chương 3 pin điện hóa

Khái niệmĐể tạo ra một viên pin điện hóa vô cùng đơn giản, với một quả chanh và hai miếng kim loại một cực bằng đồng, cực còn lại bằng kẽm... Bên trongquả chanh có một dung dịch Axit sun

Chương 3 Pin điện hóa 3.1 Khái niệm

Để tạo ra một viên pin điện hóa vô cùng đơn giản, với một quả chanh và hai miếng kim loại (một

cực bằng đồng, cực còn lại bằng kẽm)

Bên trong quả chanh có một dung dịch Axit sunfuric loãng

H2SO4 có thể tác dụng lên các cực kim loại hình thành nên các hạt tải điện tự do Thử với một đồng hồ vạn năng sẽ có một suất điện động giữa hai cực kim loại, nếu đấu ngược

cực đồng hồ sẽ chỉ số âm Khi đó bạn có một viên pin điện

hóa.

3.1 Khái niệm

Sự tạo thành dòng điện trong viên pin chanh

(Lemon Battery) trên:

Khi nối hai cực của pin với mạch ngoài (máy đo) dochênh lệch điện thế giữa cực âm Zn và cực dương

Cu sẽ có một dòng các electron tự do dịch chuyển

từ cực âm Zn (thừa e) qua cực dương Cu (thiếu e)tạo ra dòng điện giữa hai cực của viên pin chanh

Sự tạo thành dòng điện trong viên pin chanh

(Lemon Battery) trên:

Dưới tác dụng của phản ứng hóa học dung dịch axit loãng trong quả chanh sẽ bứt các ion Zn 2+ ra khỏi thanh kẽm

lấy electron từ thanh đồng nhờ đó mà dòng điện trong mạch kín được duy trì cho đến khi các phản ứng hóa học ngừng xảy ra.

Suất điện động của một viên pin điện hóa tùy thuộc vào chất hóa học ở bên trong viên pin điện hóa thông thường

là 1,5V; 6V; 9V … có thể ghép nối tiếp nhiều viên pin để thu được nguồn điện có suất điện động phù hợp.

Hoá năng của phản ứng oxi hoá khử có thể chuyển thành nhiệt năng hay điện năng tuỳ thuộc vào cách tiến hành phản ứng Ví dụ, với phản ứng: Zn + CuSO4 → Cu + ZnSO4 nếu thực hiện phản ứng bằng cách nhúng thanh kẽm vào dung dịch CuSO4(nghĩa là cho chất khử và chất oxi hoá tiếp xúc trực tiếp với nhau) thì hóa năng của phản ứng sẽ chuyển thành nhiệt năng (Ho = -51,82 kcal) Trong trường hợp này các quá trình oxi hoá và khử sẽ xảy ra ở cùng một nơi và electron sẽ được chuyển trực tiếp

từ Zn sang CuSO4

Pin Galvani Cu – Zn

Quá trình khử: Cu2+ + 2e ⇌ Cu (2) xảy ra trên điện cực Cu (điện cực dương).

Phương trình oxi hoá khử xảy ra trong pin:

Zn + Cu2+ ⇌ Zn2+ + Cu 

Phản ứng này giống hệt phản ứng xảy ra khi cho

Zn tác dụng trực tiếp với dung dịch CuSO4 Việc bố trí tách biệt hai cặp oxi hoá khử thành hai điện cực cho phép lợi dụng sự chuyển electron giữa chất khử và chất oxi hoá để sản sinh ra dòng điện

Dựa trên nguyên lý cơ bản trên, sau rất nhiều cải

tiến chúng ta có được môn viên pin điện hóa có

hình dạng cấu tạo như ngày nay

Như vậy: pin là dụng cụ cho phép sử dụng sự trao đổi

electron trong các phản ứng oxi hoá khử để sản sinh ra dòng điện.

Trong các pin này, hoá năng đã chuyển thành điện năng nên chúng được gọi là pin điện hoá

- Sự hoà tan Zn làm dư ion dương Zn2+ trong dung dịch ở điện cực kẽm, còn sự chuyển Cu2+

thành kết tủa đồng sẽ làm dư ion âm SO42- trong dung dịch ở điện cực đồng Hiện tượng này cản trở hoạt động của pin

- Để khắc phục hiện tượng này, người ta nối hai điện cực bằng một cầu muối Nhờ cầu muối, các ion có thể chuyển từ dung dịch này qua dung dịch khác, giúp cân bằng điện tích trong các dung dịch, và pin sẽ hoạt động cho đến khi thanh kẽm tan hết hay Cu2+ kết tủa hết

Pin galvani Cu - Zn được biểu diễn một cách đơn giản bằng sơ đồ sau:

(-) Zn  ZnSO4 CuSO4 Cu (+)

Hay: (-) Zn  Zn2+ Cu2+ Cu (+)

Trong trường hợp tổng quát, pin galvani được

ký hiệu như sau:

(-) M1 M1n+ M2m+ M2 (+)

Như vậy, một pin được tạo thành từ việc ghép hai điện cực của hai cặp oxi hoá khử có thế khử khác nhau

3.2 Một số loại pin điện hóa thông dụng

3.2.1 Pin điện hóa Zinc carbon

Đây là loại Pin điện hóa đã có từ rất lâu Pin

carbon kẽm có giá rất rẻ Đây là lựa chọn tốt cho các thiết bị tiêu thụ ít điện năng (điều khiển tivi, đồng hồ treo tường, đèn pin, đồ chơi…).

