Cellen zorgen voor het vasthouden van bijvoorbeeld een spanning en het doorgeven ervan. Een accu bijvoorbeeld kan 12 cellen hebben van 1 Volt in serie en daarom heb je een 12V Accu. Maar hoe werkt nou zo cel van binnen en hoe is dit opgebouwd? Kom daar achter in onderstaand artikel!

Opbouw en chemische werking van cellen

Bij elektrochemische spanningsbronnen speelt de geleiding in elektrolyten een belangrijke rol. In elektrolyt vindt de geleiding plaats door middel van positieve en negatieve ionen. De negatieve kathode trekt positieve ionen aan en de positieve anode de negatieve ionen. Positieve ionen verplaatsen zich altijd in de stroomrichting.

Elektrochemische spanningsbronnen worden ook wel galvanische spanningsbronnen genoemd. Elke elektrochemische spanningsbron bestaat in principe uit twee elektroden die in een elektrolyt zijn geplaatst. De potentiaalsprongen bij de elektroden zijn echter verschillend, zodat tussen anode en kathode een spanningsverschil ont staat (zie afbeelding 5.3).

Potentiaalsprong van galvanische cellen en elementen

In afbeelding 5.4 is de spanningsreeks weergegeven. Het verschil tussen de po tentialen van twee verschillende metalen die in een elektrolyt geplaatst zijn is het potentiaalverschil.

Spanningsreeks van Volta

We zullen hierna vaak de term cel gebruiken als er sprake is van één galvanisch element. We kunnen de cellen onderverdelen in:

  • primaire cellen en
  • secundaire cellen.

Bij de primaire cellen zijn de chemische processen niet omkeerbaar. Daardoor kunnen ze niet worden herladen. Als ze leeg zijn worden ze weggegooid. De secundaire cellen kunnen wel worden herladen; alleen door slijtage worden ze op den duur onbruikbaar.

Element van Volta

Het elektrochemische verschijnsel is ontdekt door A.G.A.A. Volta, een Italiaans natuurkundige. Van 1792 tot 1796 onder zocht hij uitvoerig het door Luigi Galvani aan de poot van een kikker ontdekte verschijnsel van de samentrekking van een spier bij aanraking met metalen. Dit onderzoek leidde tot de belang rijke gevolgtrekking dat elektriciteit opgewekt kan worden door aanraking tussen geleiders van verschillende samen stelling: de spanningsreeks van Volta.

Het voerde hem tot de constructie van het eerste galvanisch element, het volta-element, bestaande uit een ko peren en een zinken plaat gescheiden door een in een zoutoplossing gedrenkte vochtige doek. De bronspanning bedroeg 0,8 V. In 1800 deed hij hiervan mededeling aan de Royal Society.

Primaire elementen

Primaire elementen zijn meestal zogenaamde droge elementen. Ze bestaan uit twee elektroden en een elektrolyt die is ingedikt tot een pasta of is geïmpregneerd in een zeer goed absorberend materiaal. Voor de type aanduidingen en de afmetingen is getracht tot een standaardisatie te komen. Hierdoor kunnen dezelfde batterij in verschillende apparaten worden gebruikt.

Typeaanduiding batterijen en Cellen

Bij de meeste typen cellen blijft de spanning vrijwel constant tot de cel bijna leeg is en daalt dan in zeer korte tijd tot een onaanvaardbaar laag niveau. We zullen van de primaire elementen het Leclanché-, alkaline-, kwikoxide- en lithiumelement bespreken.

Leclanché-element

Het Leclanché-element of zink-koolstofelement is de eerste galvanische droge cel die in een bruikbare vorm is geproduceerd. Het is opgebouwd uit een koolstofelektrode en een zinkelektrode. Het elektrolyt is een pasta met een oplossing van zinkchloride en salmiak. De bronspanning van het Leclanché-element is 1,5 V.

De zinkelektrode is in de vorm van een bus om het elektrolyt en de koolstofelektrode aangebracht. De zinkelektrode is de kathode, ook wel minpool genaamd. De koolstofelektrode is de anode of pluspool.

Om de koolstofelektrode is een depolarisatielaagje van bruinsteen gemengd met koolstof aangebracht. Dit laagje gaat de gasvorming rond de positieve elektrode tegen. In afbeelding 5.6 is een doorsnede van de cel getekend.

Opbouw van element van leclanche met zijn cellen

Om de zinken bus is een kunststofmantel aangebracht. Deze moet voorkomen dat als het zink oplost het elektrolyt niet uit het element kan lekken. De klemspanning is afhankelijk van de conditie van de cel en de stroom waar mee de cel wordt belast.

Van een cel is meestal de capaciteit in Ah of mAh of de nominale stroom in A of mA bekend. De belastingstijd is ook een zeer belangrijke factor. Als een cel continu wordt belast met de nominale stroom, zal de halve waarde van de spanning aanzienlijk sneller worden bereikt dan bij een niet-continue belasting. Gedurende de onderbreking zal het Leclanché-element zich gedeeltelijk herstellen. In afbeelding 5.7 is het verloop van de spanning in de tijd aangegeven bij verschillende belastingen.

Verloop van de spanning in de tijd bij verschillende belastingen

Van een stabiele spanning is hier dus geen sprake. De cel is daardoor alleen bruikbaar als een constante spanning niet zo belangrijk is, bijvoorbeeld voor verlichting (zaklantaarn). Deze elementen zijn ook als batterijen van 3V, 4,5 V, 6 V, 9 V en 12 V te koop.

