Elemente galvanice. Tipuri și dispozitiv. Muncă și caracteristici. Pile și baterii galvanice - dispozitiv, principiu de funcționare, tipuri Ce se aplică bateriilor galvanice - dispozitive de stocare a energiei

Condiții preliminare pentru apariția celulelor galvanice. Puțină istorie. În 1786, profesorul italian de medicină, fiziologul Luigi Aloisio Galvani, a descoperit un fenomen interesant: mușchii picioarelor posterioare ale unui cadavru de broaște proaspăt deschis, suspendat pe cârlige de cupru, s-au contractat când omul de știință i-a atins cu un bisturiu de oțel. Galvani a concluzionat imediat că aceasta a fost o manifestare a „electricității animale”.

După moartea lui Galvani, contemporanul său Alessandro Volta, fiind chimist și fizician, avea să descrie și să demonstreze public un mecanism mai realist pentru generarea de curent electric atunci când diferite metale intră în contact.

Volta, după o serie de experimente, va ajunge la concluzia fără echivoc că curentul apare în circuit datorită prezenței în acesta a doi conductori de metale diferite plasate într-un lichid, iar aceasta nu este deloc „electricitate animală”, așa cum Galvani. gând. Strângerea picioarelor broaștei a fost o consecință a acțiunii curentului generat de contactul cu diferite metale (cârlige de cupru și un bisturiu de oțel).

Volta va arăta aceleași fenomene pe care Galvani le-a demonstrat pe o broască moartă, dar pe un electrometru de casă complet neînsuflețit și va da în 1800 o explicație precisă pentru apariția curentului: „un conductor de clasa a doua (lichid) se află la mijloc. și este în contact cu doi conductori de prima clasă din două metale diferite... Ca urmare, un curent electric ia naștere într-o direcție sau alta.”

Într-unul dintre primele sale experimente, Volta a scufundat două plăci - zinc și cupru - într-un borcan cu acid și le-a conectat cu sârmă. După aceasta, placa de zinc a început să se dizolve, iar pe oțelul de cupru au apărut bule de gaz. Volta a sugerat și a demonstrat că un curent electric circulă printr-un fir.

Așa a fost inventat „elementul Volta” - prima celulă galvanică. Pentru comoditate, Volta i-a dat forma unui cilindru (coloană) vertical, format din inele interconectate de zinc, cupru și pânză, înmuiate în acid. O coloană voltaică de o jumătate de metru înălțime a creat o tensiune care era sensibilă pentru oameni.

Din moment ce cercetarea a fost începută de Luigi Galvani, numele a păstrat amintirea lui în numele său.

Celulă galvanică este o sursă chimică de curent electric bazată pe interacțiunea a două metale și/sau a oxizilor acestora într-un electrolit, ducând la apariția curentului electric într-un circuit închis. Astfel, în celulele galvanice, energia chimică este transformată în energie electrică.

Celulele galvanice astăzi

Celulele galvanice se numesc astăzi baterii. Trei tipuri de baterii sunt utilizate pe scară largă: sare (uscate), alcaline (se mai numesc și alcaline, „alcaline” tradus din engleză ca „alcaline”) și litiu. Principiul funcționării lor este același cu cel descris de Volta în 1800: două metale și un curent electric ia naștere într-un circuit închis extern.

Tensiunea bateriei depinde atât de metalele folosite, cât și de numărul de elemente din „baterie”. Bateriile, spre deosebire de acumulatori, nu sunt capabile să-și restabilească proprietățile, deoarece transformă direct energia chimică, adică energia reactivilor care alcătuiesc bateria (agent reducător și agent oxidant), în energie electrică.

Reactivii incluși în baterie se consumă în timpul funcționării acesteia, iar curentul scade treptat, astfel că efectul sursei se termină după ce reactivii au reacționat complet.

Celulele alcaline și sărate (bateriile) sunt utilizate pe scară largă pentru a alimenta o varietate de dispozitive electronice, echipamentele radio, jucăriile și litiul pot fi găsite cel mai adesea în dispozitivele medicale portabile, cum ar fi glucometrele sau în echipamente digitale, cum ar fi camerele foto.

Celulele mangan-zinc, care sunt numite baterii cu sare, sunt celule galvanice „uscate” care nu conțin o soluție lichidă de electrolit.

Electrodul de zinc (+) este un catod în formă de sticlă, iar anodul este un amestec sub formă de pulbere de dioxid de mangan și grafit. Curentul curge prin tija de grafit. Electrolitul este o pastă de soluție de clorură de amoniu cu adaos de amidon sau făină pentru a o îngroșa, astfel încât să nu curgă nimic.

În mod obișnuit, producătorii de baterii nu indică compoziția exactă a celulelor de sare, cu toate acestea, bateriile de sare sunt cele mai ieftine, de obicei sunt folosite în dispozitive unde consumul de energie este extrem de scăzut: la ceasuri, la telecomenzi telecomandă, în termometre electronice etc.

Conceptul de „capacitate nominală” este rar folosit pentru a caracteriza bateriile zinc-mangan, deoarece capacitatea lor depinde în mare măsură de modurile și condițiile de funcționare. Principalele dezavantaje ale acestor elemente sunt rata semnificativă de scădere a tensiunii pe toată durata descărcării și o scădere semnificativă a capacității furnizate odată cu creșterea curentului de descărcare. Tensiunea finală de descărcare este setată în funcție de sarcină în intervalul 0,7-1,0 V.

Nu numai magnitudinea curentului de descărcare este importantă, ci și programul de timp al sarcinii. Cu descărcări intermitente la curenți mari și medii, performanța bateriilor crește considerabil în comparație cu funcționarea continuă. Cu toate acestea, la curenți de descărcare scăzuti și întreruperi de o lună în funcțiune, capacitatea acestora poate scădea ca urmare a autodescărcării.

Graficul de mai sus prezintă curbele de descărcare pentru o baterie medie cu sare timp de 4, 10, 20 și 40 de ore pentru comparație cu bateria alcalină, despre care vom vorbi Mai departe.

O baterie alcalină este o baterie voltaică mangan-zinc care utilizează dioxid de mangan ca catod, zinc sub formă de pulbere ca anod și o soluție alcalină, de obicei sub formă de pastă de hidroxid de potasiu, ca electrolit.

Aceste baterii au o serie de avantaje (în special, capacitate semnificativ mai mare, cel mai bun job la temperaturi scăzute şi la curenţi mari de sarcină).

Bateriile alcaline, în comparație cu bateriile cu sare, pot furniza mai mult curent pentru o perioadă mai lungă de timp. Un curent mai mare devine posibil deoarece zincul este folosit aici nu sub formă de sticlă, ci sub formă de pulbere care are o zonă mai mare de contact cu electrolitul. Hidroxidul de potasiu sub formă de pastă este utilizat ca electrolit.

Datorită capacității acestui tip de celule galvanice de a furniza un curent semnificativ (până la 1 A) pentru o lungă perioadă de timp, bateriile alcaline sunt cele mai comune astăzi.

Jucăriile electrice, echipamentele medicale portabile, dispozitivele electronice și camerele foto folosesc baterii alcaline. Acestea durează de 1,5 ori mai mult decât cele cu sare dacă descărcarea este de curent scăzut. Graficul arată curbele de descărcare la diferiți curenți pentru comparație cu o baterie de sare (graficul a fost prezentat mai sus) pentru 4, 10, 20 și 40 de ore.

Baterii cu litiu

Un alt tip destul de comun de celulă voltaică sunt bateriile cu litiu - celule voltaice unice nereîncărcabile care folosesc litiu sau compușii săi ca anod. Datorită utilizării metalelor alcaline, acestea au o diferență mare de potențial.

Catodul și electrolitul unei celule cu litiu pot fi foarte diferite, astfel încât termenul „celulă cu litiu” combină un grup de celule cu același material anodic. De exemplu, dioxidul de mangan, monofluorura de carbon, pirita, clorura de tionil etc. pot fi utilizate ca catod.

Bateriile cu litiu diferă de alte baterii prin durata de viață lungă și costul ridicat. În funcție de dimensiunea aleasă și de chimiile folosite, o baterie cu litiu poate produce tensiuni de la 1,5 V (compatibilă cu bateriile alcaline) până la 3,7 V.

Aceste baterii au cea mai mare capacitate pe unitate de greutate și o durată de viață lungă. Celulele cu litiu sunt utilizate pe scară largă în echipamentele electronice portabile moderne: pentru a alimenta ceasurile plăci de bază calculatoare, pentru alimentarea dispozitivelor medicale portabile, ceasurilor de mână, calculatoarelor, echipamentelor fotografice etc.

Graficul de mai sus arată curbele de descărcare pentru două baterii cu litiu de la doi producători populari. Curentul inițial a fost de 120 mA (per rezistor de aproximativ 24 ohmi).

Kyzyl, TSU

ABSTRACT

Subiect: "Celule galvanice. Baterii."

Alcătuit de: Spiridonova V.A.

I an, IV gr., FMF

Verificat de: Kendivan O.D.

2001

I. Introducere

II. Surse de curent galvanic

1. Tipuri de celule galvanice

III. baterii

1. Acid

2. Alcalin

3. Nichel-cadmiu sigilat

4. Sigilat

5. Baterii cu tehnologie „DRYFIT”.

INTRODUCERE

Surse de curent chimic (CHS) de mulți ani

intrat ferm în vieţile noastre. În viața de zi cu zi, consumatorul îi acordă rar atenție

atenție la diferențele dintre HIT-urile utilizate. Pentru el sunt baterii și

baterii. Ele sunt utilizate de obicei în dispozitive precum

lanterne, jucării, radiouri sau mașini.

