domov › Multimedija › Galvanski elementi. Vrste in naprava. Delo in lastnosti. Galvanski členi in baterije - naprava, princip delovanja, vrste Kaj velja za galvanske baterije - hranilniki energije

Galvanski elementi. Vrste in naprava. Delo in lastnosti. Galvanski členi in baterije - naprava, princip delovanja, vrste Kaj velja za galvanske baterije - hranilniki energije

Predpogoji za nastanek galvanskih celic. Malo zgodovine. Leta 1786 je italijanski profesor medicine, fiziolog Luigi Aloisio Galvani odkril zanimiv pojav: mišice zadnjih nog sveže odprtega trupla žabe, obešene na bakrene kavlje, so se skrčile, ko se jih je znanstvenik dotaknil z jeklenim skalpelom. Galvani je takoj ugotovil, da gre za manifestacijo »živalske elektrike«.

Po Galvanijevi smrti bo njegov sodobnik Alessandro Volta, ki je bil kemik in fizik, opisal in javno demonstriral bolj realističen mehanizem za nastanek električnega toka, ko pridejo v stik različne kovine.

Volta bo po vrsti poskusov prišel do nedvoumnega zaključka, da se tok pojavi v tokokrogu zaradi prisotnosti v njem dveh vodnikov iz različnih kovin, ki sta nameščena v tekočini, in to sploh ni "živalska elektrika", kot pravi Galvani. mislil. Trzanje žabjih krakov je bilo posledica delovanja toka, ki nastane ob stiku različnih kovin (bakrenih kavljev in jeklenega skalpela).

Volta bo pokazal iste pojave, kot jih je Galvani demonstriral na mrtvi žabi, a na popolnoma neživem domačem elektrometru in bo leta 1800 podal natančno razlago za nastanek toka: »vodnik drugega razreda (tekočina) je v sredini in je v stiku z dvema vodnikoma prvega razreda iz dveh različnih kovin ... Posledično nastane električni tok v eno ali drugo smer.”

V enem svojih prvih poskusov je Volta dve plošči – cinkovo in bakreno – potopil v kozarec s kislino in ju povezal z žico. Po tem se je cinkova plošča začela raztapljati in na bakrenem jeklu so se pojavili plinski mehurčki. Volta je predlagal in dokazal, da skozi žico teče električni tok.

Tako je bil izumljen "Voltin element" - prvi galvanski člen. Za udobje mu je Volta dal obliko navpičnega valja (stolpca), sestavljenega iz med seboj povezanih obročev iz cinka, bakra in blaga, namočenih v kislino. Pol metra visok voltin steber je ustvaril za človeka občutljivo napetost.

Ker je raziskavo začel Luigi Galvani, je ime v svojem imenu ohranilo spomin nanj.

Galvanski člen je kemični vir električnega toka, ki temelji na interakciji dveh kovin in/ali njunih oksidov v elektrolitu, kar povzroči pojav električnega toka v sklenjenem krogu. Tako se v galvanskih členih kemična energija pretvarja v električno.

Galvanski členi danes

Galvanske člene danes imenujemo baterije. Široko se uporabljajo tri vrste baterij: solne (suhe), alkalne (imenujejo jih tudi alkalne, "alkalne", prevedene iz angleščine kot "alkalne") in litijeve. Načelo njihovega delovanja je enako, kot ga je opisal Volta leta 1800: dve kovini in električni tok nastane v zunanjem zaprtem krogu.

Napetost baterije je odvisna tako od uporabljenih kovin kot tudi od števila elementov v "bateriji". Baterije za razliko od akumulatorjev niso sposobne obnoviti svojih lastnosti, saj neposredno pretvarjajo kemično energijo, to je energijo reagentov, ki sestavljajo baterijo (reducent in oksidant), v električno energijo.

Reagenti, ki so v bateriji, se med njenim delovanjem porabljajo, tok pa se postopoma zmanjšuje, zato se učinek vira konča, ko reagenti popolnoma reagirajo.

Alkalne in solne celice (baterije) se pogosto uporabljajo za napajanje različnih elektronske naprave, radijsko opremo, igrače in litij lahko najpogosteje najdemo v prenosnih medicinskih napravah, kot so glukometri, ali v digitalni opremi, kot so kamere.

Mangansko-cinkove celice, ki jih imenujemo solne baterije, so "suhi" galvanski členi, ki ne vsebujejo raztopine tekočega elektrolita.

Cinkova elektroda (+) je katoda v obliki stekla, anoda pa je praškasta mešanica manganovega dioksida in grafita. Skozi grafitno palico teče tok. Elektrolit je pasta iz raztopine amonijevega klorida z dodatkom škroba ali moke za zgostitev, da nič ne teče.

Običajno proizvajalci baterij ne navajajo točne sestave solnih celic, vendar so solne baterije najcenejše, običajno se uporabljajo v napravah, kjer je poraba energije izjemno nizka: v urah, v daljinskih upravljalnikih. daljinec, v elektronskih termometrih itd.

Koncept "nazivne zmogljivosti" se redko uporablja za označevanje cink-manganskih baterij, saj je njihova zmogljivost močno odvisna od načinov in pogojev delovanja. Glavne pomanjkljivosti teh elementov so znatna stopnja padca napetosti v celotnem praznjenju in znatno zmanjšanje dobavljene zmogljivosti z naraščanjem toka praznjenja. Končna napetost praznjenja je nastavljena glede na obremenitev v območju 0,7-1,0 V.

Pomembna je ne samo velikost toka praznjenja, ampak tudi časovni razpored obremenitve. Z občasnim praznjenjem pri visokih in srednjih tokovih se zmogljivost baterij opazno poveča v primerjavi z neprekinjenim delovanjem. Vendar pa se lahko pri nizkih tokovih praznjenja in večmesečnih prekinitvah delovanja njihova zmogljivost zmanjša zaradi samopraznjenja.

Zgornji graf prikazuje krivulje praznjenja za povprečno solno baterijo za 4, 10, 20 in 40 ur za primerjavo z alkalno baterijo, o kateri se bomo pogovorili Nadalje.

Alkalna baterija je manganovo-cinkova voltaična baterija, ki uporablja manganov dioksid kot katodo, cink v prahu kot anodo in raztopino alkalije, običajno v obliki paste kalijevega hidroksida, kot elektrolit.

Te baterije imajo vrsto prednosti (predvsem bistveno večjo kapaciteto, najboljša služba pri nizkih temperaturah in pri visokih obremenitvenih tokovih).

Alkalne baterije lahko v primerjavi s solnimi baterijami zagotavljajo večji tok za daljše časovno obdobje. Višji tok postane mogoč, ker se cink tukaj ne uporablja v obliki stekla, temveč v obliki prahu, ki ima večjo površino stika z elektrolitom. Kot elektrolit se uporablja kalijev hidroksid v obliki paste.

Alkalne baterije so danes najpogostejše zaradi zmožnosti te vrste galvanskih celic, da dolgo časa oddajajo velik tok (do 1 A).

Električne igrače, prenosna medicinska oprema, elektronske naprave in fotoaparati uporabljajo alkalne baterije. Zdržijo 1,5-krat dlje kot solne, če je razelektritev nizka. Graf prikazuje krivulje praznjenja pri različnih tokovih za primerjavo s solno baterijo (graf je bil prikazan zgoraj) za 4, 10, 20 in 40 ur.

