Sólin Sólin Rís 10:26 • sest 16:02 í Reykjavík
Tunglið Tunglið Rís 01:04 • Sest 15:19 í Reykjavík
Flóð Flóð Árdegis: 01:05 • Síðdegis: 13:31 í Reykjavík
Fjaran Fjara Árdegis: 07:12 • Síðdegis: 20:04 í Reykjavík
Sólin Sólin Rís 10:26 • sest 16:02 í Reykjavík
Tunglið Tunglið Rís 01:04 • Sest 15:19 í Reykjavík
Flóð Flóð Árdegis: 01:05 • Síðdegis: 13:31 í Reykjavík
Fjaran Fjara Árdegis: 07:12 • Síðdegis: 20:04 í Reykjavík
LeiðbeiningarTil baka

Sendu inn spurningu

Hér getur þú sent okkur nýjar spurningar um vísindaleg efni.

Hafðu spurninguna stutta og hnitmiðaða og sendu aðeins eina í einu. Einlægar og vandaðar spurningar um mikilvæg efni eru líklegastar til að kalla fram vönduð og greið svör. Ekki er víst að tími vinnist til að svara öllum spurningum.

Persónulegar upplýsingar um spyrjendur eru eingöngu notaðar í starfsemi vefsins, til dæmis til að svör verði við hæfi spyrjenda. Spurningum er ekki sinnt ef spyrjandi villir á sér heimildir eða segir ekki nægileg deili á sér.

Spurningum sem eru ekki á verksviði vefsins er eytt.

Að öðru leyti er hægt að spyrja Vísindavefinn um allt milli himins og jarðar!

=
Forsíða Náttúruvísindi og verkfræði Eðlisfræði: í daglegu lífi Hvernig verka rafhlöður í farsímum?

Flokkun:

9.1.2009
Náttúruvísindi og verkfræði Eðlisfræði: í daglegu lífi
Náttúruvísindi og verkfræði Efnafræði

Hvernig verka rafhlöður í farsímum?

Ágúst Kvaran

Algengustu rafhlöður í farsímum og í fjölmörgum handhægum rafknúnum tækjum, eins og myndavélum, vasahljómflutningstækjum og rakvélum, eru núna litínjónarafhlöðurnar (e. lithium-ion batteries). Um þær er hægt að lesa meira í svari við spurningunni Hvernig verka litínjónarafhlöður og hvernig er hægt að hlaða þær aftur? Afar auðvelt er að endurhlaða litínjónarafhlöðurnar, orkunýtni þeirra er góð og geymsluþol rafhleðslu er mikið. Þessa eiginleika má rekja til einfaldleika rafhlöðunnar eins og ráða má af eftirfarandi lýsingu á almennri virkni rafhlöðu.

Hvernig verka rafhlöður?

Í rafhlöðum (e. battery) eru tvö skaut, forskaut (e. anode, táknað með mínus, -) og bakskaut (e. catode, táknað með plús, +). Þessi skaut eru líka stundum kölluð anóða og katóða. Þegar rafhlaða er tengd tæki í notkun streyma rafeindir frá forskauti rafhlöðunnar gegnum viðkomandi tæki og skila sér að bakskauti rafhlöðunnar. Stefna rafstraums er skilgreind í andstæða átt, það er frá bakskauti til forskauts gegnum tækið. Á leið sinni um rafmagnstækið sem um ræðir nýtist straumurinn til að framkvæma vinnu sem getur verið af ýmsum toga, háð gerð tækisins, til dæmis móttaka og sending örbylgna og hljóðs í farsíma eða hárskurður með rakvél. Rafeindirnar sem streyma frá rafhlöðunni koma frá rafeindahvolfum („rafeindabrautum“) frumeinda (atóma) eða sameinda í efnum sem eru inni í rafhlöðunni í nánd við forskautið (sjá mynd 1a). Frumeindirnar eða sameindirnar sem leggja til rafeindirnar eru kallaðar rafeindagjafar.


