Éléments galvaniques. Types et appareil. Travail et fonctionnalités. Cellules et batteries galvaniques - dispositif, principe de fonctionnement, types Ce qui s'applique aux batteries galvaniques - dispositifs de stockage d'énergie

Conditions préalables à l'émergence de cellules galvaniques. Un peu d'histoire. En 1786, le professeur italien de médecine, physiologiste Luigi Aloisio Galvani, découvre un phénomène intéressant : les muscles des pattes postérieures d'un cadavre de grenouille fraîchement ouvert, suspendus à des crochets en cuivre, se contractent lorsque le scientifique les touche avec un scalpel en acier. Galvani a immédiatement conclu qu’il s’agissait d’une manifestation de « l’électricité animale ».

Après la mort de Galvani, son contemporain Alessandro Volta, chimiste et physicien, décrira et démontrera publiquement un mécanisme plus réaliste pour la génération de courant électrique lorsque différents métaux entrent en contact.

Volta, après une série d'expériences, arrivera à la conclusion sans équivoque que le courant apparaît dans le circuit en raison de la présence de deux conducteurs de métaux différents placés dans un liquide, et ce n'est pas du tout de « l'électricité animale », comme Galvani pensée. Les contractions des pattes de la grenouille étaient une conséquence de l'action du courant généré par le contact de différents métaux (crochets en cuivre et scalpel en acier).

Volta montrera les mêmes phénomènes que Galvani a démontré sur une grenouille morte, mais sur un électromètre artisanal complètement inanimé, et donnera en 1800 une explication précise de l'apparition du courant : « un conducteur de deuxième classe (liquide) est au milieu et est en contact avec deux conducteurs de première classe provenant de deux métaux différents... En conséquence, un courant électrique apparaît dans un sens ou dans l'autre.

Dans l'une de ses premières expériences, Volta a plongé deux plaques – du zinc et du cuivre – dans un pot d'acide et les a reliées avec du fil. Après cela, la plaque de zinc a commencé à se dissoudre et des bulles de gaz sont apparues sur l'acier au cuivre. Volta a suggéré et prouvé qu'un courant électrique circule dans un fil.

C'est ainsi qu'a été inventé « l'élément Volta », la première cellule galvanique. Pour plus de commodité, Volta lui a donné la forme d'un cylindre vertical (colonne), constitué d'anneaux interconnectés de zinc, de cuivre et de tissu, imbibés d'acide. Une colonne voltaïque d’un demi-mètre de haut créait une tension sensible aux humains.

Depuis que les recherches ont été lancées par Luigi Galvani, le nom a gardé son souvenir dans son nom.

Pile galvanique est une source chimique de courant électrique basée sur l'interaction de deux métaux et/ou de leurs oxydes dans un électrolyte, conduisant à l'apparition d'un courant électrique en circuit fermé. Ainsi, dans les cellules galvaniques, l’énergie chimique est convertie en énergie électrique.

Les cellules galvaniques aujourd'hui

Les cellules galvaniques sont aujourd’hui appelées batteries. Trois types de piles sont largement utilisés : au sel (sèches), alcalines (on les appelle aussi alcalines, « alcaline » traduit de l'anglais par « alcaline ») et au lithium. Le principe de leur fonctionnement est le même que celui décrit par Volta en 1800 : deux métaux et un courant électrique naissent dans un circuit fermé externe.

La tension de la batterie dépend à la fois des métaux utilisés et du nombre d'éléments composant la « batterie ». Les batteries, contrairement aux accumulateurs, ne sont pas capables de restituer leurs propriétés, puisqu'elles convertissent directement l'énergie chimique, c'est-à-dire l'énergie des réactifs qui composent la batterie (agent réducteur et oxydant), en énergie électrique.

Les réactifs inclus dans la batterie sont consommés pendant son fonctionnement et le courant diminue progressivement, de sorte que l'effet de la source prend fin une fois que les réactifs ont complètement réagi.

Les piles alcalines et au sel (piles) sont largement utilisées pour alimenter une variété de appareils électroniques, les équipements radio, les jouets et le lithium se trouvent le plus souvent dans les appareils médicaux portables tels que les glucomètres ou dans les équipements numériques tels que les appareils photo.

Les cellules manganèse-zinc, appelées batteries au sel, sont des cellules galvaniques « sèches » qui ne contiennent pas de solution électrolytique liquide.

L'électrode de zinc (+) est une cathode en forme de verre et l'anode est un mélange en poudre de dioxyde de manganèse et de graphite. Le courant circule à travers la tige de graphite. L'électrolyte est une pâte composée d'une solution de chlorure d'ammonium additionnée d'amidon ou de farine pour l'épaissir afin que rien ne coule.

En règle générale, les fabricants de piles n'indiquent pas la composition exacte des piles au sel, cependant, les piles au sel sont les moins chères, elles sont généralement utilisées dans des appareils où la consommation d'énergie est extrêmement faible : dans les montres, dans les télécommandes. télécommande, dans les thermomètres électroniques, etc.

La notion de « capacité nominale » est rarement utilisée pour caractériser les batteries zinc-manganèse, car leur capacité dépend fortement des modes et des conditions de fonctionnement. Les principaux inconvénients de ces éléments sont le taux de diminution significatif de la tension tout au long de la décharge et une diminution significative de la capacité délivrée avec l'augmentation du courant de décharge. La tension de décharge finale est réglée en fonction de la charge dans la plage de 0,7 à 1,0 V.

Non seulement l'amplitude du courant de décharge est importante, mais également le calendrier de la charge. Avec une décharge intermittente à courants élevés et moyens, les performances des batteries augmentent sensiblement par rapport au fonctionnement continu. Cependant, en cas de faibles courants de décharge et d'interruptions de fonctionnement de plusieurs mois, leur capacité peut diminuer en raison de l'autodécharge.

Le graphique ci-dessus montre les courbes de décharge d'une pile au sel moyenne pendant 4, 10, 20 et 40 heures pour comparaison avec la pile alcaline, dont Nous parlerons Plus loin.

Une pile alcaline est une pile voltaïque au manganèse-zinc qui utilise du dioxyde de manganèse comme cathode, du zinc en poudre comme anode et une solution alcaline, généralement sous forme de pâte d'hydroxyde de potassium, comme électrolyte.

Ces batteries présentent de nombreux avantages (notamment une capacité nettement supérieure, meilleur travailà basses températures et à des courants de charge élevés).

Les piles alcalines, par rapport aux piles au sel, peuvent fournir plus de courant pendant une période plus longue. Un courant plus élevé devient possible car le zinc n'est pas utilisé ici sous forme de verre, mais sous forme de poudre qui a une plus grande surface de contact avec l'électrolyte. L'hydroxyde de potassium sous forme de pâte est utilisé comme électrolyte.

C’est grâce à la capacité de ce type de cellules galvaniques à délivrer un courant important (jusqu’à 1 A) pendant une longue période que les piles alcalines sont aujourd’hui les plus répandues.

Les jouets électriques, les équipements médicaux portables, les appareils électroniques et les appareils photo utilisent tous des piles alcalines. Ils durent 1,5 fois plus longtemps que ceux au sel si la décharge est à faible courant. Le graphique montre les courbes de décharge à différents courants pour comparaison avec une batterie au sel (le graphique a été présenté ci-dessus) pendant 4, 10, 20 et 40 heures.

Batteries à lithium

Un autre type assez courant de cellule voltaïque est celui des batteries au lithium – des cellules voltaïques uniques non rechargeables qui utilisent le lithium ou ses composés comme anode. Grâce à l'utilisation de métaux alcalins, ils présentent une différence de potentiel élevée.

La cathode et l'électrolyte d'une pile au lithium peuvent être très différents, c'est pourquoi le terme « pile au lithium » regroupe un groupe de cellules avec le même matériau d'anode. Par exemple, le dioxyde de manganèse, le monofluorure de carbone, la pyrite, le chlorure de thionyle, etc. peuvent être utilisés comme cathode.

Les batteries au lithium se distinguent des autres batteries par leur longue durée de vie et leur coût élevé. Selon la taille choisie et les produits chimiques utilisés, une pile au lithium peut produire des tensions allant de 1,5 V (compatible avec les piles alcalines) à 3,7 V.

Ces batteries ont la plus grande capacité par unité de poids et une longue durée de conservation. Les piles au lithium sont largement utilisées dans les équipements électroniques portables modernes : pour alimenter les montres cartes mères ordinateurs, pour alimenter des appareils médicaux portables, des montres-bracelets, des calculatrices, du matériel photographique, etc.

Le graphique ci-dessus montre les courbes de décharge de deux batteries au lithium de deux fabricants populaires. Le courant initial était de 120 mA (par résistance d'environ 24 Ohms).

Kyzyl, TSU

ABSTRAIT

Sujet : "Cellules galvaniques. Batteries."

Compilé par : Spiridonova V.A.

I année, IV gr., FMF

Vérifié par : Kendivan O.D.

