Springen naar inhoud

[scheikunde] chemische energie batterijen


  • Log in om te kunnen reageren

#1

yochem_CF

    yochem_CF


  • >250 berichten
  • 385 berichten
  • Ervaren gebruiker

Geplaatst op 04 maart 2007 - 14:23

Voor school moet ik een PO doen over batterijen. Daarin willen we ook het rendement van batterijen bepalen. De nuttige energie die uit de batterij komt is makkelijk te meten dmv een volt- en amperemeter. De totale energie die in de batterij zit is echter niet zo makkelijk te berekenen. Hoe moet dit? Ik heb nog niet veel gehad over elektrochemische reacties enz.

Ik heb al wel een klein idee:
I = ΔQ (aantal elektronen, berekenen door reactieverglijkingen??) / Δt (seconden)
U = geen idee, misschien iets met standaardelektrodepotentiaal??
P = U*I
E = P*t

En dan zou je de totale energie in de batterij moeten hebben, of is er ook een simpelere manier?

Veranderd door yochem, 04 maart 2007 - 14:39


Dit forum kan gratis blijven vanwege banners als deze. Door te registeren zal de onderstaande banner overigens verdwijnen.

#2

rwwh

    rwwh


  • >5k berichten
  • 6850 berichten
  • Moderator

Geplaatst op 04 maart 2007 - 22:21

Volgens mij is het elektronenrendement van een batterij 100%, er is geen lekstroom. Het enige verlies dat je tijdens gebruik hebt is door de inwendige weerstand. Die zorgt ervoor dat de spanning lager wordt bij belasting. En daarnaast heb je de "resterende" stoffen in de batterij als je hem "leeg" noemt.

Het effect van die interne weerstand is dat het rendement van een batterij sterk afhangt van het type belasting!

De totale energieinhoud van een batterij kun je bepalen als je weet welke reactie daar optreedt, en wat de hoeveelheden van de aanwezige stoffen zijn. Maar ik zou voorzichtig zijn met openzagen, het is nogal troep volgens mij.....

#3

Fuzzwood

    Fuzzwood


  • >5k berichten
  • 11120 berichten
  • Moderator

Geplaatst op 04 maart 2007 - 22:31

Ik kan je vertellen wat je in de oudere batterijen zult aantreffen: zinken huls, papier, mangaanpasta en een koolstofelektrode.

Vaak wordt de capaciteit van een batt. aangegeven in mAh, milliAmpèreuur dus. Dit betekent als er bijvoorbeeld 400 mAh in een batt. zit, dat je dan 30 min lang 800 mA trekt, of 2 uur 200.

#4

rwwh

    rwwh


  • >5k berichten
  • 6850 berichten
  • Moderator

Geplaatst op 04 maart 2007 - 22:41

De capaciteit in mAh is een methode om de praktische energieinhoud te bepalen. De theoretische inhoud kun je denk ik alleen bepalen door te weten wat er precies inzit.... De fabrikant bellen?

#5

yochem_CF

    yochem_CF


  • >250 berichten
  • 385 berichten
  • Ervaren gebruiker

Geplaatst op 05 maart 2007 - 17:14

Ik was van plan om hiermee de hoeveelheden metalen in batterijen te weten te komen. De fabrikant bellen is nog een mogelijkheid. Ik ga de boel dus niet openzagen, maar hoogstens wegen. Stel dat ik die heb, hoe bereken ik dan hoeveel energie die volle batterije bevat? Dit kunnen we dan het best doen aan de hand van het voorbeeld van FsWd.