În cazul în care consumul de energie este relativ

este mare (10Ah), se folosesc baterii, în principal acide,

precum și nichel-fier și nichel-cadmiu. Sunt folosite în

calculatoare portabile (laptop, notebook, palmtop), dispozitive purtabile

comunicații, iluminat de urgență etc.

În ultimii ani, astfel de baterii au fost utilizate pe scară largă în

surse de alimentare de rezervă pentru calculatoare și electromecanice

sisteme care stochează energie pentru posibile sarcini de vârf

și alimentarea cu energie de urgență a sistemelor vitale.

SURSE DE CURENT GALVANIC

Surse de curent galvanic de unică folosință

sunt un container unificat în care

conţine un electrolit absorbit de materialul activ

separator și electrozi (anod și catod), motiv pentru care se numesc

elemente uscate. Acest termen este folosit în legătură cu

toate celulele care nu conțin electrolit lichid. Spre obișnuit

Elementele uscate includ elemente carbon-zinc.

Celulele uscate sunt folosite pentru curenți scăzuti și intermitenți

moduri de operare. Prin urmare, astfel de elemente sunt utilizate pe scară largă în

telefoane, jucării, sisteme de alarmă etc.

Acțiunea oricărei celule galvanice se bazează pe apariția unei reacții redox în ea. În forma sa cea mai simplă, o celulă galvanică este formată din două plăci sau tije din metale diferite și scufundate într-o soluție de electrolit. Un astfel de sistem face posibilă separarea spațială a reacției redox: oxidarea are loc pe un metal, iar reducerea are loc pe altul. Astfel, electronii sunt transferați de la agentul reducător la agentul de oxidare prin circuitul extern.

Luați în considerare, ca exemplu, o celulă galvanică cupru-zinc, alimentată de energia reacției de mai sus dintre zinc și sulfatul de cupru. Această celulă (celula Jacobi-Daniel) este formată dintr-o placă de cupru scufundată într-o soluție de sulfat de cupru (electrod de cupru) și o placă de zinc imersată într-o soluție de sulfat de zinc (electrod de zinc). Ambele soluții sunt în contact una cu cealaltă, dar pentru a preveni amestecarea ele sunt separate printr-un despărțitor din material poros.

Când elementul funcționează, de ex. când lanțul este închis, zincul este oxidat: la suprafața contactului său cu soluția, atomii de zinc se transformă în ioni și, atunci când sunt hidratați, trec în soluție. Electronii eliberați în acest caz se deplasează de-a lungul circuitului extern până la electrodul de cupru. Întregul set al acestor procese este reprezentat schematic de ecuația semireacției sau ecuația electrochimică:

Reducerea ionilor de cupru are loc la electrodul de cupru. Electronii care vin aici de la electrodul de zinc se combină cu ionii de cupru deshidratanți care ies din soluție; atomii de cupru sunt formați și eliberați ca metal. Ecuația electrochimică corespunzătoare este:

Ecuația totală a reacției care are loc în element se obține prin adăugarea ecuațiilor ambelor semireacții. Astfel, în timpul funcționării unei celule galvanice, electronii din agentul reducător trec la agentul de oxidare prin circuitul extern, la electrozi au loc procese electrochimice și se observă mișcarea direcțională a ionilor în soluție.

Electrodul la care are loc oxidarea se numește anod (zinc). Electrodul la care are loc reducerea se numește catod (cupru).

În principiu, orice reacție redox poate produce energie electrică. Cu toate acestea, numărul de reacții

utilizat practic în sursele chimice de energie electrică este mic. Acest lucru se datorează faptului că nu orice reacție redox face posibilă crearea unei celule galvanice cu proprietăți valoroase din punct de vedere tehnic. În plus, multe reacții redox necesită consumul de substanțe scumpe.

Spre deosebire de celula cupru-zinc, toate celulele galvanice și bateriile moderne folosesc nu doi, ci un electrolit; Astfel de surse de curent sunt mult mai convenabile de utilizat.

TIPURI DE CELULE GALVANICE

Elemente carbon-zinc

Elementele cărbune-zinc (mangan-zinc) sunt

cele mai comune elemente uscate. În cărbune-zinc

elementele utilizează un colector de curent pasiv (carbon) în

contact cu un anod din dioxid de mangan (MnO2), electrolit din

clorură de amoniu și un catod de zinc. Electrolitul este în

formează pastă sau impregnează o diafragmă poroasă.

Un astfel de electrolit nu este foarte mobil și nu se răspândește, deci

elementele se numesc uscate.

Elementele cărbune-zinc sunt „restaurate” în timpul

pauză de la muncă. Acest fenomen se datorează treptat

alinierea neomogenităților locale în compoziție

electrolitul apărut în timpul procesului de descărcare. Ca urmare

„odihnă” periodică durata de viață a elementului este prelungită.

Avantajul elementelor carbon-zinc este lor

cost relativ mic. La dezavantaje semnificative

ar trebui să includă o scădere semnificativă a tensiunii în timpul descărcării,

putere specifică scăzută (5...10 W/kg) și durată de viață scurtă

depozitare

Temperaturile scăzute reduc eficiența utilizării

celule galvanice și încălzirea internă a bateriei

crește. O creștere a temperaturii provoacă coroziunea chimică a electrodului de zinc de către apa conținută în electrolit și uscarea electrolitului. Acești factori pot fi oarecum compensați prin menținerea bateriei la temperaturi ridicate și introducerea unei soluții saline în celulă printr-un orificiu prefabricat.

Elemente alcaline

La fel ca celulele carbon-zinc, celulele alcaline folosesc un anod de MnO2 și un catod de zinc cu un electrolit separat.

Diferența dintre elementele alcaline și elementele carbon-zinc este

în utilizarea unui electrolit alcalin, drept urmare

Nu există practic nicio degajare de gaz în timpul descărcării și acestea pot fi

să fie sigilat, ceea ce este foarte important pentru un număr dintre ei

aplicatii.

Elemente de mercur

Elementele de mercur sunt foarte asemănătoare cu elementele alcaline. În ele

Se utilizează oxid de mercur (HgO). Catodul este format dintr-un amestec de pulbere

zinc și mercur. Anodul și catodul sunt separate printr-un separator și o diafragmă,

înmuiat în soluție alcalină 40%.

Deoarece mercurul este rar și toxic, elementele de mercur nu sunt

trebuie aruncate după ce au fost utilizate complet. Ei trebuie sa

mergi la reciclare.

Elemente de argint

Au catozi „argintii” din Ag2O și AgO.

Celule cu litiu

Ei folosesc anozi de litiu, un electrolit organic

și catozi din diverse materiale. Au foarte mari

termen de valabilitate, densități mari de energie și eficient

într-un interval larg de temperatură deoarece nu conțin apă.

Deoarece litiul are cel mai mare potențial negativ

în raport cu toate metalele, elementele de litiu

caracterizat prin cea mai mare tensiune nominală la

dimensiuni minime.

Conductivitatea ionică este asigurată prin introducerea în

Solvenți de săruri cu anioni mari.

Dezavantajele celulelor cu litiu includ lor

cost relativ ridicat din cauza prețului ridicat

litiu, cerințe speciale pentru producerea lor (nevoia

atmosferă inertă, purificarea solvenților neapoși). Ar trebui să

De asemenea, luați în considerare faptul că unele celule de litiu atunci când acestea

sunt explozive dacă sunt deschise.

Celulele cu litiu sunt utilizate pe scară largă în sursele de alimentare de rezervă pentru circuitele de memorie, instrumente de măsură și alte sisteme de înaltă tehnologie.

BATERIE

Bateriile sunt surse chimice

energie electrică reutilizabilă. Ele constau din

doi electrozi (pozitiv și negativ), electrolit

și carene. Acumularea de energie în baterie are loc atunci când

apariţia unei reacţii chimice de oxidare-reducere

electrozi. Când bateria este descărcată, are loc invers

proceselor. Tensiunea bateriei este diferența de potențial

între polii bateriei la o sarcină fixă.

Pentru a obține valori de tensiune suficient de mari sau

la încărcare, bateriile individuale sunt conectate între ele

serie sau paralel cu bateriile. Există un număr

tensiuni general acceptate pt baterii: 2; 4; 6;

Ne vom limita la a lua în considerare următoarele baterii:

baterii cu acid fabricate conform tradiționalului

tehnologii;

plumb și acționare staționară (auto și

tractor);

baterii sigilate fara intretinere, sigilate

nichel-cadmiu și acid „dryfit” A400 și A500 (asemănător jeleului

electrolit).

BATERIE ACIDE

Ca exemplu, luați în considerare o baterie plumb-acid gata de utilizare. Este alcătuit din plăci de plumb cu zăbrele, dintre care unele sunt umplute cu dioxid de plumb, iar altele cu plumb burete metalic. Plăcile sunt scufundate într-o soluție 35-40% H2SO4; la această concentrație, conductivitatea electrică specifică a soluției de acid sulfuric este maximă.