Alkaline-element met zijn Cellen

De anode van het alkaline-element bestaat uit geperst zinkpoeder en is in het centrum van de cel geplaatst. De kathode wordt gevormd door een persing van koolstof en bruinsteen.

Deze elektrode is als een mantel om de anode aangebracht. Tussen beide elektroden is het elektrolyt, een oplossing van kaliumhydroxide (KOH), in pasta vorm aanwezig.

De bronspanning van het alkaline-element is 1,5 V. Behalve als cel is het als batterij met onder andere een bronspanning van 9 V in de handel. In afbeelding 5.8 is een doorsnede van een alkaline-element getekend.

Opbouw van een alkaline-element

Voor de contactaansluiting van de minpool naar buiten is in het centrum van het geperste zinkpoeder een zinkstaafje aangebracht. De hele cel is geplaatst in een metalen behuizing.

Bij gelijke afmetingen is de capaciteit van een alkaline-element ongeveer het drie- tot viervoudige van het Leclanché-element. De inwendige weerstand is klein ten opzichte van het Leclanché-element, waardoor de klemspanning hoog blijft gedurende lange belastings duur.

Het alkaline-element is geschikt voor een wisselende belasting en herstelt zich gedeeltelijk na een rustpauze. De cellen kunnen worden toegepast op plaatsen waar een constante spanning is gewenst bij een grote ontlaadstroom.

Kwikoxide-element en zilveroxide-element

Een totaal ander type primaire cel is het kwikoxide-element. Bij het kwikoxide-element bestaat de kathode uit geperst zinkpoeder. De anode bestaat uit koolstof en kwikoxide (HgO). Als elektrolyt wordt hier kaliumhydroxide (KOH) toegepast. De bronspanning van de kwikoxide-element is 1,35 V.

De metalen behuizing is de pluspool van de cel. De minpool is als afsluitkapje naar buiten uitgevoerde. Zie afbeelding 5.9.

Opbouw kwikoxide cellen

Het zilveroxide-element heeft een kathode van koolstof en ziveroxide (AgO). De bronspanning van een zilveroxide-element is 1,55 V. Deze cel komt verder wat samenstelling, vorm en eigenschappen betreft geheel overeen met de kwik oxide-element.

De energiedichtheid is relatief erg hoog, zodat bij kleine afmetingen toch een re delijke lading mogelijk is. Hierdoor is de cel geschikt voor langdurige belasting. De klemspanning blijft gedurende de levensduur zéér constant en zal pas aan het einde in zéér korte tijd onder het minimumniveau dalen.

Deze kleine cellen worden wel knoopcellen genoemd. Ze worden veelvuldig als voedingsbron voor elektronische schakelingen gekozen vanwege de geringe afmetingen en de stabiele spanning. Zie afbeelding 5.10. Je komt ze bijvoorbeeld tegen in horloges, klokken, rekenmachines, hoorapparaten en fotoapparatuur. Een belangrijke toepassing is als back-up batterij in bijvoorbeeld computers.

Lithium-element

De anode van de cel bestaat uit lithium (Li). Het elektrolyt is thionylchloride (SOCI₂ ) een zo genaamd organisch elektrolyt. Het bijzondere is, dat het thionylchloride tevens functioneert als kathodemateriaal. De bronspanning bedraagt 3,7 V en blijft gedurende de hele levensduur zeer stabiel.

Kathode en anode zijn dus in contact met elkaar. Een directe reactie van thionyl chloride met lithium vindt echter niet plaats, doordat op de anode een beschermend laagje van lithiumchloride ontstaat. Het elektrische contact van de anode bestaat uit poreuze, samengeperste koolstof. De energiedichtheid van deze cel is ongeveer driemaal zo groot als bij zilveroxide-elementen wordt gehaald.

Spanning/tijd karakteristiek van lithium element

De cel is ingekapseld in een nikkelplaatstalen huis en kan bij verkeerde behande ling exploderen. Bij elke cel is aangegeven hoe deze veilig kan worden gebruikt. De aanduidingen voor de afmetingen zijn, net als bij het Leclanché- en alkaline element, genormaliseerd.

Lithiumbatterijen worden toegepast als er een lange levensduur wordt gevraagd. zoals de back-up batterij.

Secundaire cellen

In een accumulator (accu) wordt tijdens het laden elektrische energie omgezet in chemische energie. Deze opgehoopte of geaccumuleerde energie kan op een later tijdstip weer worden omgezet in elektrische energie. Hierbij wordt de accu ontladen. Het laden en ontladen berust op de omzetting van een chemisch werkzame stof, de zogenaamde actieve massa, die op de elektroden (platen) is aangebracht.

Capaciteit

Hiermee bedoelen we de lading die een accu kan leveren. Voor grote accu’s wordt de capaciteit meestal opgegeven in Ah (ampère-uur), voor kleine accu’s in mAh.

1 Ah = 3600 As = 3600 C
1 Ah = 1000 mAh

De capaciteit is enigszins afhankelijk van de temperatuur en de minimum ont laadstroom.

Typen accu’s

Er zijn vele soorten accu’s, waarvan er twee in vliegtuig installaties worden gebruikt. Dit zijn:

Bronvermelding: https://jeweka.nl/category/theorie-en-werkboeken Module3, Deel 1, Hoofdstuk 5, Paragraag 5.2, Blz 102-110

Geef een reactie

Deze site gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.