Elementos galvánicos. Tipos y dispositivo. Trabajo y características. Pilas y baterías galvánicas: dispositivo, principio de funcionamiento, tipos Qué se aplica a las baterías galvánicas: dispositivos de almacenamiento de energía

Requisitos previos para la aparición de células galvánicas. Una pequeña historia. En 1786, el profesor de medicina italiano, el fisiólogo Luigi Aloisio Galvani, descubrió un fenómeno interesante: los músculos de las patas traseras de un cadáver de rana recién abierto, suspendidos de ganchos de cobre, se contraían cuando el científico los tocaba con un bisturí de acero. Galvani concluyó inmediatamente que se trataba de una manifestación de “electricidad animal”.

Tras la muerte de Galvani, su contemporáneo Alessandro Volta, químico y físico, describiría y demostraría públicamente un mecanismo más realista para la generación de corriente eléctrica cuando diferentes metales entran en contacto.

Volta, después de una serie de experimentos, llegará a la conclusión inequívoca de que la corriente aparece en el circuito debido a la presencia en él de dos conductores de diferentes metales colocados en un líquido, y esto no es en absoluto "electricidad animal", como afirma Galvani. pensamiento. Los espasmos de las ancas de la rana eran consecuencia de la acción de la corriente generada por el contacto de diferentes metales (ganchos de cobre y un bisturí de acero).

Volta mostrará los mismos fenómenos que Galvani demostró en una rana muerta, pero en un electrómetro casero completamente inanimado, y dará en 1800 una explicación precisa de la aparición de corriente: “un conductor de segunda clase (líquido) está en el medio y está en contacto con dos conductores de primera clase hechos de dos metales diferentes... Como resultado, surge una corriente eléctrica en una dirección u otra”.

En uno de sus primeros experimentos, Volta sumergió dos placas (zinc y cobre) en un frasco de ácido y las conectó con un cable. Después de esto, la placa de zinc comenzó a disolverse y aparecieron burbujas de gas en el acero de cobre. Volta sugirió y demostró que a través de un cable fluye una corriente eléctrica.

Así surgió el “elemento Volta”, la primera celda galvánica. Por conveniencia, Volta le dio la forma de un cilindro vertical (columna), que consta de anillos interconectados de zinc, cobre y tela empapados en ácido. Una columna voltaica de medio metro de altura creó un voltaje sensible al hombre.

Desde que Luigi Galvani inició la investigación, el nombre conserva su recuerdo en su nombre.

Célula galvánica es una fuente química de corriente eléctrica basada en la interacción de dos metales y/o sus óxidos en un electrolito, dando lugar a la aparición de corriente eléctrica en un circuito cerrado. Así, en las pilas galvánicas la energía química se convierte en energía eléctrica.

Celdas galvánicas hoy

Las celdas galvánicas hoy se llaman baterías. Se utilizan ampliamente tres tipos de baterías: sal (secas), alcalinas (también se les llama alcalinas, "alcalinas" traducidas del inglés como "alcalinas") y de litio. El principio de su funcionamiento es el mismo que describió Volta en 1800: dos metales y una corriente eléctrica surgen en un circuito cerrado externo.

El voltaje de la batería depende tanto de los metales utilizados como del número de elementos de la “batería”. Las baterías, a diferencia de los acumuladores, no son capaces de restaurar sus propiedades, ya que convierten directamente la energía química, es decir, la energía de los reactivos que componen la batería (agente reductor y agente oxidante), en energía eléctrica.

Los reactivos incluidos en la batería se consumen durante su funcionamiento y la corriente disminuye gradualmente, por lo que el efecto de la fuente finaliza una vez que los reactivos han reaccionado por completo.

Las pilas (baterías) alcalinas y de sal se utilizan ampliamente para alimentar una variedad de dispositivos electrónicos, los equipos de radio, los juguetes y el litio se pueden encontrar con mayor frecuencia en dispositivos médicos portátiles como glucómetros o en equipos digitales como cámaras.

Las pilas de manganeso y zinc, llamadas baterías de sal, son pilas galvánicas "secas" que no contienen una solución líquida de electrolito.

El electrodo de zinc (+) es un cátodo con forma de vidrio y el ánodo es una mezcla en polvo de dióxido de manganeso y grafito. La corriente fluye a través de la varilla de grafito. El electrolito es una pasta de solución de cloruro de amonio a la que se le agrega almidón o harina para espesarlo y que no se derrame nada.

Por lo general, los fabricantes de baterías no indican la composición exacta de las celdas de sal, sin embargo, las baterías de sal son las más baratas y generalmente se usan en dispositivos donde el consumo de energía es extremadamente bajo: en relojes, en controles remotos. control remoto, en termómetros electrónicos, etc.

El concepto de "capacidad nominal" rara vez se utiliza para caracterizar las baterías de zinc-manganeso, ya que su capacidad depende en gran medida de los modos y condiciones de funcionamiento. Las principales desventajas de estos elementos son la importante tasa de disminución de voltaje a lo largo de la descarga y una disminución significativa en la capacidad entregada al aumentar la corriente de descarga. El voltaje de descarga final se establece dependiendo de la carga en el rango de 0,7-1,0 V.

No sólo es importante la magnitud de la corriente de descarga, sino también el cronograma de la carga. En caso de descarga intermitente a corrientes altas y medias, el rendimiento de las baterías aumenta notablemente en comparación con el funcionamiento continuo. Sin embargo, con corrientes de descarga bajas e interrupciones de funcionamiento de meses, su capacidad puede disminuir como resultado de la autodescarga.

El gráfico anterior muestra las curvas de descarga de una batería de sal promedio durante 4, 10, 20 y 40 horas en comparación con la batería alcalina, sobre las cuales hablaremos Más.

Una batería alcalina es una batería voltaica de manganeso-zinc que utiliza dióxido de manganeso como cátodo, zinc en polvo como ánodo y una solución alcalina, generalmente en forma de pasta de hidróxido de potasio, como electrolito.

Estas baterías tienen una serie de ventajas (en particular, una capacidad significativamente mayor, mejor trabajo a bajas temperaturas y a altas corrientes de carga).

Las baterías alcalinas, en comparación con las baterías de sal, pueden proporcionar más corriente durante un período de tiempo más largo. Una corriente más alta es posible porque aquí el zinc no se utiliza en forma de vidrio, sino en forma de polvo, que tiene una mayor área de contacto con el electrolito. Como electrolito se utiliza hidróxido de potasio en forma de pasta.

Es gracias a la capacidad de este tipo de celdas galvánicas de entregar una corriente significativa (hasta 1 A) durante mucho tiempo que las baterías alcalinas son las más comunes en la actualidad.

Los juguetes eléctricos, los equipos médicos portátiles, los dispositivos electrónicos y las cámaras utilizan pilas alcalinas. Duran 1,5 veces más que los de sal si la descarga es de baja corriente. El gráfico muestra las curvas de descarga a varias corrientes para compararlas con una batería de sal (el gráfico se muestra arriba) durante 4, 10, 20 y 40 horas.

Baterías de litio

Otro tipo bastante común de pila voltaica son las baterías de litio: pilas voltaicas individuales no recargables que utilizan litio o sus compuestos como ánodo. Gracias al uso de metales alcalinos, tienen una gran diferencia de potencial.

El cátodo y el electrolito de una celda de litio pueden ser muy diferentes, por eso el término "celda de litio" combina un grupo de celdas con el mismo material de ánodo. Por ejemplo, se pueden utilizar como cátodo dióxido de manganeso, monofluoruro de carbono, pirita, cloruro de tionilo, etc.

Las baterías de litio se diferencian de otras baterías por su larga vida útil y su elevado coste. Dependiendo del tamaño elegido y de las sustancias químicas utilizadas, una batería de litio puede producir voltajes desde 1,5 V (compatible con baterías alcalinas) hasta 3,7 V.

Estas baterías tienen la mayor capacidad por unidad de peso y una larga vida útil. Las pilas de litio se utilizan ampliamente en equipos electrónicos portátiles modernos: para alimentar relojes placas base ordenadores, para alimentar dispositivos médicos portátiles, relojes de pulsera, calculadoras, equipos fotográficos, etc.

El gráfico anterior muestra las curvas de descarga de dos baterías de litio de dos fabricantes populares. La corriente inicial fue de 120 mA (por resistencia de unos 24 ohmios).

Kyzyl, TSU

ABSTRACTO

Tema: "Celdas galvánicas. Baterías".

Compilado por: Spiridonova V.A.

I año, IV gr., FMF

Comprobado por: Kendivan O.D.

2001

I. Introducción

II. Fuentes de corriente galvánica

1. Tipos de celdas galvánicas

III. Baterías

1. Ácido

2. alcalino

3. Níquel-cadmio sellado

4. Sellado

5. Baterías con tecnología “DRYFIT”

INTRODUCCIÓN

Fuentes químicas de corriente (CHS) desde hace muchos años.

entró firmemente en nuestras vidas. En la vida cotidiana, el consumidor rara vez presta atención a

atención a las diferencias entre los HIT utilizados. Para él son pilas y

baterías. Normalmente se utilizan en dispositivos como

linternas, juguetes, radios o automóviles.