Când bateria funcționează - când este descărcată - are loc o reacție de oxidare-reducere în ea, în timpul căreia plumbul metalic este oxidat:

Pb + SO4= PbSO4 + 2e-

Și dioxidul de plumb este redus:

Pb + S04 + 4H+ + 2e- = PbS04 + 2H2O

Electronii cedați de atomii metalici de plumb în timpul oxidării sunt acceptați de atomii de plumb PbO2 în timpul reducerii; electronii sunt transferați de la un electrod la altul printr-un circuit extern.

Astfel, plumbul metalic servește ca anod într-o baterie cu plumb și este încărcat negativ, iar PbO2 servește drept catod și este încărcat pozitiv.

În circuitul intern (în soluția de H2SO4), transferul de ioni are loc în timpul funcționării bateriei. Ionii SO42 se deplasează spre anod, iar ionii H+ se deplasează spre catod. Direcția acestei mișcări este determinată de câmpul electric rezultat din apariția proceselor electrodului: anionii sunt consumați la anod, iar cationii sunt consumați la catod. Ca rezultat, soluția rămâne neutră din punct de vedere electric.

Dacă adunăm ecuațiile corespunzătoare oxidării plumbului și reducerii PbO2, obținem ecuația reacției totale,

scurgeri într-o baterie plumb-acid în timpul funcționării acesteia (descărcare):

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

E.m.f. a unei baterii plumb-acid încărcate este de aproximativ 2V. Pe măsură ce o baterie se descarcă, materialele sale catod (PbO2) și anod (Pb) sunt consumate. Se consumă și acid sulfuric. În același timp, tensiunea la bornele bateriei scade. Când aceasta devine mai mică decât valoarea permisă de condițiile de funcționare, bateria este încărcată din nou.

Pentru a încărca (sau a încărca), bateria este conectată la sursă externă curent (plus la plus și minus la minus). În acest caz, curentul trece prin baterie în direcția opusă celei în care a trecut când bateria a fost descărcată. Ca urmare a acestui fapt, procesele electrochimice de pe electrozi sunt „inversate”. Electrodul plumb trece acum printr-un proces de reducere

PbSO4 + 2e- = Pb + SO4

acestea. Acest electrod devine catod. Procesul de oxidare are loc pe electrodul PbO2

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

prin urmare, acest electrod este acum anodul. Ionii din soluție se mișcă în direcții opuse celor în care s-au deplasat atunci când bateria funcționa.

Adunând ultimele două ecuații, obținem ecuația pentru reacția care are loc la încărcarea bateriei:

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

Este ușor de observat că acest proces este opusul celui care are loc atunci când bateria este în funcțiune: când bateria este încărcată, produce din nou substanțele necesare funcționării sale.

Bateriile cu plumb-acid sunt de obicei conectate la o baterie, care

plasat într-un monobloc din ebonită, termoplastic, polipropilenă,

polistiren, polietilenă, compoziție smoală asfaltică, ceramică

sau sticla.

Una dintre cele mai importante caracteristici ale unei baterii este

durata de viață sau durata de viață (număr de cicluri). Deteriorare

parametrii bateriei și defecțiunile sunt cauzate în primul rând

coadă de coroziune a rețelei și alunecarea masei active

electrod pozitiv. Durata de viață a bateriei este determinată

în primul rând prin tipul de plăci pozitive și condiții

Operațiune.

Îmbunătățirile bateriilor plumb-acid sunt pe drumul cel bun

cercetarea de noi aliaje pentru grile (de exemplu, plumb-calciu), materiale de carcasă ușoare și durabile

(de exemplu, pe bază de copolimer propilenă-etilenă), îmbunătățiri

calitatea separatoarelor.

BATERIE ALCALINE

Argint-zinc.

Au caracteristici electrice bune și sunt ușoare ca greutate și volum. Electrozii din ele sunt oxizi de argint Ag2O, AgO (catod) și zinc burete (anod); Electrolitul este o soluție de KOH.

În timpul funcționării bateriei, zincul este oxidat, transformându-se în ZnO și Zn(OH)2, iar oxidul de argint este redus la metal. Reacția globală care are loc atunci când o baterie este descărcată poate fi exprimată aproximativ prin ecuația:

AgO + Zn = Ag + ZnO

E.m.f. a unei baterii argint-zinc încărcate este de aproximativ 1,85 V. Când tensiunea scade la 1,25 V, bateria este încărcată. În acest caz, procesele de pe electrozi sunt „inversate”: zincul este redus, argintul este oxidat - se obțin din nou substanțele necesare funcționării bateriei.

Cadmiu-nichel și fier-nichel.

CN și ZHN sunt foarte asemănătoare între ele. Principala lor diferență este materialul plăcilor cu electrozi negativi; în bateriile KN sunt cadmiu, iar în bateriile ZhN sunt fier. Bateriile KN sunt cele mai utilizate.

Bateriile alcaline sunt produse în principal cu electrozi lamelă. În ele, masele active sunt închise în lamele - cutii plate cu găuri. Masa activă a plăcilor pozitive ale unei baterii încărcate constă în principal din oxid de nichel hidratat (Ni) Ni2O3 x H2O sau NiOOH. În plus, conține grafit, care este adăugat pentru a crește conductivitatea electrică. Masa activă a plăcilor negative ale bateriilor KN constă dintr-un amestec de cadmiu burete cu pulbere de fier, iar din bateriile ZhN - din pulbere de fier redusă. Electrolitul este o soluție de hidroxid de potasiu care conține o cantitate mică de LiOH.

Să luăm în considerare procesele care au loc în timpul funcționării unei baterii KN. Când bateria este descărcată, cadmiul se oxidează.

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

Și NiOOH este restaurat:

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

În acest caz, electronii sunt transferați de la electrodul de cadmiu la electrodul de nichel de-a lungul circuitului extern. Electrodul de cadmiu servește ca anod și este încărcat negativ, iar electrodul de nichel servește drept catod și este încărcat pozitiv.

Reacția totală care are loc în bateria KN în timpul funcționării acesteia poate fi exprimată prin ecuația care se obține prin adăugarea ultimelor două ecuații electrochimice:

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

E.m.f. a unei baterii nichel-cadmiu încărcate este de aproximativ 1,4 V. Pe măsură ce bateria funcționează (se descarcă), tensiunea la bornele ei scade. Când scade sub 1V, bateria este încărcată.

Când se încarcă o baterie, procesele electrochimice de la electrozii săi sunt „inversate”. Reducerea metalelor are loc la electrodul de cadmiu

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

Pe nichel - oxidarea hidroxidului de nichel (P):

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

Reacția totală în timpul încărcării este opusă reacției care are loc în timpul descărcării:

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

BATERIE SIGLAȚE NICKEL-CADMIUM

Un grup special de baterii cu nichel-cadmiu sunt baterii sigilate. Oxigenul eliberat la sfârșitul încărcării oxidează cadmiul, astfel încât presiunea din baterie nu crește. Rata de formare a oxigenului ar trebui să fie scăzută, astfel încât bateria este încărcată cu un curent relativ scăzut.

Bateriile sigilate sunt împărțite în discuri,

cilindrice și dreptunghiulare.

Baterii nichel-cadmiu dreptunghiulare sigilate

sunt produse cu electrozi negativi de oxid de cadmiu non-cermet sau cu electrozi de cadmiu cermet.

BATERIE SIGLAȚE

Baterii cu acizi utilizate pe scară largă,

realizate folosind tehnologia clasică, provoacă multe probleme

și au un efect dăunător asupra oamenilor și echipamentelor. Ele sunt cele mai multe

ieftin, dar necesită costuri suplimentare pentru întreținerea lor,

spații speciale și personal.

BATERIE TEHNOLOGIE „DRYFIT”.

Cea mai convenabilă și mai sigură dintre bateriile cu acid

sunt baterii sigilate care nu necesită întreținere

VRLA (Valve Regulated Lead Acid) produs folosind tehnologie

„dryfit”. Electrolitul din aceste baterii este într-o stare asemănătoare jeleului. Acest lucru garantează fiabilitatea bateriilor și siguranța funcționării acestora.

BIBLIOGRAFIE:

1. Deordiev S.S.

Bateriile și îngrijirea lor.

K.: Tehnologie, 1985. 136 p.

2. Carte de referință electrică.

În 3 volume.T.2. Produse și dispozitive electrice/sub

total ed. profesori ai Institutului de Inginerie Energetică din Moscova (editor-șef I.N. Orlov) și alții.ed. a VII-a. 6cor. si suplimentare

M.: Energoatomizdat, 1986. 712 p.

3. N.L.Glinka.

Chimie generală.

Editura „Chimie” 1977.

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

Surse de curent chimic.

M.: Energoizdat, 1981. 360 p.

Text furnizat de Centrul de Cercetare Științifică „Știință și tehnologie”
Drepturile asupra versiunii electronice a publicației aparțin N&T (www.n-t.org)

Cartea conține informații despre proiectarea, principiile de funcționare și caracteristicile surselor de energie chimică (baterii și acumulatori). Veți învăța din această carte cum să alegeți bateriile și acumulatorii de care aveți nevoie, cum să le încărcați și să le restaurați corect.

