ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องกับเซลล์ไฟฟ้าเคมี

ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องกับเซลล์ไฟฟ้าเคมี

สามารถนำความรู้เรื่องไฟฟ้าเคมีทั้งเซลล์กัลวานิกและเซลล์อิเล็กโทรไลต์ไปประยุกต์ใช้เพื่อพัฒนาเครื่องมือเครื่องใช้และวัสดุอุปกรณ์ต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้องกับโลหะและสารละลายอิเล็กโทรไลต์ได้ดังตัวอย่างต่อไปนี้

1. แบตเตอรี่อิเล็กโทรไลต์ของแข็ง

แบบเตอรี่อิเล็กโทรไลต์ของแข็ง (Solid electrolyte battery) เป็นเซลล์สะสมไฟฟ้าที่ใช้โลหะลิเทียมเป็นแอโนดและเทเนียมไดซัลไฟด์ (TiS₂) เป็นแคโทด โดยอิเล็กโทรไลต์เป็นสารพวกพอลิเมอร์ จึงเรียกว่า อิเล็กโทรไลต์แข็ง ซึ่งมีสมบัติยอมให้ไอออนผ่านได้ดี แต่ไม่ยอมให้อิเล็กตรอนผ่าน

1.1 โลหะลิเทียมให้อิเล็กตรอนแล้วเปลี่ยนเป็น Li⁺ ผ่านอิเล็กโทรไลต์ไปยังแคโทด ซึ่งมี TiS₂ ทำหน้าที่รับอิเล็กตรอนกลายเป็น TiS^2– จากนั้น Li⁺ กับ TiS^2– จะรวมกันเป็น LiTiS₂ อิเล็กโทรไลต์แข็งจะเป็นฉนวนต่ออิเล็กตรอน จึงทำให้เซลล์ไฟฟ้านี้ใช้งานได้โดยไม่ลัดวงจร ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นเป็นดังนี้

แอโนด : Li(s) → Li⁺(ในอิเล็กโทรไลต์แข็ง) + e–

แคโทด : TiS₂(s) + e– → TiS^2–(s)

ปฏิกิริยารวม : Li(s) + TiS₂(s)  → Li⁺ (ในอิเล็กโทรไลต์แข็ง) + TiS^2–(s)

เซลล์ชนิดนี้มีศักย์ไฟฟ้าประมาณ 3 V และเป็นเซลล์ทุติยภูมิ ปัจจุบันมีการนำไปใช้กับรถยนต์ซึ่งมีข้อดีคือไม่ต้องเติมน้ำกลั่น แต่ราคายังแพงเมื่อเปรียบเทียบกับเซลล์สะสมไฟฟ้าแบบตะกั่ว

1.2 แบตเตอรี่อิเล็กโทรไลต์แข็งอีกชนิดหนึ่งใช้โลหะลิเทียมเป็นแอโนด และใช้โลหะออกไซด์ เช่น MnO₂ หรือ V₆O₁₃ เป็นแคโทด ส่วนอิเล็กโทรไลต์เป็นพอลิเมอร์ที่ยอมให้ Li⁺ ผ่านได้ แต่อิเล็กตรอนผ่านไม่ได้ ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นภายในเซลล์เป็นดังนี้

แอโนด : Li(s)    →    Li⁺(ในอิเล็กโทรไลต์แข็ง)   +   e

แคโทด : MnO₂(s)   +   Li⁺ +   e– →    LiMnO₂(s)

ปฏิกิริยารวม : Li(s)   +   MnO₂(s) →    LiMnO₂(s)

เซลล์ชนิดนี้มีศักย์ไฟฟ้าประมาณ 3 V และเป็นเซลล์ทุติยภูมิ ออกแบบให้มีทั้งขนาดเล็กและใหญ่ เซลล์เล็กเท่าเม็ดกระดุมใช้กับเครื่องคิดเลขขนาดเล็ก นาฬิกา กล้องถ่ายรูป เซลล์ขนาดใหญ่ใช้กับเครื่องคอมพิวเตอร์