En el caso en que el consumo de energía sea relativamente

es grande (10Ah), se utilizan baterías, principalmente ácidas,

así como níquel-hierro y níquel-cadmio. Se utilizan en

Computadoras portátiles (Laptop, Notebook, Palmtop), dispositivos portátiles

comunicaciones, alumbrado de emergencia, etc.

En los últimos años, este tipo de baterías se han utilizado ampliamente en

Fuentes de alimentación de respaldo para computadoras y electromecánica.

Sistemas que almacenan energía para posibles picos de carga.

y suministro de energía de emergencia de sistemas vitales.

FUENTES DE CORRIENTE GALVÁNICA

Fuentes de corriente galvánica desechables

son un contenedor unificado en el que

Contiene un electrolito absorbido por el material activo.

separador y electrodos (ánodo y cátodo), por lo que se denominan

elementos secos. Este término se utiliza en relación con

todas las celdas que no contienen electrolito líquido. A ordinario

Los elementos secos incluyen elementos de carbono-zinc.

Las celdas secas se utilizan para corrientes bajas e intermitentes.

modos de funcionamiento. Por lo tanto, tales elementos son ampliamente utilizados en

teléfonos, juguetes, sistemas de alarma, etc.

La acción de cualquier elemento galvánico se basa en la aparición de una reacción redox en él. En su forma más simple, una celda galvánica consta de dos placas o varillas hechas de diferentes metales y sumergidas en una solución electrolítica. Un sistema de este tipo permite separar espacialmente la reacción redox: en un metal se produce oxidación y en otro, se reduce. Así, los electrones se transfieren del agente reductor al agente oxidante a través del circuito externo.

Considere, como ejemplo, una celda galvánica de cobre y zinc, alimentada por la energía de la reacción anterior entre zinc y sulfato de cobre. Esta celda (celda Jacobi-Daniel) consta de una placa de cobre sumergida en una solución de sulfato de cobre (electrodo de cobre) y una placa de zinc sumergida en una solución de sulfato de zinc (electrodo de zinc). Ambas soluciones están en contacto entre sí, pero para evitar que se mezclen están separadas por un tabique de material poroso.

Cuando el elemento está funcionando, es decir. cuando la cadena está cerrada, el zinc se oxida: en la superficie de su contacto con la solución, los átomos de zinc se convierten en iones y, cuando se hidratan, pasan a la solución. Los electrones liberados en este caso se mueven a lo largo del circuito externo hasta el electrodo de cobre. Todo el conjunto de estos procesos está representado esquemáticamente mediante la ecuación de media reacción o ecuación electroquímica:

La reducción de los iones de cobre se produce en el electrodo de cobre. Los electrones que vienen aquí del electrodo de zinc se combinan con los iones de cobre deshidratantes que salen de la solución; Los átomos de cobre se forman y liberan como metal. La ecuación electroquímica correspondiente es:

La ecuación total de la reacción que ocurre en el elemento se obtiene sumando las ecuaciones de ambas semireacciones. Así, durante el funcionamiento de una celda galvánica, los electrones del agente reductor pasan al agente oxidante a través del circuito externo, tienen lugar procesos electroquímicos en los electrodos y se observa un movimiento direccional de iones en la solución.

El electrodo en el que se produce la oxidación se llama ánodo (zinc). El electrodo en el que se produce la reducción se llama cátodo (cobre).

En principio, cualquier reacción redox puede producir energía eléctrica. Sin embargo, el número de reacciones

prácticamente utilizado en fuentes químicas de energía eléctrica es pequeño. Esto se debe a que no todas las reacciones redox permiten crear una celda galvánica con propiedades técnicamente valiosas. Además, muchas reacciones redox requieren el consumo de sustancias costosas.

A diferencia de las pilas de cobre y zinc, todas las pilas y baterías galvánicas modernas utilizan no dos, sino un electrolito; Estas fuentes actuales son mucho más cómodas de utilizar.

TIPOS DE CÉLULAS GALVÁNICAS

Elementos de carbono-zinc

Los elementos carbón-zinc (manganeso-zinc) son

Los elementos secos más comunes. En carbón-zinc

Los elementos utilizan un colector de corriente pasivo (carbono) en

contacto con un ánodo hecho de dióxido de manganeso (MnO2), electrolito hecho de

cloruro de amonio y un cátodo de zinc. El electrolito está en

forma pasta o impregna un diafragma poroso.

Un electrolito de este tipo no es muy móvil y no se propaga, por lo que

los elementos se llaman secos.

Los elementos de carbón-zinc se "restauran" durante

descanso del trabajo. Este fenómeno se debe a la paulatina

alineación de heterogeneidades locales en la composición

electrolito que surge durante el proceso de descarga. Como resultado

"descanso" periódico se prolonga la vida útil del elemento.

La ventaja de los elementos carbono-zinc es su

costo relativamente bajo. A desventajas significativas.

debe incluir una disminución significativa en el voltaje durante la descarga,

potencia específica baja (5...10 W/kg) y vida útil corta

almacenamiento

Las bajas temperaturas reducen la eficiencia de uso.

celdas galvánicas y el calentamiento interno de la batería.

aumenta. Un aumento de temperatura provoca la corrosión química del electrodo de zinc por el agua contenida en el electrolito y el secado del electrolito. Estos factores pueden compensarse en cierta medida manteniendo la batería a temperaturas elevadas e introduciendo una solución salina en la celda a través de un orificio prefabricado.

elementos alcalinos

Al igual que las pilas de carbono y zinc, las pilas alcalinas utilizan un ánodo de MnO2 y un cátodo de zinc con un electrolito separado.

La diferencia entre elementos alcalinos y elementos de carbono-zinc es

en el uso de un electrolito alcalino, como resultado de lo cual

Prácticamente no hay desprendimiento de gas durante la descarga y pueden ser

estar sellado, lo cual es muy importante para muchos de ellos

aplicaciones.

elementos de mercurio

Los elementos de mercurio son muy similares a los elementos alcalinos. En ellos

Se utiliza óxido de mercurio (HgO). El cátodo consiste en una mezcla de polvo.

zinc y mercurio. El ánodo y el cátodo están separados por un separador y un diafragma,

empapado en una solución alcalina al 40%.

Dado que el mercurio es escaso y tóxico, los elementos de mercurio no son

deben desecharse una vez que se hayan utilizado por completo. Tienen que

ir por el reciclaje.

Elementos de plata

Tienen cátodos "de plata" hechos de Ag2O y AgO.

Celdas de litio

Utilizan ánodos de litio, un electrolito orgánico

y cátodos fabricados de diversos materiales. tienen muy grandes

vida útil, altas densidades de energía y eficiente

en un amplio rango de temperaturas porque no contienen agua.

Dado que el litio tiene el mayor potencial negativo

en relación con todos los metales, elementos de litio.

caracterizado por el voltaje nominal más alto en

Dimensiones mínimas.

La conductividad iónica se garantiza introduciendo en

Disolventes de sales que tienen aniones grandes.

Las desventajas de las celdas de litio incluyen su

Costo relativamente alto debido al alto precio.

litio, requisitos especiales para su producción (la necesidad

atmósfera inerte, purificación de disolventes no acuosos). Debería

También tenga en cuenta que algunas celdas de litio cuando

son explosivos si se abren.

Las celdas de litio se utilizan ampliamente en fuentes de alimentación de respaldo para circuitos de memoria, instrumentos de medición y otros sistemas de alta tecnología.

BATERÍAS

Las baterías son fuentes químicas.

Energía eléctrica reutilizable. Consisten en

dos electrodos (positivo y negativo), electrolito

y cascos. La acumulación de energía en la batería se produce cuando

la aparición de una reacción química de oxidación-reducción

electrodos. Cuando la batería está descargada ocurre lo contrario.

procesos. El voltaje de la batería es la diferencia de potencial.

entre los polos de la batería con una carga fija.

Para obtener valores de voltaje suficientemente grandes o

cargando, las baterías individuales están conectadas entre sí

serie o paralelo a las baterías. Hay un numero

voltajes generalmente aceptados para baterias: 2; 4; 6;

Nos limitaremos a considerar las siguientes baterías:

baterías ácidas fabricadas según la tradición

tecnologías;

conductor estacionario y unidad (automotriz y

tractor);

baterías selladas sin mantenimiento, selladas

níquel-cadmio y ácido "dryfit" A400 y A500 (gelatinosos

electrólito).