Litijeve baterije

Druga dokaj pogosta vrsta voltaičnih celic so litijeve baterije - enojne voltaične celice, ki jih ni mogoče ponovno napolniti in uporabljajo litij ali njegove spojine kot anodo. Zahvaljujoč uporabi alkalijskih kovin imajo visoko potencialno razliko.

Katoda in elektrolit litijeve celice sta lahko zelo različna, zato izraz "litijeva celica" združuje skupino celic z enakim anodnim materialom. Kot katodo lahko na primer uporabimo manganov dioksid, ogljikov monofluorid, pirit, tionil klorid itd.

Litijeve baterije se od drugih baterij razlikujejo po dolgi življenjski dobi in visoki ceni. Odvisno od izbrane velikosti in uporabljenih kemikalij lahko litijeva baterija proizvaja napetosti od 1,5 V (združljivo z alkalnimi baterijami) do 3,7 V.

Te baterije imajo največjo zmogljivost na enoto teže in dolgo življenjsko dobo. Litijeve celice se pogosto uporabljajo v sodobni prenosni elektronski opremi: za napajanje ur matične plošče računalniki, za napajanje prenosnih medicinskih naprav, ročnih ur, kalkulatorjev, fotografske opreme itd.

Zgornji graf prikazuje krivulje praznjenja za dve litijevi bateriji dveh priljubljenih proizvajalcev. Začetni tok je bil 120 mA (na upor približno 24 Ohmov).

Kyzyl, TSU

POVZETEK

Tema: "Galvanski členi. Baterije."

Sestavila: Spiridonova V.A.

I letnik, IV gr., FMF

Preveril: Kendivan O.D.

2001

I. Uvod

II. Viri galvanskega toka

1. Vrste galvanskih členov

III. Baterije

1. Kislo

2. Alkalna

3. Zatesnjeni nikelj-kadmij

4. Zapečateno

5. Akumulatorji tehnologije “DRYFIT”.

UVOD

Kemijski viri toka (CHS) že vrsto let

trdno vstopila v naša življenja. V vsakdanjem življenju potrošnik redko posveča pozornost

pozornost na razlike med uporabljenimi HIT. Zanj so to baterije in

baterije. Običajno se uporabljajo v napravah, kot je npr

svetilke, igrače, radijski sprejemniki ali avtomobili.

V primeru, ko je poraba energije relativno

je velik (10Ah), uporabljajo se akumulatorji, predvsem kislinski,

kot tudi nikelj-železo in nikelj-kadmij. Uporabljajo se v

prenosni računalniki (Laptop, Notebook, Palmtop), nosljive naprave

komunikacije, zasilna razsvetljava itd.

V zadnjih letih se takšne baterije pogosto uporabljajo v

rezervni napajalniki za računalnike in elektromehanske naprave

sistemi, ki hranijo energijo za možne konične obremenitve

in zasilno napajanje vitalnih sistemov.

GALVANSKI IZVORI TOKA

Galvanski tokovni viri za enkratno uporabo

so enotna posoda, v kateri

vsebuje elektrolit, ki ga absorbira aktivni material

separator, ter elektrode (anoda in katoda), zato se imenujejo

suhi elementi. Ta izraz se uporablja v zvezi z

vse celice, ki ne vsebujejo tekočega elektrolita. Na navadne

Suhi elementi vključujejo elemente ogljik-cink.

Suhe celice se uporabljajo za nizke tokove in intermitentne

načini delovanja. Zato se takšni elementi pogosto uporabljajo v

telefoni, igrače, alarmni sistemi itd.

Delovanje katerega koli galvanskega člena temelji na pojavu redoks reakcije v njem. V svoji najpreprostejši obliki je galvanski člen sestavljen iz dveh plošč ali palic, izdelanih iz različnih kovin in potopljenih v raztopino elektrolita. Takšen sistem omogoča prostorsko ločevanje redoks reakcije: na eni kovini pride do oksidacije, na drugi pa do redukcije. Tako se elektroni prenesejo iz redukcijskega sredstva v oksidacijsko sredstvo skozi zunanji tokokrog.

Razmislite kot primer o bakreno-cinkovem galvanskem členu, ki ga napaja energija zgornje reakcije med cinkom in bakrovim sulfatom. Ta celica (Jacobi-Danielova celica) je sestavljena iz bakrene plošče, potopljene v raztopino bakrovega sulfata (bakrena elektroda), in cinkove plošče, potopljene v raztopino cinkovega sulfata (cinkova elektroda). Obe raztopini sta med seboj v stiku, vendar sta zaradi preprečitve mešanja ločeni s pregrado iz poroznega materiala.

Ko element deluje, tj. ko je veriga zaprta, se cink oksidira: na površini stika z raztopino se atomi cinka spremenijo v ione in ob hidraciji preidejo v raztopino. Pri tem sproščeni elektroni se premikajo po zunanjem tokokrogu do bakrene elektrode. Celoten niz teh procesov je shematsko predstavljen z enačbo polovične reakcije ali elektrokemijsko enačbo:

Redukcija bakrovih ionov se pojavi na bakreni elektrodi. Elektroni, ki prihajajo iz cinkove elektrode, se združijo z dehidriranimi bakrovimi ioni, ki prihajajo iz raztopine; atomi bakra se oblikujejo in sprostijo kot kovina. Ustrezna elektrokemijska enačba je:

Skupno enačbo reakcije, ki poteka v elementu, dobimo s seštevanjem enačb obeh polreakcij. Tako med delovanjem galvanske celice elektroni iz reducenta preidejo v oksidant skozi zunanji tokokrog, na elektrodah potekajo elektrokemični procesi, v raztopini pa opazimo usmerjeno gibanje ionov.

Elektroda, na kateri pride do oksidacije, se imenuje anoda (cink). Elektroda, na kateri pride do redukcije, se imenuje katoda (baker).

Načeloma lahko vsaka redoks reakcija proizvede električno energijo. Vendar pa je število reakcij

ki se praktično uporablja v kemičnih virih električne energije, je majhna. To je posledica dejstva, da vsaka redoks reakcija ne omogoča ustvarjanja galvanskega člena s tehnično vrednimi lastnostmi. Poleg tega številne redoks reakcije zahtevajo porabo dragih snovi.

Za razliko od bakreno-cinkove celice vsi sodobni galvanski členi in baterije ne uporabljajo dveh, ampak en elektrolit; Takšni trenutni viri so veliko bolj priročni za uporabo.

VRSTE GALVANSKIH ČLENOV

Elementi ogljik-cink

Premog-cinkovi elementi (mangan-cink) so

najpogostejši suhi elementi. V premog-cink

elementi uporabljajo pasivni (ogljični) odjemnik toka v

stik z anodo iz manganovega dioksida (MnO2), elektrolit iz

amonijev klorid in cinkova katoda. Elektrolit je notri

pasta oblikuje ali impregnira porozno diafragmo.

Takšen elektrolit ni zelo mobilen in se ne širi, torej

elementi se imenujejo suhi.

Elementi premoga in cinka se med tem »obnovijo«.

odmor od dela. Ta pojav je posledica postopnega

poravnava lokalnih nehomogenosti v sestavi

elektrolit, ki nastane med postopkom praznjenja. Kot rezultat

obdobnem "počitku" se življenjska doba elementa podaljša.

