Samenvatting · Scheikunde · vwo 6 Accu’s, brandstofcellen en duurzaamheid

Accu’s, brandstofcellen en duurzaamheid

Elektrochemische cellen

• Elektrochemische cellen zetten chemische energie door een redoxreactie om in elektrische energie. Batterijen, accu’s en brandstofcellen zijn voorbeelden.
• De oxidator en reductor bevinden zich in afzonderlijke halfcellen, zodat elektronen niet rechtstreeks worden overgedragen.
• De halfcellen zijn verbonden door:
  • een uitwendige stroomkring, waarlangs elektronen stromen;
  • een zoutbrug of membraan, dat ionentransport mogelijk maakt en ladingsophoping voorkomt.
• Bij stroomlevering geldt:
  • aan de negatieve elektrode reageert de reductor en komen elektronen vrij;
  • aan de positieve elektrode neemt de oxidator elektronen op;
  • elektronen bewegen via de stroomdraad van negatieve naar positieve elektrode.

De bronspanning onder standaardomstandigheden volgt uit:

Voor een zink-mangaandioxidebatterij is bijvoorbeeld:

De standaardelektrodepotentialen gelden bij $p=p^{\circ }$ en $T=298\mathrm{K}$.

Batterijen en accu’s

• In een staafbatterij is zink de reductor en mangaan(IV)oxide de oxidator. De elektrolyt bevat ammoniumchloride.
• Bij stroomlevering staat zink elektronen af:

• Mangaan(IV)oxide neemt elektronen op:

• Een accu is oplaadbaar als de reacties door een externe spanningsbron omkeerbaar kunnen verlopen. Dit omkeren van reacties met elektrische energie heet elektrolyse.
• Bij het opladen van een loodaccu moet de dynamo een spanning leveren die groter is dan de bronspanning van de accu. Voor de loodaccu is:

• In een loodaccu is geen zoutbrug nodig, omdat de stoffen zich in dezelfde elektrolyt, verdund zwavelzuur, bevinden.

Brandstofcellen

• Een brandstofcel is een elektrochemische cel waarin de brandstof voortdurend wordt aangevoerd. Daardoor kan de cel stroom leveren zolang brandstof en zuurstof beschikbaar zijn.
• In een methanolbrandstofcel vindt aan de negatieve elektrode oxidatie van methanol plaats:

• Aan de positieve elektrode wordt zuurstof gereduceerd:

• Het membraan laat ${\mathrm{H}}^{+}$-ionen door. De elektronen gaan via de uitwendige stroomkring en kunnen daar een elektromotor aandrijven.

Duurzaamheid en energiedichtheid

• Energiedichtheid is de hoeveelheid energie per massa, volume of gasvolume. Een hoge energiedichtheid is vooral voor vervoer belangrijk, omdat dan minder massa of volume hoeft te worden meegenomen.
• Li-ion-accu’s hebben een energiedichtheid van $0,36\mathrm{MJ}\mathrm{k}{\mathrm{g}}^{-1}$, veel lager dan steenkool met $30\mathrm{MJ}\mathrm{k}{\mathrm{g}}^{-1}$. Daardoor zijn accu’s voor zware voertuigen en vliegtuigen relatief ongunstig.
• Elektrische energie heeft een hogere energiekwaliteit dan warmte: zij is beter om te zetten in nuttige beweging. Een elektromotor veroorzaakt weinig warmteverlies.
• Fossiele brandstoffen hebben een hoge energiedichtheid, maar veroorzaken $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$-uitstoot en zijn eindig.
• Waterstof is een energiedrager: met duurzame elektriciteit kan water uit elektrolyse waterstof vormen. In een brandstofcel kan waterstof vervolgens elektrische energie leveren. De hoge kosten van elektroden beperken momenteel de toepassing van waterstofauto’s.