BATERÍAS ÁCIDAS

Como ejemplo, considere una batería de plomo-ácido lista para usar. Consiste en placas reticulares de plomo, algunas de las cuales están llenas de dióxido de plomo y otras de esponja metálica de plomo. Las placas se sumergen en una solución de H2SO4 al 35-40%; a esta concentración, la conductividad eléctrica específica de la solución de ácido sulfúrico es máxima.

Cuando la batería está en funcionamiento, cuando se descarga, se produce en ella una reacción de oxidación-reducción, durante la cual se oxida el plomo metálico:

Pb + SO4= PbSO4 + 2e-

Y el dióxido de plomo se reduce:

Pb + SO4 + 4H+ + 2e- = PbSO4 + 2H2O

Los electrones cedidos por los átomos de plomo metálico durante la oxidación son aceptados por los átomos de plomo PbO2 durante la reducción; Los electrones se transfieren de un electrodo a otro a través de un circuito externo.

Por lo tanto, el plomo metálico sirve como ánodo en una batería de plomo y está cargado negativamente, y el PbO2 sirve como cátodo y está cargado positivamente.

En el circuito interno (en la solución H2SO4), la transferencia de iones se produce durante el funcionamiento de la batería. Los iones SO42 se mueven hacia el ánodo y los iones H+ se mueven hacia el cátodo. La dirección de este movimiento está determinada por el campo eléctrico resultante de los procesos de los electrodos: los aniones se consumen en el ánodo y los cationes en el cátodo. Como resultado, la solución permanece eléctricamente neutra.

Si sumamos las ecuaciones correspondientes a la oxidación del plomo y la reducción del PbO2, obtenemos la ecuación de reacción total,

Fugas en una batería de plomo-ácido durante su funcionamiento (descarga):

Pb + PbO2 + 4H+ + 2SO4 = 2PbSO4 + 2H2O

F.E.M. de una batería de plomo-ácido cargada es de aproximadamente 2 V. A medida que una batería se descarga, se consumen los materiales del cátodo (PbO2) y del ánodo (Pb). También se consume ácido sulfúrico. Al mismo tiempo, cae la tensión en los terminales de la batería. Cuando es inferior al valor permitido por las condiciones de funcionamiento, la batería se carga nuevamente.

Para cargar (o cargar), la batería se conecta a fuente externa actual (más a más y menos a menos). En este caso, la corriente fluye a través de la batería en la dirección opuesta a aquella por la que pasó cuando la batería se descargó. Como resultado de esto, los procesos electroquímicos en los electrodos se "invierten". El electrodo de plomo pasa ahora por un proceso de reducción.

PbSO4 + 2e- = Pb + SO4

aquellos. Este electrodo se convierte en el cátodo. El proceso de oxidación ocurre en el electrodo de PbO2.

PbSO4 + 2H2O = PbO2 + 4H+ + 2e-

por lo tanto, este electrodo es ahora el ánodo. Los iones en la solución se mueven en direcciones opuestas a aquellas en las que se movían cuando la batería estaba en funcionamiento.

Sumando las dos últimas ecuaciones obtenemos la ecuación de la reacción que se produce al cargar la batería:

2PbSO4 + 2H2O = Pb + PbO2 + 4H+ + 2SO4

Es fácil ver que este proceso es inverso al que ocurre cuando la batería está en funcionamiento: cuando la batería se carga, vuelve a producir las sustancias necesarias para su funcionamiento.

Las baterías de plomo-ácido generalmente están conectadas a una batería, que

colocado en un monobloque de ebonita, termoplástico, polipropileno,

poliestireno, polietileno, composiciones de brea asfáltica, cerámica

o vidrio.

Una de las características más importantes de una batería es

vida útil o vida útil (número de ciclos). Deterioro

Los parámetros y fallas de la batería se deben principalmente

cola de corrosión reticular y deslizamiento de la masa activa

electrodo positivo. La duración de la batería está determinada

principalmente por el tipo de placas positivas y condiciones.

operación.

Las mejoras en las baterías de plomo-ácido van por buen camino

investigando nuevas aleaciones para rejillas (por ejemplo, plomo-calcio), materiales de carcasa livianos y duraderos

(por ejemplo, basado en copolímero de propileno-etileno), mejoras

Calidad de los separadores.

BATERIAS ALKALINAS

Plata-zinc.

Tienen buenas características eléctricas y son ligeros en peso y volumen. Los electrodos que contienen son óxidos de plata Ag2O, AgO (cátodo) y esponja de zinc (ánodo); El electrolito es una solución de KOH.

Durante el funcionamiento de la batería, el zinc se oxida y se convierte en ZnO y Zn(OH)2, y el óxido de plata se reduce a metal. La reacción general que ocurre cuando se descarga una batería se puede expresar aproximadamente mediante la ecuación:

AgO + Zn = Ag + ZnO

F.E.M. de una batería de plata-zinc cargada es de aproximadamente 1,85 V. Cuando el voltaje cae a 1,25 V, la batería está cargada. En este caso, los procesos en los electrodos se "invierten": el zinc se reduce, la plata se oxida y se obtienen nuevamente las sustancias necesarias para el funcionamiento de la batería.

Cadmio-níquel y hierro-níquel.

CN y ZHN son muy similares entre sí. Su principal diferencia es el material de las placas de los electrodos negativos; en las baterías KN son cadmio y en las baterías ZhN son hierro. Las baterías KN son las más utilizadas.

Las pilas alcalinas se fabrican principalmente con electrodos de láminas. En ellos, las masas activas están encerradas en láminas, cajas planas con agujeros. La masa activa de las placas positivas de una batería cargada se compone principalmente de óxido de níquel hidratado (Ni) Ni2O3 x H2O o NiOOH. Además, contiene grafito, que se añade para aumentar la conductividad eléctrica. La masa activa de las placas negativas de las baterías KN consiste en una mezcla de cadmio esponjoso con polvo de hierro, y en las baterías ZhN, de polvo de hierro reducido. El electrolito es una solución de hidróxido de potasio que contiene una pequeña cantidad de LiOH.

Consideremos los procesos que ocurren durante el funcionamiento de una batería KN. Cuando la batería se descarga, el cadmio se oxida.

Cd + 2OH- = Cd(OH)2 + 2e-

Y NiOOH se restaura:

2NiOOH + 2H2O + 2e- = 2Ni(OH)2 + 2OH-

En este caso, los electrones se transfieren del electrodo de cadmio al electrodo de níquel a lo largo del circuito externo. El electrodo de cadmio sirve como ánodo y está cargado negativamente, y el electrodo de níquel sirve como cátodo y está cargado positivamente.

La reacción total que ocurre en la batería KN durante su funcionamiento se puede expresar mediante la ecuación que se obtiene sumando las dos últimas ecuaciones electroquímicas:

2NiOOH + 2H2O + Cd = 2NI(OH)2 + CD(OH)2

F.E.M. de una batería de níquel-cadmio cargada es de aproximadamente 1,4 V. A medida que la batería funciona (se descarga), el voltaje en sus terminales cae. Cuando cae por debajo de 1V, la batería está cargada.

Al cargar una batería, los procesos electroquímicos en sus electrodos se "invierten". La reducción del metal ocurre en el electrodo de cadmio.

Cd(OH)2 + 2e- = CD + 2OH-

Sobre níquel - oxidación del hidróxido de níquel (P):

2Ni(OH)2 + 2OH- = 2NiOOH + 2H2O + 2e-

La reacción total durante la carga es la opuesta a la reacción que ocurre durante la descarga:

2Ni(OH)2 + Cd(OH)2 = 2NiOOH + 2H2O + Cd

BATERÍAS SELLADAS DE NÍQUEL-CADMIO

Un grupo especial de baterías de níquel-cadmio son las baterías selladas. El oxígeno liberado al final de la carga oxida el cadmio, por lo que la presión en la batería no aumenta. La tasa de formación de oxígeno debe ser baja, por lo que la batería se carga con una corriente relativamente baja.

Las baterías selladas se dividen en disco,

cilíndrico y rectangular.

Baterías rectangulares selladas de níquel-cadmio

se fabrican con electrodos negativos de óxido de cadmio no cermet o con electrodos de cadmio cermet.

BATERÍAS SELLADAS

Baterías ácidas ampliamente utilizadas,

Hecho con tecnología clásica, causa muchos problemas.

y tener efectos nocivos para las personas y los equipos. ellos son los mas

baratos, pero requieren costos adicionales para su mantenimiento,

locales y personal especiales.

BATERÍAS CON TECNOLOGÍA "DRYFIT"

La batería ácida más cómoda y segura

Son baterías selladas que no requieren ningún mantenimiento.

VRLA (ácido de plomo regulado por válvula) producido con tecnología

"ajuste seco". El electrolito de estas baterías se encuentra en un estado gelatinoso. Esto garantiza la fiabilidad de las baterías y la seguridad de su funcionamiento.

BIBLIOGRAFÍA:

1. Deordiev S.S.

Baterías y sus cuidados.

K.: Tecnología, 1985. 136 p.