• Anodul este borna pozitivă a bateriei.
• Baterie - două sau mai multe celule conectate în serie și/sau paralel pentru a furniza tensiunea necesară si curent.
• Rezistența internă este rezistența la curgerea curentului printr-un element, măsurată în ohmi. Uneori numită impedanță internă.
• Ieșirea de energie este puterea consumată înmulțită cu tensiunea medie în timpul de descărcare a bateriilor, exprimată în wați oră (Wh).
• Capacitatea este cantitatea de energie electrică pe care o eliberează o baterie în anumite condiții de descărcare, exprimată în amperi oră (Ah) sau coulombi (1 Ah = 3600 C).
• Sarcina este energia electrică transferată unui element pentru a fi transformată în energie chimică stocată.
• Catodul este borna negativă a bateriei.
• Încărcarea compensatorie este o metodă care utilizează curent continuu pentru a aduce bateria într-o stare complet încărcată și pentru a o menține în această stare.
• Tensiunea de întrerupere este tensiunea minimă la care bateria este capabilă să furnizeze energie utilă în anumite condiții de descărcare.
• Tensiunea în circuit deschis este tensiunea de la bornele externe ale bateriei în absența consumului de curent.
• Tensiunea nominală este tensiunea pe o baterie complet încărcată atunci când aceasta este descărcată la o rată foarte scăzută.
• Încărcarea flotantă este o metodă de a menține o baterie reîncărcabilă într-o stare complet încărcată prin aplicarea unei tensiuni constante selectate pentru a compensa diferitele pierderi din aceasta.
• Densitatea de energie este raportul dintre energia unui element și masa sau volumul său, exprimat în wați oră pe unitate de masă sau volum.
• Polarizarea este o cădere de tensiune cauzată de modificările compozițiilor chimice ale componentelor elementelor (diferența dintre tensiunea în circuit deschis și tensiunea în orice moment în timpul descărcării).
• Descărcarea este consumul de energie electrică dintr-un element într-un circuit extern. O descărcare profundă este o stare în care aproape întreaga capacitate a elementului este epuizată. O descărcare superficială este o descărcare în care o mică parte din capacitatea totală este consumată.
• Separator - un material folosit pentru a izola electrozii unul de celălalt. Uneori reține electrolitul în celulele uscate.
• Perioada de valabilitate este perioada de timp în care un element depozitat în condiții normale (20oC) își păstrează 90% din capacitatea sa inițială.
• Stabilitatea este uniformitatea tensiunii la care bateria eliberează energie în timpul modului de descărcare completă.
• Un element este o unitate de bază capabilă să transforme energia chimică în energie electrică. Este format din electrozi pozitivi și negativi scufundați într-un electrolit comun.
• Un electrod este un material conductiv capabil să producă purtători de curent atunci când reacţionează cu un electrolit.
• Electrolitul este un material care conduce purtătorii de sarcină într-o celulă.
• Un ciclu este o secvență de încărcare și descărcare a unui element.

termeni englezi

• O baterie - baterie incandescentă
• baterie de stocare a acidului - baterie de baterii cu acid (plumb).
• baterie cu aer - element aer-metal
• baterie alcalină - celulă alcalină (primară).
• baterie alcalină - celulă alcalină mangan-zinc
• baterie alcalină uscată - celulă uscată cu mercur-zinc
• baterie alcalină uscată - celulă alcalină uscată
• baterie alcalină cu mangan - celulă alcalină mangan-zinc
• acumulator alcalin - baterie alcalina
• acumulator alcalin - baterie alcalina
• anod battery - baterie anod
• baterie B - baterie anod
• Baterie Bansen - (acid azotic-zinc) Celulă Bunsen
• baterie tip sac - element cupă (primar) cu pupă
• baterie de echilibrare - baterie tampon
• baterie - baterie
• baterie de polarizare - element de baterie de polarizare, element de baterie de grilă
• baterie de polarizare - baterie de polarizare, baterie de rețea
• baterie bicromata - celula (primara) cu solutie de bicromat
• baterie tampon - baterie tampon
• baterie bypass - baterie tampon
• Baterie C - baterie de polarizare, baterie de rețea
• Baterie Clark - (mercur-zinc) celulă Clark
• baterie normală cu cadmiu - (mercur-cadmiu) Celulă normală Weston
• baterie cadmiu-argint-oxid - celulă galvanică cu oxid de cadmiu
• baterie de carbon - celulă (primară) cu un electrod de carbon
• baterie carbon-zinc - celulă (uscă) cu un anod de zinc și un catod de carbon
• celula - element, celula, celula galvanica (celula primara, baterie sau celula de combustibil)
• baterie chimică - baterie de surse de curent chimic
• baterie încărcabilă - element reîncărcabil
• baterie cooper-zinc - celulă cupru-zinc
• baterie contra (electromotoare) - element de contracarare
• Baterie Daniel - (cupru-zinc) Celulă Daniel
• baterie de descompunere - o celulă cu o reacție (laterală) de descompunere electrolitică
• baterie dicromat - celulă (primară) cu soluție de dicromat
• baterie cu deplasare - o celulă cu o reacție de înlocuire electrolitică (laterală).
• baterie cu oxid de argint divalent - o celulă cu oxidarea argintului la starea divalentă
• baterie cu două fluide - element cu două fluide
• stocare tambur - baterie nichel-zinc
• baterie uscată - celulă uscată
• baterie uscată - baterie uscată
• dry-charged battery - baterie de baterii uscate încărcate
• dry-charged battery - baterie uscată încărcată
• Baterie Edison - baterie nichel-fier
• baterie electrică - baterie galvanică (bateria de celule primare, acumulatori sau celule de combustibil)
• baterie electrica - celula galvanica (celula primara), baterie sau celula de combustibil
• baterii de urgență - baterii de urgență
• baterie de urgență - baterie de urgență
• baterii de capăt - baterii de rezervă
• Baterie Faradey - Celula Faraday
• Acumulator Faure - baterie cu placi lipite
• baterie cu filament - baterie cu filament
• baterie plutitoare - baterie de rezervă (conectată în paralel cu bateria principală)
• Baterie Grenet - (dicromat de zinc) Celulă Grenet
• baterie galvanică - celulă electrochimică în modul celulă galvanică
• grid battery - baterie grilă, baterie cu deplasare
• grid-bias battery - baterie de polarizare, baterie grid
• Baterie Lalande - (oxid de cupru alcalin de zinc) Celulă Lalande
• Baterie Leclanche - (mangan-zinc) Celulă Leclanche
• baterie cu plumb (-acid) - baterie cu plumb
• baterie cu plumb (de stocare) - baterie de baterii cu plumb (acid).
• baterie plumb-calciu - celulă plumb-calciu
• baterie primară cu dioxid de plumb - celulă primară cu dioxid de plumb
• baterie de linie - baterie tampon
• baterie cu litiu - o celulă cu un anod cu litiu
• baterie secundară sulfură de litiu-fier - baterie de fier-clorură de litiu
• baterie litiu-argint cromat - celulă argintiu-cromat de litiu
• baterie litiu-apă - celulă litiu-apă
• baterie cu durată lungă de viață umedă - o baterie de baterii cu o durată de viață lungă în stare inundată
• baterie de magneziu - celula primara cu anod de magneziu
• baterie cu oxid de magneziu mercuric - baterie cu oxid de magneziu-mercur
• baterie cu clorură de magneziu-cupros - celulă de cupru-clorură de magneziu
• baterie cu clorură de magneziu-argint - celulă argint-clorură de magneziu
• baterie magneziu-apă - baterie magneziu-apă
• baterie cu mercur - celulă (uscă) cu mercur-zinc
• baterie cu mercur - baterie de celule (uscate) cu mercur-zinc
• baterie de stocare metal-aer - baterie metal de aer
• baterie nicad (nichel-cadmiu) - baterie nichel-cadmiu
• baterie nichel-cadmiu - baterie nichel-cadmiu
• baterie nichel-iron - baterie nichel-fier
• baterie nichel-iron - baterie nichel-fier
• Baterie Plante - baterie plumb (acid) cu separator de lenjerie
• baterie pilot - baterie de control
• baterie placa - baterie anod
• baterie plug-in - baterie înlocuibilă
• baterie portabilă - baterie portabilă
• baterie primară - element (primar).
• baterie primară - baterie de celule (primare).
• baterie silențioasă - baterie microfon
• Baterie Ruben - celulă (uscă) cu mercur-zinc
• baterie reîncărcabilă - baterie de baterii
• baterie reîncărcabilă - baterie de elemente reîncărcabile
• baterie de rezervă - element galvanic al unei baterii de rezervă
• ringing battery - baterie care sună (telefon).
• baterie sal-amoniac - celulă (primară) cu soluții de săruri de amoniu
• baterie standard saturată - celulă normală saturată
• baterie etanșă - baterie etanșă
• baterie etanșă - element etanșat (primar).
• baterie secundară - baterie de baterii
• baterie de semnalizare - baterie de apelare (telefon).
• acumulator argint-cadmiu - baterie de baterii argint-cadmiu
• baterie cu oxid de argint - celulă (primară) cu catod de argint
• baterie primară argint-zinc - celulă primară argint-zinc
• baterie de stocare argint-zinc - baterie de baterii argint-zinc
• baterie solară - baterie solară
• baterie standard Daniel - (cupru-zinc) celulă Daniel normală
• baterie de așteptare - baterie de urgență
• baterie staționară - acumulator staționar acumulator - baterie de baterii
• baterie vorbitoare - baterie microfon
• Baterie voltaică - element Volta; element cu electrozi metalici și electrolit lichid
• Baterie Weston (standard) - (mercur-cadmiu) celulă Weston normală
• baterie umedă - celulă cu electrolit lichid
• baterie zinc-air - baterie de celule zinc-aer
• baterie zinc-clor - baterie cu clor de zinc
• baterie zinc-coper-oxide - celulă cupru-oxid de zinc
• baterie zinc-fier - celulă zinc fier
• baterie zinc-dioxid de mangan - baterie de celule mangan-zinc
• baterie zinc-mercur-oxide - celulă cu oxid de zinc-mercur
• baterie zinc-nichel - baterie nichel-zinc
• baterie primară zinc-argint-clorură - celulă primară argint-clorură de zinc

Introducere

Sursele de curent chimic (CHS) au devenit parte din viața noastră de mulți ani. În viața de zi cu zi, consumatorul acordă rar atenție diferențelor dintre HIT-urile utilizate. Pentru el, acestea sunt baterii și acumulatori. Ele sunt utilizate de obicei în dispozitive precum lanterne, jucării, radiouri sau mașini.

