Benieuwd hoe een batterij energie levert? In dit eerste deel van onze serie ontrafelen we de chemische processen die aan de basis staan van dit alledaagse, maar ingenieuze apparaat. Of je nu studeert voor een Scheikunde tentamen, je kennis wilt opfrissen of gewoon nieuwsgierig bent: dit artikel biedt een heldere en uitgebreide uitleg.

Inhoudsopgave

• Wat is een batterij?
• Principes van Werking
• Oxidatie en Reductie (Redox)
• Elektrochemische cellen
• Voorbeeld: Zink-Koper Batterij (Daniell-cel)
• Spanning van een batterij
• Factoren die de werking beïnvloeden
• Conclusie

Wat is een batterij?

Een batterij is een apparaat dat chemische energie omzet in elektrische energie. Het is essentieel voor vele draagbare elektronische apparaten zoals smartphones, laptops, afstandsbedieningen en nog veel meer. Maar wat gebeurt er precies binnenin die kleine behuizing?

Principes van Werking

De werking van een batterij is gebaseerd op elektrochemische reacties, waarbij elektronen worden overgedragen tussen verschillende stoffen. Deze overdracht van elektronen creëert een elektrische stroom die we kunnen gebruiken om apparaten aan te drijven. Drie belangrijke componenten zijn onmisbaar:

• Anode (negatieve elektrode): Hier vindt de oxidatie plaats. Een stof geeft elektronen af.
• Kathode (positieve elektrode): Hier vindt de reductie plaats. Een stof neemt elektronen op.
• Elektrolyt: Een geleidende stof die de ionen transporteert tussen de anode en de kathode.

Oxidatie en Reductie (Redox)

De kern van de batterijwerking ligt in redoxreacties, een samenspel van oxidatie en reductie:

• Oxidatie: Een proces waarbij een atoom, molecuul of ion elektronen verliest. Dit gebeurt aan de anode.
• Reductie: Een proces waarbij een atoom, molecuul of ion elektronen wint. Dit gebeurt aan de kathode.

Een ezelsbruggetje om dit te onthouden is: LEO the lion says GER. LEO staat voor Loss of Electrons is Oxidation; GER staat voor Gain of Electrons is Reduction.

Elektrochemische cellen

Een batterij is feitelijk een combinatie van een of meer elektrochemische cellen. Een elektrochemische cel bestaat uit twee halfcellen (anode en kathode) die met elkaar verbonden zijn via een elektrolyt en een externe circuit:

• Halfcelreacties: Afzonderlijke redoxreacties die plaatsvinden aan de anode en kathode.
• Celpotentiaal: Het potentiaalverschil tussen de anode en de kathode, wat de spanning van de batterij bepaalt.

Voorbeeld: Zink-Koper Batterij (Daniell-cel)

Een klassiek voorbeeld van een eenvoudige batterij is de zink-koper batterij, ook wel bekend als de Daniell-cel. Deze batterij bestaat uit:

• Een zinken elektrode (anode) in een oplossing van zinksulfaat (ZnSO₄).
• Een koperen elektrode (kathode) in een oplossing van kopersulfaat (CuSO₄).
• Een zoutbrug die de twee oplossingen verbindt en zorgt voor ionentransport om de lading in evenwicht te houden.

De Redoxreacties in de Daniell-cel:

• Anode (oxidatie): Zn(s) → Zn²⁺(aq) + 2e^– (Zink geeft twee elektronen af en wordt een zinkion)
• Kathode (reductie): Cu²⁺(aq) + 2e^– → Cu(s) (Koperionen nemen twee elektronen op en worden elementair koper)

Spanning van een batterij

De spanning van een batterij wordt bepaald door het verschil in reductiepotentialen van de stoffen die bij de redoxreacties betrokken zijn. Hoe groter dit verschil, hoe hoger de spanning van de batterij. De spanning wordt gemeten in Volt (V).

Factoren die de werking beïnvloeden

De prestaties van een batterij kunnen worden beïnvloed door verschillende factoren:

• Temperatuur: Hogere temperaturen versnellen doorgaans de reacties in de batterij, wat de capaciteit tijdelijk kan verhogen, maar ook de levensduur kan verkorten.
• Interne weerstand: Een hogere interne weerstand vermindert de efficiëntie van de batterij en de stroomsterkte die kan worden geleverd.
• Concentratie van de elektrolyt: Een afname van de concentratie van de elektrolyt kan de reactiesnelheid vertragen en de spanning van de batterij verlagen.

Conclusie

De werking van een batterij berust op fundamentele elektrochemische principes, waarbij oxidatie en reductie een cruciale rol spelen. Van de eenvoudige zink-koper batterij tot geavanceerdere varianten, het begrijpen van deze processen is essentieel voor het begrijpen van de energievoorziening in de wereld om ons heen. In het volgende deel zullen we dieper ingaan op verschillende soorten batterijen, hun specifieke eigenschappen en toepassingen.

Bekijk de uitlegvideo

Bekijk de andere onderwerpen uit hoofdstuk Kennis van chemische processen en kringlopen

• Halfreacties
• De werking van een batterij (2)
• Chemische bindingen en faseovergangen
• Verschillende reacties (reactievergelijkingen)
• Zuren en basen
• pH en pOH berekenen
• Redoxreacties
• Molberekeningen
• Chemisch rekenen
• Energiediagrammen
• Reactiekinetiek
• Behoudswetten en kringlopen
• Polymerisatie