Prednost karbonsko-cinkovih elementov je njihova

relativno nizki stroški. Do pomembnih pomanjkljivosti

mora vključevati znatno zmanjšanje napetosti med praznjenjem,

majhna specifična moč (5...10 W/kg) in kratka življenjska doba

shranjevanje

Nizke temperature zmanjšajo učinkovitost uporabe

galvanskih členov in notranjega ogrevanja baterije

poveča. Povišanje temperature povzroči kemično korozijo cinkove elektrode zaradi vode v elektrolitu in izsušitev elektrolita. Te dejavnike je mogoče nekoliko nadomestiti tako, da baterijo hranite pri povišanih temperaturah in v celico skozi vnaprej narejeno luknjo vnesete fiziološko raztopino.

Alkalni elementi

Tako kot ogljik-cinkove celice tudi alkalne celice uporabljajo anodo MnO2 in cinkovo katodo z ločenim elektrolitom.

Razlika med alkalnimi elementi in ogljik-cinkovimi elementi je

pri uporabi alkalnega elektrolita, zaradi česar

Med praznjenjem praktično ni nastajanja plinov in lahko pride

biti zapečateni, kar je za številne od njih zelo pomembno

aplikacije.

Elementi živega srebra

Elementi živega srebra so zelo podobni alkalnim elementom. V njih

Uporablja se živosrebrov oksid (HgO). Katoda je sestavljena iz mešanice prahu

cink in živo srebro. Anoda in katoda sta ločeni s separatorjem in diafragmo,

namočeno v 40% raztopini alkalije.

Ker je živo srebro redko in strupeno, elementi živega srebra niso

jih je treba zavreči, ko so popolnoma porabljeni. Morajo

pojdite v recikliranje.

Srebrni elementi

Imajo »srebrne« katode iz Ag2O in AgO.

Litijeve celice

Uporabljajo litijeve anode, organski elektrolit

in katode iz različnih materialov. Imajo zelo velike

rok uporabnosti, visoke energijske gostote in učinkovitost

v širokem temperaturnem območju, ker ne vsebujejo vode.

Ker ima litij največji negativni potencial

v zvezi z vsemi kovinami litijevi elementi

značilna najvišja nazivna napetost pri

minimalne dimenzije.

Ionsko prevodnost zagotovimo z vnosom v

Topila soli z velikimi anioni.

Pomanjkljivosti litijevih celic vključujejo njihovo

relativno visoki stroški zaradi visoke cene

litija, posebne zahteve za njihovo proizvodnjo (potreba

inertna atmosfera, čiščenje nevodnih topil). Moral bi

Upoštevajte tudi, da nekatere litijeve celice, ko jih

so eksplozivne, če jih odprete.

Litijeve celice se pogosto uporabljajo v rezervnih virih napajanja za pomnilniška vezja, merilne instrumente in druge visokotehnološke sisteme.

BATERIJE

Baterije so vir kemikalij

ponovno uporabna električna energija. Sestavljeni so iz

dve elektrodi (pozitivna in negativna), elektrolit

in trupi. Do kopičenja energije v bateriji pride, ko

pojav kemične oksidacijsko-redukcijske reakcije

elektrode. Ko je baterija izpraznjena, se zgodi obratno

procesov. Napetost baterije je potencialna razlika

med poloma baterije pri fiksni obremenitvi.

Za pridobitev dovolj velikih vrednosti napetosti oz

polnjenja so posamezne baterije med seboj povezane

zaporedno ali vzporedno z baterijami. Obstaja število

splošno sprejete napetosti za baterije: 2; 4; 6;

Omejili se bomo na upoštevanje naslednjih baterij:

kislinske baterije, izdelane po tradicionalnih

tehnologije;

stacionarni vodnik in pogon (avtomobilski in

traktor);

zaprte baterije brez vzdrževanja, zaprte

nikelj-kadmij in kislinski "dryfit" A400 in A500 (želatinasti

elektrolit).

KISLINSKE BATERIJE

Kot primer razmislite o svinčevi bateriji, pripravljeni za uporabo. Sestavljen je iz mrežastih svinčenih plošč, od katerih so nekatere napolnjene s svinčevim dioksidom, druge pa s kovinskim gobastim svincem. Plošče potopimo v 35-40% raztopino H2SO4; pri tej koncentraciji je specifična električna prevodnost raztopine žveplove kisline največja.

Ko baterija deluje - ko je izpraznjena - v njej pride do oksidacijsko-redukcijske reakcije, med katero se kovinski svinec oksidira:

Pb + SO4= PbSO4 + 2e-

In svinčev dioksid se zmanjša:

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

Elektrone, ki jih oddajo kovinski atomi svinca med oksidacijo, sprejmejo atomi svinca PbO2 med redukcijo; elektroni se prenašajo z ene elektrode na drugo preko zunanjega tokokroga.

Tako kovinski svinec služi kot anoda v svinčevi bateriji in je negativno nabit, PbO2 pa služi kot katoda in je pozitivno nabit.

V notranjem tokokrogu (v raztopini H2SO4) pride do prenosa ionov med delovanjem baterije. Ioni SO42 se premikajo proti anodi, ioni H+ pa proti katodi. Smer tega gibanja je določena z električnim poljem, ki je posledica pojava elektrodnih procesov: anioni se porabijo na anodi, kationi pa se porabijo na katodi. Posledično ostane raztopina električno nevtralna.

Če seštejemo enačbi, ki ustrezata oksidaciji svinca in redukciji PbO2, dobimo skupno reakcijsko enačbo,

puščanje v svinčevem akumulatorju med njegovim delovanjem (praznjenje):

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

E.m.f. napolnjene svinčeno-kislinske baterije je približno 2 V. Ko se baterija prazni, se porabljajo materiali katode (PbO2) in anode (Pb). Porabi se tudi žveplova kislina. Hkrati pade napetost na sponkah akumulatorja. Ko postane nižja od vrednosti, ki jo dovoljujejo pogoji delovanja, se baterija ponovno napolni.

Za polnjenje (ali polnjenje) je baterija priključena na zunanji vir tok (plus na plus in minus na minus). V tem primeru tok teče skozi baterijo v nasprotni smeri od tiste, v kateri je potekal, ko je bila baterija izpraznjena. Zaradi tega se elektrokemični procesi na elektrodah »obrnejo«. Svinčena elektroda je zdaj podvržena procesu redukcije

PbSO4 + 2e- = Pb + SO4

tiste. Ta elektroda postane katoda. Na PbO2 elektrodi poteka proces oksidacije

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

zato je ta elektroda zdaj anoda. Ioni v raztopini se gibljejo v smeri, nasprotni tistim, v katerih so se gibali med delovanjem baterije.

Če dodamo zadnji dve enačbi, dobimo enačbo za reakcijo, ki nastane pri polnjenju baterije:

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

Lahko vidimo, da je ta proces nasproten tistemu, ki se zgodi, ko baterija deluje: ko je baterija napolnjena, ponovno proizvaja snovi, ki so potrebne za njeno delovanje.

Svinčeve baterije so običajno povezane v baterijo, ki

vgrajen v monoblok iz ebonita, termoplasta, polipropilena,

polistiren, polietilen, mešanica asfaltne smole, keramika

ali stekla.

Ena najpomembnejših lastnosti baterije je

življenjska doba ali življenjska doba (število ciklov). Poslabšanje

parametri baterije in okvara so posledica predvsem

čakalna vrsta mrežne korozije in drsenje aktivne mase

pozitivna elektroda. Določa se življenjska doba baterije

predvsem po tipu pozitivnih plošč in pogojih

delovanje.

Izboljšave svinčenih baterij so na dobri poti

raziskovanje novih zlitin za rešetke (na primer svinec-kalcij), lahkih in trpežnih materialov ohišij

(na primer na osnovi kopolimera propilen-etilen), izboljšave

kakovost separatorjev.