2001

Introduction

II. Sources de courant galvanique

1. Types de cellules galvaniques

III. Batteries

1. Acide

2. alcalin

3. Nickel-cadmium scellé

4. Scellé

5. Batteries de technologie « DRYFIT »

INTRODUCTION

Sources de courant chimique (CHS) depuis de nombreuses années

fermement entré dans nos vies. Dans la vie de tous les jours, le consommateur prête rarement attention à

attention aux différences entre les HIT utilisés. Pour lui, ce sont des piles et

batteries. Ils sont généralement utilisés dans des appareils tels que

lampes de poche, jouets, radios ou voitures.

Dans le cas où la consommation électrique est relativement

est grand (10Ah), on utilise des batteries, principalement acides,

ainsi que le nickel-fer et le nickel-cadmium. Ils sont utilisés dans

ordinateurs portables (Laptop, Notebook, Palmtop), appareils portables

communications, éclairage de secours, etc.

Ces dernières années, de telles batteries ont été largement utilisées dans

alimentations de secours pour ordinateurs et électromécaniques

des systèmes qui stockent l’énergie pour d’éventuelles charges de pointe

et l'alimentation électrique de secours des systèmes vitaux.

SOURCES DE COURANT GALVANIQUE

Sources de courant galvanique jetables

sont un conteneur unifié dans lequel

contient un électrolyte absorbé par la matière active

séparateur et électrodes (anode et cathode), c'est pourquoi on les appelle

éléments secs. Ce terme est utilisé en relation avec

toutes les cellules qui ne contiennent pas d'électrolyte liquide. À l'ordinaire

Les éléments secs comprennent des éléments carbone-zinc.

Les piles sèches sont utilisées pour les courants faibles et intermittents

modes de fonctionnement. Par conséquent, ces éléments sont largement utilisés dans

téléphones, jouets, systèmes d'alarme, etc.

L'action de toute cellule galvanique repose sur l'apparition d'une réaction redox. Dans sa forme la plus simple, une cellule galvanique est constituée de deux plaques ou tiges constituées de métaux différents et immergées dans une solution électrolytique. Un tel système permet de séparer spatialement la réaction redox : l'oxydation se produit sur un métal, et la réduction se produit sur un autre. Ainsi, les électrons sont transférés de l’agent réducteur à l’agent oxydant via le circuit externe.

Prenons, à titre d'exemple, une cellule galvanique cuivre-zinc, alimentée par l'énergie de la réaction ci-dessus entre le zinc et le sulfate de cuivre. Cette cellule (cellule Jacobi-Daniel) est constituée d'une plaque de cuivre immergée dans une solution de sulfate de cuivre (électrode de cuivre) et d'une plaque de zinc immergée dans une solution de sulfate de zinc (électrode de zinc). Les deux solutions sont en contact l'une avec l'autre, mais pour éviter tout mélange, elles sont séparées par une cloison en matériau poreux.

Lorsque l'élément fonctionne, c'est-à-dire lorsque la chaîne est fermée, le zinc s'oxyde : à la surface de son contact avec la solution, les atomes de zinc se transforment en ions et, une fois hydratés, passent dans la solution. Les électrons libérés dans ce cas se déplacent le long du circuit externe jusqu'à l'électrode de cuivre. L'ensemble de ces processus est représenté schématiquement par l'équation de demi-réaction, ou équation électrochimique :

La réduction des ions cuivre se produit au niveau de l’électrode de cuivre. Les électrons provenant ici de l’électrode de zinc se combinent aux ions cuivre déshydratants sortant de la solution ; les atomes de cuivre sont formés et libérés sous forme de métal. L’équation électrochimique correspondante est :

L'équation totale de la réaction se produisant dans l'élément est obtenue en additionnant les équations des deux demi-réactions. Ainsi, lors du fonctionnement d'une cellule galvanique, les électrons de l'agent réducteur passent à l'agent oxydant via le circuit externe, des processus électrochimiques ont lieu au niveau des électrodes et un mouvement directionnel des ions est observé dans la solution.

L'électrode au niveau de laquelle l'oxydation se produit est appelée anode (zinc). L'électrode au niveau de laquelle se produit la réduction est appelée cathode (cuivre).

En principe, toute réaction redox peut produire de l’énergie électrique. Cependant, le nombre de réactions

pratiquement utilisé dans les sources chimiques d’énergie électrique est faible. Cela est dû au fait que toutes les réactions redox ne permettent pas de créer une cellule galvanique dotée de propriétés techniquement intéressantes. De plus, de nombreuses réactions redox nécessitent la consommation de substances coûteuses.

Contrairement à la cellule cuivre-zinc, toutes les cellules et batteries galvaniques modernes utilisent non pas deux, mais un électrolyte ; De telles sources de courant sont beaucoup plus pratiques à utiliser.

TYPES DE CELLULES GALVANIQUES

Éléments carbone-zinc

Les éléments charbon-zinc (manganèse-zinc) sont

les éléments secs les plus courants. En charbon-zinc

Les éléments utilisent un collecteur de courant passif (carbone) dans

contact avec une anode en dioxyde de manganèse (MnO2), électrolyte en

du chlorure d'ammonium et une cathode de zinc. L'électrolyte est dans

forme de pâte ou imprègne un diaphragme poreux.

Un tel électrolyte est peu mobile et ne se propage pas, donc

les éléments sont dits secs.

Les éléments charbon-zinc sont « restaurés » pendant

pause du travail. Ce phénomène est dû à la progression progressive

alignement des inhomogénéités locales dans la composition

électrolyte résultant du processus de décharge. Par conséquent

"repos" périodique la durée de vie de l'élément est prolongée.

L'avantage des éléments carbone-zinc est leur

coût relativement faible. Aux inconvénients importants

devrait inclure une diminution significative de la tension pendant la décharge,

faible puissance spécifique (5...10 W/kg) et durée de vie courte

stockage

Les basses températures réduisent l’efficacité d’utilisation

cellules galvaniques et chauffage interne de la batterie

augmente. Une augmentation de la température provoque une corrosion chimique de l'électrode de zinc par l'eau contenue dans l'électrolyte et un dessèchement de l'électrolyte. Ces facteurs peuvent être quelque peu compensés en maintenant la batterie à des températures élevées et en introduisant une solution saline dans la cellule à travers un trou préfabriqué.

Éléments alcalins

Comme les piles carbone-zinc, les piles alcalines utilisent une anode MnO2 et une cathode zinc avec un électrolyte séparé.

La différence entre les éléments alcalins et les éléments carbone-zinc est

lors de l'utilisation d'un électrolyte alcalin, ce qui entraîne

Il n'y a pratiquement aucun dégagement de gaz lors de la décharge, et ils peuvent être

être scellé, ce qui est très important pour un certain nombre d'entre eux

applications.

Éléments de mercure

Les éléments mercure sont très similaires aux éléments alcalins. En eux

L'oxyde de mercure (HgO) est utilisé. La cathode est constituée d'un mélange de poudre

zinc et mercure. L'anode et la cathode sont séparées par un séparateur et un diaphragme,

trempé dans une solution alcaline à 40%.

Puisque le mercure est rare et toxique, les éléments mercureux ne sont pas

doivent être jetés après avoir été complètement utilisés. Ils doivent

optez pour le recyclage.

Éléments d'argent

Ils ont des cathodes « argent » en Ag2O et AgO.

Piles au lithium

Ils utilisent des anodes au lithium, un électrolyte organique

et des cathodes faites de divers matériaux. Ils ont de très grandes

durée de conservation, densités énergétiques élevées et efficacité

sur une large plage de températures car ils ne contiennent pas d’eau.

Puisque le lithium a le potentiel négatif le plus élevé

par rapport à tous les métaux, éléments lithium

caractérisé par la tension nominale la plus élevée à

dimensions minimales.

La conductivité ionique est assurée en introduisant dans

Solvants de sels contenant de gros anions.

Les inconvénients des piles au lithium incluent leur

coût relativement élevé en raison du prix élevé

lithium, exigences particulières pour leur production (besoin

atmosphère inerte, purification de solvants non aqueux). Devrait

Tenez également compte du fait que certaines piles au lithium, lorsqu'elles

sont explosifs s’ils sont ouverts.

Les cellules au lithium sont largement utilisées dans les alimentations de secours pour les circuits mémoire, les instruments de mesure et autres systèmes de haute technologie.

BATTERIES

Les batteries sont des sources chimiques

énergie électrique réutilisable. Ils sont constitués de

deux électrodes (positive et négative), électrolyte

et les coques. L'accumulation d'énergie dans la batterie se produit lorsque

l'apparition d'une réaction chimique d'oxydo-réduction

électrodes. Lorsque la batterie est déchargée, l'inverse se produit

processus. La tension de la batterie est la différence de potentiel

entre les pôles de la batterie à une charge fixe.

Pour obtenir des valeurs de tension suffisamment grandes ou

en charge, les batteries individuelles sont connectées les unes aux autres

série ou parallèle aux batteries. Il y a un certain nombre

tensions généralement acceptées pour batteries: 2; 4; 6;

Nous nous limiterons à considérer les batteries suivantes :

batteries à l'acide fabriquées selon les méthodes traditionnelles

les technologies;

câble et entraînement stationnaires (automobile et

tracteur);

batteries scellées sans entretien, scellées

nickel-cadmium et acide "dryfit" A400 et A500 (gelée

électrolyte).