2.  แบตเตอรี่อากาศ

รถยนต์ไฟฟ้าได้มีการพัฒนาขึ้นเพื่อให้สามารถเก็บสะสมปริมาณไฟฟ้าได้มากขึ้น แบตเตอรีอากาศเป็นพัฒนาการอย่างหนึ่งซึ่งใช้ออกซิเจนในอากาศเป็นตัวออกซิไดส์ ใช้โลหะ เช่น Znหรือ Al เป็นตัวรีดิวซ์ และอาจใช้สารละลาย NaOH เข้มข้นเป็นอิเล็กโทรไลต์

2.1 แบตเตอรี่อะลูมิเนียม–อากาศ

ใช้ Al เป็นแอโนด เมื่อต่อเซลล์โลหะ Al จะเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันได้ Al³⁺ แต่ในสารละลายมีความเข้มข้นของ OH^– มาก จึงเกิดไอออนเชิงซ้อนของ [Al(OH)₄]^– ส่วนที่แคโทดซึ่งแท่งคาร์บอนเป็นขั้วไฟฟ้า แก๊สออกซิเจนและน้ำเกิดปฏิกิริยารีดักชันได้ OH^– ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นภายในเซลล์เป็นดังนี้

แอโนด : 4 {Al(s)   +   4 OH^–(aq)    →    [Al(OH)₄]^–(aq)   +   3e–

แคโทด : 3 {O₂(g)   +   2H₂O(l)   +   4e– →     4OH^–(aq)

ปฏิกิริยารวม : 4Al(s) +  O₂(s) + 6H₂O(l) + 4OH^–(aq)   → [Al(OH)₄]^–(aq)

จะเปลี่ยนไปเป็น Al(OH)3 เคลือบอะลูมิเนียม ดังนั้นหลังจากใช้งานในรถยนต์ได้ระยะทางประมาณ 200 กิโลเมตร ต้องมีการกำจัดAl(OH)₃เนื่องจาก Al(OH)₃ เป็นฉนวนไฟฟ้า

2.2  แบตเตอรี่สังกะสี–อากาศ

ใช้สังกะสีเป็นแอโนด ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นภายในเซลล์เป็นดังนี้

แอโนด : Zn(s)       →       Zn²⁺(aq)   +   2e–

แคโทด : O₂(g)   +   2e– →       O^2–(g)

ปฏิกิริยารวม : Zn(s)  +   O₂(g) →         ZnO(s)

เมื่อนำแบตเตอรีไปประจุไฟ แก๊สออกซิเจนจะถูกปล่อยออกจากแบตเตอรี ส่วน ZnO จะถูกรีดิวซ์ไปเป็นสังกะสี

3.การทำอิเล็กโทรไดอะลิซิสน้ำทะเล

อิเล็กโทรไดอะลิซิส เป็นเซลล์อิเล็กโทรไลต์ที่ใช้แยกไอออนจากสารละลายโดยให้ไอออนเคลื่อนที่ผ่านเยื่อแลกเปลี่ยนไอออน ซึ่งเป็นเยื่อบาง ๆ ไปยังขั้วไฟฟ้าที่มีขั้วตรงกันข้าม สารละลายจึงมีความเข้มข้นลดลง ใช้หลักการนี้ในการผลิตน้ำจืดจากน้ำทะเล

เมื่อผ่านน้ำทะเลเข้าทางช่อง A  B  และ C  ไอออนบวกในน้ำทะเลที่ผ่านเข้าทางช่อง B เช่น Na⁺ หรือ Mg²⁺ จะเคลื่อนที่ผ่านเยื่อแลกเปลี่ยนไอออนบวกเข้าหาขั้วลบ ส่วนไอออนลบ เช่นCl^– SO₄^2– จะเคลื่อนที่ผ่านเยื่อแลกเปลี่ยนไอออนลบเข้าหาขั้วบวก ดังนั้นน้ำที่ไหลออกทางช่อง B จึงมีไอออนน้อยลง และถ้าไม่มี Na⁺ ไม่มี น้ำที่ผ่านออกทางช่อง B จึงเป็นน้ำจืด

อุปกรณ์ทำอิเล็กโทรไดอะลิซิสน้ำทะเล