ALKALNE BATERIJE

Srebro-cink.

Imajo dobre električne lastnosti ter majhno težo in prostornino. Elektrode v njih so srebrovi oksidi Ag2O, AgO (katoda) in gobasti cink (anoda); Elektrolit je raztopina KOH.

Med delovanjem baterije cink oksidira in se spremeni v ZnO in Zn(OH)2, srebrov oksid pa se reducira v kovino. Celotno reakcijo, ki se pojavi, ko se baterija izprazni, je mogoče približno izraziti z enačbo:

AgO + Zn = Ag + ZnO

E.m.f. napolnjene srebrno-cinkove baterije je približno 1,85 V. Ko napetost pade na 1,25 V, je baterija napolnjena. V tem primeru se procesi na elektrodah "obrnejo": cink se zmanjša, srebro se oksidira - ponovno se pridobijo snovi, potrebne za delovanje baterije.

Kadmij-nikelj in železo-nikelj.

CN in ZHN sta si zelo podobna. Njihova glavna razlika je material negativnih elektrodnih plošč; v baterijah KN so kadmij, v baterijah ZhN pa železo. Najbolj razširjene so baterije KN.

Alkalne baterije se večinoma proizvajajo z lamelnimi elektrodami. V njih so aktivne mase zaprte v lamelah - ploščatih škatlah z luknjami. Aktivna masa pozitivnih plošč napolnjene baterije je v glavnem sestavljena iz hidriranega nikljevega oksida (Ni) Ni2O3 x H2O ali NiOOH. Poleg tega vsebuje grafit, ki je dodan za povečanje električne prevodnosti. Aktivna masa negativnih plošč baterij KN je sestavljena iz mešanice gobastega kadmija z železovim prahom, baterij ZhN pa iz reduciranega železovega prahu. Elektrolit je raztopina kalijevega hidroksida, ki vsebuje majhno količino LiOH.

Razmislimo o procesih, ki se pojavljajo med delovanjem baterije KN. Ko je baterija izpraznjena, kadmij oksidira.

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

In NiOOH je obnovljen:

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

V tem primeru se elektroni prenesejo s kadmijeve elektrode na nikljevo elektrodo po zunanjem tokokrogu. Kadmijeva elektroda služi kot anoda in je negativno nabita, nikljeva elektroda pa služi kot katoda in je pozitivno nabita.

Celotno reakcijo, do katere pride v bateriji KN med njenim delovanjem, lahko izrazimo z enačbo, ki jo dobimo s seštevanjem zadnjih dveh elektrokemijskih enačb:

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

E.m.f. napolnjene nikelj-kadmijeve baterije je približno 1,4 V. Ko baterija deluje (prazni), napetost na njenih sponkah pada. Ko pade pod 1 V, je baterija napolnjena.

Pri polnjenju baterije se elektrokemični procesi na njenih elektrodah »obrnejo«. Redukcija kovine se pojavi na kadmijevi elektrodi

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

Na nikelj - oksidacija nikljevega hidroksida (P):

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

Skupna reakcija med polnjenjem je nasprotna reakciji med praznjenjem:

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

ZAPISNE NIKELJ-KADMIJEVE BATERIJE

Posebna skupina nikelj-kadmijevih baterij so sealed baterije. Kisik, ki se sprosti ob koncu polnjenja, oksidira kadmij, zato se tlak v bateriji ne poveča. Stopnja tvorbe kisika mora biti nizka, zato se baterija polni z relativno nizkim tokom.

Zaprte baterije delimo na disk,

valjaste in pravokotne.

Zaprte pravokotne nikelj-kadmijeve baterije

se proizvajajo z negativnimi kermetnimi kadmijevimi oksidnimi elektrodami ali s kermetnimi kadmijevimi elektrodami.

ZAPISNE BATERIJE

Pogosto uporabljene kislinske baterije,

izdelani po klasični tehnologiji, povzročajo veliko težav

in škodljivo vplivajo na ljudi in opremo. Najbolj so

poceni, vendar zahtevajo dodatne stroške za njihovo vzdrževanje,

posebne prostore in osebje.

BATERIJE TEHNOLOGIJE "DRYFIT".

Najbolj priročna in najvarnejša kislinska baterija

so popolnoma zaprte baterije brez vzdrževanja

VRLA (Valve Regulated Lead Acid), proizvedena s tehnologijo

"dryfit". Elektrolit v teh baterijah je v žele podobnem stanju. To zagotavlja zanesljivost baterij in varnost njihovega delovanja.

BIBLIOGRAFIJA:

1. Deordiev S.S.

Baterije in njihova nega.

K.: Tehnologija, 1985. 136 str.

2. Električna referenčna knjiga.

V 3 zvezkih T.2. Elektrotehnični izdelki in naprave/pod

skupaj izd. profesorji Moskovskega inštituta za elektrotehniko (glavni urednik I. N. Orlov) in drugi 7. izd. 6 popr. in dodatno

M.: Energoatomizdat, 1986. 712 str.

3. N.L.Glinka.

Splošna kemija.

Založba "Kemija" 1977.

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

Kemični viri toka.

M.: Energoizdat, 1981. 360 str.

Besedilo je zagotovil Znanstveno raziskovalni center "Znanost in tehnologija"
Pravice do elektronske različice publikacije pripada N&T (www.n-t.org)

Knjiga vsebuje informacije o zasnovi, principih delovanja in značilnostih kemičnih virov energije (baterije in akumulatorji). Iz te knjige se boste naučili, kako izbrati baterije in akumulatorje, ki jih potrebujete, kako jih pravilno polniti in obnavljati.

Anoda je pozitivni pol baterije.
Baterija - dve ali več celic, povezanih zaporedno in/ali vzporedno za zagotavljanje zahtevana napetost in trenutni.
Notranji upor je upor toka, ki teče skozi element, merjen v ohmih. Včasih se imenuje notranja impedanca.
Izhodna energija je poraba zmogljivosti, pomnožena s povprečno napetostjo med časom praznjenja baterij, izražena v vatnih urah (Wh).
Kapaciteta je količina električne energije, ki jo baterija sprosti pod določenimi pogoji praznjenja, izražena v amper-urah (Ah) ali kulonih (1 Ah = 3600 C).
Naboj je električna energija, ki se prenese na element, da se pretvori v shranjeno kemično energijo.
Katoda je negativni pol baterije.
Kompenzacijsko polnjenje je metoda, ki uporablja enosmerni tok, da baterijo spravi v popolnoma napolnjeno stanje in jo vzdržuje v tem stanju.
Izklopna napetost je najmanjša napetost, pri kateri je baterija sposobna oddajati koristno energijo pod določenimi pogoji praznjenja.
Napetost odprtega tokokroga je napetost na zunanjih sponkah akumulatorja, če toka ni.
Nazivna napetost je napetost na popolnoma napolnjenem akumulatorju, ko se prazni zelo nizko.
Plavajoče polnjenje je metoda vzdrževanja akumulatorske baterije v popolnoma napolnjenem stanju z uporabo izbrane konstantne napetosti za kompenzacijo različnih izgub v njej.
Energijska gostota je razmerje med energijo elementa in njegovo maso ali prostornino, izraženo v vatnih urah na enoto mase ali prostornine.
Polarizacija je padec napetosti, ki nastane zaradi sprememb v kemični sestavi komponent elementov (razlika med napetostjo odprtega tokokroga in napetostjo v katerem koli trenutku med razelektritvijo).
Razelektritev je poraba električne energije iz elementa v zunanje vezje. Globoka izpraznjenost je stanje, v katerem je izrabljena skoraj vsa kapaciteta elementa. Plitvo praznjenje je praznjenje, pri katerem se porabi majhen del celotne kapacitete.
Separator - material, ki se uporablja za izolacijo elektrod med seboj. Včasih zadrži elektrolit v suhih celicah.
Rok uporabnosti je časovno obdobje, v katerem element, shranjen pri normalnih pogojih (20oC), ohrani 90 % svoje prvotne zmogljivosti.
Stabilnost je enakomernost napetosti, pri kateri baterija sprošča energijo med načinom popolne izpraznjenosti.
Element je osnovna enota, ki lahko pretvori kemično energijo v električno energijo. Sestavljen je iz pozitivne in negativne elektrode, potopljene v skupni elektrolit.
Elektroda je prevodni material, ki lahko pri reakciji z elektrolitom proizvaja nosilce toka.
Elektrolit je snov, ki prevaja nosilce naboja v celici.
Cikel je eno zaporedje polnjenja in praznjenja elementa.