BATTERIES ACIDE

À titre d’exemple, considérons une batterie au plomb prête à l’emploi. Il se compose de plaques de plomb en treillis, dont certaines sont remplies de dioxyde de plomb et d'autres d'éponge métallique de plomb. Les plaques sont immergées dans une solution à 35-40 % de H2SO4 ; à cette concentration, la conductivité électrique spécifique de la solution d'acide sulfurique est maximale.

Lorsque la batterie fonctionne - lorsqu'elle est déchargée - une réaction d'oxydo-réduction s'y produit, au cours de laquelle le plomb métallique est oxydé :

Pb + SO4= PbSO4 + 2e-

Et le dioxyde de plomb est réduit :

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

Les électrons cédés par les atomes métalliques de plomb lors de l'oxydation sont acceptés par les atomes de plomb PbO2 lors de la réduction ; les électrons sont transférés d'une électrode à une autre via un circuit externe.

Ainsi, le plomb métallique sert d’anode dans une batterie au plomb et est chargé négativement, et le PbO2 sert de cathode et est chargé positivement.

Dans le circuit interne (dans la solution H2SO4), le transfert d'ions se produit pendant le fonctionnement de la batterie. Les ions SO42 se déplacent vers l’anode et les ions H+ vers la cathode. La direction de ce mouvement est déterminée par le champ électrique résultant de l'apparition de processus d'électrode : les anions sont consommés à l'anode et les cations sont consommés à la cathode. De ce fait, la solution reste électriquement neutre.

Si l'on additionne les équations correspondant à l'oxydation du plomb et à la réduction du PbO2, on obtient l'équation totale de la réaction,

fuite dans une batterie au plomb pendant son fonctionnement (décharge) :

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

E.m.f. d'une batterie au plomb chargée est d'environ 2 V. Lorsqu'une batterie se décharge, ses matériaux de cathode (PbO2) et d'anode (Pb) sont consommés. L'acide sulfurique est également consommé. Dans le même temps, la tension aux bornes de la batterie chute. Lorsqu'elle devient inférieure à la valeur autorisée par les conditions de fonctionnement, la batterie est à nouveau chargée.

Pour charger (ou charger), la batterie est connectée à source externe courant (plus à plus et moins à moins). Dans ce cas, le courant circule à travers la batterie dans le sens opposé à celui dans lequel il passait lorsque la batterie était déchargée. En conséquence, les processus électrochimiques sur les électrodes sont « inversés ». L'électrode de plomb subit maintenant un processus de réduction

PbSO4 + 2e- = Pb + SO4

ceux. Cette électrode devient la cathode. Le processus d'oxydation se produit sur l'électrode PbO2

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

donc cette électrode est maintenant l'anode. Les ions présents dans la solution se déplacent dans des directions opposées à celles dans lesquelles ils se déplaçaient lorsque la batterie fonctionnait.

En additionnant les deux dernières équations, nous obtenons l'équation de la réaction qui se produit lors de la charge de la batterie :

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

Il est facile de voir que ce processus est à l’opposé de celui qui se produit lorsque la batterie est en fonctionnement : lorsque la batterie est chargée, elle produit à nouveau les substances nécessaires à son fonctionnement.

Les batteries au plomb sont généralement connectées à une batterie, qui

placé dans un monobloc en ébonite, thermoplastique, polypropylène,

polystyrène, polyéthylène, composition de brai bitumineux, céramique

ou du verre.

L'une des caractéristiques les plus importantes d'une batterie est

durée de vie ou durée de vie (nombre de cycles). Détérioration

les paramètres et les pannes de la batterie sont principalement dus

file de corrosion du réseau et glissement de la masse active

électrode positive. La durée de vie de la batterie est déterminée

principalement par le type de plaques positives et les conditions

opération.

Les améliorations des batteries au plomb sont en bonne voie

recherche de nouveaux alliages pour les grilles (par exemple, plomb-calcium), de matériaux de boîtier légers et durables

(par exemple, à base de copolymère propylène-éthylène), améliorations

qualité des séparateurs.

PILES ALCALINES

Argent-zinc.

Ils ont de bonnes caractéristiques électriques et sont légers en poids et en volume. Les électrodes qu'ils contiennent sont des oxydes d'argent Ag2O, AgO (cathode) et du zinc spongieux (anode) ; L'électrolyte est une solution de KOH.

Pendant le fonctionnement de la batterie, le zinc est oxydé, se transformant en ZnO et Zn(OH)2, et l'oxyde d'argent est réduit en métal. La réaction globale qui se produit lorsqu'une batterie est déchargée peut être exprimée approximativement par l'équation :

AgO + Zn = Ag + ZnO

E.m.f. d'une batterie argent-zinc chargée est d'environ 1,85 V. Lorsque la tension chute à 1,25 V, la batterie est chargée. Dans ce cas, les processus sur les électrodes sont « inversés » : le zinc est réduit, l'argent est oxydé - les substances nécessaires au fonctionnement de la batterie sont à nouveau obtenues.

Cadmium-nickel et fer-nickel.

CN et ZHN sont très similaires. Leur principale différence réside dans le matériau des plaques d’électrodes négatives ; dans les batteries KN, ils sont au cadmium et dans les batteries ZhN, ils sont en fer. Les batteries KN sont les plus utilisées.

Les piles alcalines sont principalement produites avec des électrodes lamellaires. Dans ceux-ci, les masses actives sont enfermées dans des lamelles - des boîtes plates percées de trous. La masse active des plaques positives d'une batterie chargée est principalement constituée d'oxyde de nickel hydraté (Ni) Ni2O3 x H2O ou NiOOH. De plus, il contient du graphite, qui est ajouté pour augmenter la conductivité électrique. La masse active des plaques négatives des batteries KN est constituée d'un mélange de cadmium éponge avec de la poudre de fer et des batteries ZhN - de poudre de fer réduite. L'électrolyte est une solution d'hydroxyde de potassium contenant une petite quantité de LiOH.

Considérons les processus se produisant lors du fonctionnement d'une batterie KN. Lorsque la batterie est déchargée, le cadmium s'oxyde.

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

Et NiOOH est restauré :

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

Dans ce cas, les électrons sont transférés de l'électrode de cadmium à l'électrode de nickel le long du circuit externe. L'électrode de cadmium sert d'anode et est chargée négativement, et l'électrode de nickel sert de cathode et est chargée positivement.

La réaction totale se produisant dans la batterie KN pendant son fonctionnement peut être exprimée par l'équation obtenue en additionnant les deux dernières équations électrochimiques :

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

E.m.f. d'une batterie nickel-cadmium chargée est d'environ 1,4 V. Au fur et à mesure que la batterie fonctionne (se décharge), la tension à ses bornes chute. Lorsqu'elle descend en dessous de 1V, la batterie est chargée.

Lors du chargement d’une batterie, les processus électrochimiques au niveau de ses électrodes sont « inversés ». La réduction du métal se produit au niveau de l'électrode de cadmium

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

Sur nickel - oxydation de l'hydroxyde de nickel (P) :

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

La réaction totale pendant la charge est à l’opposé de la réaction qui se produit pendant la décharge :

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

BATTERIES SCELLÉES NICKEL-CADMIUM

Un groupe spécial de batteries nickel-cadmium sont les batteries scellées. L'oxygène libéré à la fin de la charge oxyde le cadmium, donc la pression dans la batterie n'augmente pas. Le taux de formation d'oxygène doit être faible, de sorte que la batterie soit chargée avec un courant relativement faible.

Les batteries scellées sont divisées en disque,

cylindrique et rectangulaire.

Piles nickel-cadmium rectangulaires scellées

sont produits avec des électrodes négatives en oxyde de cadmium non cermet ou avec des électrodes en cermet cadmium.

BATTERIES SCELLÉES

Batteries acides largement utilisées,

fabriqués à l'aide de la technologie classique, causent beaucoup de problèmes

et avoir un effet nocif sur les personnes et les équipements. Ce sont les plus

bon marché, mais nécessitent des coûts supplémentaires pour leur entretien,

locaux et personnel spéciaux.

BATTERIES À TECHNOLOGIE "DRYFIT"

La batterie acide la plus pratique et la plus sûre

sont des batteries scellées sans entretien

VRLA (Valve Regulated Lead Acid) produit grâce à la technologie

"ajustement sec". L'électrolyte de ces batteries est à l'état gélatineux. Cela garantit la fiabilité des batteries et la sécurité de leur fonctionnement.

BIBLIOGRAPHIE:

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Piles et leurs soins.

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En 3 volumes T.2. Produits et appareils électriques/sous

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Texte fourni par le Centre de Recherche Scientifique "Science et Technologie"
Les droits sur la version électronique de la publication appartiennent à N&T (www.n-t.org)

Le livre contient des informations sur la conception, les principes de fonctionnement et les caractéristiques des sources d'énergie chimiques (piles et accumulateurs). Vous apprendrez grâce à ce livre comment choisir les piles et accumulateurs dont vous avez besoin, comment les charger et les restaurer correctement.