2. Libro de referencia eléctrica.

En 3 volúmenes T.2. Productos y dispositivos eléctricos/bajo

total ed. profesores del Instituto de Ingeniería Energética de Moscú (editor en jefe I.N. Orlov) y otros, 7ª ed. 6corr. y adicional

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3. N. L. Glinka.

Química General.

Editorial "Química" 1977.

4. Bagotsky V.S., Skundin A.M.

Fuentes de corriente química.

M.: Energoizdat, 1981. 360 p.

Texto proporcionado por el Centro de Investigaciones Científicas “Ciencia y Tecnología”
Los derechos de la versión electrónica de la publicación pertenecen a N&T (www.n-t.org)

El libro contiene información sobre el diseño, principios de funcionamiento y características de las fuentes de energía química (baterías y acumuladores). En este libro aprenderá cómo elegir las baterías y acumuladores que necesita, cómo cargarlos y restaurarlos correctamente.

• El ánodo es el terminal positivo de la batería.
• Batería: dos o más celdas conectadas en serie y/o paralelo para proporcionar voltaje requerido y actual.
• La resistencia interna es la resistencia al flujo de corriente a través de un elemento, medida en ohmios. A veces se llama impedancia interna.
• La producción de energía es el consumo de capacidad multiplicado por el voltaje promedio durante el tiempo de descarga de las baterías, expresado en vatios hora (Wh).
• La capacidad es la cantidad de energía eléctrica que libera una batería en determinadas condiciones de descarga, expresada en amperios-hora (Ah) o culombios (1 Ah = 3600 C).
• La carga es energía eléctrica transferida a un elemento para convertirla en energía química almacenada.
• El cátodo es el terminal negativo de la batería.
• La carga compensatoria es un método que utiliza corriente continua para llevar la batería a un estado de carga completa y mantenerla en este estado.
• El voltaje de corte es el voltaje mínimo al que la batería es capaz de entregar energía útil bajo ciertas condiciones de descarga.
• El voltaje de circuito abierto es el voltaje en los terminales externos de la batería en ausencia de consumo de corriente.
• El voltaje nominal es el voltaje a través de una batería completamente cargada cuando se descarga a una velocidad muy baja.
• La carga flotante es un método para mantener una batería recargable en un estado completamente cargado aplicando un voltaje constante seleccionado para compensar diversas pérdidas en la misma.
• La densidad de energía es la relación entre la energía de un elemento y su masa o volumen, expresada en vatios hora por unidad de masa o volumen.
• La polarización es una caída de voltaje causada por cambios en las composiciones químicas de los componentes de los elementos (la diferencia entre el voltaje del circuito abierto y el voltaje en cualquier momento durante la descarga).
• La descarga es el consumo de energía eléctrica de un elemento a un circuito externo. Una descarga profunda es un estado en el que se agota casi toda la capacidad del elemento. Una descarga superficial es aquella en la que se consume una pequeña porción de la capacidad total.
• Separador: material utilizado para aislar electrodos entre sí. A veces retiene electrolitos en pilas secas.
• La vida útil es el período de tiempo durante el cual un elemento almacenado en condiciones normales (20oC) conserva el 90% de su capacidad original.
• La estabilidad es la uniformidad del voltaje al que la batería libera energía durante el modo de descarga completa.
• Un elemento es una unidad básica capaz de convertir energía química en energía eléctrica. Consta de electrodos positivos y negativos sumergidos en un electrolito común.
• Un electrodo es un material conductor capaz de producir portadores de corriente al reaccionar con un electrolito.
• El electrolito es un material que conduce portadores de carga en una celda.
• Un ciclo es una secuencia de carga y descarga de un elemento.

términos ingleses

• Una batería - batería incandescente
• batería de almacenamiento de ácido - batería de baterías de ácido (plomo)
• batería de aire - elemento aire-metal
• pila alcalina - pila alcalina (primaria)
• pila alcalina - pila alcalina de manganeso-zinc
• pila seca alcalina - pila seca de mercurio-zinc
• pila alcalina seca - pila alcalina seca
• pila alcalina de manganeso - pila alcalina de manganeso-zinc
• batería de almacenamiento alcalina - batería alcalina
• batería de almacenamiento alcalina - batería alcalina
• batería de ánodo - batería de ánodo
• Batería B - batería de ánodo
• Batería Bansen - (ácido nítrico-zinc) Celda Bunsen
• batería tipo bolsa - elemento de copa (primario) con una pupa
• batería de equilibrio - batería tampón
• batería - batería
• batería de polarización: elemento de batería de polarización, elemento de batería de red
• batería de polarización - batería de polarización, batería de red
• batería de bicromato - celda (primaria) con solución de dicromato
• batería de respaldo - batería de respaldo
• batería de derivación - batería de respaldo
• Batería C: batería de polarización, batería de red.
• Batería Clark - celda Clark (mercurio-zinc)
• batería normal de cadmio - (mercurio-cadmio) celda normal de Weston
• batería de óxido de cadmio-plata - celda galvánica de óxido de cadmio
• batería de carbono - celda (primaria) con electrodo de carbono
• Batería de carbono-zinc: celda (seca) con un ánodo de zinc y un cátodo de carbono.
• celda - elemento, celda, celda galvánica (celda primaria, batería o celda de combustible)
• batería química - batería de fuentes de corriente química
• batería recargable - elemento recargable
• batería de cobre-zinc - celda de cobre-zinc
• batería contadora (electromotriz) - elemento contrarrestante
• Batería Daniel - (cobre-zinc) Celda Daniel
• batería de descomposición: una celda con una reacción (lateral) de descomposición electrolítica
• batería de dicromato - celda (primaria) con solución de dicromato
• batería de desplazamiento: una celda con una reacción de reemplazo electrolítico (lateral)
• Batería de óxido de plata divalente: una celda con oxidación de plata al estado divalente.
• batería de doble fluido - elemento de dos fluidos
• almacenamiento de tambor - batería de níquel-zinc
• batería seca - celda seca
• batería seca - batería seca
• batería cargada en seco - batería de baterías cargadas en seco
• batería cargada en seco - batería cargada en seco
• Batería Edison - batería de níquel-hierro
• batería eléctrica - batería galvánica (batería de pilas primarias, acumuladores o pilas de combustible)
• batería eléctrica - celda galvánica (celda primaria), batería o celda de combustible
• baterías de emergencia - baterías de emergencia
• batería de emergencia - batería de emergencia
• baterías finales - baterías de repuesto
• Batería Faradey - Celda Faraday
• Batería de almacenamiento Faure - batería con placas pegadas
• batería de filamento - batería de filamento
• batería flotante - batería de repuesto (conectada en paralelo a la batería principal)
• Batería Grenet - (dicromato de zinc) Celda Grenet
• batería galvánica - celda electroquímica en modo celda galvánica
• batería de red - batería de red, batería de desplazamiento
• batería de polarización de red - batería de polarización, batería de red
• Pila Lalande - (óxido de cobre y zinc alcalino) Celda Lalande
• Batería Leclanche - (manganeso-zinc) Celda Leclanche
• batería de plomo (-ácido) - batería de ácido (plomo)
• batería de plomo-ácido (almacenamiento de plomo) - batería de baterías de plomo (ácido)
• batería de plomo-calcio - celda de plomo-calcio
• batería primaria de dióxido de plomo - celda primaria de dióxido de plomo
• batería de línea - batería de respaldo
• batería de litio: una celda con un ánodo de litio
• batería secundaria de sulfuro de hierro y litio - batería de cloruro de hierro y litio
• batería de litio-cromato de plata - celda de cromato de plata-litio
• batería de litio-agua - celda de litio-agua
• Batería de larga duración en húmedo: una batería de baterías con una larga vida útil en estado inundado.
• batería de magnesio - celda primaria con ánodo de magnesio
• batería de óxido de magnesio y mercurio - batería de óxido de magnesio y mercurio
• batería de cloruro cuproso de magnesio - celda de cloruro de cobre-magnesio
• batería de magnesio-cloruro de plata - celda de plata-cloruro de magnesio
• batería de magnesio-agua - batería de magnesio-agua
• batería de mercurio - celda (seca) de mercurio-zinc
• batería de mercurio - batería de celdas (secas) de mercurio-zinc
• batería de almacenamiento de metal-aire - batería de metal-aire
• batería de nicad (níquel-cadmio) - batería de níquel-cadmio
• batería de níquel-cadmio - batería de níquel-cadmio
• batería de níquel-hierro - batería de níquel-hierro
• batería de níquel-hierro - batería de níquel-hierro
• Batería Plante - batería de plomo (ácido) con separador de ropa
• batería piloto - batería de control batería
• batería de placa - batería de ánodo
• batería enchufable - batería reemplazable
• batería portátil - batería portátil
• batería primaria - elemento (primario)
• batería primaria - batería de celdas (primarias)
• batería silenciosa - batería del micrófono
• Batería Ruben - celda (seca) de mercurio-zinc
• batería recargable - batería de baterías
• batería recargable - batería de elementos recargables
• batería de reserva - elemento galvánico de una batería de reserva
• batería sonando - batería sonando (teléfono)
• batería de sal-amoniaco - celda (primaria) con soluciones de sales de amonio
• batería estándar saturada - celda normal saturada
• batería sellada - batería sellada
• batería sellada - elemento sellado (primario)
• batería secundaria - batería de baterías
• batería de señalización - batería de llamada (teléfono)
• batería de almacenamiento de plata-cadmio - batería de baterías de plata-cadmio
• Batería de óxido de plata: celda (primaria) con cátodo de plata.
• batería primaria de plata-zinc - celda primaria de plata-zinc
• batería de almacenamiento de plata y zinc - batería de baterías de plata y zinc
• batería solar - batería solar
• Batería Daniel estándar - (cobre-zinc) Celda Daniel normal
• batería de reserva - batería de emergencia
• batería estacionaria - batería estacionaria batería de almacenamiento - batería de baterías
• batería parlante - batería de micrófono
• Batería voltaica - elemento Volta; Elemento con electrodos metálicos y electrolito líquido.
• Batería Weston (estándar) - celda Weston normal (mercurio-cadmio)
• batería húmeda - celda con electrolito líquido
• batería de zinc-aire - batería de celdas de zinc-aire
• batería de zinc-cloro - batería de zinc-cloro
• batería de óxido de cobre y zinc - celda de óxido de cobre y zinc
• batería de zinc-hierro - celda de zinc-hierro
• batería de dióxido de zinc-manganeso - batería de celdas de manganeso-zinc
• batería de óxido de zinc-mercurio - celda de óxido de zinc-mercurio
• batería de zinc-níquel - batería de níquel-zinc
• batería primaria de zinc-cloruro de plata - celda primaria de cloruro de plata-zinc