angleški izrazi

Baterija z žarilno nitko
kislinska akumulatorska baterija - baterija kislinskih (svinčenih) baterij
zračna baterija - zračno-kovinski element
alkalna baterija - (primarna) alkalna celica
alkalna baterija - alkalna mangansko-cinkova celica
alkalna suha baterija - suha živosrebrno-cinkova celica
alkalna suha baterija - suha alkalna celica
alkalna manganova baterija - alkalna manganovo-cinkova celica
alkalna baterija - alkalna baterija
alkalna baterija - alkalna baterija
anodna baterija - anodna baterija
B baterija - anodna baterija
Bansenova baterija - (dušikova kislina-cink) Bunsenova celica
vrečkasta baterija - skodelica (primarni) element s pupo
balansirna baterija - vmesna baterija
baterija - baterija
prednapetostna baterija - prednapetostni baterijski element, mrežni baterijski element
prednapetostna baterija - pristranska baterija, mrežna baterija
bikromatna baterija - (primarna) celica z raztopino dikromata
vmesna baterija - vmesna baterija
bypass baterija - vmesna baterija
C baterija - prednapetostna baterija, mrežna baterija
Clarkova baterija - (živosrebro-cink) Clarkova celica
normalna kadmijeva baterija - (živosrebro-kadmij) normalna celica Weston
kadmij-srebrova-oksidna baterija - kadmijev oksidni galvanski člen
ogljikova baterija - (primarna) celica z ogljikovo elektrodo
ogljik-cinkova baterija - (suha) celica s cinkovo anodo in ogljikovo katodo
člen - element, člen, galvanski člen (primarni člen, baterija ali gorivna celica)
kemična baterija - baterija kemičnih tokovnih virov
polnilna baterija - polnilni element
bakreno-cinkova baterija - bakreno-cinkova celica
števec (elektromotorna) baterija - nasprotni element
Baterija Daniel - (baker-cink) celica Daniel
razgradna baterija - celica s (stransko) reakcijo elektrolitske razgradnje
dikromatna baterija - (primarna) celica z raztopino dikromata
izpodrivna baterija - celica s (stransko) elektrolitsko nadomestno reakcijo
dvovalentna srebrova oksidna baterija - celica z oksidacijo srebra v dvovalentno stanje
dvojno fluidna baterija - dvofluidni element
shranjevanje v bobnu - nikelj-cinkova baterija
suha baterija - suha celica
suha baterija - suha baterija
suho polnjena baterija - baterija suho polnjenih baterij
suho polnjen akumulator - suho polnjen akumulator
Edison baterija - nikelj-železna baterija
električna baterija - galvanska baterija (baterija primarnih celic, akumulatorjev ali gorivnih celic)
električna baterija - galvanski člen (primarni člen), baterija ali gorivna celica
zasilne baterije - zasilne baterije
zasilna baterija - zasilna baterija
končne baterije - rezervne baterije
Faradeyeva baterija - Faradayeva celica
Akumulator Faure - akumulator z nalepljenimi ploščicami
žarilna baterija - žarilna baterija
plavajoča baterija - rezervna baterija (priključena vzporedno z glavno baterijo)
Grenetova baterija - (cinkov dikromat) Grenetova celica
galvanska baterija - elektrokemična celica v načinu galvanske celice
mrežna baterija - mrežna baterija, izpodrivna baterija
grid-bias battery - prednapeta baterija, mrežna baterija
Lalandova baterija - (alkalna bakrov cinkov oksid) Lalandova celica
Baterija Leclanche - (mangan-cink) celica Leclanche
svinčena (-kislinska) baterija - kislinska (svinčena) baterija
svinčeno-kislinska (svinčevo) baterija - baterija svinčenih (kislinskih) baterij
svinčevo-kalcijeva baterija - svinčevo-kalcijeva celica
svinčevo-dioksidna primarna baterija - svinčev dioksidna primarna celica
linijska baterija - vmesna baterija
litijeva baterija - celica z litijevo anodo
sekundarna baterija litij-železov sulfid - baterija železo-litijev klorid
litij-srebrova kromatna baterija - srebro-litijeva kromatna celica
litij-vodna baterija - litij-vodna celica
baterija z dolgo življenjsko dobo v mokrem stanju - baterija baterij z dolgo življenjsko dobo v poplavljenem stanju
magnezijeva baterija - primarna celica z magnezijevo anodo
baterija z magnezijevim živosrebrovim oksidom - baterija z magnezijevim oksidom in živim srebrom
magnezijeva-bakrova kloridna baterija - bakrovo-magnezijeva kloridna celica
magnezijev-srebrov klorid baterija - srebro-magnezijev kloridni člen
baterija magnezij-voda - baterija magnezij-voda
živosrebrna baterija - (suha) živosrebrno-cinkova celica
živosrebrna baterija - baterija (suhih) živosrebrno-cinkovih celic
kovinsko-zračna akumulatorska baterija - kovinska zračna baterija
nikad (nikelj-kadmijeva) baterija - nikelj-kadmijeva baterija
nikelj-kadmijeva baterija - nikelj-kadmijeva baterija
nikelj-železna baterija - nikelj-železna baterija
nikelj-železna baterija - nikelj-železna baterija
Plante baterija - svinčena (kislinska) baterija s separatorjem perila
pilotska baterija - krmilna baterijska baterija
ploščna baterija - anodna baterija
vtična baterija - zamenljiva baterija
prenosna baterija - prenosna baterija
primarna baterija - (primarni) element
primarna baterija - baterija (primarnih) celic
tiha baterija - baterija mikrofona
Ruben baterija - (suha) živosrebrno-cinkova celica
polnilna baterija - baterija baterij
polnilna baterija - baterija polnilnih elementov
rezervna baterija - galvanski element rezervne baterije
baterija za zvonjenje - baterija za zvonjenje (telefon).
sal-amonijačna baterija - (primarna) celica z raztopinami amonijevih soli
nasičena standardna baterija - nasičena normalna celica
zaprta baterija - zaprta baterija
zaprta baterija - zaprt (primarni) element
sekundarna baterija - baterija baterij
signalna baterija - klicna (telefonska) baterija
srebro-kadmijeva akumulatorska baterija - baterija srebro-kadmijevih baterij
srebro-oksidna baterija - (primarna) celica s srebrno katodo
srebro-cinkova primarna baterija - srebro-cinkova primarna celica
srebrno-cinkova akumulatorska baterija - baterija srebrno-cinkovih baterij
sončna baterija - sončna baterija
standardna baterija Daniel - (baker-cink) običajna celica Daniel
baterija v pripravljenosti - baterija v sili
stacionarna baterija - stacionarna akumulatorska baterija - baterija baterij
baterija za pogovor - baterija za mikrofon
Voltaična baterija - Volta element; element s kovinskimi elektrodami in tekočim elektrolitom
Westonova (standardna) baterija - (živosrebrno-kadmijeva) običajna Westonova celica
mokra baterija - celica s tekočim elektrolitom
cink-zračna baterija - baterija cink-zračnih celic
cinkov-klorov akumulator - cinkov klor akumulator
cink-bakrova-oksidna baterija - celica baker-cinkov oksid
cink-železna baterija - cink-železna celica
cink-manganova dioksidna baterija - baterija mangan-cinkovih celic
cink-živosrebrova oksidna baterija - celica cinkov-živosrebrov oksid
cink-nikelj baterija - nikelj-cink baterija
cink-srebro-kloridna primarna baterija - srebro-cinkov klorid primarna celica