Mynd 1a. Forskautsvirkni rafhlöðu: rafeind losnar frá frumeind eða sameind (rafeindagjafa) í rafhlöðu og fer síðan um rafleiðslu til tækis.

Gerð þessara frumeinda eða sameinda er mismunandi eftir rafhlöðum. Við það að rafeind, sem er neikvætt hlaðin ögn, losnar frá frumeind eða sameind við forskaut rafhlöðu getur myndast plúshlaðin jón. Rafeind sem skilar sér að bakskauti rafhlöðunnar getur að sama skapi farið inn á ófyllt eða tómt rafeindahvolf einda (frumeinda, sameinda eða jóna) sem þar eru fyrir hendi (rafeindaþegar). Þegar rafeindaþeginn er plúshlaðin jón myndast óhlaðin eind (atóm eða sameind) við upptöku rafeindarinnar (sjá mynd 1b).


Mynd 1b. Bakskautsvirkni rafhlöðu: rafeind sem kemur frá tæki að katóðu fer á ófyllt hvel frumeindar, sameindar eða jónar (rafeindaþega) í rafhlöðu.

Frumskilyrði fyrir virkni rafhlöðu er að rafeindir hafi „tilhneigingu“ til að fara frá forskauti til bakskauts. Mælikvarði á þá „tilhneigingu“ er spenna sem mæld er í voltum. Því meiri sem spennan er, því meiri er „tilhneigingin“. Ef spennan mælist núll er engin slík „tilhneiging“ fyrir hendi og rafhlaðan er þá óvirk. Meðan nóg framboð er af rafeindagjöfum við forskaut og rafeindaþegum við bakskaut getur spenna rafhlöðunnar haldist sem næst óbreytt og rafhlaðan verkar sem skyldi. Ef þetta framboð minnkar hins vegar þá lækkar spennan og hverfur loks við ófullnægjandi aðstæður.

Í einföldustu gerð af rafhlöðum eru umræddar eindir (rafeindagjafar og rafeindaþegar) frumeindir (A) og tilsvarandi jónir þeirra (A+). Ofangreindri virkni rafhlöðu má þá lýsa með eftirfarandi hætti:
Við forskaut (anóðu): A → A+ + e-

Við bakskaut (katóðu): A+ + e- → A

þar sem e- táknar rafeind. Dæmi um slíkt er litínjónarafhlaðan þar sem frumeindin A er litín, Li.

Heimildir og myndir:

Höfundur

Ágúst Kvaran

Ágúst Kvaran

prófessor emeritus í eðlisefnafræði við HÍ

Útgáfudagur

9.1.2009

Spyrjandi

Sigurður Andri, Haukur Jónasson, Héðinn Eiríksson, Marteinn Sigurðsson

Efnisorð

Tilvísun

Ágúst Kvaran. „Hvernig verka rafhlöður í farsímum?“ Vísindavefurinn, 9. janúar 2009, sótt 24. nóvember 2024, https://visindavefur.is/svar.php?id=49959.

Ágúst Kvaran. (2009, 9. janúar). Hvernig verka rafhlöður í farsímum? Vísindavefurinn. https://visindavefur.is/svar.php?id=49959

Ágúst Kvaran. „Hvernig verka rafhlöður í farsímum?“ Vísindavefurinn. 9. jan. 2009. Vefsíða. 24. nóv. 2024. <https://visindavefur.is/svar.php?id=49959>.

Chicago | APA | MLA

Þessi síða notar vafrakökur Nánari upplýsingar

Ég samþykki

Senda grein til vinar

=

Hvernig verka rafhlöður í farsímum?
Algengustu rafhlöður í farsímum og í fjölmörgum handhægum rafknúnum tækjum, eins og myndavélum, vasahljómflutningstækjum og rakvélum, eru núna litínjónarafhlöðurnar (e. lithium-ion batteries). Um þær er hægt að lesa meira í svari við spurningunni Hvernig verka litínjónarafhlöður og hvernig er hægt að hlaða þær aftur? Afar auðvelt er að endurhlaða litínjónarafhlöðurnar, orkunýtni þeirra er góð og geymsluþol rafhleðslu er mikið. Þessa eiginleika má rekja til einfaldleika rafhlöðunnar eins og ráða má af eftirfarandi lýsingu á almennri virkni rafhlöðu.