• L'anode est la borne positive de la batterie.
• Batterie - deux cellules ou plus connectées en série et/ou en parallèle pour fournir tension requise et actuel.
• La résistance interne est la résistance au courant traversant un élément, mesurée en ohms. Parfois appelée impédance interne.
• La production d'énergie est la consommation de capacité multipliée par la tension moyenne pendant le temps de décharge des batteries, exprimée en Wattheures (Wh).
• La capacité est la quantité d'énergie électrique qu'une batterie libère dans certaines conditions de décharge, exprimée en ampères-heures (Ah) ou en coulombs (1 Ah = 3600 C).
• La charge est de l'énergie électrique transférée à un élément pour être convertie en énergie chimique stockée.
• La cathode est la borne négative de la batterie.
• La charge compensatoire est une méthode qui utilise le courant continu pour amener la batterie à un état complètement chargé et la maintenir dans cet état.
• La tension de coupure est la tension minimale à laquelle la batterie est capable de fournir de l'énergie utile dans certaines conditions de décharge.
• La tension en circuit ouvert est la tension aux bornes externes de la batterie en l’absence de consommation de courant.
• La tension nominale est la tension aux bornes d’une batterie complètement chargée lorsqu’elle est déchargée à un rythme très faible.
• La charge flottante est une méthode permettant de maintenir une batterie rechargeable dans un état complètement chargé en appliquant une tension constante sélectionnée pour compenser diverses pertes.
• La densité énergétique est le rapport entre l'énergie d'un élément et sa masse ou son volume, exprimé en wattheures par unité de masse ou de volume.
• La polarisation est une chute de tension provoquée par des changements dans la composition chimique des composants des éléments (la différence entre la tension en circuit ouvert et la tension à tout moment pendant la décharge).
• La décharge est la consommation d'énergie électrique d'un élément vers un circuit externe. Une décharge profonde est un état dans lequel la quasi-totalité de la capacité de l'élément est utilisée. Une décharge peu profonde est une décharge dans laquelle une petite partie de la capacité totale est consommée.
• Séparateur - un matériau utilisé pour isoler les électrodes les unes des autres. Il retient parfois l'électrolyte dans les cellules sèches.
• La durée de conservation est la période pendant laquelle un élément stocké dans des conditions normales (20°C) conserve 90 % de sa capacité d'origine.
• La stabilité est l'uniformité de la tension à laquelle la batterie libère de l'énergie pendant le mode de décharge complète.
• Un élément est une unité de base capable de convertir de l'énergie chimique en énergie électrique. Il se compose d'électrodes positives et négatives immergées dans un électrolyte commun.
• Une électrode est un matériau conducteur capable de produire des porteurs de courant lorsqu'il réagit avec un électrolyte.
• L'électrolyte est un matériau qui conduit les porteurs de charge dans une cellule.
• Un cycle est une séquence de charge et de décharge d’un élément.

Termes anglais

• Une batterie - batterie à incandescence
• batterie d'accumulateurs à l'acide - batterie de batteries à l'acide (plomb)
• batterie à air - élément air-métal
• pile alcaline - pile alcaline (primaire)
• pile alcaline - pile alcaline manganèse-zinc
• pile sèche alcaline - pile sèche mercure-zinc
• pile sèche alcaline - pile alcaline sèche
• pile alcaline manganèse - pile alcaline manganèse-zinc
• pile alcaline - pile alcaline
• pile alcaline - pile alcaline
• batterie anodique - batterie anodique
• Batterie B - batterie anode
• Batterie Bansen - (acide nitrique-zinc) Cellule Bunsen
• batterie de type sac - élément de tasse (primaire) avec une chrysalide
• batterie d'équilibrage - batterie tampon
• batterie - batterie
• batterie de polarisation - élément de batterie de polarisation, élément de batterie en grille
• batterie de polarisation - batterie de polarisation, batterie de grille
• batterie bichromate - cellule (primaire) avec solution bichromate
• batterie tampon - batterie tampon
• batterie de dérivation - batterie tampon
• Batterie C - batterie polarisée, batterie réseau
• Batterie Clark - (mercure-zinc) Cellule Clark
• pile normale au cadmium - (mercure-cadmium) cellule normale Weston
• batterie cadmium-oxyde d'argent - cellule galvanique à l'oxyde de cadmium
• batterie au carbone - cellule (primaire) avec une électrode de carbone
• batterie carbone-zinc - cellule (sèche) avec une anode en zinc et une cathode en carbone
• cellule - élément, cellule, cellule galvanique (pile primaire, batterie ou pile à combustible)
• batterie chimique - batterie de sources de courant chimique
• batterie rechargeable - élément rechargeable
• batterie cuivre-zinc - cellule cuivre-zinc
• batterie de compteur (électromotrice) - élément de neutralisation
• Pile Daniel - (cuivre-zinc) Pile Daniel
• batterie de décomposition - une cellule avec une réaction (secondaire) de décomposition électrolytique
• batterie dichromate - cellule (primaire) avec solution de dichromate
• batterie de déplacement - une cellule avec une réaction de remplacement électrolytique (latérale)
• pile à oxyde d'argent divalent - une cellule avec oxydation de l'argent à l'état divalent
• batterie bi-fluide - élément bi-fluide
• stockage en fût - batterie nickel-zinc
• batterie sèche - pile sèche
• batterie sèche - batterie sèche
• batterie chargée à sec - batterie de batteries chargées à sec
• batterie chargée à sec - batterie chargée à sec
• Batterie Edison - batterie nickel-fer
• batterie électrique - batterie galvanique (batterie de cellules primaires, d'accumulateurs ou de piles à combustible)
• batterie électrique - cellule galvanique (cellule primaire), batterie ou pile à combustible
• batteries de secours - batteries de secours
• batterie de secours - batterie de secours
• piles finales - piles de rechange
• Batterie Faradey - Cellule Faraday
• Accumulateur Faure - batterie à plaques collées
• batterie à filament - batterie à filament
• batterie flottante - batterie de rechange (connectée en parallèle à la batterie principale)
• Pile Grenet - (bichromate de zinc) Cellule Grenet
• batterie galvanique - cellule électrochimique en mode cellule galvanique
• batterie de réseau - batterie de réseau, batterie de déplacement
• batterie à polarisation de grille - batterie de polarisation, batterie à grille
• Pile Lalande - (oxyde de zinc cuivre alcalin) Pile Lalande
• Batterie Leclanche - (manganèse-zinc) Cellule Leclanche
• batterie au plomb (acide) - batterie acide (au plomb)
• batterie au plomb (stockage au plomb) - batterie de batteries au plomb (acide)
• batterie plomb-calcium - cellule plomb-calcium
• batterie primaire au dioxyde de plomb - cellule primaire au dioxyde de plomb
• batterie de ligne - batterie tampon
• batterie au lithium - une cellule avec une anode au lithium
• batterie secondaire au lithium-sulfure de fer - batterie fer-chlorure de lithium
• batterie au chromate lithium-argent - cellule au chromate argent-lithium
• batterie lithium-eau - pile lithium-eau
• batterie longue durée de vie en milieu humide - une batterie de batteries avec une longue durée de conservation à l'état inondé
• batterie au magnésium - cellule primaire avec anode en magnésium
• batterie à l'oxyde de magnésium et de mercure - batterie à l'oxyde de magnésium et au mercure
• batterie magnésium-chlorure cuivreux - cellule cuivre-chlorure de magnésium
• batterie magnésium-chlorure d'argent - cellule argent-chlorure de magnésium
• batterie magnésium-eau - batterie magnésium-eau
• pile au mercure - pile au mercure-zinc (sèche)
• batterie au mercure - batterie de cellules (sèches) mercure-zinc
• batterie de stockage métal-air - batterie métal-air
• batterie nicad (nickel-cadmium) - batterie nickel-cadmium
• batterie nickel-cadmium - batterie nickel-cadmium
• batterie nickel-fer - batterie nickel-fer
• batterie nickel-fer - batterie nickel-fer
• Batterie Plante - batterie au plomb (acide) avec séparateur de linge
• batterie pilote - batterie de commande batterie
• batterie à plaques - batterie à anode
• batterie rechargeable - batterie remplaçable
• batterie portable - batterie portable
• batterie primaire - élément (primaire)
• batterie primaire - batterie de cellules (primaires)
• batterie silencieuse - batterie du microphone
• Batterie Ruben - cellule mercure-zinc (sèche)
• batterie rechargeable - batterie de piles
• batterie rechargeable - batterie d'éléments rechargeables
• batterie de réserve - élément galvanique d'une batterie de réserve
• batterie qui sonne - batterie qui sonne (téléphone)
• batterie sal-ammoniaque - cellule (primaire) avec des solutions de sels d'ammonium
• batterie standard saturée - cellule normale saturée
• batterie scellée - batterie scellée
• batterie scellée - élément scellé (primaire)
• batterie secondaire - batterie de batteries
• batterie de signalisation - batterie d'appel (téléphonique)
• batterie d'accumulateurs argent-cadmium - batterie de batteries argent-cadmium
• batterie à l'oxyde d'argent - cellule (primaire) avec une cathode d'argent
• batterie primaire argent-zinc - cellule primaire argent-zinc
• batterie d'accumulateurs argent-zinc - batterie de batteries argent-zinc
• batterie solaire - batterie solaire
• pile Daniel standard - (cuivre-zinc) pile Daniel normale
• batterie de secours - batterie de secours
• batterie stationnaire - batterie de stockage de batterie stationnaire - batterie de batteries
• batterie parlante - batterie microphone
• Batterie voltaïque - élément Volta ; élément avec électrodes métalliques et électrolyte liquide
• Batterie Weston (standard) - cellule Weston normale (mercure-cadmium)
• batterie humide - cellule à électrolyte liquide
• batterie zinc-air - batterie de cellules zinc-air
• batterie zinc-chlore - batterie zinc-chlore
• batterie zinc-oxyde de cuivre - cellule cuivre-oxyde de zinc
• batterie zinc-fer - cellule zinc-fer
• batterie zinc-dioxyde de manganèse - batterie de cellules manganèse-zinc
• batterie à l'oxyde de zinc et de mercure - cellule à l'oxyde de zinc et de mercure
• batterie zinc-nickel - batterie nickel-zinc
• pile primaire zinc-chlorure d'argent - pile primaire argent-chlorure de zinc