Dựa trên nguyên lý cơ bản trên, sau rất nhiều

cải tiến chúng ta có được môn viên pin điện

hóa có hình dạng cấu tạo như ngày nay.

Điện trở trong của các loại pin điện hóa này

lớn không nên sử dụng cho các thiết bị như

không nên để pin bị chảy nước có thể gây gỉsét, chập mạch cho chính thiết bị dùng pin

3.2.2 Pin điện hóa Alkaline (Pin kiềm)

Đây là loại pin dùng một lần thông dụng nhấthiện nay bởi giá thành thấp mà dụng lượng đủ

AAA (Pin đũa, pin mini) hoặc C (pin trung), D(pin đại)

Pin AA/AAA thường có dung lượng 2.700-3.000mAh và có hiệu điện thế khoảng 1,5 V Dung lượng

từ 3.000 mAh trở lên thường thấy ở những pincao cấp từ những hãng tên tuổi như Duracell,Panasonic hoặc Energizer với đủ những khẩu hiệunhư “ultra power” hay “xtra power”

Tuy nhiên qua các kiểm tra về pin, về mặt dunglượng mà nói, kể cả những pin của các hãng đắttiền lẫn những pin của các hãng rẻ tiền hơn đềucho công suất sử dụng nói chung không chênhlệch nhau nhiều

Sự khác nhau chỉ là hình thức, độ an toàn hoặcnhững tính năng thêm, chẳng hạn pin của Duracell

có thể kiểm tra dung lượng, trong khi pin Con thỏthì không Vì thế bài toán kinh tế của người dùngpin kiềm là cứ tìm loại giá rẻ mà dùng

Nhưng không vì thế mà mừng bởi người dùng khi

đi mua Pin thường nhầm lẫn Pin Alkaline (Pinkiềm) có giá 20k/vỉ 2 viên và Pin loại rất rẻ tiền làPin Carbon chỉ có giá tầm 3k-5k/ vỉ 2 viên

3.2.3 Pin điện hóa Niken Cadimi (Ni-Cd)

Pin điện hóa này có số lần sạc lại nhiều nhất, lên tới

1000 lần, tuy nhiên bạn phải cẩn thận khi sử dụng vì pin Ni-Cd rất độc Một trong số các yếu điểm của pin Ni-Cd là điện thế giảm đột ngột ở cuối chu kỳ xả Sự giảm đột ngột này không nhanh bằng pin Ni-MH

nhưng thấy rõ so với pin Alkaline.

Để tránh “pin trai đột ngột” bạn nên có pin dựphòng khi đi xa hay làm những việc quantrọng Một đặc điểm Ni-Cd là hiệu ứng nhớ(memory effect) Đây là hiện tượng suy giảmtuổi thọ nhanh chóng nếu không sử dụng pinđúng cách Hiện tượng này được giải thíchnhư sau: khi bạn sạc pin Ni-cd với dòng sạcnhỏ hoặc dùng pin không kiệt đã sạc lại thìmột số hợp chất hoá học sẽ tích tụ ở cực âmcủa pin.

Nếu bạn tiếp tục sạc kiểu này, các hợp chất

năng tích lũy năng lượng Cách tốt nhất để

hay xả trước khi sạc Các bộ sạc pin Ni-Cd tốtthường có nút bấm để xả pin rồi tự động sạckhi điện áp tụt đến mức thấp nhất

3.2.4 Pin điện hóa Ni-MH (Nickel Metal Hidride)

nhỏ Đây là lực chọn phổ biến vì pin Ni-MH có hiệu ứng nhớ ít hơn Ni-Cd và dung lượng pin cao hơn hai lần pin Ni-Cd.

Với pin điện hóa Ni-MH bạn có thể sạc bất cứ

lúc nào mà không cần phải xả pin Tuy nhiênnếu dùng liên tục trong tình trạng đó, pin vẫn

bị chai Ngoài ra nó có thể bị hỏng vì nhiệt nếusạc quá lâu Bạn nên sử sụng bộ sạc pin chấtlượng cao Có điều khiển tự động để tránhđiều này Một lưu ý nữa là không nên dùngsạc của pin Ni-Cd cho pin Ni-MH để tránhcháy, nổ pin nhất là khi dùng bộ sạc nhanh.Sau khi sạc hãy bỏ pin khỏi bộ sạc để tránhhao điện trong pin

3.2.5 Pin điện hóa silver oxide (oxit bạc)

đắt Bạn có thể thấy loại pin này trong một số loại đồng

hồ, máy trợ thính, và các máy ảnh tiêu thụ ít năng lượng Ngoài ra, do Pin khi hết không chảy nước nên rất được ưa chuộng khi gắn trực tiếp lên bo mạch như Pin CMOS trong máy vi tính.

3.2.6 Pin điện hóa Lithium-lon (Li-lon)

Pin Lithium-Ion được đánh giá là loại pin tốt với nhiều tính năng ưu việt như mật độ năng lượng cao, thời gian sử dụng lâu, suy hao năng lượng thấp và đặc biệt loại bỏ hẳn tình trạng nhớ Đây cũng là dòng pin thân thiện môi trường, không có các các yếu tố kim loại độc hại trong vấn đề xử lý thải.

3.2.7 Pin điện hóa Lithium-Polymer (Li-Po)

mỏng Miếng phim này được kẹp (thực sự là ghép lá) giữa cực dương và cực âm của pin cho phép trao đổi ion – do đó có tên là lithium polymer.