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.

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.

Honako hauek dira bateria batek dituen ezaugarriak:

Bateriak primario eta sekundario gisa sailka daitezke.

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.

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

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

${\displaystyle Q=x\cdot n\cdot F}$

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:

${\displaystyle Q=n\cdot F\cdot M_{r}}$

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

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

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.

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

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

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:

${\displaystyle {\ce {Pb + HSO4- <=> PbSO4 + H+ + 2e-}}}$

${\displaystyle {\ce {PbO2 + HSO4- + 3 H+ + 2e- <=> 2PbSO4 + 2H2O}}}$

Pb baterien ezaugarriak
Energia espezifikoa	33–42 W·h/kg
Energia dentsitatea	60–110 W·h/L
Karga espezifikoa	180 W/kg
Karga/deskarga eraginkortasuna	50–95%
Ziklo kopurua	<350 ziklo
Boltajea	2,1 V

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:

${\displaystyle {\ce {Cd + 2OH- <=> Cd(OH)2 + 2e-}}}$

${\displaystyle {\ce {2NiO(OH) + 2 H2O + 2e- <=> 2Ni(OH)2 + 2OH-}}}$

NiCd baterien ezaugarriak
Energia espezifikoa	40–60 W·h/kg
Energia dentsitatea	50–150 W·h/L
Karga espezifikoa	150 W/kg
Karga/deskarga eraginkortasuna	70–90%
Ziklo kopurua	2000 ziklo
Boltajea	1,2 V

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:

${\displaystyle {\ce {Fe + 2OH- <=> Fe(OH)2 + 2e-}}}$

${\displaystyle {\ce {Ni2O3 + 2H2O + 2e- <=> 2NiO + 2OH-}}}$

NiFe baterien ezaugarriak
Energia espezifikoa	19–25 W·h/kg
Energia dentsitatea	30 W·h/L
Karga espezifikoa	100 W/kg
Karga/deskarga eraginkortasuna	<65%
Ziklo kopurua	Eraginik ez
Boltajea	1,2 V

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:

${\displaystyle {\ce {Li -> Li+ + e-}}}$

${\displaystyle {\ce {MnO2 + Li+ + e- -> MnOOLi}}}$

Li baterien ezaugarriak
Energia espezifikoa	280 W·h/kg
Energia dentsitatea	580 W·h/L
Boltajea	3,3 V

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:

${\displaystyle {\ce {LiC6 <=> C6 + Li+ + e-}}}$

${\displaystyle {\ce {Fe4(PO4)3 + Li+ + e- <=> LiFePO4}}}$

Li+ iozko baterien ezaugarriak
Energia espezifikoa	100-265 W·h/kg
Energia dentsitatea	250-693 W·h/L
Karga espezifikoa	~250-~340 W/kg
Karga/deskarga eraginkortasuna	80–90%
Ziklo kopurua	400-1200 ziklo
Boltajea	LiFePO4 3,2 V LiNiMnCoO2 3,7 V

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, NaNi_0,5Mn_0,5O₂-zkoa. Hurrengo erreakzioek hartzen dute parte:

${\displaystyle {\ce {C <=> C+ + e-}}}$

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

Na-zko baterien ezaugarriak
Energia espezifikoa	90-115 W·h/kg
Karga/deskarga eraginkortasuna	~97%
Ziklo kopurua	2000 ziklo
Boltajea	3,6 V

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.

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:

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

${\displaystyle {\ce {1/2O2 + H2O + 2e- <=> 2 OH-}}}$

Zn-airezko baterien ezaugarriak
Energia espezifikoa	470 W·h/kg
Energia dentsitatea	1480-9780 W·h/L
Karga espezifikoa	100 W/kg
Boltajea	1,65 V

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:

${\displaystyle {\ce {2H2 + 2O^{2-}<=> H2O + 4e-}}}$

${\displaystyle {\ce {O2 + 4e- <=> 2O^{2-}}}}$