Introducción

Las fuentes químicas de corriente (CHS) forman parte de nuestras vidas desde hace muchos años. En la vida cotidiana, el consumidor rara vez presta atención a las diferencias entre los HIT utilizados. Para él, se trata de pilas y acumuladores. Suelen utilizarse en dispositivos como linternas, juguetes, radios o coches.

Muy a menudo, las pilas y acumuladores se distinguen por su apariencia. Pero hay baterías que están diseñadas de la misma forma que las baterías. Por ejemplo apariencia La batería KNG-1D se diferencia poco de las clásicas pilas R6C AA. Y viceversa. Las baterías recargables y las baterías de disco tampoco se distinguen en apariencia. Por ejemplo, una batería D-0.55 y una celda (batería) de mercurio de botón pulsador RC-82.

Para distinguirlos, el consumidor debe prestar atención a las marcas en el cuerpo del HIT. Las marcas aplicadas a las carcasas de pilas y acumuladores se describen en los Capítulos 1 y 2 en las figuras y tablas. Esto es necesario para seleccionar correctamente la fuente de alimentación de su dispositivo.

La aparición de equipos portátiles de audio, vídeo y otros equipos que consumen más energía requirió un aumento en la intensidad energética de los HIT, su confiabilidad y durabilidad.

Este libro describe las características técnicas y los métodos para seleccionar el HIT óptimo, métodos para cargar, restaurar, operar y extender la vida útil de baterías y acumuladores.

Se advierte al lector que tenga precaución con respecto a la seguridad y eliminación de productos químicos de desecho.

En el caso de que el consumo de energía sea relativamente elevado (10Ah), se utilizan baterías, principalmente ácidas, además de níquel-hierro y níquel-cadmio. Se utilizan en ordenadores portátiles (Laptop, Notebook, Palmtop), equipos de comunicaciones portátiles, iluminación de emergencia, etc.

Las baterías de coche ocupan un lugar especial en el libro. Se proporcionan diagramas de dispositivos para cargar y restaurar baterías y se describen baterías selladas nuevas creadas con la tecnología "dryfit" que no requieren mantenimiento durante 5...8 años de funcionamiento. No tienen efectos nocivos para las personas ni para los equipos.

En los últimos años, estas baterías se han utilizado ampliamente en fuentes de alimentación de respaldo para computadoras y sistemas electromecánicos que acumulan energía para posibles picos de carga y suministro de energía de emergencia de sistemas vitales.

Al inicio de cada capítulo hay un glosario de términos especiales en inglés que se utilizan en las descripciones y etiquetado de pilas y acumuladores. Al final del libro hay un diccionario consolidado de términos.

Las principales características de los CCI para una amplia gama de aplicaciones que son de interés práctico se dan en la Tabla B.1.

CAPÍTULO 1
FUENTES DE CORRIENTE GALVÁNICAS DE ACCIÓN SIMPLE

Las fuentes de corriente galvánica desechables son un recipiente unificado que contiene un electrolito absorbido por el material activo del separador y electrodos (ánodo y cátodo), por lo que se denominan celdas secas. Este término se utiliza para referirse a todas las celdas que no contienen un electrolito líquido. Las pilas secas comunes incluyen las pilas de zinc-carbono o Leclanche.

Las pilas secas se utilizan con corrientes bajas y modos de funcionamiento intermitentes. Por tanto, este tipo de elementos son muy utilizados en teléfonos, juguetes, sistemas de alarma, etc.

Dado que la gama de dispositivos que utilizan elementos secos es muy amplia y, además, requieren sustitución periódica, existen estándares para sus dimensiones. Cabe destacar que las dimensiones de los elementos indicados en las tablas 1.1 y 1.2 producidos por diferentes fabricantes pueden diferir ligeramente en cuanto a la ubicación de los pasadores y otras características especificadas en sus especificaciones.

Durante el proceso de descarga, el voltaje de las celdas secas cae desde el voltaje nominal hasta el voltaje de corte (el voltaje de corte es el voltaje mínimo al que la batería es capaz de entregar la energía mínima), es decir normalmente de 1,2 V a 0,8 V/celda según la aplicación. En caso de descarga cuando se conecta al elemento. resistencia constante Después de cerrar el circuito, el voltaje en sus terminales disminuye drásticamente hasta un cierto valor, algo menor que el voltaje original. La corriente que fluye en este caso se llama corriente de descarga inicial.

La funcionalidad de una celda seca depende del consumo de corriente, el voltaje de corte y las condiciones de descarga. La eficiencia del elemento aumenta a medida que disminuye la corriente de descarga. Para las celdas secas, la descarga continua durante menos de 24 horas se puede clasificar como descarga de alta velocidad.

La capacidad eléctrica de una celda seca se especifica para descarga a través de una resistencia fija a un voltaje final determinado en horas dependiendo de la descarga inicial y se presenta en un gráfico o tabla. Es recomendable utilizar el cuadro o tabla del fabricante para una batería específica. Esto se debe no sólo a la necesidad de tener en cuenta las características del producto, sino también a que cada fabricante da sus propias recomendaciones sobre el mejor uso de sus productos. En la Tabla 1.3 y en la Tabla 1.5 se presentan las características técnicas de las celdas galvánicas que últimamente son más habituales en los lineales de nuestras tiendas.

La resistencia interna de la batería puede limitar la corriente requerida, por ejemplo cuando se usa en una cámara con flash. La corriente estable inicial que una batería puede suministrar durante un corto tiempo se llama corriente flash. La designación del tipo de elemento contiene designaciones de letras que corresponden a las corrientes de destello y la resistencia interna del elemento, medidas en corriente continua y alterna (tabla 1.4). La corriente de destello y la resistencia interna son muy difíciles de medir y las células pueden tener una vida útil prolongada, pero la corriente de destello puede disminuir.

1.1. TIPOS DE CÉLULAS GALVÁNICAS

Elementos de carbono-zinc

Los elementos carbono-zinc (manganeso-zinc) son los elementos secos más comunes. Las celdas de carbono-zinc utilizan un colector de corriente pasivo (carbono) en contacto con un ánodo de dióxido de manganeso (MnO2), un electrolito de cloruro de amonio y un cátodo de zinc. El electrolito se encuentra en forma de pasta o impregna la membrana porosa. Un electrolito de este tipo es ligeramente móvil y no se esparce, por lo que los elementos se denominan secos.

La tensión nominal de la celda de carbono-zinc es de 1,5 V.

Los elementos secos pueden tener forma cilíndrica, Fig. 1.1, forma de disco, Fig. 1.2, y forma rectangular. El diseño de los elementos rectangulares es similar al de los discos. El ánodo de zinc tiene forma de vidrio cilíndrico, que también es un recipiente. Los elementos del disco constan de una placa de zinc, un diafragma de cartón impregnado con una solución electrolítica y una capa comprimida del electrodo positivo. Los elementos del disco se conectan en serie entre sí, la batería resultante se aísla y se empaqueta en una caja.