Hvernig verka rafhlöður?

Í rafhlöðum (e. battery) eru tvö skaut, forskaut (e. anode, táknað með mínus, -) og bakskaut (e. catode, táknað með plús, +). Þessi skaut eru líka stundum kölluð anóða og katóða. Þegar rafhlaða er tengd tæki í notkun streyma rafeindir frá forskauti rafhlöðunnar gegnum viðkomandi tæki og skila sér að bakskauti rafhlöðunnar. Stefna rafstraums er skilgreind í andstæða átt, það er frá bakskauti til forskauts gegnum tækið. Á leið sinni um rafmagnstækið sem um ræðir nýtist straumurinn til að framkvæma vinnu sem getur verið af ýmsum toga, háð gerð tækisins, til dæmis móttaka og sending örbylgna og hljóðs í farsíma eða hárskurður með rakvél. Rafeindirnar sem streyma frá rafhlöðunni koma frá rafeindahvolfum („rafeindabrautum“) frumeinda (atóma) eða sameinda í efnum sem eru inni í rafhlöðunni í nánd við forskautið (sjá mynd 1a). Frumeindirnar eða sameindirnar sem leggja til rafeindirnar eru kallaðar rafeindagjafar.


Mynd 1a. Forskautsvirkni rafhlöðu: rafeind losnar frá frumeind eða sameind (rafeindagjafa) í rafhlöðu og fer síðan um rafleiðslu til tækis.

Gerð þessara frumeinda eða sameinda er mismunandi eftir rafhlöðum. Við það að rafeind, sem er neikvætt hlaðin ögn, losnar frá frumeind eða sameind við forskaut rafhlöðu getur myndast plúshlaðin jón. Rafeind sem skilar sér að bakskauti rafhlöðunnar getur að sama skapi farið inn á ófyllt eða tómt rafeindahvolf einda (frumeinda, sameinda eða jóna) sem þar eru fyrir hendi (rafeindaþegar). Þegar rafeindaþeginn er plúshlaðin jón myndast óhlaðin eind (atóm eða sameind) við upptöku rafeindarinnar (sjá mynd 1b).


Mynd 1b. Bakskautsvirkni rafhlöðu: rafeind sem kemur frá tæki að katóðu fer á ófyllt hvel frumeindar, sameindar eða jónar (rafeindaþega) í rafhlöðu.

Frumskilyrði fyrir virkni rafhlöðu er að rafeindir hafi „tilhneigingu“ til að fara frá forskauti til bakskauts. Mælikvarði á þá „tilhneigingu“ er spenna sem mæld er í voltum. Því meiri sem spennan er, því meiri er „tilhneigingin“. Ef spennan mælist núll er engin slík „tilhneiging“ fyrir hendi og rafhlaðan er þá óvirk. Meðan nóg framboð er af rafeindagjöfum við forskaut og rafeindaþegum við bakskaut getur spenna rafhlöðunnar haldist sem næst óbreytt og rafhlaðan verkar sem skyldi. Ef þetta framboð minnkar hins vegar þá lækkar spennan og hverfur loks við ófullnægjandi aðstæður.

Í einföldustu gerð af rafhlöðum eru umræddar eindir (rafeindagjafar og rafeindaþegar) frumeindir (A) og tilsvarandi jónir þeirra (A+). Ofangreindri virkni rafhlöðu má þá lýsa með eftirfarandi hætti:
Við forskaut (anóðu): A → A+ + e-

Við bakskaut (katóðu): A+ + e- → A

þar sem e- táknar rafeind. Dæmi um slíkt er litínjónarafhlaðan þar sem frumeindin A er litín, Li.

Heimildir og myndir:...