Introduction

Les sources de courant chimique (CHS) font désormais partie de nos vies depuis de nombreuses années. Dans la vie de tous les jours, le consommateur prête rarement attention aux différences entre les HIT utilisés. Pour lui, ce sont des piles et des accumulateurs. Ils sont généralement utilisés dans des appareils tels que des lampes de poche, des jouets, des radios ou des voitures.

Le plus souvent, les piles et accumulateurs se distinguent par leur aspect. Mais il existe des batteries qui sont conçues de la même manière que les batteries. Par exemple apparence La batterie KNG-1D diffère peu des piles R6C AA classiques. Et vice versa. Les batteries rechargeables et les batteries de type disque ne se distinguent pas non plus en apparence. Par exemple, une pile D-0,55 et une pile au mercure à bouton-poussoir (batterie) RC-82.

Afin de les distinguer, le consommateur doit faire attention aux marquages ​​présents sur le corps du HIT. Les marquages ​​appliqués sur les boîtiers des piles et accumulateurs sont décrits aux chapitres 1 et 2 des figures et tableaux. Ceci est nécessaire pour sélectionner correctement l'alimentation de votre appareil.

L'émergence d'équipements audio, vidéo et autres équipements portables plus gourmands en énergie a nécessité une augmentation de l'intensité énergétique des HIT, de leur fiabilité et de leur durabilité.

Ce livre décrit les caractéristiques techniques et les méthodes de sélection du HIT optimal, les méthodes de charge, de restauration, de fonctionnement et de prolongation de la durée de vie des piles et accumulateurs.

Le lecteur est prié de faire preuve de prudence concernant la sécurité et l'élimination des déchets chimiques.

Dans le cas où la consommation électrique est relativement élevée (10 Ah), on utilise des batteries, principalement acides, ainsi que du nickel-fer et du nickel-cadmium. Ils sont utilisés dans les ordinateurs portables (Laptop, Notebook, Palmtop), les équipements de communication portables, l'éclairage de secours, etc.

Les batteries de voiture occupent une place particulière dans le livre. Des schémas de dispositifs de charge et de restauration des batteries sont fournis, et de nouvelles batteries scellées créées à l'aide de la technologie « dryfit » qui ne nécessitent pas d'entretien pendant 5 à 8 ans de fonctionnement sont décrites. Ils n’ont aucun effet nocif sur les personnes ou les équipements.

Ces dernières années, ces batteries ont été largement utilisées dans les alimentations de secours pour les ordinateurs et les systèmes électromécaniques qui accumulent de l'énergie pour d'éventuelles charges de pointe et pour l'alimentation électrique de secours des systèmes vitaux.

Au début de chaque chapitre se trouve un glossaire de termes anglais spéciaux utilisés dans la description et l'étiquetage des piles et accumulateurs. À la fin du livre se trouve un dictionnaire consolidé de termes.

Les principales caractéristiques des CCI pour un large éventail d'applications présentant un intérêt pratique sont indiquées dans le Tableau B.1.

CHAPITRE 1
SOURCES DE COURANT GALVANIQUE, SIMPLE ACTION

Les sources de courant galvanique jetables sont un conteneur unifié qui contient un électrolyte, absorbé par le matériau actif du séparateur, et des électrodes (anode et cathode), c'est pourquoi elles sont appelées piles sèches. Ce terme est utilisé pour désigner toutes les cellules qui ne contiennent pas d’électrolyte liquide. Les cellules sèches courantes comprennent les cellules zinc-carbone ou Leclanche.

Les piles sèches sont utilisées à faible courant et en mode de fonctionnement intermittent. Par conséquent, ces éléments sont largement utilisés dans les téléphones, les jouets, les systèmes d’alarme, etc.

Étant donné que la gamme d'appareils utilisant des éléments secs est très large et qu'ils nécessitent en outre un remplacement périodique, il existe des normes pour leurs dimensions. Il convient de souligner que les dimensions des éléments donnés dans les tableaux 1.1 et 1.2 produits par différents fabricants peuvent différer légèrement en termes d'emplacement des broches et d'autres caractéristiques spécifiées dans leurs spécifications.

Pendant le processus de décharge, la tension des piles sèches passe de la tension nominale à la tension de coupure (la tension de coupure est la tension minimale à laquelle la batterie est capable de fournir un minimum d'énergie), c'est-à-dire généralement 1,2 V à 0,8 V/cellule selon l'application. En cas de décharge lors de la connexion à l'élément résistance constante après la fermeture du circuit, la tension à ses bornes diminue fortement jusqu'à une certaine valeur, légèrement inférieure à la tension d'origine. Le courant circulant dans ce cas est appelé courant de décharge initial.

La fonctionnalité d'une pile sèche dépend de la consommation de courant, de la tension de coupure et des conditions de décharge. L'efficacité de l'élément augmente à mesure que le courant de décharge diminue. Pour les piles sèches, une décharge continue pendant moins de 24 heures peut être classée comme décharge à débit élevé.

La capacité électrique d'une pile sèche est spécifiée pour une décharge à travers une résistance fixe à une tension finale donnée en heures en fonction de la décharge initiale et est présentée sous forme de graphique ou de tableau. Il est conseillé d'utiliser le tableau ou le tableau du fabricant pour une batterie spécifique. Cela est dû non seulement à la nécessité de prendre en compte les caractéristiques du produit, mais également au fait que chaque fabricant donne ses propres recommandations sur la meilleure utilisation de ses produits. Le Tableau 1.3 et le Tableau 1.5 présentent les caractéristiques techniques des cellules galvaniques les plus répandues récemment dans les rayons de nos magasins.

La résistance interne de la batterie peut limiter le courant requis, par exemple lorsqu'elle est utilisée dans un appareil photo flash. Le courant stable initial qu’une batterie peut fournir pendant une courte période est appelé courant flash. La désignation du type d'élément contient des désignations de lettres qui correspondent aux courants d'éclair et à la résistance interne de l'élément, mesurés en courant continu et alternatif (tableau 1.4). Le courant d'éclair et la résistance interne sont très difficiles à mesurer et les cellules peuvent avoir une longue durée de conservation, mais le courant d'éclair peut diminuer.

1.1. TYPES DE CELLULES GALVANIQUES

Éléments carbone-zinc

Les éléments carbone-zinc (manganèse-zinc) sont les éléments secs les plus courants. Les cellules carbone-zinc utilisent un collecteur de courant passif (carbone) en contact avec une anode en dioxyde de manganèse (MnO2), un électrolyte chlorure d'ammonium et une cathode en zinc. L'électrolyte se présente sous forme de pâte ou imprègne le diaphragme poreux. Un tel électrolyte est peu mobile et ne se propage pas, c'est pourquoi les éléments sont dits secs.

La tension nominale de la cellule carbone-zinc est de 1,5 V.

Les éléments secs peuvent avoir une forme cylindrique, Fig. 1.1, une forme de disque, Fig. 1.2, et une forme rectangulaire. La conception des éléments rectangulaires est similaire à celle des disques. L'anode en zinc se présente sous la forme d'un verre cylindrique, qui est également un récipient. Les éléments du disque sont constitués d'une plaque de zinc, d'un diaphragme en carton imprégné d'une solution électrolytique et d'une couche comprimée de l'électrode positive. Les éléments du disque sont connectés en série les uns aux autres, la batterie résultante est isolée et emballée dans un boîtier.

Les éléments charbon-zinc sont « restaurés » lors d'une interruption d'exploitation. Ce phénomène est dû à l'alignement progressif des inhomogénéités locales dans la composition électrolytique qui surviennent lors du processus de décharge. Grâce au « repos » périodique, la durée de vie de l'élément est prolongée.