Los elementos de carbón y zinc se “restablecen” durante una pausa en el funcionamiento. Este fenómeno se debe a la alineación gradual de las heterogeneidades locales en la composición del electrolito que surgen durante el proceso de descarga. Como resultado del "descanso" periódico, se prolonga la vida útil del elemento.

En la Fig. La Figura 1.3 presenta un diagrama tridimensional que muestra el aumento en el tiempo de operación de un elemento D cuando se usa un modo de operación intermitente en comparación con uno constante. Esto debe tenerse en cuenta cuando se utilizan los elementos de forma intensiva (y se utilizan varios juegos para el funcionamiento, de modo que un juego tenga un período de tiempo suficiente para restaurar la funcionalidad. Por ejemplo, cuando se utiliza un reproductor, no se recomienda utilizar un juego de baterías durante más de dos horas seguidas. Al cambiar dos juegos, los elementos del tiempo de funcionamiento se triplican.

La ventaja de los elementos de carbono-zinc es su coste relativamente bajo. Las desventajas importantes incluyen una disminución significativa del voltaje durante la descarga, una baja densidad de potencia (5...10 W/kg) y una corta vida útil.

Las bajas temperaturas reducen la eficiencia del uso de celdas galvánicas y el calentamiento interno de la batería la aumenta. El efecto de la temperatura sobre la capacitancia de una celda galvánica se muestra en la figura. 1.4. Un aumento de temperatura provoca la corrosión química del electrodo de zinc por el agua contenida en el electrolito y el secado del electrolito. Estos factores se pueden compensar en cierta medida manteniendo la batería a temperaturas elevadas e introduciendo una solución salina en la celda a través de un agujero previamente realizado.

elementos alcalinos

Al igual que las pilas de carbono y zinc, las pilas alcalinas utilizan un ánodo de MnO2 y un cátodo de zinc con un electrolito separado.

La diferencia entre pilas alcalinas y pilas de carbono-zinc es el uso de un electrolito alcalino, por lo que prácticamente no hay desprendimiento de gas durante la descarga y se pueden sellar herméticamente, lo cual es muy importante para varias de sus aplicaciones. .

El voltaje de las pilas alcalinas es aproximadamente 0,1 V menor que el de las pilas de carbono-zinc en las mismas condiciones. Por tanto, estos elementos son intercambiables.

El voltaje de las pilas con electrolito alcalino cambia mucho menos que el de las pilas con electrolito salino. Las pilas con electrolito alcalino también tienen mayor energía específica (65...90 Wh/kg), potencia específica (100...150 kWh/m3) y una vida útil más larga.

La carga de pilas y baterías de manganeso-zinc se realiza mediante corriente alterna asimétrica. Puede cargar las celdas con electrolito salino o alcalino de cualquier concentración, pero no demasiado descargadas y sin dañar los electrodos de zinc. Dentro de la fecha de vencimiento establecida para de este tipo celda o batería, puede restaurar la funcionalidad varias veces (6...8 veces).

La carga de baterías y elementos secos se realiza desde un dispositivo especial que permite obtener una corriente de carga de la forma requerida: con una relación de componentes de carga y descarga de 10:1 y una relación de duración de pulso de estos componentes de 1: 2. Este dispositivo le permite cargar pilas de reloj y activar pilas pequeñas viejas. Al cargar pilas de reloj, la corriente de carga no debe exceder los 2 mA. El tiempo de carga no supera las 5 horas. El diagrama de dicho dispositivo para cargar baterías se muestra en la Fig. 1.5.

Aquí, la batería que se está cargando está conectada a través de dos cadenas de diodos con resistencias conectadas en paralelo. La corriente de carga asimétrica se obtiene como resultado de la diferencia en las resistencias de las resistencias. El final de la carga está determinado por el cese del aumento de voltaje en la batería. Tensión secundaria del transformador cargador se selecciona de manera que el voltaje de salida exceda el voltaje nominal del elemento en un 50...60%.

El tiempo de carga de la batería con el dispositivo descrito debería ser de aproximadamente 12...16 horas. La capacidad de carga debe ser aproximadamente un 50 % mayor que la capacidad nominal de la batería.

elementos de mercurio

Los elementos de mercurio son muy similares a los elementos alcalinos. Utilizan óxido de mercurio (HgO). El cátodo consta de una mezcla de polvo de zinc y mercurio. El ánodo y el cátodo están separados por un separador y un diafragma impregnado con una solución alcalina al 40%.

Estos elementos tienen largo plazo almacenamiento y mayores capacidades (con el mismo volumen). El voltaje de una pila de mercurio es aproximadamente 0,15 V menor que el de una pila alcalina.

Los elementos de mercurio se caracterizan por una alta energía específica (90...120 Wh/kg, 300...400 kWh/m3), estabilidad de voltaje y alta resistencia mecánica.

Para dispositivos de pequeño tamaño, se han creado elementos modernizados de los tipos RC-31S, RC-33S y RC-55US. La energía específica de los elementos RC-31S y RC-55US es de 600 kWh/m3, la de los elementos RC-33S es de 700 kWh/m3. Los elementos RC-31S y RC-33S se utilizan para alimentar relojes y otros equipos. Los elementos RC-55US están destinados a equipos médicos, en particular a dispositivos médicos implantables.

Los elementos RC-31S y RC-33S funcionan durante 1,5 años a corrientes de 10 y 18 µA, respectivamente, y el elemento RC-55US garantiza el funcionamiento de los dispositivos médicos implantados durante 5 años. Como se desprende de la Tabla 1.6, la capacidad nominal de estos elementos no corresponde a su designación.

Los elementos de mercurio funcionan en el rango de temperatura de 0 a +50oC; hay elementos resistentes al frío RC-83X y RC-85U y elementos resistentes al calor RC-82T y RC-84, que son capaces de funcionar a temperaturas de hasta +70oC . Hay modificaciones de los elementos en las que se utilizan aleaciones de indio y titanio en lugar de polvo de zinc (electrodo negativo).

Debido a que el mercurio es escaso y tóxico, las células de mercurio no deben desecharse una vez que se hayan utilizado por completo. Deben ser reciclados.

Elementos de plata

Tienen cátodos “de plata” hechos de Ag2O y AgO. Su voltaje es 0,2 V mayor que el de los de carbono-zinc en condiciones comparables.

Celdas de litio

Utilizan ánodos de litio, un electrolito orgánico y cátodos de diversos materiales. Tienen una vida útil muy larga, altas densidades de energía y funcionan en un amplio rango de temperaturas, ya que no contienen agua.

Dado que el litio tiene el potencial negativo más alto en relación con todos los metales, las celdas de litio se caracterizan por tener la tensión nominal más alta con dimensiones mínimas (Fig. 1.6). Especificaciones Las celdas galvánicas de litio se dan en la Tabla 1.7.

Los compuestos orgánicos se suelen utilizar como disolventes en dichos elementos. Los disolventes también pueden ser compuestos inorgánicos, por ejemplo SOCl2, que también son sustancias reactivas.

La conductividad iónica se garantiza introduciendo sales con aniones grandes en disolventes, por ejemplo: LiAlCl4, LiClO4, LiBFO4. Específico conductividad eléctrica Las soluciones de electrolitos no acuosas son 1...2 órdenes de magnitud más bajas que la conductividad de las soluciones acuosas. Además, los procesos catódicos en ellos suelen ser lentos, por lo que en celdas con electrolitos no acuosos las densidades de corriente son bajas.

Las desventajas de las pilas de litio incluyen su coste relativamente elevado, debido al elevado precio del litio y a los requisitos especiales para su producción (necesidad de una atmósfera inerte, purificación de disolventes no acuosos). También hay que tener en cuenta que algunas pilas de litio son explosivas si se abren.

Dichos elementos generalmente se fabrican con un diseño de botón pulsador con un voltaje de 1,5 V y 3 V. Proporcionan energía a circuitos con un consumo de aproximadamente 30 μA en modo constante o 100 μA en modo intermitente. Las celdas de litio se utilizan ampliamente en fuentes de alimentación de respaldo para circuitos de memoria, instrumentos de medición y otros sistemas de alta tecnología.

CAPÍTULO 1.2 BATERÍAS DE EMPRESAS LÍDERES DEL MUNDO

En las últimas décadas, ha aumentado el volumen de producción de análogos alcalinos de los elementos Leclanche, incluido el zinc-aire (ver Tabla B1).

Por ejemplo, en Europa la producción de elementos alcalinos de manganeso y zinc comenzó a desarrollarse en 1980 y en 1983 ya alcanzaba el 15% de la producción total.

El uso de electrolito libre limita las posibilidades de uso de autónomos y se utiliza principalmente en HIT estacionario. Por ello, numerosos estudios tienen como objetivo crear las llamadas pilas secas, o pilas con electrolito espesado, libres de elementos como el mercurio y el cadmio, que suponen graves peligros para la salud humana y el medio ambiente.

