Og så hjælper det ikke at påstå, at det er vigtigst man forstår elektrisk strøm på et fundamentalt niveau. 

Svarene må lægge sig på et niveau svarende til spørgsmålet.

Det var det jeg mente med noget kemisk fis.