En figue. La figure 1.3 présente un diagramme tridimensionnel montrant l'augmentation du temps de fonctionnement d'un élément D lors de l'utilisation d'un mode de fonctionnement intermittent par rapport à un mode de fonctionnement constant. Ceci doit être pris en compte lors d'une utilisation intensive des éléments (et utiliser plusieurs ensembles pour le fonctionnement afin qu'un ensemble dispose d'une période de temps suffisante pour restaurer la fonctionnalité. Par exemple, lors de l'utilisation d'un lecteur, il n'est pas recommandé d'utiliser un seul jeu de piles pendant plus de deux heures d'affilée. Lors du changement de deux jeux, la durée de fonctionnement des éléments est multipliée par trois.

L'avantage des éléments carbone-zinc est leur coût relativement faible. Les inconvénients importants incluent une diminution significative de la tension pendant la décharge, une faible densité de puissance (5...10 W/kg) et une courte durée de conservation.

Les basses températures réduisent l'efficacité de l'utilisation des cellules galvaniques et l'échauffement interne de la batterie l'augmente. L'effet de la température sur la capacité d'une cellule galvanique est illustré sur la figure. 1.4. Une augmentation de la température provoque une corrosion chimique de l'électrode de zinc par l'eau contenue dans l'électrolyte et un dessèchement de l'électrolyte. Ces facteurs peuvent être quelque peu compensés en maintenant la batterie à des températures élevées et en introduisant une solution saline dans la cellule à travers un trou préalablement réalisé.

Éléments alcalins

Comme les piles carbone-zinc, les piles alcalines utilisent une anode MnO2 et une cathode zinc avec un électrolyte séparé.

La différence entre les piles alcalines et les piles carbone-zinc réside dans l'utilisation d'un électrolyte alcalin, de sorte qu'il n'y a pratiquement aucun dégagement de gaz lors de la décharge, et elles peuvent être rendues hermétiquement fermées, ce qui est très important pour un certain nombre de leurs applications. .

La tension des piles alcalines est inférieure d'environ 0,1 V à celle des piles carbone-zinc dans les mêmes conditions. Ces éléments sont donc interchangeables.

La tension des cellules avec un électrolyte alcalin change beaucoup moins que celle des cellules avec un électrolyte salin. Les cellules à électrolyte alcalin ont également une énergie spécifique plus élevée (65...90 Wh/kg), une puissance spécifique (100...150 kWh/m3) et une durée de conservation plus longue.

La charge des éléments et batteries manganèse-zinc s'effectue par courant alternatif asymétrique. Vous pouvez charger des cellules avec un sel ou un électrolyte alcalin de n'importe quelle concentration, mais pas trop déchargé et sans endommager les électrodes de zinc. Dans le délai fixé pour la date d'expiration de ce genre cellule ou batterie, vous pouvez restaurer la fonctionnalité plusieurs fois (6...8 fois).

La charge des batteries sèches et des cellules est effectuée à partir d'un dispositif spécial qui permet d'obtenir un courant de charge de la forme requise : avec un rapport des composants de charge et de décharge de 10 : 1 et un rapport des durées d'impulsion de ces composants de 1 : 2. Cet appareil permet de recharger les piles des montres et d'activer d'anciennes petites piles. Lors du chargement des piles de la montre, le courant de charge ne doit pas dépasser 2 mA. Le temps de charge ne dépasse pas 5 heures. Le schéma d'un tel dispositif de chargement des batteries est présenté sur la Fig. 1.5.

Ici, la batterie en cours de charge est connectée via deux chaînes de diodes connectées en parallèle avec des résistances. Le courant de charge asymétrique est obtenu grâce à la différence des résistances des résistances. La fin de la charge est déterminée par l'arrêt de la croissance de la tension sur la batterie. Tension secondaire du transformateur chargeur est sélectionné de manière à ce que la tension de sortie dépasse la tension nominale de l'élément de 50 à 60 %.

Le temps de charge de la batterie avec l'appareil décrit doit être d'environ 12 à 16 heures. La capacité de charge doit être environ 50 % supérieure à la capacité nominale de la batterie.

Éléments de mercure

Les éléments mercure sont très similaires aux éléments alcalins. Ils utilisent de l'oxyde de mercure (HgO). La cathode est constituée d'un mélange de poudre de zinc et de mercure. L'anode et la cathode sont séparées par un séparateur et un diaphragme imprégnés d'une solution alcaline à 40 %.

Ces éléments ont long termes stockage et capacités supérieures (avec le même volume). La tension d’une pile au mercure est inférieure d’environ 0,15 V à celle d’une pile alcaline.

Les éléments au mercure se caractérisent par une énergie spécifique élevée (90...120 Wh/kg, 300...400 kWh/m3), une stabilité de tension et une résistance mécanique élevée.

Pour les appareils de petite taille, des éléments modernisés des types RC-31S, RC-33S et RC-55US ont été créés. L'énergie spécifique des éléments RC-31S et RC-55US est de 600 kWh/m3, celle des éléments RC-33S est de 700 kWh/m3. Les éléments RC-31S et RC-33S sont utilisés pour alimenter les montres et autres équipements. Les éléments RC-55US sont destinés aux équipements médicaux, notamment aux dispositifs médicaux implantables.

Les éléments RC-31S et RC-33S fonctionnent respectivement pendant 1,5 an à des courants de 10 et 18 µA, et l'élément RC-55US assure le fonctionnement des dispositifs médicaux implantés pendant 5 ans. Comme il ressort du tableau 1.6, la capacité nominale de ces éléments ne correspond pas à leur désignation.

Les éléments au mercure fonctionnent dans la plage de températures de 0 à +50°C ; il existe des éléments RC-83X et RC-85U résistants au froid et des éléments résistants à la chaleur RC-82T et RC-84, capables de fonctionner à des températures allant jusqu'à +70°C. . Il existe des modifications des éléments dans lesquels des alliages d'indium et de titane sont utilisés à la place de la poudre de zinc (électrode négative).

Le mercure étant rare et toxique, les cellules contenant du mercure ne doivent pas être jetées une fois qu’elles ont été pleinement utilisées. Ils doivent être recyclés.

Éléments d'argent

Ils ont des cathodes « argent » constituées d’Ag2O et d’AgO. Leur tension est de 0,2 V supérieure à celle des carbone-zinc dans des conditions comparables.

Piles au lithium

Ils utilisent des anodes au lithium, un électrolyte organique et des cathodes constituées de divers matériaux. Ils ont une très longue durée de conservation, des densités énergétiques élevées et fonctionnent dans une large plage de températures, car ils ne contiennent pas d’eau.

Étant donné que le lithium a le potentiel négatif le plus élevé par rapport à tous les métaux, les cellules au lithium se caractérisent par la tension nominale la plus élevée avec des dimensions minimales (Fig. 1.6). Caractéristiques Les piles galvaniques au lithium sont indiquées dans le tableau 1.7.

Les composés organiques sont généralement utilisés comme solvants dans ces éléments. Les solvants peuvent également être des composés inorganiques, par exemple SOCl2, qui sont également des substances réactives.

La conductivité ionique est assurée en introduisant des sels avec de gros anions dans des solvants, par exemple : LiAlCl4, LiClO4, LiBFO4. Spécifique conductivité électrique les solutions électrolytiques non aqueuses sont 1 à 2 ordres de grandeur inférieures à la conductivité des solutions aqueuses. De plus, les processus cathodiques se déroulent généralement lentement. Par conséquent, dans les cellules à électrolytes non aqueux, les densités de courant sont faibles.

Les inconvénients des piles au lithium incluent leur coût relativement élevé, en raison du prix élevé du lithium et des exigences particulières pour leur production (nécessité d'une atmosphère inerte, purification des solvants non aqueux). Il faut également tenir compte du fait que certaines piles au lithium sont explosives si elles sont ouvertes.

De tels éléments sont généralement fabriqués sous forme de bouton-poussoir avec une tension de 1,5 V et 3 V. Ils alimentent avec succès des circuits avec une consommation d'environ 30 μA en mode constant ou 100 μA en modes intermittents. Les cellules au lithium sont largement utilisées dans les alimentations de secours pour les circuits mémoire, les instruments de mesure et autres systèmes de haute technologie.

CHAPITRE 1.2 BATTERIES DES PRINCIPALES ENTREPRISES MONDIALES

Au cours des dernières décennies, le volume de production d'analogues alcalins des éléments Leclanche, y compris le zinc-air, a augmenté (voir tableau B1).

Par exemple, en Europe, la production d'éléments alcalins manganèse-zinc a commencé à se développer en 1980 et, en 1983, elle atteignait déjà 15 % de la production totale.

L'utilisation d'électrolytes libres limite les possibilités d'utilisation d'électrolytes autonomes et est principalement utilisée en HIT stationnaire. C'est pourquoi de nombreuses études visent à créer des cellules dites sèches, ou cellules à électrolyte épaissi, exemptes d'éléments tels que le mercure et le cadmium, qui présentent de graves dangers pour la santé humaine et l'environnement.

Cette tendance est une conséquence des avantages des produits chimiques alcalins par rapport aux éléments salins classiques :

une augmentation significative des densités de courant de décharge due à l'utilisation d'une anode collée ;

augmenter la capacité des équipements de chauffage chimique grâce à la possibilité d'augmenter la charge de masses actives ;

création de compositions zinc-air (éléments de type 6F22) en raison de la plus grande activité des matériaux cathodiques existants dans la réaction d'électroréduction du dioxygène dans un électrolyte alcalin.