Esta tendencia es consecuencia de las ventajas de los productos químicos alcalinos en comparación con los elementos salinos clásicos:

un aumento significativo en las densidades de corriente de descarga debido al uso de un ánodo pegado;

aumentar la capacidad de los equipos de calentamiento químico debido a la posibilidad de aumentar la carga de masas activas;

creación de composiciones de aire de zinc (elementos del tipo 6F22) debido a la mayor actividad de los materiales catódicos existentes en la reacción de electrorreducción del dioxígeno en un electrolito alcalino.

Pilas de Duracell (EE.UU.)

Duracell es un líder reconocido a nivel mundial en la producción de fuentes galvánicas alcalinas desechables. La historia de la empresa se remonta a más de 40 años.

La propia empresa está ubicada en los Estados Unidos de América. En Europa, sus fábricas están ubicadas en Bélgica. Según los consumidores nacionales y extranjeros, las pilas Duracell ocupan una posición de liderazgo en popularidad, duración de uso y relación calidad-precio.

La aparición de Duracell en el mercado ucraniano atrajo la atención de nuestros consumidores.

Las densidades de corriente de descarga en las fuentes de litio no son altas (en comparación con otros HIT), del orden de 1 mA/cm2 (consulte la página 14). Con una vida útil garantizada de 10 años y una baja descarga de corriente, es racional utilizar celdas de litio Duracell en sistemas de alta tecnología.

La tecnología EXRA-POWER, patentada en EE. UU., que utiliza dióxido de titanio (TiO2) y otras características tecnológicas ayuda a aumentar la potencia y la eficiencia de los reactores químicos de manganeso y zinc Duracell.

Dentro del cuerpo de acero de las pilas alcalinas Duracell hay un colector de grafito cilíndrico que mantiene un electrolito pastoso en contacto con un cátodo de aguja.

La vida útil garantizada de los elementos es de 5 años, y al mismo tiempo se garantiza la capacidad del elemento indicada en el embalaje al final de la vida útil.

Las características técnicas de Duracell HIT se dan en la Tabla 1.8.

Baterías del consorcio Varta (Alemania)

El consorcio Varta es uno de los líderes mundiales en la producción de HIT. Las 25 fábricas del consorcio están ubicadas en más de 100 países de todo el mundo y producen más de 1.000 tipos de pilas y acumuladores.

Las principales instalaciones de producción están ocupadas por el Departamento de Baterías Industriales Estacionarias. Sin embargo, en las fábricas del consorcio el Departamento de Baterías para Instrumentos de EE.UU., Italia, Japón, República Checa, etc. produce alrededor de 600 tipos de pilas voltaicas, desde pilas de reloj hasta pilas selladas, con garantía de calidad constante independientemente de la zona geográfica. ubicación de la planta. La cámara fotográfica del primer hombre que pisó la Luna funcionaba con pilas Varta.

Son bastante conocidos por nuestros consumidores y tienen una demanda constante.

Las características técnicas de HIT se refieren a Varta con indicación. análogos domésticos se dan en la tabla 1.9.

CAPÍTULO 2. BATERÍAS

Las baterías son fuentes químicas reutilizables de energía eléctrica. Constan de dos electrodos (positivo y negativo), un electrolito y una carcasa. La acumulación de energía en la batería se produce durante una reacción química de oxidación-reducción de los electrodos. Cuando la batería se descarga, se producen los procesos inversos. El voltaje de la batería es la diferencia de potencial entre los polos de la batería con una carga fija.

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Diferentes tipos de celdas galvánicas convierten su energía química en corriente eléctrica. Recibieron su nombre en honor al científico italiano Galvani, quien realizó los primeros experimentos e investigaciones de este tipo. La electricidad se genera mediante la reacción química de dos metales (normalmente zinc y cobre) en un electrolito.

Principio de operación

Los científicos colocaron una placa de cobre y zinc en recipientes con ácido. Estaban conectados por un conductor, se formaron burbujas de gas en el primero y el segundo comenzó a disolverse. Esto demostró que la corriente eléctrica fluye a través del conductor. Después de Galvani, Volt se dedicó a experimentar. Creó un elemento cilíndrico, similar a una columna vertical. Consistía en anillos de zinc, cobre y tela, preimpregnados con ácido. El primer elemento tenía una altura de 50 cm y la tensión generada por él era sentida por una persona.

El principio de funcionamiento es que interactúan dos tipos de metal en un medio electrolítico, como resultado de lo cual la corriente comienza a fluir a través del circuito externo. Las pilas y baterías galvánicas modernas se denominan baterías. Su voltaje depende del metal utilizado. El dispositivo se coloca en un cilindro de chapa blanda. Los electrodos son mallas con pulverización catódica oxidativa y reductora.

La conversión de energía química en electricidad elimina la posibilidad de restaurar las propiedades de las baterías. Después de todo, cuando el elemento funciona, se consumen reactivos, lo que hace que la corriente disminuya. El agente reductor suele ser el plomo negativo del litio o del zinc. Durante el funcionamiento, pierde electrones. La parte positiva está hecha de sales metálicas u óxido de magnesio, realiza el trabajo de un agente oxidante.

En condiciones normales, el electrolito no deja pasar la corriente, se desintegra en iones solo cuando el circuito está cerrado. Esto es lo que hace que aparezca la conductividad. Como electrolito se utiliza una solución ácida, sales de sodio o potasio.

Variedades de elementos.

Las baterías se utilizan para alimentar dispositivos, aparatos, equipos y juguetes. Según el esquema, todos los elementos galvánicos se dividen en varios tipos:

• salina;
• alcalino;
• litio

Las más populares son las baterías de sal hechas de zinc y manganeso. El elemento combina fiabilidad, calidad y precio razonable. Pero últimamente, los fabricantes han reducido o detenido por completo su producción, a medida que aumentan gradualmente las exigencias de las empresas que fabrican electrodomésticos. Las principales ventajas de las baterías galvánicas de este tipo:

• parámetros universales que permiten su uso en diferentes áreas;
• operación fácil;
• bajo costo;
• condiciones simples producción;
• Materias primas accesibles y económicas.

Entre las desventajas se encuentran una vida útil corta (no más de dos años), una disminución de las propiedades debido a las bajas temperaturas, una disminución de la capacidad al aumentar la corriente y una disminución del voltaje durante el funcionamiento. Cuando las baterías de sal se descargan, pueden tener fugas ya que el volumen positivo del electrodo expulsa el electrolito. La conductividad aumenta con grafito y negro de carbón; la mezcla activa se compone de dióxido de manganeso. La vida útil depende directamente del volumen de electrolito.

En el siglo pasado aparecieron los primeros elementos alcalinos. El papel del agente oxidante en ellos lo desempeña el manganeso y el agente reductor es el polvo de zinc. El cuerpo de la batería está amalgamado para evitar la corrosión. Pero el uso de mercurio estaba prohibido, por lo que se recubrieron con mezclas de polvo de zinc e inhibidores de oxidación.

El principio activo en el dispositivo de una celda galvánica es estos son zinc, indio, plomo y aluminio.. La masa activa incluye hollín, manganeso y grafito. El electrolito está hecho de potasio y sodio. El polvo seco mejora significativamente el rendimiento de la batería. Con las mismas dimensiones que los de sal, los alcalinos tienen mayor capacidad. Siguen funcionando bien incluso en caso de heladas severas.

Las celdas de litio se utilizan para alimentar la tecnología moderna. Se producen en forma de pilas y acumuladores. diferentes tamaños. Los primeros contienen un electrolito sólido, mientras que otros dispositivos contienen un electrolito líquido. Esta opción es adecuada para dispositivos que requieren voltaje estable y cargos promedio actuales. Las baterías de litio se pueden cargar varias veces., las pilas se utilizan una sola vez, no se abren.

Ámbito de aplicación

Existen una serie de requisitos para la producción de celdas galvánicas. La caja de la batería debe ser confiable y estar sellada. El electrolito no debe derramarse y no debe permitirse que entren sustancias extrañas en el aparato. En algunos casos, cuando el líquido se escapa, se incendia. Un artículo dañado no se puede utilizar. Las dimensiones de todas las baterías son casi las mismas, solo difieren los tamaños de las baterías. Los elementos pueden tener diferentes formas: cilíndricas, prismáticas o de disco.

Todo tipo de dispositivos tienen ventajas comunes: son compactos y livianos, se adaptan a diferentes rangos de temperatura de funcionamiento, tienen una gran capacidad y funcionan de manera estable en diferentes condiciones. También existen algunas desventajas, pero se relacionan con ciertos tipos de elementos. Los de sal no duran mucho, los de litio están diseñados de tal manera que pueden encenderse si se despresurizan.

Las aplicaciones de las baterías son numerosas:

• tecnología digital;
• Juguetes de los niños;
• dispositivos médicos;
• industria de defensa y aviación;
• producción espacial.