Cel mai adesea, bateriile și acumulatorii se disting prin aspectul lor. Dar există baterii care sunt proiectate în același mod ca și bateriile. De exemplu aspect Bateria KNG-1D diferă puțin de bateriile clasice R6C AA. Si invers. Bateriile reîncărcabile și bateriile de tip disc nu se disting, de asemenea, ca aspect. De exemplu, o baterie D-0.55 și o celulă cu mercur cu buton (baterie) RC-82.

Pentru a distinge între ele, consumatorul trebuie să acorde atenție marcajelor de pe corpul HIT. Marcajele aplicate carcaselor bateriilor și acumulatorilor sunt descrise în capitolele 1 și 2 din figuri și tabele. Acest lucru este necesar pentru a selecta corect sursa de alimentare pentru dispozitivul dvs.

Apariția echipamentelor portabile audio, video și a altor echipamente mai consumatoare de energie a necesitat o creștere a intensității energetice a HIT, fiabilitatea și durabilitatea acestora.

Această carte descrie caracteristicile tehnice și metodele de selectare a HIT-ului optim, metode de încărcare, restaurare, operare și prelungire a duratei de viață a bateriilor și acumulatorilor.

Cititorul este avertizat să ia în considerare precauția cu privire la siguranța și eliminarea deșeurilor chimice.

În cazul în care consumul de energie este relativ mare (10Ah), se folosesc baterii, în principal acid, precum și nichel-fier și nichel-cadmiu. Sunt utilizate în calculatoare portabile (Laptop, Notebook, Palmtop), echipamente de comunicații portabile, iluminat de urgență etc.

Bateriile auto au un loc special în carte. Sunt furnizate diagrame ale dispozitivelor de încărcare și refacere a bateriilor și sunt descrise baterii noi sigilate create folosind tehnologia „dryfit” care nu necesită întreținere timp de 5...8 ani de funcționare. Nu au un efect nociv asupra oamenilor sau echipamentelor.

În ultimii ani, astfel de baterii au fost utilizate pe scară largă în sursele de alimentare de rezervă pentru computere și sisteme electromecanice care acumulează energie pentru posibilele sarcini de vârf și alimentarea de urgență a sistemelor vitale.

La începutul fiecărui capitol există un glosar cu termeni speciali în limba engleză care sunt utilizați în descrierile și etichetarea bateriilor și acumulatorilor. La sfârșitul cărții există un dicționar consolidat de termeni.

Principalele caracteristici ale CCI pentru o gamă largă de aplicații care sunt de interes practic sunt prezentate în Tabelul B.1.

CAPITOLUL 1
SURSE DE CURENT GALVANIC, SINGOLA ACȚIUNE

Sursele de curent galvanic de unică folosință sunt un recipient unificat care conține un electrolit, absorbit de materialul activ al separatorului, și electrozi (anod și catod), motiv pentru care se numesc celule uscate. Acest termen este folosit pentru a se referi la toate celulele care nu conțin un electrolit lichid. Celulele uscate comune includ zinc-carbon sau celulele Leclanche.

Celulele uscate sunt utilizate la curenți scăzuti și moduri de funcționare intermitente. Prin urmare, astfel de elemente sunt utilizate pe scară largă în telefoane, jucării, sisteme de alarmă etc.

Deoarece gama de dispozitive care folosesc elemente uscate este foarte largă și, în plus, necesită înlocuire periodică, există standarde pentru dimensiunile lor. Trebuie subliniat faptul că dimensiunile elementelor prezentate în tabelele 1.1 și 1.2 produse de diferiți producători pot diferi ușor în ceea ce privește amplasarea știfturilor și alte caracteristici specificate în specificațiile acestora.

În timpul procesului de descărcare, tensiunea celulelor uscate scade de la tensiunea nominală la tensiunea de întrerupere (tensiunea de întrerupere este tensiunea minimă la care bateria este capabilă să furnizeze energie minimă), adică. de obicei, 1,2 V până la 0,8 V/celulă, în funcție de aplicație. În caz de descărcare atunci când este conectat la element rezistență constantă după închiderea circuitului, tensiunea la bornele sale scade brusc până la o anumită valoare, ceva mai mică decât tensiunea inițială. Curentul care curge în acest caz se numește curent de descărcare inițial.

Funcționalitatea unei celule uscate depinde de consumul de curent, tensiunea de întrerupere și condițiile de descărcare. Eficiența elementului crește pe măsură ce curentul de descărcare scade. Pentru celulele uscate, descărcarea continuă pentru mai puțin de 24 de ore poate fi clasificată ca descărcare cu viteză mare.

Capacitatea electrică a unei celule uscate este specificată pentru descărcare printr-o rezistență fixă ​​la o tensiune finală dată în ore în funcție de descărcarea inițială și este prezentată într-un grafic sau tabel. Este recomandabil să folosiți tabelul sau tabelul producătorului pentru o anumită baterie. Acest lucru se datorează nu numai nevoii de a ține cont de caracteristicile produsului, ci și faptului că fiecare producător oferă propriile recomandări cu privire la cea mai bună utilizare a produselor sale. Tabelul 1.3 și Tabelul 1.5 prezintă caracteristicile tehnice ale celulelor galvanice care au fost în ultimul timp cele mai comune pe rafturile magazinelor noastre.

Rezistența internă a bateriei poate limita curentul necesar, de exemplu atunci când este utilizat într-o cameră bliț. Curentul inițial stabil pe care îl poate furniza o baterie pentru o perioadă scurtă de timp se numește curent flash. Denumirea tipului de element conține denumiri de litere care corespund curenților intermitent și rezistenței interne a elementului, măsurate la curent continuu și alternativ (tabelul 1.4). Curentul bliț și rezistența internă sunt foarte greu de măsurat, iar celulele pot avea o durată de viață lungă, dar curentul bliț poate scădea.

1.1. TIPURI DE CELULE GALVANICE

Elemente carbon-zinc

Elementele carbon-zinc (mangan-zinc) sunt cele mai comune elemente uscate. Celulele carbon-zinc utilizează un colector de curent pasiv (carbon) în contact cu un anod de dioxid de mangan (MnO2), un electrolit de clorură de amoniu și un catod de zinc. Electrolitul este sub formă de pastă sau impregnează diafragma poroasă. Un astfel de electrolit este ușor mobil și nu se răspândește, motiv pentru care elementele se numesc uscate.

Tensiunea nominală a celulei carbon-zinc este de 1,5 V.

Elementele uscate pot avea o formă cilindrică, Fig. 1.1, o formă de disc, Fig. 1.2, și o formă dreptunghiulară. Designul elementelor dreptunghiulare este similar cu cele pe disc. Anodul de zinc este realizat sub forma unui sticla cilindrica, care este si un recipient. Elementele discului constau dintr-o placă de zinc, o diafragmă de carton impregnată cu o soluție de electrolit și un strat comprimat al electrodului pozitiv. Elementele discului sunt conectate în serie între ele, bateria rezultată este izolată și ambalată într-o carcasă.

Elementele de cărbune-zinc sunt „restaurate” în timpul unei pauze de funcționare. Acest fenomen se datorează alinierii treptate a neomogenităților locale în compoziția electroliților care apar în timpul procesului de descărcare. Ca urmare a „odihnului” periodic, durata de viață a elementului este prelungită.

În fig. Figura 1.3 prezintă o diagramă tridimensională care arată creșterea timpului de funcționare a unui element D atunci când se utilizează un mod de funcționare intermitent în comparație cu unul constant. Acest lucru ar trebui să fie luat în considerare atunci când utilizați elementele în mod intensiv (și utilizați mai multe seturi pentru funcționare, astfel încât un set să aibă o perioadă suficientă de timp pentru a restabili funcționalitatea. De exemplu, atunci când utilizați un player, nu este recomandat să utilizați un set de baterii. mai mult de două ore la rând.La schimbarea a două seturi, elementele de timp de operare se măresc de trei ori.

Avantajul elementelor carbon-zinc este costul lor relativ scăzut. Dezavantajele semnificative includ o scădere semnificativă a tensiunii în timpul descărcării, densitatea redusă de putere (5...10 W/kg) și durata de valabilitate scurtă.

Temperaturile scăzute reduc eficiența utilizării celulelor galvanice, iar încălzirea internă a bateriei o mărește. Efectul temperaturii asupra capacității unei celule galvanice este prezentat în Fig. 1.4. O creștere a temperaturii provoacă coroziunea chimică a electrodului de zinc de către apa conținută în electrolit și uscarea electrolitului. Acești factori pot fi oarecum compensați prin menținerea bateriei la temperaturi ridicate și introducerea unei soluții saline în celulă printr-o gaură făcută anterior.