Piles de Duracell (États-Unis)

Duracell est un leader reconnu dans le monde dans la production de sources galvaniques alcalines jetables. L'histoire de l'entreprise remonte à plus de 40 ans.

L'entreprise elle-même est située aux États-Unis d'Amérique. En Europe, ses usines sont situées en Belgique. Selon les consommateurs d'ici et d'ailleurs, les piles Duracell occupent une position de leader en termes de popularité, de durée d'utilisation et de rapport qualité-prix.

L’apparition de Duracell sur le marché ukrainien a attiré l’attention de nos consommateurs.

Les densités de courant de décharge dans les sources au lithium ne sont pas élevées (par rapport aux autres HIT), de l'ordre de 1 mA/cm2 (voir page 14). Avec une durée de conservation garantie de 10 ans et un faible courant de décharge, il est rationnel d'utiliser les piles au lithium Duracell dans les systèmes de haute technologie.

La technologie EXRA-POWER brevetée aux États-Unis utilisant du dioxyde de titane (TiO2) et d'autres caractéristiques technologiques contribue à augmenter la puissance et l'efficacité des réacteurs chimiques manganèse-zinc Duracell.

À l'intérieur du corps en acier des piles alcalines Duracell se trouve un collecteur cylindrique en graphite qui maintient un électrolyte pâteux en contact avec une cathode à aiguille.

La durée de conservation garantie des éléments est de 5 ans, et parallèlement, la capacité de l'élément indiquée sur l'emballage est garantie à la fin de la durée de conservation.

Les caractéristiques techniques du Duracell HIT sont données dans le tableau 1.8.

Batteries du groupe Varta (Allemagne)

L'entreprise Varta est l'un des leaders mondiaux dans la production de HIT. Les 25 usines de l'entreprise sont situées dans plus de 100 pays à travers le monde et produisent plus de 1 000 types de piles et d'accumulateurs.

Les principales installations de production sont occupées par le Département des Batteries Industrielles Stationnaires. Cependant, environ 600 types de cellules voltaïques, des piles de montres aux piles scellées, sont produits dans les usines de l'entreprise par le Département Batteries pour Instruments aux États-Unis, en Italie, au Japon, en République tchèque, etc., avec une garantie de qualité constante quelle que soit la zone géographique. emplacement de l'usine. L'appareil photo du premier homme à avoir posé le pied sur la Lune était alimenté par des piles Varta.

Ils sont bien connus de nos consommateurs et sont en demande constante.

Les caractéristiques techniques du HIT concernent Varta avec indication analogues nationaux sont donnés dans le tableau 1.9.

CHAPITRE 2. BATTERIES

Les batteries sont des sources chimiques d’énergie électrique réutilisables. Ils sont constitués de deux électrodes (positive et négative), d'un électrolyte et d'un boîtier. L'accumulation d'énergie dans la batterie se produit lors d'une réaction chimique d'oxydo-réduction des électrodes. Lorsque la batterie est déchargée, les processus inverses se produisent. La tension de la batterie est la différence de potentiel entre les pôles de la batterie à une charge fixe.

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Différents types de cellules galvaniques convertissent leur énergie chimique en courant électrique. Ils ont reçu leur nom en l'honneur du scientifique italien Galvani, qui a mené les premières expériences et recherches de ce type. L'électricité est générée par la réaction chimique de deux métaux (généralement le zinc et le cuivre) dans un électrolyte.

Principe de fonctionnement

Les scientifiques ont placé une plaque de cuivre et de zinc dans des récipients contenant de l'acide. Ils étaient reliés par un conducteur, des bulles de gaz se formaient sur le premier et le second commençait à se dissoudre. Cela prouve que le courant électrique circule à travers le conducteur. Après Galvani, Volt s'est lancé dans les expériences. Il a créé un élément cylindrique, semblable à une colonne verticale. Il s'agissait d'anneaux de zinc, de cuivre et de tissu, pré-imprégnés d'acide. Le premier élément avait une hauteur de 50 cm et la tension générée par celui-ci était ressentie par une personne.

Le principe de fonctionnement est que deux types de métaux interagissent dans un milieu électrolytique, ce qui fait que le courant commence à circuler à travers le circuit externe. Les cellules et batteries galvaniques modernes sont appelées batteries. Leur tension dépend du métal utilisé. L'appareil est placé dans un cylindre en tôle souple. Les électrodes sont des mailles à pulvérisation oxydative et réductrice.

La conversion de l'énergie chimique en électricité élimine la possibilité de restaurer les propriétés des batteries. Après tout, lorsque l'élément fonctionne, des réactifs sont consommés, ce qui entraîne une diminution du courant. L'agent réducteur est généralement le plomb négatif du lithium ou du zinc. Pendant le fonctionnement, il perd des électrons. La partie positive est constituée de sels métalliques ou d'oxyde de magnésium, elle fait le travail d'un agent oxydant.

Dans des conditions normales, l'électrolyte ne laisse pas passer le courant, il ne se désintègre en ions que lorsque le circuit est fermé. C'est ce qui fait apparaître la conductivité. Une solution acide, des sels de sodium ou de potassium sont utilisés comme électrolyte.

Variétés d'éléments

Les batteries sont utilisées pour alimenter des appareils, des appareils, des équipements et des jouets. Selon le schéma, tous les éléments galvaniques sont divisés en plusieurs types :

• saline;
• alcalin;
• lithium

Les plus populaires sont les piles au sel à base de zinc et de manganèse. L'élément allie fiabilité, qualité et prix raisonnable. Mais récemment, les fabricants ont réduit ou arrêté complètement leur production, car les entreprises produisant des appareils électroménagers augmentent progressivement leurs exigences en la matière. Les principaux avantages des batteries galvaniques de ce type :

• paramètres universels permettant leur utilisation dans différents domaines ;
• opération facile;
• faible coût;
• conditions simples production;
• matières premières accessibles et peu coûteuses.

Parmi les inconvénients figurent une courte durée de vie (pas plus de deux ans), une diminution des propriétés due aux basses températures, une diminution de la capacité avec l'augmentation du courant et une diminution de la tension pendant le fonctionnement. Lorsque les piles au sel sont déchargées, elles peuvent fuir car le volume positif de l’électrode repousse l’électrolyte. La conductivité est augmentée par le graphite et le noir de carbone, le mélange actif est constitué de dioxyde de manganèse. La durée de vie dépend directement du volume d'électrolyte.

Au siècle dernier, les premiers éléments alcalins sont apparus. Le rôle d'agent oxydant est joué par le manganèse et l'agent réducteur est la poudre de zinc. Le corps de la batterie est fusionné pour éviter la corrosion. Mais l'utilisation du mercure étant interdite, ils furent recouverts d'un mélange de poudre de zinc et d'inhibiteurs de rouille.

La substance active dans le dispositif d'une cellule galvanique est ce sont le zinc, l'indium, le plomb et l'aluminium. La masse active comprend de la suie, du manganèse et du graphite. L'électrolyte est composé de potassium et de sodium. La poudre sèche améliore considérablement les performances de la batterie. Avec les mêmes dimensions que les types de sel, les alcalins ont une plus grande capacité. Ils continuent à bien fonctionner même en cas de gel sévère.

Les cellules au lithium sont utilisées pour alimenter la technologie moderne. Ils sont produits sous forme de piles et d'accumulateurs des tailles différentes. Les premiers contiennent un électrolyte solide, tandis que d'autres appareils contiennent un électrolyte liquide. Cette option convient aux appareils qui nécessitent tension stable et les charges actuelles moyennes. Les batteries au lithium peuvent être chargées plusieurs fois, les piles ne sont utilisées qu'une seule fois, elles ne sont pas ouvertes.

Champ d'application

Il existe un certain nombre d'exigences pour la production de cellules galvaniques. Le boîtier de la batterie doit être fiable et scellé. L'électrolyte ne doit pas s'échapper et aucun corps étranger ne doit pénétrer dans l'appareil. Dans certains cas, lorsque du liquide s’échappe, il prend feu. Un article endommagé ne peut pas être utilisé. Les dimensions de toutes les batteries sont presque les mêmes, seules les tailles des batteries diffèrent. Les éléments peuvent avoir différentes formes : cylindrique, prismatique ou en disque.

Tous les types d'appareils présentent des avantages communs : ils sont compacts et légers, adaptés à différentes plages de températures de fonctionnement, ont une grande capacité et fonctionnent de manière stable dans différentes conditions. Il existe également certains inconvénients, mais ils concernent certains types d'éléments. Ceux au sel ne durent pas longtemps, ceux au lithium sont conçus de telle manière qu'ils peuvent s'enflammer s'ils sont dépressurisés.

Les applications des batteries sont nombreuses :

• technologie digitale;
• Jouets pour enfants;
• Équipement médical;
• l'industrie de la défense et de l'aviation ;
• production spatiale.

Les cellules galvaniques sont faciles à utiliser et abordables. Mais certains types doivent être manipulés avec précaution et ne pas être utilisés s’ils sont endommagés. Avant d'acheter des piles, vous devez étudier attentivement les instructions de l'appareil qu'elles alimenteront.