Uvod

Kemični viri toka (CHS) so že vrsto let postali del našega življenja. V vsakdanjem življenju je potrošnik redko pozoren na razlike med uporabljenimi HIT. Zanj so to baterije in akumulatorji. Običajno se uporabljajo v napravah, kot so svetilke, igrače, radijski sprejemniki ali avtomobili.

Najpogosteje se baterije in akumulatorji razlikujejo po videzu. Toda obstajajo baterije, ki so zasnovane na enak način kot baterije. Na primer videz Baterija KNG-1D se malo razlikuje od klasičnih R6C AA baterij. In obratno. Akumulatorske baterije in diskaste baterije se tudi po videzu ne razlikujejo. Na primer baterija D-0,55 in gumbna živosrebrna celica (baterija) RC-82.

Za razlikovanje med njimi mora biti potrošnik pozoren na oznake na ohišju HIT. Oznake na ohišjih baterij in akumulatorjev so opisane v 1. in 2. poglavju na slikah in tabelah. To je potrebno za pravilno izbiro napajanja za vašo napravo.

Pojav prenosne avdio, video in druge energetsko potratnejše opreme je zahteval povečanje energijske intenzivnosti HIT, njihove zanesljivosti in vzdržljivosti.

V knjigi so opisane tehnične lastnosti in načini izbire optimalnega HIT-a, načini polnjenja, obnavljanja, delovanja in podaljševanja življenjske dobe baterij in akumulatorjev.

Bralca opozarjamo, naj bo previden glede varnosti in odlaganja kemičnih odpadkov.

V primeru, da je poraba električne energije relativno visoka (10Ah), se uporabljajo akumulatorji, predvsem kislinski, pa tudi nikelj-železovi in nikelj-kadmijevi. Uporabljajo se v prenosnih računalnikih (prenosnik, prenosnik, dlančnik), nosljivi komunikacijski opremi, zasilni razsvetljavi itd.

Posebno mesto v knjigi imajo avtomobilski akumulatorji. Na voljo so diagrami naprav za polnjenje in obnavljanje baterij ter opisane nove zaprte baterije, ustvarjene s tehnologijo "dryfit", ki ne potrebujejo vzdrževanja za 5 ... 8 let delovanja. Nimajo škodljivega vpliva na ljudi ali opremo.

V zadnjih letih se takšne baterije pogosto uporabljajo v rezervnih napajalnikih za računalnike in elektromehanske sisteme, ki akumulirajo energijo za morebitne konične obremenitve in zasilno napajanje vitalnih sistemov.

Na začetku vsakega poglavja je glosar posebnih angleških izrazov, ki se uporabljajo pri opisih in označevanju baterij in akumulatorjev. Na koncu knjige je prečiščen slovar izrazov.

Glavne značilnosti CCI-jev za široko paleto aplikacij, ki so praktičnega pomena, so podane v tabeli B.1.

POGLAVJE 1
GALVANSKI IZVORI TOKA, ENOKOJNO DELOVANJE

Galvanski tokovni viri za enkratno uporabo so enotna posoda, ki vsebuje elektrolit, ki ga absorbira aktivna snov separatorja, in elektrode (anoda in katoda), zato jih imenujemo suhi členi. Ta izraz se uporablja za vse celice, ki ne vsebujejo tekočega elektrolita. Običajne suhe celice vključujejo cink-ogljikove ali Leclanche celice.

Suhe celice se uporabljajo pri nizkih tokovih in občasnih načinih delovanja. Zato se takšni elementi pogosto uporabljajo v telefonih, igračah, alarmnih sistemih itd.

Ker je nabor naprav, ki uporabljajo suhe elemente, zelo širok in poleg tega zahtevajo občasno menjavo, obstajajo standardi za njihove dimenzije. Poudariti je treba, da se lahko dimenzije elementov, podanih v tabelah 1.1 in 1.2, ki jih proizvajajo različni proizvajalci, nekoliko razlikujejo glede na lokacijo zatičev in drugih lastnosti, navedenih v njihovih specifikacijah.

V procesu praznjenja napetost suhih celic pade z nazivne napetosti na mejno napetost (mejna napetost je minimalna napetost, pri kateri je baterija sposobna oddajati minimalno energijo), tj. običajno 1,2 V do 0,8 V/celico, odvisno od aplikacije. V primeru izpraznitve pri priključitvi na element stalni upor po zaprtju vezja se napetost na njegovih sponkah močno zmanjša na določeno vrednost, nekoliko manjšo od prvotne napetosti. Tok, ki teče v tem primeru, se imenuje začetni tok praznjenja.

Delovanje suhe celice je odvisno od porabe toka, izklopne napetosti in pogojev praznjenja. Učinkovitost elementa se poveča, ko se razelektritveni tok zmanjša. Pri suhih celicah lahko neprekinjeno praznjenje, ki traja manj kot 24 ur, označimo kot praznjenje visoke hitrosti.

Električna zmogljivost suhe celice je določena za praznjenje skozi fiksni upor pri dani končni napetosti v urah, odvisno od začetne praznjenja, in je predstavljena v grafu ali tabeli. Priporočljivo je, da uporabite tabelo ali tabelo proizvajalca za določeno baterijo. To je posledica ne le potrebe po upoštevanju lastnosti izdelka, temveč tudi dejstva, da vsak proizvajalec daje svoja priporočila o najboljši uporabi svojih izdelkov. V tabeli 1.3 in tabeli 1.5 so predstavljene tehnične lastnosti galvanskih členov, ki so v zadnjem času najpogostejši na policah naših trgovin.

Notranji upor baterije lahko omeji potreben tok, na primer pri uporabi v bliskavici. Začetni stabilni tok, ki ga baterija lahko napaja za kratek čas, se imenuje bliskovni tok. Oznaka tipa elementa vsebuje črkovne oznake, ki ustrezajo bliskovnim tokovom in notranji upornosti elementa, izmerjeni pri enosmernem in izmeničnem toku (tabela 1.4). Utripni tok in notranji upor je zelo težko izmeriti in celice imajo lahko dolgo življenjsko dobo, vendar se lahko bliskovni tok zmanjša.

