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 kan verka som en ganska enkel anordning, men vid en närmare granskning finner man ett komplicerat och välbalanserat elektrokemiskt system som sätts i gång så snart cellen aktiveras. 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 den minsta enheten av ett grundämne. Ordet atom kommer från grekiskans átomos som betyder odelbar även om det sedan länge är känt att man faktiskt kan dela atomer.

Grundämnen 

Ett grundämne består endast av en typ av atomer. 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 och kallas då molekyler. Varje grundämne identifieras med en unik kemisk symbol. Vi känner i dag till 118 grundämnen.

Det periodiska systemet 

I det periodiska systemet är alla grundämnen indelade efter ökande atomnummer. Grundläggande information om grundämnen kan erhållas utifrån position i det periodiska systemet. Zink och mangan är bland de vanligaste ämnena som används i alkaliska batterier och dessa återfinns på ungefär samma position i det periodiska systemet. I litium-jon batterier är, förutom alkalimetallen litium, övergångsmetallerna järn, kobolt och nickel exempel på vanligt förekommande ämnen.

En atoms uppbyggnad

Protoner, neutroner och elektroner

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. 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 atomnummer 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.

atomer_batteriforeningen

En atoms uppbyggnad.

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.

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 atomnummer 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 atomnummer 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

En vattenmolekyl bildas.

Den elektrokemiska spänningsserien
Den elektrokemiska spänningsserien är en skala som visar hur ädla eller oädla metaller är och man kan med hjälp av den avläsa vilken av två metaller som kommer bli anod respektive katod i en elektrokemisk cell. Det är alltid den mer oädla metallen som blir anod.

I den vänstra delen av den elektrokemiska spänningsserien finns metallen zink, vilken har varit populär som anodmaterial i batterier sedan Voltas dagar. Zink har många fördelar för batteritillverkare – det är billigt, lätt att forma, hållbart och är användbart ihop med många olika katodmaterial och elektrolyter.

Elektromotorisk spänning (EMS)
Den elektromotoriska spänningen, vilken uttrycks i Volt (V), är skillnaden i spänning mellan två elektroder i en elektrokemisk cell när kretsen är öppen, det vill säga när ingen last är ansluten.

I ett alkaliskt batteri och i brunstensbatteriet är den elektromotoriska spänningen mellan zink-anoden och mangandioxid-katoden ca 1,5 Volt. Batteriet har med andra ord en EMS på 1,5 Volt 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.