#6

hzeil

    hzeil


  • >1k berichten
  • 1379 berichten
  • Ervaren gebruiker

Geplaatst op 06 maart 2007 - 14:27

De zelfontlading tijdens het bewaren van een batterij kun je ook beschouwen als het resultaat van een lekstroom. Die lekstroom wordt veroorzaakt door opgeloste redoxkoppels, bijvoorbeeld door verontreinigingen in de bruinsteen-koolstof massa.
Het bekendste kortsluitende redoxkoppel is Fe3+/Fe2+.
Door diffusie pendelen deze ionen heen en weer tussen anode en kathode en zorgen zo voor de oxydatie van het zink door het bruinsteen zonder dat er een stroom loopt in een uitwendig electrisch circuit.
Uiteraard is deze lekstroom ook aanwezig als je een batterij gebruikt. De batterij wordt dan als het ware belast door twee parallele circuits waarvan er een een nuttig rendement heeft.
Daarnaast kun je de corrosie van zink in een alkaline batterij ook wel als een vorm van zelfontlading zien. Daarbij ontstaan zinkaat-ionen en waterstof. Vroeger werd er een spoortje kwikionen aan de electroliet toegevoegd om deze waterstofvorming af te remmen. Maar dat mag tegenwoordig niet meer.
Uitleggen is beter dan verwijzen naar een website

#7

yochem_CF

    yochem_CF


  • >250 berichten
  • 385 berichten
  • Ervaren gebruiker

Geplaatst op 06 maart 2007 - 17:16

Oke, maar hoe bereken je die stroomsterke of het aantal mAh dat een batterij kan leveren en de spanning die geleverd wordt aan de hand van de inhoud? Daarmee bedoel ik dus niet op de batterij kijken.

#8

woelen

    woelen


  • >1k berichten
  • 3145 berichten
  • Ervaren gebruiker

Geplaatst op 06 maart 2007 - 19:37

Niet heel eenvoudig.

Je kunt kijken naar het verschil tussen de startstoffen en de eindstoffen.

Stel je hebt een zink/kool batterij. Dan heb je MnO2, Zn en NH4Cl als uitgangsstoffen en er komt Mn2O3, ZnCl2, H2O en NH3 als uitgangsproduct. De netto reactie is exotherm, dus je hebt een bepaalde hoeveelheid energie per mol zink (dat is normaliter de limiterende stof, daar is het minste van aanwezig).

De batterij levert een bepaalde spanning (bijv. 1.5 volt) en een bepaalde stroom. Uit het aantal joule dat de chemische reactie levert kun je dan berekenen hoeveel Ah stroom de batterij maximaal heeft. In de praktijk is het natuurlijk minder, door allerlei verliezen, zoals hzeil al noemde.

#9

hzeil

    hzeil


  • >1k berichten
  • 1379 berichten
  • Ervaren gebruiker

Geplaatst op 07 maart 2007 - 15:08

Er is helaas geen eenduidige relatie tussen de inhoud en de nuttige prestatie van een batterij. Je kunt met jezelf afspreken dat een batterij leeg is als zijn klemspanning, onder belasting, gedaald is tot 1 Volt. Dan kun je er mee rekenen.

Een eenvoudige ontladingsproef is een permanente ontlading over 10 ohm waarbij de celspanning geregistreerd wordt tegen de tijd. Je kunt hieruit berekenen het aantal mAh lading dat geleverd wordt en de energie in joules die in die belastingsweerstand wordt gedissipeerd.
Maar..., als je een andere, nieuwe batterij langzamer gaat ontladen, bijv. over 20 ohm dan blijkt die batterij heel wat meer te presteren, zowel in mAh als in Joules.
Bovendien, als je denkt dat de batterij leeg is en je stopt de ontlading dan blijkt hij de volgende dag weer een prestatie te kunnen leveren over een trajekt van bijv. 1.4 Volt tot 1.0 Volt. Dat herstel komt door diffusie in de cel waardoor het pH verschil tussen anoliet en katholiet geringer wordt. Er is daarbij ook nog wat hersteldiffusie binnen de bruinsteenmassa in de vorm van vaststof diffusie.

Conclusie: de capaciteit en de energieprestatie hangen af van de wijze van ontladen. Hoe sneller de ontlading hoe geringer de prestatie is.
Vergelijk een batterij maar eens met jezelf. Op een hometrainer met een belasting van 150 Watt ben je binnen het uur uitgeput. Maar een belasting van 50 Watt kun je gemakkelijk drie uren en langer volhouden. Ook daarbij speelt het diffusietransport in je lichaam een rol. ( verzuring van spieren?)