1.1. VRSTE GALVANSKIH ČLENOV

Elementi ogljik-cink

Ogljik-cinkovi elementi (mangan-cink) so najpogostejši suhi elementi. Ogljik-cinkove celice uporabljajo pasivni (ogljik) zbiralnik toka v stiku z anodo iz manganovega dioksida (MnO2), elektrolitom iz amonijevega klorida in cinkovo katodo. Elektrolit je v obliki paste ali impregnira porozno diafragmo. Tak elektrolit je malo mobilen in se ne širi, zato elemente imenujemo suhi.

Nazivna napetost ogljik-cinkove celice je 1,5 V.

Suhi elementi so lahko cilindrične oblike, slika 1.1, oblike diska, slika 1.2, in pravokotne oblike. Zasnova pravokotnih elementov je podobna diskovnim. Cinkova anoda je izdelana v obliki cilindričnega stekla, ki je hkrati posoda. Elementi diska so sestavljeni iz cinkove plošče, kartonske diafragme, impregnirane z raztopino elektrolita, in stisnjene plasti pozitivne elektrode. Elementi diska so zaporedno povezani med seboj, nastala baterija je izolirana in zapakirana v ohišje.

Premog-cinkovi elementi se med prekinitvijo delovanja "obnovijo". Ta pojav je posledica postopne poravnave lokalnih nehomogenosti v sestavi elektrolita, ki nastanejo med procesom praznjenja. Zaradi občasnega "počitka" se življenjska doba elementa podaljša.

Na sl. Slika 1.3 predstavlja tridimenzionalni diagram, ki prikazuje povečanje časa delovanja D-elementa pri uporabi intermitentnega načina delovanja v primerjavi s konstantnim. To je treba upoštevati pri intenzivni uporabi elementov (in uporabljati več kompletov za delovanje, tako da ima en komplet dovolj časa za obnovitev funkcionalnosti. Na primer, pri uporabi predvajalnika ni priporočljiva uporaba enega kompleta baterij več kot dve uri zaporedoma Pri menjavi dveh sklopov se čas delovanja elementov poveča za trikrat.

Prednost karbonsko-cinkovih elementov je njihova relativno nizka cena. Pomembne pomanjkljivosti vključujejo znatno zmanjšanje napetosti med praznjenjem, nizko gostoto moči (5...10 W/kg) in kratek rok trajanja.

Nizke temperature zmanjšajo učinkovitost uporabe galvanskih členov, notranje segrevanje baterije pa jo poveča. Vpliv temperature na kapacitivnost galvanskega člena je prikazan na sl. 1.4. Povišanje temperature povzroči kemično korozijo cinkove elektrode zaradi vode v elektrolitu in izsušitev elektrolita. Te dejavnike lahko nekoliko kompenziramo tako, da baterijo hranimo pri povišanih temperaturah in v celico skozi predhodno narejeno luknjo dovajamo fiziološko raztopino.

Alkalni elementi

Tako kot ogljik-cinkove celice tudi alkalne celice uporabljajo anodo MnO2 in cinkovo katodo z ločenim elektrolitom.

Razlika med alkalnimi celicami in ogljik-cinkovimi celicami je v uporabi alkalnega elektrolita, zaradi česar med praznjenjem praktično ni nastajanja plinov in so lahko hermetično zaprte, kar je zelo pomembno za številne njihove aplikacije .

Napetost alkalnih celic je približno 0,1 V manjša od napetosti ogljik-cinkovih celic pri enakih pogojih. Zato so ti elementi zamenljivi.

Napetost celic z alkalnim elektrolitom se spremeni bistveno manj kot celic s solnim elektrolitom. Celice z alkalnim elektrolitom imajo tudi večjo specifično energijo (65...90 Wh/kg), specifično moč (100...150 kWh/m3) in daljšo življenjsko dobo.

Polnjenje mangan-cinkovih celic in baterij se izvaja z asimetričnim izmeničnim tokom. Celice lahko polnite s solnim ali alkalnim elektrolitom poljubne koncentracije, vendar ne preveč izpraznjene in brez poškodovanih cinkovih elektrod. V roku veljavnosti, določenem za te vrste celico ali baterijo, lahko obnovite funkcionalnost večkrat (6- do 8-krat).

Polnjenje suhih baterij in celic se izvaja s posebno napravo, ki vam omogoča, da dobite polnilni tok zahtevane oblike: z razmerjem komponent polnjenja in praznjenja 10: 1 in razmerjem trajanja impulzov teh komponent 1: 2. Ta naprava vam omogoča polnjenje baterij ure in aktiviranje starih majhnih baterij. Pri polnjenju baterij ure polnilni tok ne sme preseči 2 mA. Čas polnjenja ni daljši od 5 ur. Diagram takšne naprave za polnjenje baterij je prikazan na sl. 1.5.

Tukaj je baterija, ki se polni, povezana preko dveh vzporedno povezanih verig diod z upori. Asimetrični polnilni tok nastane kot posledica razlike v upornosti uporov. Konec polnjenja se določi s prenehanjem rasti napetosti na akumulatorju. Sekundarna napetost transformatorja polnilec je izbrana tako, da izhodna napetost presega nazivno napetost elementa za 50...60%.

Čas polnjenja baterije z opisano napravo naj bi bil približno 12...16 ur. Zmogljivost polnjenja mora biti približno 50 % večja od nazivne kapacitete baterije.

Elementi živega srebra

Elementi živega srebra so zelo podobni alkalnim elementom. Uporabljajo živosrebrov oksid (HgO). Katoda je sestavljena iz mešanice cinkovega prahu in živega srebra. Anoda in katoda sta ločeni s separatorjem in diafragmo, impregnirano s 40% raztopino alkalije.

Ti elementi imajo dolgi roki shranjevanje in večje kapacitete (z enako prostornino). Napetost živosrebrne celice je približno 0,15 V nižja od napetosti alkalne celice.

Za elemente živega srebra je značilna visoka specifična energija (90...120 Wh/kg, 300...400 kWh/m3), napetostna stabilnost in visoka mehanska trdnost.

Za naprave majhnih velikosti so bili ustvarjeni posodobljeni elementi tipov RC-31S, RC-33S in RC-55US. Specifična energija elementov RC-31S in RC-55US je 600 kWh/m3, elementov RC-33S pa 700 kWh/m3. Elementi RC-31S in RC-33S se uporabljajo za napajanje ur in druge opreme. Elementi RC-55US so namenjeni za medicinsko opremo, predvsem za implantabilne medicinske pripomočke.

Elementa RC-31S in RC-33S delujeta 1,5 leta pri tokovih 10 oziroma 18 µA, element RC-55US pa zagotavlja delovanje implantiranih medicinskih pripomočkov 5 let. Kot izhaja iz tabele 1.6, nazivna zmogljivost teh elementov ne ustreza njihovi oznaki.

Živosrebrni elementi delujejo v temperaturnem območju od 0 do +50oC, na voljo so hladno obstojna RC-83X in RC-85U ter toplotno odporna elementa RC-82T in RC-84, ki zmoreta delovati pri temperaturah do +70oC. . Obstajajo modifikacije elementov, v katerih se namesto cinkovega prahu (negativna elektroda) uporabljajo indijeve in titanove zlitine.

Ker je živega srebra malo in je strupeno, živosrebrnih celic ne smemo zavreči, ko so v celoti porabljene. Treba jih je reciklirati.

Srebrni elementi

Imajo "srebrne" katode iz Ag2O in AgO. Njihova napetost je za 0,2 V višja kot pri ogljik-cinkovih v primerljivih pogojih.