Elemente alcaline

La fel ca celulele carbon-zinc, celulele alcaline folosesc un anod de MnO2 și un catod de zinc cu un electrolit separat.

Diferența dintre celulele alcaline și celulele carbon-zinc constă în utilizarea unui electrolit alcalin, ca urmare a căruia nu există practic nicio degajare de gaz în timpul descărcării și pot fi făcute sigilate ermetic, ceea ce este foarte important pentru o serie de aplicații ale acestora. .

Tensiunea celulelor alcaline este cu aproximativ 0,1 V mai mică decât cea a celulelor carbon-zinc în aceleași condiții. Prin urmare, aceste elemente sunt interschimbabile.

Tensiunea celulelor cu electrolit alcalin se modifică semnificativ mai puțin decât cea a celulelor cu electrolit de sare. Celulele cu electrolit alcalin au, de asemenea, o energie specifică mai mare (65...90 Wh/kg), o putere specifică (100...150 kWh/m3) și un termen de valabilitate mai lung.

Încărcarea celulelor și bateriilor cu mangan-zinc se realizează prin curent alternativ asimetric. Puteți încărca celulele cu o sare sau un electrolit alcalin de orice concentrație, dar nu prea descărcate și fără electrozi de zinc deteriorați. În termenul de expirare stabilit pentru de acest tip celulă sau baterie, puteți restabili funcționalitatea de mai multe ori (de 6...8 ori).

Încărcarea bateriilor și celulelor uscate se realizează dintr-un dispozitiv special care vă permite să obțineți un curent de încărcare de forma necesară: cu un raport de încărcare și descărcare a componentelor de 10:1 și un raport al duratelor impulsului acestor componente de 1: 2. Acest dispozitiv vă permite să încărcați bateriile ceasurilor și să activați bateriile mici vechi. La încărcarea bateriilor ceasurilor, curentul de încărcare nu trebuie să depășească 2 mA. Timpul de încărcare nu este mai mare de 5 ore. Schema unui astfel de dispozitiv pentru încărcarea bateriilor este prezentată în Fig. 1.5.

Aici, bateria care se încarcă este conectată prin două lanțuri de diode conectate în paralel cu rezistențe. Curentul de sarcină asimetric se obține ca urmare a diferenței de rezistențe ale rezistențelor. Sfârșitul încărcării este determinat de încetarea creșterii tensiunii pe baterie. Tensiunea secundară a transformatorului încărcător este selectat astfel încât tensiunea de ieșire să depășească tensiunea nominală a elementului cu 50...60%.

Timpul de încărcare a bateriei folosind dispozitivul descris ar trebui să fie de aproximativ 12...16 ore. Capacitatea de încărcare ar trebui să fie cu aproximativ 50% mai mare decât capacitatea nominală a bateriei.

Elemente de mercur

Elementele de mercur sunt foarte asemănătoare cu elementele alcaline. Ei folosesc oxid de mercur (HgO). Catodul constă dintr-un amestec de pulbere de zinc și mercur. Anodul și catodul sunt separate printr-un separator și o diafragmă impregnată cu o soluție alcalină 40%.

Aceste elemente au termeni lungi stocare și capacități mai mari (cu același volum). Tensiunea unei celule cu mercur este cu aproximativ 0,15 V mai mică decât cea a unei celule alcaline.

Elementele de mercur se caracterizează prin energie specifică ridicată (90...120 Wh/kg, 300...400 kWh/m3), stabilitate de tensiune și rezistență mecanică ridicată.

Pentru dispozitivele de dimensiuni mici, au fost create elemente modernizate ale tipurilor RC-31S, RC-33S și RC-55US. Energia specifică a elementelor RC-31S și RC-55US este de 600 kWh/m3, elementele RC-33S sunt de 700 kWh/m3. Elementele RC-31S și RC-33S sunt utilizate pentru alimentarea ceasurilor și a altor echipamente. Elementele RC-55US sunt destinate echipamentelor medicale, în special dispozitivelor medicale implantabile.

Elementele RC-31S și RC-33S funcționează timp de 1,5 ani la curenți de 10, respectiv 18 µA, iar elementul RC-55US asigură funcționarea dispozitivelor medicale implantate timp de 5 ani. După cum reiese din Tabelul 1.6, capacitatea nominală a acestor elemente nu corespunde desemnării lor.

Elementele cu mercur sunt operaționale în intervalul de temperatură de la 0 la +50oC; există RC-83X și RC-85U rezistente la frig și elemente rezistente la căldură RC-82T și RC-84, care sunt capabile să funcționeze la temperaturi de până la +70oC . Există modificări ale elementelor în care sunt folosite aliaje de indiu și titan în locul pulberii de zinc (electrod negativ).

Deoarece mercurul este rar și toxic, celulele de mercur nu trebuie aruncate după ce sunt utilizate pe deplin. Ele trebuie reciclate.

Elemente de argint

Au catozi „argintii” din Ag2O și AgO. Tensiunea lor este cu 0,2 V mai mare decât cea a celor carbon-zinc în condiții comparabile.

Celule cu litiu

Ei folosesc anozi de litiu, un electrolit organic și catozi din diverse materiale. Au o durată de valabilitate foarte lungă, densități mari de energie și sunt operaționale într-o gamă largă de temperaturi, deoarece nu conțin apă.

Deoarece litiul are cel mai mare potențial negativ în raport cu toate metalele, celulele cu litiu sunt caracterizate de cea mai mare tensiune nominală cu dimensiuni minime (Fig. 1.6). Specificații celulele galvanice cu litiu sunt date în tabelul 1.7.

Compușii organici sunt utilizați de obicei ca solvenți în astfel de elemente. Solvenții pot fi, de asemenea, compuși anorganici, de exemplu, SOCl2, care sunt și substanțe reactive.

Conductivitatea ionică este asigurată prin introducerea de săruri cu anioni mari în solvenți, de exemplu: LiAlCl4, LiClO4, LiBFO4. Specific conductivitate electrică soluțiile electrolitice neapoase sunt cu 1...2 ordine de mărime mai mici decât conductivitatea soluțiilor apoase. În plus, procesele catodice din ele decurg de obicei lent, prin urmare, în celulele cu electroliți neapoși, densitățile de curent sunt scăzute.

Dezavantajele celulelor cu litiu includ costul lor relativ ridicat, datorită prețului ridicat al litiului și cerințelor speciale pentru producerea lor (necesitatea unei atmosfere inerte, purificarea solvenților neapoși). De asemenea, trebuie luat în considerare faptul că unele celule cu litiu sunt explozive dacă sunt deschise.

Astfel de elemente sunt de obicei realizate într-un design cu buton cu o tensiune de 1,5 V și 3 V. Ele furnizează cu succes energie circuitelor cu un consum de aproximativ 30 μA în mod constant sau 100 μA în modurile intermitente. Celulele cu litiu sunt utilizate pe scară largă în sursele de alimentare de rezervă pentru circuitele de memorie, instrumente de măsură și alte sisteme de înaltă tehnologie.

CAPITOLUL 1.2 BATERIE DE LA COMPANII LEADER ALE LUMII

În ultimele decenii, volumul producției de analogi alcalini ai elementelor Leclanche, inclusiv zinc aer, a crescut (vezi Tabelul B1).

De exemplu, în Europa, producția de elemente alcaline mangan-zinc a început să se dezvolte în 1980, iar în 1983 a atins deja 15% din producția totală.

Utilizarea electrolitului liber limitează posibilitățile de utilizare a celor autonome și este utilizat în principal în HIT staționar. Prin urmare, numeroase studii vizează crearea așa-numitelor celule uscate, sau celule cu electrolit îngroșat, lipsite de elemente precum mercur și cadmiu, care prezintă pericole grave pentru sănătatea umană și pentru mediu.

Această tendință este o consecință a avantajelor substanțelor chimice alcaline în comparație cu elementele clasice de sare:

o creștere semnificativă a densităților de curent de descărcare datorită utilizării unui anod lipit;

creșterea capacității echipamentelor de încălzire chimică datorită posibilității de creștere a încărcării maselor active;

crearea compozițiilor de zinc-aer (elemente de tip 6F22) datorită activității mai mari a materialelor catodice existente în reacția de electroreducere a dioxigenului într-un electrolit alcalin.

Baterii de la Duracell (SUA)

Duracell este un lider recunoscut în lume în producția de surse galvanice alcaline de unică folosință. Istoria companiei este de peste 40 de ani.

Compania în sine este situată în Statele Unite ale Americii. În Europa, fabricile sale sunt situate în Belgia. Potrivit consumatorilor atât de aici, cât și din străinătate, bateriile Duracell ocupă o poziție de lider în popularitate, durată de utilizare și raport preț-calitate.

Apariția Duracell pe piața ucraineană a atras atenția consumatorilor noștri.

Densitățile de curent de descărcare în sursele de litiu nu sunt mari (comparativ cu alte HIT), de ordinul a 1 mA/cm2 (vezi pagina 14). Cu o durată de valabilitate garantată de 10 ani și o descărcare de curent scăzută, este rațional să folosiți celule cu litiu Duracell în sistemele de înaltă tehnologie.

Tehnologia EXRA-POWER brevetată de SUA care utilizează dioxid de titan (TiO2) și alte caracteristici tehnologice ajută la creșterea puterii și eficienței reactoarelor chimice Duracell mangan-zinc.

