Electrochemical Energy Conversion, prof. Fontanesi

CONVERSIONE ELETTROCHIMICA DELL'ENERGIA

BATTERIA (SCHEMA SEMPLIFICATO)

PILA DI VOLTA:→ SOLUZIONE ELETTROLITA:H₂O + Na₂SO₄(NB: la concentrazione di soluto modifica la conducibilità dell'acqua: la giusta è 1M; quella della pila di Volta è 80mS/cm)→ DISCHI DI RAME (Cu) E ZINCO (Zn)

REAZIONI REDOX

ELEMENTI IMPORTANTI:

• Cd → CADMIO
• Mn → MANGANESE
• Cr → CROMO
• Sn → STAGNO
• Fe → FERRO
• V → VANADIO
• Cu → RAME
• Hg → MERCURIO
• Ni → NICHEL
• Li → LITIO

NOTE: Nelle batterie agli ioni di litio NON DEVE ESSERCI ACQUA!Avverrebbe la reazione Li + H₂O → LiOH + ¹/₂ H₂

• Pb → PIOMBO
• NO₃→ NITRATO
• F → FLUORO
• Cl → CLORO
• Br → BROMO
• I → IODIO
• S → ZOLFO

Tre alcuni elementi possono avvenire reazioni Redox diverse in base all'ambiente: un esempio è il MANGANESE:

• AMBIENTE ACIDO → MnO₄^- + 5e^- + 7H⁺ → Mn²⁺ + 4H₂O
• AMBIENTE BASICO → MnO₄^- + e^- → MnO₄^2-
• AMBIENTE NEUTRO → MnO₄^- + 3e^-+ 2H₂O → MnO₂ + 4OH^-

CONVERSIONE ELETTROCHIMICA DELL'ENERGIA

PILA DI VOLTA:

• Soluzione elettrolita : H₂O ➔ Na₂SO₄

(NB: la concentrazione di soluto modifica la conduttività dell'acqua: un caso è della pila di Volta ≈ 80 mS/cm)

• Dischi di rame (Cu) e zinco (Zn)

REAZIONI REDOX

ELEMENTI IMPORTANTI :

• Cd ➔ Cadmio
• Mn ➔ Manganese
• Cr ➔ Cromo
• Sn ➔ Stagno
• Fe ➔ Ferro
• V ➔ Vanadio
• Cu ➔ Rame
• Hg ➔ Mercurio
• Ni ➔ Nichel
• Li ➔ Litio

4. Nelle batterie agli ioni di litio NON deve esserci acqua! Deriva per la reazione Li + H₂O ➔ LiOH + ¹/₂ H₂(Reagisce con l'ossigeno nell'atmosfera dando luogo a una reazione)

• PbO₂ ➔ Piombo
• NO₃^- ➔ Nitrato
• F₂ ➔ Fluoro
• Cl_- ➔ Cloro
• Br_- ➔ Bromo
• I_- ➔ Iodio
• S^-2 ➔ Solfuro

Tre alcuni elementi possono avvenire reazioni Redox diverse in base all'ambiente: un esempio è il manganese:

Ambiente acido ➔ MnO₄^- + 5e^- + 7H⁺ ➔ Mn²⁺ + 4H₂O

Ambiente basico ➔ MnO₄^- + e^- ➔ MnO₄^2-

Ambiente neutro ➔ MnO₄^- + 3e^- + 2H₂O ➔ MnO₂ + 4OH^-

Struttura della batteria

I 3 elementi sono collegati in serie. Dove distribuire le 2 tipologie?

• La conducibilità può essere studiata in funzione della temperatura:
• Se la resistenza aumenta con la temperatura si parla di conduttore elettronico
• Se la resistenza cala con la temperatura si parla di soluzione elettrolita

Perché parlando di conduttori elettronici le collisioni e gli urti dei carichi avvengono tra particelle con massa molto ridotta (si approssima a collisioni elastiche). A basse temperature si ha atmosfera, quindi, smuovendo una batteria è più efficiente ad alte temperature (a loro livelli maggioreni).

Al contrario, nell'elettrolita, quando si lavora una carica si muove uno ione dotato di massa e dimensioni e gli urti si "muovono" più facilmente ad alta temperatura.

Equazione di Nernst

ΔG = -nT E

• Potenziale misurato
• Costante di Faraday (96.500 C/mol)
• Numero di elettroni scambiati

* Le misurazioni vanno eseguite in un modo ben definito:

• No ponte salino / Setto poroso
• No millivoltometro: non ci deve essere passas di corrente nella batteria. Si lavora con 2 quantità

Limite termodinamico: E → E_max equilibrio elettrochimico (per minimizzare E)

Regime di cortocircuito: I = 0, E = 0, I = I_max indice dell'abilità di fornire corrente

Pila daniell

Pt / Zn | Zn²⁺ SO₄ || Cu²⁺ SO₄ / Cu / Pt

Catena galvanica (Platino (Pt), Oro (Au), Grafite (C))

Setto o setto poroso (Setto Semipermeabile con ponte salino)

2n²⁺ + 2e^- → Zn

Cu²⁺ + 2e^- → Cu

Semireazioni Redox

CONVENZIONI

1. Se in una batteria E > 0, allora gli elettroni vanno dall'elettrod