Las celdas galvánicas son fáciles de usar y asequibles. Pero algunos tipos deben manipularse con cuidado y no utilizarse si están dañados. Antes de comprar baterías, debe estudiar detenidamente las instrucciones del dispositivo que alimentarán.

Fuentes de energía eléctrica de baja potencia.

Las pilas y baterías galvánicas se utilizan para alimentar equipos eléctricos y de radio portátiles.

Celdas galvánicas- se trata de fuentes de acción única, baterias- fuentes reutilizables.

La celda galvánica más simple.

El elemento más simple se puede fabricar a partir de dos tiras: cobre y zinc, sumergidas en agua ligeramente acidificada con ácido sulfúrico. Si el zinc es lo suficientemente puro como para estar libre de reacciones locales, no se producirá ningún cambio notable hasta que el cobre y el zinc estén conectados mediante cables.

Sin embargo, las tiras tienen diferentes potenciales entre sí, y cuando se conectan mediante un cable, aparecerá un en él. A medida que avanza esta acción, la tira de zinc se disolverá gradualmente y se formarán burbujas de gas cerca del electrodo de cobre que se acumularán en su superficie. Este gas es hidrógeno, formado a partir del electrolito. La corriente eléctrica fluye desde la tira de cobre a través del cable hasta la tira de zinc y desde ésta a través del electrolito de regreso al cobre.

Poco a poco, el ácido sulfúrico del electrolito se reemplaza por sulfato de zinc, formado a partir de la parte disuelta del electrodo de zinc. Debido a esto, se reduce el voltaje del elemento. Sin embargo, una caída de tensión aún mayor se debe a la formación de burbujas de gas en el cobre. Ambas acciones producen "polarización". Estos elementos casi no tienen importancia práctica.

Parámetros importantes de las celdas galvánicas.

La magnitud del voltaje proporcionado por las celdas galvánicas depende únicamente de su tipo y diseño, es decir, del material de los electrodos y de la composición química del electrolito, pero no depende de la forma y tamaño de los elementos.

La cantidad de corriente que puede producir una celda galvánica está limitada por su resistencia interna.

Una característica muy importante de una celda galvánica es. Por capacidad eléctrica se entiende la cantidad de electricidad que una celda galvánica o de batería es capaz de entregar durante todo el tiempo de su funcionamiento, es decir, hasta que se produce la descarga final.

La capacidad dada por el elemento se determina multiplicando la corriente de descarga, expresada en amperios, por el tiempo en horas durante el cual el elemento estuvo descargado hasta el inicio de la descarga completa. Por tanto, la capacidad eléctrica siempre se expresa en amperios-hora (A x h).

En función de la capacidad del elemento, también se puede determinar de antemano cuántas horas funcionará antes de que se descargue por completo. Para hacer esto, divida la capacidad por la corriente de descarga permitida para este elemento.

Sin embargo, la capacitancia eléctrica no es un valor estrictamente constante. Varía dentro de límites bastante amplios según las condiciones de funcionamiento (modo) del elemento y el voltaje de descarga final.

Si el elemento se descarga con la corriente máxima y sin interrupción, emitirá una capacidad significativamente menor. Por el contrario, cuando el mismo elemento se descarga con menor corriente y con pausas frecuentes y relativamente largas, el elemento cederá toda su capacidad.

En cuanto al efecto de la tensión de descarga final sobre la capacitancia del elemento, hay que tener en cuenta que durante la descarga de una celda galvánica, su tensión de funcionamiento no permanece en el mismo nivel, sino que disminuye gradualmente.

Tipos comunes de celdas galvánicas.

Las celdas galvánicas más comunes son los sistemas de manganeso-zinc, manganeso-aire, zinc-aire y mercurio-zinc con sal y electrolitos alcalinos. Las pilas secas de manganeso-zinc con electrolito de sal tienen un voltaje inicial de 1,4 a 1,55 V, su tiempo de funcionamiento a temperatura ambiente de -20 a -60 o C de 7 horas a 340 horas.

Las pilas secas de manganeso-zinc y zinc-aire con electrolito alcalino tienen un voltaje de 0,75 a 0,9 V y un tiempo de funcionamiento de 6 horas a 45 horas.

Las celdas secas de mercurio-zinc tienen un voltaje inicial de 1,22 a 1,25 V y un tiempo de funcionamiento de 24 a 55 horas.

más grande Período de garantía Los elementos secos de mercurio y zinc tienen una vida útil de hasta 30 meses.

Se trata de células galvánicas secundarias.A diferencia de las pilas galvánicas, en la batería no se producen procesos químicos inmediatamente después del montaje.

Para que en la batería comiencen las reacciones químicas asociadas al movimiento. cargas eléctricas, es necesario cambiar la composición química de sus electrodos (y en parte del electrolito) en consecuencia. Este cambio en la composición química de los electrodos se produce bajo la influencia de la corriente eléctrica que pasa a través de la batería.

Por lo tanto, para que la batería produzca corriente eléctrica, primero debe “cargarse” con una carga constante. descarga eléctrica de alguna fuente de corriente externa.

Las baterías también se diferencian de las pilas galvánicas convencionales en que, una vez descargadas, se pueden volver a cargar. Con buen cuidado y en condiciones normales de funcionamiento, las baterías pueden soportar hasta varios miles de cargas y descargas.
Dispositivo de batería

Actualmente, en la práctica se utilizan con mayor frecuencia baterías de plomo y cadmio-níquel. Para el primero, el electrolito es una solución de ácido sulfúrico y para el segundo, una solución de álcalis en agua. Las baterías de plomo también se denominan baterías ácidas y las de níquel-cadmio se denominan baterías alcalinas.

El principio de funcionamiento de las baterías se basa en la polarización de los electrodos. La batería de ácido más simple está diseñada de la siguiente manera: son dos placas de plomo sumergidas en un electrolito. Como resultado de la reacción de sustitución química, las placas se cubren con una ligera capa de sulfato de plomo PbSO4, como se desprende de la fórmula Pb + H 2 SO 4 = PbSO 4 + H 2.

Dispositivo de batería ácida

Este estado de las placas corresponde a una batería descargada. Si la batería ahora está encendida para cargar, es decir, conectada a un generador de corriente continua, debido a la electrólisis, comenzará la polarización de las placas. Como resultado de la carga de la batería, sus placas se polarizan, es decir, cambian la sustancia de su superficie y de homogéneas (PbSO 4) se vuelven diferentes (Pb y Pb O 2).

La batería se convierte en una fuente de corriente y su electrodo positivo es una placa recubierta con dióxido de plomo y el electrodo negativo es una placa de plomo limpia.

Hacia el final de la carga, la concentración de electrolito aumenta debido a la aparición de moléculas adicionales de ácido sulfúrico.

Ésta es una de las características de una batería de plomo-ácido: su electrolito no permanece neutro y él mismo participa en reacciones químicas durante el funcionamiento de la batería.

Hacia el final de la descarga, ambas placas de la batería se vuelven a cubrir con sulfato de plomo, por lo que la batería deja de ser una fuente de corriente. La batería nunca llega a este estado. Debido a la formación de sulfato de plomo en las placas, la concentración de electrolito al final de la descarga disminuye. Si pones la batería a cargar puedes volver a provocar la polarización para volver a descargarla, etc.

Cómo cargar la batería

Hay varias formas de cargar baterías. La más sencilla es la carga normal de la batería, que se produce de la siguiente manera. Inicialmente, durante 5 a 6 horas, la carga se realiza con el doble de corriente normal hasta que el voltaje en cada banco de baterías alcanza los 2,4 V.

La corriente de carga normal está determinada por la fórmula I cargo = Q/16

donde q - capacidad nominal de la batería, Ah.

Después de eso, la corriente de carga se reduce a un valor normal y la carga continúa durante 15 a 18 horas, hasta que aparecen signos del final de la carga.

Baterías modernas

Las pilas de cadmio-níquel, o alcalinas, aparecieron mucho más tarde que las de plomo y, en comparación con ellas, son fuentes de corriente química más avanzadas. La principal ventaja de las pilas alcalinas sobre las de plomo es la neutralidad química de su electrolito con respecto a las masas activas de las placas. Debido a esto, la autodescarga de las baterías alcalinas es mucho menor que la de las baterías de plomo. El principio de funcionamiento de las pilas alcalinas también se basa en la polarización de los electrodos durante la electrólisis.

Para alimentar los equipos de radio, se producen baterías selladas de cadmio-níquel, que funcionan a temperaturas de -30 a +50 o C y pueden soportar entre 400 y 600 ciclos de carga y descarga. Estas baterías tienen forma de paralelepípedos compactos y discos con una masa de varios gramos a kilogramos.

Producen baterías de níquel-hidrógeno para el suministro de energía a instalaciones autónomas. La energía específica de una batería de níquel-hidrógeno es de 50 a 60 Wh kg -1.