În interiorul corpului de oțel al celulelor alcaline Duracell se află un colector cilindric de grafit care deține un electrolit sub formă de pastă în contact cu un catod cu ac.

Perioada de valabilitate garantată a elementelor este de 5 ani, iar în același timp, capacitatea elementului indicată pe ambalaj este garantată la sfârșitul termenului de valabilitate.

Caracteristicile tehnice ale Duracell HIT sunt prezentate în Tabelul 1.8.

Baterii de la concernul Varta (Germania)

Concernul Varta este unul dintre liderii mondiali în producția de HIT. Cele 25 de fabrici ale concernului sunt situate în peste 100 de țări din întreaga lume și produc peste 1.000 de tipuri de baterii și acumulatori.

Principalele unități de producție sunt ocupate de Departamentul de Baterii Industriale Staționare. Cu toate acestea, aproximativ 600 de tipuri de celule voltaice de la baterii de ceasuri până la baterii sigilate sunt produse la fabricile concernului de către Departamentul de baterii pentru instrumente din SUA, Italia, Japonia, Cehia etc., cu o garanție de calitate constantă indiferent de zona geografică. amplasarea plantei. Camera fotografică a primului om care a pus piciorul pe Lună era alimentată de baterii Varta.

Ele sunt destul de bine cunoscute consumatorilor noștri și au o cerere constantă.

Caracteristicile tehnice ale HIT privesc Varta cu indicatie analogi domestici sunt prezentate în tabelul 1.9.

CAPITOLUL 2. BATERIE

Bateriile sunt surse chimice reutilizabile de energie electrică. Ele constau din doi electrozi (pozitiv și negativ), un electrolit și o carcasă. Acumularea de energie în baterie are loc în timpul unei reacții chimice de oxidare-reducere a electrozilor. Când bateria este descărcată, au loc procesele inverse. Tensiunea bateriei este diferența de potențial dintre polii bateriei la o sarcină fixă.

Bibliografie

1. Kaufman M., Sidman. A.G.
   Un ghid practic pentru calculele circuitelor în electronică. Director. În 2 volume: Trad. din engleză/Ed. F.N. Pokrovsky. M.: Energoatomizdat, 1991. 368 p.
2. Teresșchuk R.M. etc Echipamente de dimensiuni mici. Manual de radioamatori. K.: Naukova Dumka, 1975. 557 p.
3. Sena L.A. Unitățile de mărime fizică și dimensiunile acestora. Manual educațional și de referință. Ed. a 3-a, revizuită. si suplimentare M.: Știință. Ch. ed. fizica si matematica lit., 1988. 432 p.
4. Deordiev S.S. Bateriile și îngrijirea lor. K.: Tehnologie, 1985. 136 p.
5. Carte de referință electrică. În 3 volume.T.2. Produse și dispozitive electrice/sub general. ed. profesori ai Institutului de Inginerie Energetică din Moscova (editor-șef I.N. Orlov) și alții.ed. a VII-a. 6 rev. si suplimentare M.: Energoatomizdat, 1986. 712 p.
6. Digital și analogic circuite integrate. Director. Ed. S.V. Yakubovsky. M.: Radio și comunicare, 1990. 496 p.
7. Semushkin S. Sursele curente și aplicarea lor. „Radio”, 1978. 2.3.
8. Veksler G.S. Calculul dispozitivelor de alimentare. K.: Technika, 1978. 208 p.
9. Lisovsky F.V., Kalugin I.K. Dicționar englez-rus de electronică radio. Ed. a II-a, revizuită. si suplimentare BINE. 63000 termeni. M.: Rus. lang., 1987.
10. Bagotsky V.S., Skundin A.M. Surse de curent chimic. M.: Energoizdat, 1981. 360 p.
11. Crompton T. Surse primare de curent. M.: Mir, 1986. 326 p.

Continuați lectură

Diferite tipuri de celule galvanice își transformă energia chimică în curent electric. Ei și-au primit numele în onoarea savantului italian Galvani, care a efectuat primele astfel de experimente și cercetări. Electricitatea este generată prin reacția chimică a două metale (de obicei zinc și cupru) într-un electrolit.

Principiul de funcționare

Oamenii de știință au plasat o placă de cupru și zinc în recipiente cu acid. Au fost conectate printr-un conductor, pe primul s-au format bule de gaz, iar al doilea au început să se dizolve. Aceasta a dovedit că curentul electric trece prin conductor. După Galvani, Volt a început experimentele. El a creat un element cilindric, asemănător unei coloane verticale. Era format din zinc, cupru și inele de pânză, preimpregnate cu acid. Primul element avea o înălțime de 50 cm, iar tensiunea generată de acesta era simțită de o persoană.

Principiul de funcționare este că două tipuri de metal într-un mediu electrolitic interacționează, drept urmare curentul începe să curgă prin circuitul extern. Bateriile și celulele galvanice moderne sunt numite baterii. Tensiunea lor depinde de metalul folosit. Aparatul este plasat într-un cilindru din tablă moale. Electrozii sunt ochiuri cu pulverizare oxidativă și de reducere.

Transformarea energiei chimice în energie electrică elimină posibilitatea restabilirii proprietăților bateriilor. La urma urmei, atunci când elementul funcționează, se consumă reactivi, ceea ce face ca curentul să scadă. Agentul reducător este de obicei plumbul negativ din litiu sau zinc. În timpul funcționării, pierde electroni. Partea pozitivă este făcută din săruri metalice sau oxid de magneziu, efectuează activitatea unui agent oxidant.

În condiții normale, electrolitul nu permite trecerea curentului; se dezintegrează în ioni numai atunci când circuitul este închis. Aceasta este ceea ce face să apară conductivitatea. Ca electrolit se folosesc o soluție acidă, săruri de sodiu sau potasiu.

Varietăți de elemente

Bateriile sunt folosite pentru alimentarea dispozitivelor, dispozitivelor, echipamentelor și jucăriilor. Conform schemei, toate elementele galvanice sunt împărțite în mai multe tipuri:

• ser fiziologic;
• alcalin;
• litiu

Cele mai populare sunt bateriile de sare din zinc și mangan. Elementul combină fiabilitatea, calitatea și prețul rezonabil. Dar, recent, producătorii și-au redus sau și-au oprit complet producția, deoarece cerințele față de ei de la companiile producătoare de electrocasnice cresc treptat. Principalele avantaje ale bateriilor galvanice de acest tip:

• parametri universali care permit utilizarea lor în diferite domenii;
• operare usoara;
• cost scăzut;
• conditii simple producție;
• materii prime accesibile și ieftine.

Printre dezavantaje se numără o durată de viață scurtă (nu mai mult de doi ani), o scădere a proprietăților din cauza temperaturilor scăzute, o scădere a capacității odată cu creșterea curentului și o scădere a tensiunii în timpul funcționării. Când bateriile cu sare sunt descărcate, acestea se pot scurge, deoarece volumul pozitiv al electrodului împinge electrolitul. Conductivitatea este crescută de grafit și negru de fum, amestecul activ constă din dioxid de mangan. Durata de viață depinde direct de volumul de electrolit.

În secolul trecut, au apărut primele elemente alcaline. Rolul agentului oxidant în ele este jucat de mangan, iar agentul reducător este pulberea de zinc. Corpul bateriei este amalgamat pentru a preveni coroziunea. Dar utilizarea mercurului a fost interzisă, așa că au fost acoperite cu amestecuri de pudră de zinc și inhibitori de rugină.

Substanța activă din dispozitivul unei celule galvanice este acestea sunt zinc, indiu, plumb și aluminiu. Masa activă include funingine, mangan și grafit. Electrolitul este format din potasiu și sodiu. Pulberea uscată îmbunătățește semnificativ performanța bateriei. Cu aceleasi dimensiuni ca si tipurile de sare, cele alcaline au o capacitate mai mare. Ele continuă să funcționeze bine chiar și în înghețuri severe.

Celulele cu litiu sunt folosite pentru a alimenta tehnologia modernă. Sunt produse sub formă de baterii și acumulatori marimi diferite. Primele conțin un electrolit solid, în timp ce alte dispozitive conțin un electrolit lichid. Această opțiune este potrivită pentru dispozitivele care necesită tensiune stabilăși taxele curente medii. Bateriile cu litiu pot fi încărcate de mai multe ori, bateriile se folosesc o singura data, nu se deschid.

Scopul aplicatiei

Există o serie de cerințe pentru producția de celule galvanice. Carcasa bateriei trebuie să fie fiabilă și sigilată. Electrolitul nu trebuie să se scurgă și substanțele străine nu trebuie lăsate să pătrundă în dispozitiv. În unele cazuri, atunci când lichidul se scurge, acesta va lua foc. Un articol deteriorat nu poate fi folosit. Dimensiunile tuturor bateriilor sunt aproape aceleași, doar dimensiunile bateriilor diferă. Elementele pot avea diferite forme: cilindrice, prismatice sau disc.

Toate tipurile de dispozitive au avantaje comune: sunt compacte și ușoare, adaptate la diferite intervale de temperatură de funcționare, au o capacitate mare și funcționează stabil în diferite condiții. Există și unele dezavantaje, dar se referă la anumite tipuri de elemente. Cele cu sare nu durează mult, cele cu litiu sunt proiectate în așa fel încât să se poată aprinde dacă sunt depresurizate.

Aplicațiile bateriilor sunt numeroase:

• tehnologie digitala;
• Jucării pentru copii;
• dispozitive medicale;
• industria de apărare și aviație;
• producție spațială.