Tenslotte, als je de prijs van een batterij kent en je weet het aantal joules dat je er snel uit kunt halen dan kun je voor een batterijtje een kilowattuurprijs berekenen en vergelijken met de prijs die je thuis voor je electrische energie moet betalen.
Uitleggen is beter dan verwijzen naar een website

#10

yochem_CF

    yochem_CF


  • >250 berichten
  • 385 berichten
  • Ervaren gebruiker

Geplaatst op 07 maart 2007 - 16:48

Die tips van hzeil zijn handig, bedankt. Geplaatste afbeelding Maar eigenlijk wil ik op het traject van woelen verder. De zink/kool batterij ga ik even proberen uit te werken:
totale reactie: 2 MnO2 + Zn + 2 NH4Cl <=> Mn2O3 + ZnCl2 + H2O + 2 NH3
Deelreacties: (anode) Zn => Zn2+ + 2 e-
De mangaanoxides veranderen ook van lading, maar hoe?
Het ammonium verandert in H+ en NH3. Die H+ gaat naar water. Dan moet er dus ook OH- zijn gevormd. De O daarvan komt van mangaandioxide. Klopt dit?
Zeg het maar als er iets fout is. Maar hoe verder?

Veranderd door yochem, 07 maart 2007 - 16:59


#11

hzeil

    hzeil


  • >1k berichten
  • 1379 berichten
  • Ervaren gebruiker

Geplaatst op 07 maart 2007 - 18:51

Yochem , je vergeet de kathodische deelreaktie uit te schrijven. Je ziet daarin de valentieverlaging van 4 naar 3 voor het mangaan in de bruinsteenmassa. En je ziet ook de alkalisering t.g.v. deze reaktie:

2e- + 2MnO2 + H2O -----) Mn2O3 + 2OH-

Als je direkt na het ontladen de batterij open snijdt ruik je de sterke ammoniaklucht die uit de bruinsteenmassa komt.
Uitleggen is beter dan verwijzen naar een website

#12

yochem_CF

    yochem_CF


  • >250 berichten
  • 385 berichten
  • Ervaren gebruiker

Geplaatst op 08 maart 2007 - 18:21

De stroomsterkte kun je berekenen met: I= delta Q / delta t Maar hoe bereken je nu de spanning?

#13

woelen

    woelen


  • >1k berichten
  • 3145 berichten
  • Ervaren gebruiker

Geplaatst op 08 maart 2007 - 18:48

De spanning die een batterij levert is de spanning die er op staat. Die hoef je niet te berekenen.

Je zou inderdaad de hoeveelheid zink kunnen bepalen (in mol), dat levert een bepaald aantal electronen (2 per atoom zink). Bij een stroom van 1 A heb je ook een bepaald aantal electronen per seconde, dus je kunt uitrekenen hoelang die batterij 1 A kan leveren. De spanning die er bij hoort (bijv. 1.5 V) levert je dan het vermogen en de totale energie inhoud.

In de praktijk zal een batterij die berekende hoeveelheid niet halen, vanwege allerlei effecten, die hzeil al noemde. Maar de berekening geeft wel een indicatie. Het is tegelijk een leuke test om te kijken wat voor rendement zo'n batterij dan heeft. Vaak staat het werkelijke aantal mAh er op.

#14

yochem_CF

    yochem_CF


  • >250 berichten
  • 385 berichten
  • Ervaren gebruiker

Geplaatst op 09 maart 2007 - 19:35

Die spanning is toch ook gelijk aan het verschil tussen de potentialen van de twee elektroden? Of heb ik het mis?

#15

Fuzzwood

    Fuzzwood


  • >5k berichten
  • 11120 berichten
  • Moderator

Geplaatst op 09 maart 2007 - 22:01

Niet per sé van de elektroden. Het gaat om het redoxkoppel.





0 gebruiker(s) lezen dit onderwerp

0 leden, 0 bezoekers, 0 anonieme gebruikers

Ook adverteren op onze website? Lees hier meer!

Gesponsorde vacatures

Vacatures