6.5 Elektrolyse

Batterier

Et batteri er en eller flere galvaniske celler som omdanner kjemisk energi til elektrisk energi.

Typer batterier

Primærbatterier (engangsbatterier):
- Kan ikke lades opp
- Reaksjonen er irreversibel
- Eksempler: Alkaliske, sink-karbon

Sekundærbatterier (oppladbare):
- Kan lades opp mange ganger
- Reaksjonen er reversibel
- Eksempler: Li-ion, NiMH, bly-syre

Viktige egenskaper

- Spenning: Avhenger av cellekjemien
- Kapasitet: Måles i Ah eller mAh
- Energitetthet: Energi per masse (Wh/kg)
- Levetid: Antall ladesykluser

Alkalisk batteri

Det vanligste engangsbatteriet.

Oppbygning

- Anode: Sink (Zn)
- Katode: Mangandioksid (MnO₂)
- Elektrolytt: Kaliumhydroksid (KOH)

Reaksjoner

Anode:
$$\text{Zn} + 2\text{OH}^- \rightarrow \text{Zn(OH)}_2 + 2e^-$$

Katode:
$$2\text{MnO}_2 + \text{H}_2\text{O} + 2e^- \rightarrow \text{Mn}_2\text{O}_3 + 2\text{OH}^-$$

Egenskaper

- Nominell spenning: 1,5 V
- God kapasitet
- Lang holdbarhet
- Rimelig pris

Litium-ion-batteri

Det mest brukte oppladbare batteriet i dag.

Oppbygning

- Anode: Grafitt (med Li⁺ innlagret)
- Katode: Litiummetalloksid (f.eks. LiCoO₂)
- Elektrolytt: Organisk løsemiddel med litiumsalt

Reaksjoner

Utlading:

Anode: Li_xC₆ → C₆ + xLi⁺ + xe⁻
Katode: Li₁₋ₓCoO₂ + xLi⁺ + xe⁻ → LiCoO₂

Lading: Omvendte reaksjoner

Egenskaper

Fordeler og ulemper

Ulemper:

- Kostbart
- Termisk ustabile ved overoppheting
- Begrenset levetid

Bly-syre-batteri

Det klassiske oppladbare batteriet (bilbatterier).

Oppbygning

- Anode: Blyplater (Pb)
- Katode: Blydioksid-plater (PbO₂)
- Elektrolytt: Svovelsyre (H₂SO₄)

Reaksjoner

Utlading:

Anode: Pb + SO₄²⁻ → PbSO₄ + 2e⁻
Katode: PbO₂ + 4H⁺ + SO₄²⁻ + 2e⁻ → PbSO₄ + 2H₂O

Total:
$$\text{Pb} + \text{PbO}_2 + 2\text{H}_2\text{SO}_4 \rightarrow 2\text{PbSO}_4 + 2\text{H}_2\text{O}$$

Egenskaper

- Nominell spenning: 2,1 V per celle (12,6 V for 6-cellers batteri)
- Kan levere høy strøm (startmotor)
- Tung (lav energitetthet)
- Billig og pålitelig
- 100% resirkulerbar

Brenselceller

En brenselcelle produserer elektrisitet ved direkte oksidasjon av brensel.

Forskjell fra batterier

- Batteri: Begrenset mengde reaktanter innebygd
- Brenselcelle: Kontinuerlig tilførsel av brensel

Hydrogen-brenselcelle (PEM)

Anode:
$$2\text{H}_2 \rightarrow 4\text{H}^+ + 4e^-$$

Katode:
$$\text{O}_2 + 4\text{H}^+ + 4e^- \rightarrow 2\text{H}_2\text{O}$$

Total:
$$2\text{H}_2 + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{H}_2\text{O}$$

Fordeler

- Høy virkningsgrad (40-60%)
- Kun vann som utslipp
- Stille drift
- Ingen bevegelige deler

Utfordringer

- Dyr platinakatalysator
- Hydrogenproduksjon og lagring
- Infrastruktur mangler