Celulele galvanice sunt ușor de utilizat și accesibile. Dar unele tipuri trebuie manipulate cu atenție și nu utilizate dacă sunt deteriorate. Înainte de a cumpăra baterii, ar trebui să studiați cu atenție instrucțiunile pentru dispozitivul pe care îl vor alimenta.

Surse de energie electrică cu putere redusă

Celulele și bateriile galvanice sunt folosite pentru alimentarea echipamentelor electrice și radio portabile.

Celulele galvanice- acestea sunt surse unice de acțiune, baterii- surse reutilizabile.

Cel mai simplu element galvanic

Cel mai simplu element poate fi realizat din două benzi: cupru și zinc, scufundate în apă ușor acidulată cu acid sulfuric. Dacă zincul este suficient de pur pentru a fi lipsit de reacții locale, nu se va produce nicio schimbare vizibilă până când cuprul și zincul sunt conectate prin cablu.

Cu toate acestea, benzile au potențiale diferite una față de cealaltă, iar atunci când sunt conectate printr-un fir, va apărea un în el. Pe măsură ce această acțiune continuă, banda de zinc se va dizolva treptat și se vor forma bule de gaz lângă electrodul de cupru și se vor aduna pe suprafața acestuia. Acest gaz este hidrogen, format din electrolit. Curentul electric curge de la banda de cupru prin fir la banda de zinc, iar de la aceasta prin electrolit înapoi la cupru.

Treptat, acidul sulfuric al electrolitului este înlocuit cu sulfat de zinc, format din partea dizolvată a electrodului de zinc. Din acest motiv, tensiunea elementului este redusă. Cu toate acestea, o cădere și mai mare de tensiune este cauzată de formarea de bule de gaz pe cupru. Ambele aceste acțiuni produc „polarizare”. Astfel de elemente nu au aproape nicio semnificație practică.

Parametri importanți ai celulelor galvanice

Mărimea tensiunii furnizate de celulele galvanice depinde numai de tipul și designul acestora, adică de materialul electrozilor și de compoziția chimică a electrolitului, dar nu depinde de forma și dimensiunea elementelor.

Cantitatea de curent pe care o poate produce o celulă galvanică este limitată de rezistența sa internă.

O caracteristică foarte importantă a unei celule galvanice este. Capacitatea electrică înseamnă cantitatea de energie electrică pe care o celulă galvanică sau baterie este capabilă să o furnizeze pe toată durata de funcționare a acesteia, adică înainte de descărcarea finală.

Capacitatea dată de element se determină prin înmulțirea curentului de descărcare, exprimat în amperi, cu timpul în ore în care elementul a fost descărcat până la apariția descărcare completă. Prin urmare, capacitatea electrică este întotdeauna exprimată în amperi-ore (A x h).

Pe baza capacității elementului, puteți determina dinainte și câte ore va funcționa înainte de a fi descărcat complet. Pentru a face acest lucru, trebuie să împărțiți capacitatea la curentul de descărcare permis pentru acest element.

Cu toate acestea, capacitatea electrică nu este o valoare strict constantă. Acesta variază în limite destul de largi în funcție de condițiile de funcționare (modul) elementului și de tensiunea finală de descărcare.

Dacă elementul este descărcat cu curent maxim și fără întrerupere, atunci va emite o capacitate semnificativ mai mică. Dimpotrivă, atunci când același element este descărcat cu un curent mai mic și cu pauze frecvente și relativ lungi, elementul își va renunța la capacitatea maximă.

În ceea ce privește efectul tensiunii finale de descărcare asupra capacității elementului, trebuie avut în vedere că în timpul descărcării unei celule galvanice, tensiunea de funcționare a acesteia nu rămâne la același nivel, ci scade treptat.

Tipuri comune de celule galvanice

Cele mai comune celule galvanice sunt sistemele mangan-zinc, mangan-aer, zinc-aer și mercur-zinc cu sare și electroliți alcalini. Pilele uscate de mangan-zinc cu un electrolit de sare au o tensiune inițială de 1,4 până la 1,55 V, timp de funcționare la temperaturi ambiante de la -20 la -60 o C de la 7 ore la 340 ore.

Pilele uscate de mangan-zinc și zinc-aer cu un electrolit alcalin au o tensiune de la 0,75 la 0,9 V și un timp de funcționare de la 6 ore la 45 de ore.

Celulele uscate cu mercur-zinc au o tensiune inițială de 1,22 până la 1,25 V și o durată de funcționare de 24 de ore până la 55 de ore.

Cel mai mare perioada de garantie elementele uscate de mercur-zinc au o durată de depozitare de până la 30 de luni.

Acestea sunt celule galvanice secundare.Spre deosebire de celulele galvanice, în baterie nu apar procese chimice imediat după asamblare.

Astfel încât reacțiile chimice asociate cu mișcarea încep în baterie sarcini electrice, trebuie să modificați în consecință compoziția chimică a electrozilor săi (și parțial a electrolitului). Această modificare a compoziției chimice a electrozilor are loc sub influența curentului electric trecut prin baterie.

Prin urmare, pentru ca bateria să producă curent electric, trebuie mai întâi „încărcată” cu o constantă soc electric de la o sursă de curent externă.

De asemenea, bateriile diferă în mod favorabil de celulele galvanice convenționale prin faptul că, după descărcare, pot fi încărcate din nou. Cu grijă și în condiții normale de funcționare, bateriile pot rezista până la câteva mii de încărcări și descărcări.
Dispozitiv cu baterie

În prezent, bateriile cu plumb și cadmiu-nichel sunt cel mai des folosite în practică. Pentru primul, electrolitul este o soluție de acid sulfuric, iar pentru cel din urmă, o soluție de alcalii în apă. Bateriile cu plumb sunt numite și baterii acide, iar bateriile cu nichel-cadmiu sunt numite baterii alcaline.

Principiul de funcționare al bateriilor se bazează pe polarizarea electrozilor. Cea mai simplă baterie cu acid este proiectată după cum urmează: acestea sunt două plăci de plumb scufundate într-un electrolit. Ca rezultat al reacției de substituție chimică, plăcile sunt acoperite cu un strat ușor de sulfat de plumb PbSO4, după cum urmează din formula Pb + H2SO4 = PbSO4 + H2.

Dispozitiv cu baterie cu acid

Această stare a plăcilor corespunde unei baterii descărcate. Dacă acum bateria este pornită pentru încărcare, adică conectată la un generator de curent continuu, atunci din cauza electrolizei, polarizarea plăcilor va începe în ea. Ca urmare a încărcării bateriei, plăcile sale sunt polarizate, adică schimbă substanța suprafeței lor și din omogen (PbSO 4 ) se transformă în diferite (Pb și Pb O 2).

Bateria devine o sursă de curent, iar electrodul său pozitiv este o placă acoperită cu dioxid de plumb, iar electrodul negativ este o placă de plumb curată.

Spre sfârșitul încărcăturii, concentrația de electrolit crește datorită apariției unor molecule suplimentare de acid sulfuric în acesta.

Aceasta este una dintre caracteristicile unei baterii plumb-acid: electrolitul său nu rămâne neutru și el însuși participă la reacții chimice în timpul funcționării bateriei.

Spre sfârșitul descărcării, ambele plăci ale bateriei sunt din nou acoperite cu sulfat de plumb, drept urmare bateria încetează să mai fie o sursă de curent. Bateria nu este niciodată adusă în această stare. Datorită formării sulfatului de plumb pe plăci, concentrația de electrolit la sfârșitul descărcării scade. Dacă puneți bateria la încărcare, puteți provoca din nou polarizare pentru a o pune din nou la descărcare etc.

Cum să încărcați bateria

Există mai multe moduri de a încărca bateriile. Cea mai simplă este încărcarea normală a bateriei, care are loc după cum urmează. Inițial, timp de 5 - 6 ore, încărcarea se efectuează cu curent normal dublu până când tensiunea de pe fiecare banc de baterii ajunge la 2,4 V.

Curentul normal de încărcare este determinat de formula I charge = Q/16

Unde Q - capacitatea nominală a bateriei, Ah.

După aceasta, curentul de încărcare este redus la o valoare normală și încărcarea continuă timp de 15 - 18 ore, până când apar semnele sfârșitului încărcării.

Baterii moderne

Bateriile cu cadmiu-nichel sau alcaline au apărut mult mai târziu decât bateriile cu plumb și, în comparație cu acestea, sunt surse de curent chimic mai avansate. Principalul avantaj al bateriilor alcaline față de bateriile cu plumb este neutralitatea chimică a electrolitului lor în raport cu masele active ale plăcilor. Datorită acestui fapt, autodescărcarea bateriilor alcaline este mult mai mică decât cea a bateriilor cu plumb. Principiul de funcționare al bateriilor alcaline se bazează și pe polarizarea electrozilor în timpul electrolizei.

Pentru alimentarea echipamentelor radio, se produc baterii sigilate cadmiu-nichel, care funcționează la temperaturi de la -30 la +50 o C și pot rezista la 400 - 600 de cicluri de încărcare-descărcare. Aceste baterii sunt fabricate sub formă de paralelipipede compacte și discuri cu o masă de câteva grame până la kilograme.

Ei produc baterii nichel-hidrogen pentru alimentarea instalațiilor autonome. Energia specifică a unei baterii nichel-hidrogen este de 50 - 60 Wh kg -1.