Sources d'énergie électrique de faible puissance

Les cellules et batteries galvaniques sont utilisées pour alimenter les équipements électriques et radio portables.

Cellules galvaniques- ce sont des sources à action unique, batteries- des sources réutilisables.

La cellule galvanique la plus simple

L'élément le plus simple peut être constitué de deux bandes : du cuivre et du zinc, immergées dans de l'eau légèrement acidifiée à l'acide sulfurique. Si le zinc est suffisamment pur pour être exempt de réactions locales, aucun changement notable ne se produira jusqu'à ce que le cuivre et le zinc soient connectés par fil.

Cependant, les bandes ont des potentiels différents les unes par rapport aux autres, et lorsqu'elles sont connectées par un fil, un y apparaîtra. Au fur et à mesure de cette action, la bande de zinc se dissoudra progressivement et des bulles de gaz se formeront près de l'électrode de cuivre et s'accumuleront à sa surface. Ce gaz est de l'hydrogène, formé à partir de l'électrolyte. Le courant électrique circule de la bande de cuivre à travers le fil jusqu'à la bande de zinc, et de celle-ci à travers l'électrolyte jusqu'au cuivre.

Progressivement, l'acide sulfurique de l'électrolyte est remplacé par du sulfate de zinc, formé à partir de la partie dissoute de l'électrode de zinc. De ce fait, la tension de l'élément est réduite. Cependant, une chute de tension encore plus importante est provoquée par la formation de bulles de gaz sur le cuivre. Ces deux actions produisent une « polarisation ». De tels éléments n’ont pratiquement aucune signification pratique.

Paramètres importants des cellules galvaniques

L'amplitude de la tension fournie par les cellules galvaniques dépend uniquement de leur type et de leur conception, c'est-à-dire du matériau des électrodes et de la composition chimique de l'électrolyte, mais ne dépend pas de la forme et de la taille des éléments.

La quantité de courant qu'une cellule galvanique peut produire est limitée par sa résistance interne.

Une caractéristique très importante d'une cellule galvanique est. La capacité électrique désigne la quantité d'électricité qu'une cellule galvanique ou de batterie est capable de fournir pendant toute la durée de son fonctionnement, c'est-à-dire avant la décharge finale.

La capacité donnée par l'élément est déterminée en multipliant le courant de décharge, exprimé en ampères, par le temps en heures pendant lequel l'élément a été déchargé jusqu'au début de la décharge. décharge complète. La capacité électrique est donc toujours exprimée en ampères-heures (A x h).

En fonction de la capacité de l'élément, vous pouvez également déterminer à l'avance combien d'heures il fonctionnera avant d'être complètement déchargé. Pour ce faire, vous devez diviser la capacité par le courant de décharge admissible pour cet élément.

Cependant, la capacité électrique n’est pas une valeur strictement constante. Elle varie dans des limites assez larges en fonction des conditions de fonctionnement (mode) de l'élément et de la tension de décharge finale.

Si l’élément est déchargé avec un courant maximum et sans interruption, sa capacité sera alors nettement inférieure. Au contraire, lorsque le même élément est déchargé avec un courant plus faible et avec des coupures fréquentes et relativement longues, l'élément abandonne sa pleine capacité.

Quant à l'effet de la tension de décharge finale sur la capacité de l'élément, il faut garder à l'esprit que lors de la décharge d'une cellule galvanique, sa tension de fonctionnement ne reste pas au même niveau, mais diminue progressivement.

Types courants de cellules galvaniques

Les cellules galvaniques les plus courantes sont les systèmes manganèse-zinc, manganèse-air, zinc-air et mercure-zinc avec électrolytes salins et alcalins. Les piles sèches au manganèse-zinc avec un électrolyte salin ont une tension initiale de 1,4 à 1,55 V, une durée de fonctionnement à des températures ambiantes de -20 à -60 o C de 7 heures à 340 heures.

Les piles sèches manganèse-zinc et zinc-air à électrolyte alcalin ont une tension de 0,75 à 0,9 V et une durée de fonctionnement de 6 heures à 45 heures.

Les piles sèches au mercure-zinc ont une tension initiale de 1,22 à 1,25 V et une autonomie de 24 heures à 55 heures.

Le plus grand période de garantie Les éléments secs au mercure et au zinc ont une durée de conservation allant jusqu'à 30 mois.

Ce sont des cellules galvaniques secondaires.Contrairement aux cellules galvaniques, aucun processus chimique ne se produit dans la batterie immédiatement après son assemblage.

Pour que les réactions chimiques associées au mouvement commencent dans la batterie charges électriques, vous devez modifier la composition chimique de ses électrodes (et en partie de l'électrolyte) en conséquence. Ce changement dans la composition chimique des électrodes se produit sous l’influence du courant électrique traversant la batterie.

Par conséquent, pour que la batterie produise du courant électrique, elle doit d’abord être « chargée » avec une charge constante. choc électrique provenant d’une source de courant externe.

Les batteries se distinguent également avantageusement des cellules galvaniques conventionnelles par le fait qu'elles peuvent être rechargées après décharge. Avec beaucoup d’entretien et dans des conditions normales de fonctionnement, les batteries peuvent supporter jusqu’à plusieurs milliers de charges et décharges.
Appareil à batterie

Actuellement, les batteries au plomb et au cadmium-nickel sont les plus souvent utilisées dans la pratique. Pour le premier, l’électrolyte est une solution d’acide sulfurique et pour le second, une solution d’alcalis dans l’eau. Les piles au plomb sont également appelées piles acides et les piles au nickel-cadmium sont appelées piles alcalines.

Le principe de fonctionnement des batteries repose sur la polarisation des électrodes. La batterie acide la plus simple est conçue de la manière suivante : ce sont deux plaques de plomb plongées dans un électrolyte. À la suite de la réaction de substitution chimique, les plaques sont recouvertes d'une légère couche de sulfate de plomb PbSO4, comme suit la formule Pb + H 2 SO 4 = PbSO 4 + H 2.

Appareil à batterie acide

Cet état des plaques correspond à une batterie déchargée. Si la batterie est maintenant allumée pour une charge, c'est-à-dire connectée à un générateur de courant continu, alors en raison de l'électrolyse, la polarisation des plaques y commencera. À la suite du chargement de la batterie, ses plaques sont polarisées, c'est-à-dire qu'elles changent la substance de leur surface et d'homogène (PbSO 4) se transforment en dissemblables (Pb et Pb O 2).

La batterie devient une source de courant et son électrode positive est une plaque recouverte de dioxyde de plomb et l'électrode négative est une plaque de plomb propre.

Vers la fin de la charge, la concentration en électrolyte augmente en raison de l'apparition de molécules d'acide sulfurique supplémentaires.

C'est l'une des caractéristiques d'une batterie au plomb : son électrolyte ne reste pas neutre et participe lui-même aux réactions chimiques lors du fonctionnement de la batterie.

Vers la fin de la décharge, les deux plaques de la batterie sont à nouveau recouvertes de sulfate de plomb, ce qui fait que la batterie cesse d'être une source de courant. La batterie n'est jamais amenée à cet état. En raison de la formation de sulfate de plomb sur les plaques, la concentration en électrolyte en fin de décharge diminue. Si vous mettez la batterie en charge, vous pouvez à nouveau provoquer une polarisation afin de la remettre en décharge, etc.

Comment charger la batterie

Il existe plusieurs façons de charger les batteries. Le plus simple est le chargement normal de la batterie, qui se déroule comme suit. Initialement, pendant 5 à 6 heures, la charge est effectuée avec le double du courant normal jusqu'à ce que la tension sur chaque groupe de batteries atteigne 2,4 V.

Le courant de charge normal est déterminé par la formule I charge = Q/16

Où Q - capacité nominale de la batterie, Ah.

Après cela, le courant de charge est réduit à une valeur normale et la charge continue pendant 15 à 18 heures, jusqu'à ce que des signes de fin de charge apparaissent.

Piles modernes

Les piles au cadmium-nickel, ou piles alcalines, sont apparues beaucoup plus tard que les piles au plomb et, en comparaison avec elles, constituent des sources de courant chimique plus avancées. Le principal avantage des piles alcalines par rapport aux piles au plomb est la neutralité chimique de leur électrolyte vis-à-vis des masses actives des plaques. De ce fait, l’autodécharge des piles alcalines est bien inférieure à celle des piles au plomb. Le principe de fonctionnement des piles alcalines repose également sur la polarisation des électrodes lors de l’électrolyse.

Pour alimenter les équipements radio, des batteries scellées cadmium-nickel sont produites, qui fonctionnent à des températures de -30 à +50 °C et peuvent supporter 400 à 600 cycles de charge-décharge. Ces batteries se présentent sous la forme de parallélépipèdes compacts et de disques d'une masse de plusieurs grammes à kilogrammes.

Ils produisent des batteries nickel-hydrogène pour alimenter des installations autonomes. L'énergie spécifique d'une batterie nickel-hydrogène est de 50 à 60 Wh kg -1.