Elektrokemi

För att förstå processen hur kemisk energi omvandlas till elektrisk energi och hur en battericell fungerar måste vi sätta oss in i atomernas värld. Battericellen verkar vara en ganska enkel anordning, men vid en närmare granskning finner man ett komplicerat och väl balanserat elektrokemiskt system som sätts i gång så snart cellen aktiveras. All aktivitet sker emellertid i en sluten värld, atomernas och molekylernas värld som vi inte kan betrakta med våra sinnen. För att förstå detta krävs elementära kunskaper i fysik och kemi. Lyckligtvis är själva systemets uppbyggnad inte så svårt att förstå och även utan djupare kunskaper i de fysiska och kemiska lagarna kan man få en god bild av systemet. Låt oss börja med atomerna.

Atomer
Atomer är de minsta byggstenarna i all materia. En materia som bara består av en atomtyp kallas grundämne och vi känner i dag till 103 grundämnen.

Grundämnen
Guld, silver, koppar, zink, kvicksilver, väte och syre är exempel på grundämnen. Olika grundämnen kan kombineras och bildar då en förening där de olika atomerna binds till varandra. Dessa kallas molekyler. Varje grundämne identifieras med en unik kemisk symbol.

period_system_battteriforeningen

Det periodiska systemet
Grundläggande information om grundämnen erhålls genom indelning i s.k. ordningstal i det periodiska systemet. Av nedanstående exempel på olika grundämnen finns zink och mangan, vilka är de vanligaste ämnena som används i batterier.

atomer_batteriforeningen

En atoms uppbyggnad

Protoner, neutroner och elektroner

Den enskilda atomen liknar vårt solsystem i miniatyr. Atomen består av en kärna av protoner som är positivt laddade. De är sammanbundna med ett antal neutroner som saknar elektriska laddningar men väger ungefär lika mycket som protoner. Runt denna kärna cirkulerar elektroner i bestämda banor likt planeterna i vårt solsystem. Elektronerna är negativt laddade, mycket små och nästan viktlösa och finns i “skal” runt kärnan. Antalet protoner i kärnan anger vilket grundämne det är i det periodiska systemet och anger också antalet elektroner. Det första grundämnet är väte. Det har endast en proton som kärna och en elektron i skalet. Zink, som har ordningstalet 30, har en kärna av 30 positivt laddade protoner och 35 neutroner, neutrala partiklar, i skalen runt kärnan. För att få jämvikt i systemet finns de 30 negativt laddade elektronerna. Eftersom antalet negativa elektroner som kretsar kring kärnan är lika många som positiva protoner, är atomer normalt elektriskt neutrala. Varför attraherar då atomerna varandra och bildar föreningar ? För att besvara den frågan måste vi titta närmare på elektronskalen. Enligt naturlagarna kan bara ett bestämt antal elektroner finnas i varje elektronskal. Bara två elektroner kan finnas i det innersta skalet, åtta elektroner i nästa skal osv med ett bestämt antal elektroner för varje ytterligare skal.

Ytterst få grundämnen har sitt yttersta skal helt fyllt med elektroner. De grundämnen som har det kallas ädla, dvs de kan inte förena sig med något annat ämne.

Joner
En jon är en atom som avgett eller tagit upp elektroner. Laddningens värde hos en jon bestäms av grundämnets egenskaper. Zink avger exempelvis under normala förhållanden två elektroner och bildar således Zn2+. Elektroner är negativt laddade, e-. Beroende på om en atom ger ifrån sig eller tar emot elektroner blir atomen positivt eller negativt laddad, dvs. en positiv eller negativ jon.

Föreningar
En förening är en sammanslagning av två eller flera grundämnen
De flesta grundämnena har en stark tendens att förena sig med något annat grundämne vilket gör att föreningar är vanligast förekommande i naturen.

Ett av de viktigaste forskningsresultat pionjärerna inom elektrokemin (Sir Humphery Davy, Michael Faraday m fl) uppnådde var uppdelningen av materialen i grundämnen genom nedbrytning av de bindningar som höll dem ihop.

Även om atomerna är i elektrisk balans mellan kärna och elektroner finns det en annan kraft som strävar efter att fylla det yttersta elektronskalet med elektroner från andra närliggande atomer. Denna kraft varierar från ämne till ämne och när två olika ämnens atomer delar elektroner med varandra för att fylla sina yttre skal har de bildat en kemisk förening.

Ett bra exempel på detta är vatten. Syre, med ordningstalet 8, har två elektroner i sitt innersta skal och sex i sitt yttre. Det fattas då två elektroner för att det yttre skalet skall vara fyllt. Väte, med ordningstal 1, har en mycket lättförenlig ensam elektron. Om två väteatomer delar sina elektroner med en syreatom får alla atomer sina yttre skal fyllda och symmetri råder. Resultatet blir då H20 (vatten).

vattern_batteriforeningen

EM_serie_batteriforeningen

Den elektromototoriska serien
Alla metaller har en föreningsförmåga med syre. Förmågan varierar dock mellan olika metaller. Man kan göra en skala på hur lätt de olika metallerna attraherar syre och bildar metalloxid. Denna skala kallas “Den elektromotoriska serien”.

Högt upp på den elektromotoriska serien finns metallen zink, vilken har varit populär som anodmaterial i batterier sedan Voltas dagar. Zink reagerar starkt med syre, men inte explosivt. Zink har många andra fördelar för batteritillverkare – det är billigt, är lätt att forma, hållbart och är användbar med varierande katodmaterial och elektrolyt.

Elektromotorisk kraft -EMC –
Den elektromotoriska kraften, vilken uttrycks i Volt (V), är mått på benägenhet hos en atom eller en molekyl antingen att ta emot eller avge elektroner i förhållande till andra material. Skillnaden i elektromotorisk kraft är drivkraften i ett galvaniskt element att omvandla energin vid en kemisk reaktion till elektrisk energi.

I ett alkaliskt batteri och i brunstensbatteriet är skillnaden i den elektromotoriska kraften mellan zink-anoden och mangandioxid-katoden ca: 1.5 Volt. Batteriet har m.a.o. en EMC på 1,5V eller i vardagligt tal en spänning på 1,5 Volt.

Genom att välja en viss kombination av anod och katodmaterial får vi således olika typer av kemiska system hos battericellen med olika egenskaper och varierande spänning.

IEC_primary_batteriforeningen