Litijeve celice

Uporabljajo litijeve anode, organski elektrolit in katode iz različnih materialov. Imajo zelo dolg rok trajanja, visoko energijsko gostoto in delujejo v širokem temperaturnem območju, saj ne vsebujejo vode.

Ker ima litij največji negativni potencial glede na vse kovine, je za litijeve celice značilna najvišja nazivna napetost z minimalnimi dimenzijami (slika 1.6). Specifikacije litijevi galvanski členi so podani v tabeli 1.7.

Organske spojine se običajno uporabljajo kot topila v takih elementih. Topila so lahko tudi anorganske spojine, na primer SOCl2, ki so tudi reaktivne snovi.

Ionska prevodnost je zagotovljena z vnosom soli z velikimi anioni v topila, na primer: LiAlCl4, LiClO4, LiBFO4. Specifično električna prevodnost nevodne raztopine elektrolitov so za 1...2 reda velikosti nižje od prevodnosti vodnih raztopin. Poleg tega katodni procesi v njih običajno potekajo počasi, zato so v celicah z nevodnimi elektroliti gostote toka majhne.

Pomanjkljivosti litijevih celic vključujejo relativno visoke stroške, ki so posledica visoke cene litija in posebnih zahtev za njihovo proizvodnjo (potreba po inertni atmosferi, čiščenje nevodnih topil). Upoštevati je treba tudi, da so nekatere litijeve celice eksplozivne, če jih odprete.

Takšni elementi so običajno izdelani v obliki tipk z napetostjo 1,5 V in 3 V. Uspešno zagotavljajo napajanje tokokrogov s porabo približno 30 μA v konstantnem načinu ali 100 μA v prekinitvenih načinih. Litijeve celice se pogosto uporabljajo v rezervnih virih napajanja za pomnilniška vezja, merilne instrumente in druge visokotehnološke sisteme.

POGLAVJE 1.2 BATERIJE VODILNIH SVETOVNIH PODJETIJ

V zadnjih desetletjih se je obseg proizvodnje alkalnih analogov elementov Leclanche, vključno s cinkovim zrakom, povečal (glej tabelo B1).

Na primer, v Evropi se je proizvodnja alkalijskih elementov mangana in cinka začela razvijati leta 1980, leta 1983 pa je že dosegla 15% celotne proizvodnje.

Uporaba prostega elektrolita omejuje možnosti uporabe avtonomnih in se uporablja predvsem v stacionarnih HIT. Zato so številne raziskave usmerjene v ustvarjanje tako imenovanih suhih celic oziroma celic z zgoščenim elektrolitom, brez elementov, kot sta živo srebro in kadmij, ki resno ogrožata zdravje ljudi in okolje.

Ta trend je posledica prednosti alkalnih kemikalij v primerjavi s klasičnimi solnimi elementi:

znatno povečanje gostote razelektritvenega toka zaradi uporabe prilepljene anode;

povečanje zmogljivosti opreme za kemično ogrevanje zaradi možnosti povečanja obremenitve aktivnih mas;

ustvarjanje zračnih sestavkov cinka (elementi tipa 6F22) zaradi večje aktivnosti obstoječih katodnih materialov v reakciji elektroredukcije kisika v alkalnem elektrolitu.

Baterije Duracell (ZDA)

Duracell je priznano vodilno podjetje v svetu v proizvodnji alkalnih galvanskih virov za enkratno uporabo. Zgodovina podjetja sega več kot 40 let nazaj.

Samo podjetje se nahaja v Združenih državah Amerike. V Evropi so njegove tovarne v Belgiji. Po mnenju potrošnikov tako doma kot v tujini baterije Duracell zasedajo vodilno mesto po priljubljenosti, trajanju uporabe in razmerju med ceno in kakovostjo.

Pojav Duracell na ukrajinskem trgu je pritegnil pozornost naših potrošnikov.

Gostota razelektritvenega toka v litijevih virih ni visoka (v primerjavi z drugimi HIT), reda velikosti 1 mA/cm2 (glej stran 14). Z zajamčenim rokom uporabnosti 10 let in nizko razelektritvijo toka je smotrno uporabljati litijeve celice Duracell v visokotehnoloških sistemih.

Tehnologija EXRA-POWER, patentirana v ZDA, ki uporablja titanov dioksid (TiO2) in druge tehnološke funkcije, pomaga povečati moč in učinkovitost kemičnih reaktorjev mangan-cink Duracell.

Znotraj jeklenega telesa alkalnih celic Duracell je cilindrični zbiralnik grafita, ki drži pastozni elektrolit v stiku z iglo katodo.

Garantirana doba uporabnosti elementov je 5 let, hkrati pa je ob izteku roka uporabnosti zagotovljena kapaciteta elementa navedena na embalaži.

Tehnične značilnosti Duracell HIT so podane v tabeli 1.8.

Baterije koncerna Varta (Nemčija)

Koncern Varta je eden vodilnih svetovnih proizvajalcev HIT-a. 25 tovarn koncerna se nahaja v več kot 100 državah po svetu in proizvajajo več kot 1000 vrst baterij in akumulatorjev.

Glavne proizvodne zmogljivosti zaseda Oddelek za stacionarne industrijske baterije. Vendar pa približno 600 vrst voltaičnih celic od baterij za ure do zaprtih baterij proizvajajo v tovarnah koncerna Oddelek za instrumentne baterije v ZDA, Italiji, na Japonskem, Češkem itd., z garancijo stalne kakovosti ne glede na geografsko območje. lokacijo obrata. Fotografsko kamero prvega človeka, ki je stopil na Luno, so napajale baterije Varta.

Našim potrošnikom so precej dobro znani in so v stalnem povpraševanju.

Tehnične značilnosti HIT koncerna Varta z navedbo domači analogi so podane v tabeli 1.9.

POGLAVJE 2. BATERIJE

Baterije so kemični viri električne energije za večkratno uporabo. Sestavljeni so iz dveh elektrod (pozitivne in negativne), elektrolita in ohišja. Do kopičenja energije v bateriji pride med kemično reakcijo oksidacije-redukcije elektrod. Ko se baterija izprazni, pride do obratnih procesov. Napetost baterije je potencialna razlika med poloma baterije pri fiksni obremenitvi.

Bibliografija

Kaufman M., Sidman. A.G.
Praktični vodnik za izračune vezij v elektroniki. Imenik. V 2 zvezkih: Prev. iz angleščine/ur. F.N. Pokrovski. M.: Energoatomizdat, 1991. 368 str.
Tereščuk R.M. itd. Majhna oprema. Radioamaterski priročnik. K.: Naukova Dumka, 1975. 557 str.
Sena L.A. Enote fizikalnih veličin in njihove dimenzije. Izobraževalni in referenčni priročnik. 3. izdaja, popravljena. in dodatno M.: Znanost. Pogl. izd. fizika in matematika lit., 1988. 432 str.
Deordiev S.S. Baterije in njihova nega. K.: Tehnologija, 1985. 136 str.
Električna referenčna knjiga. V 3 zvezkih T.2. Električni izdelki in naprave/pod splošno. izd. profesorji Moskovskega inštituta za elektrotehniko (glavni urednik I. N. Orlov) in drugi 7. izd. 6 rev. in dodatno M.: Energoatomizdat, 1986. 712 str.
Digitalni in analogni integrirana vezja. Imenik. Ed. S.V. Yakubovski. M.: Radio in komunikacije, 1990. 496 str.
Semuškin S. Trenutni viri in njihova uporaba. "Radio", 1978. 2.3.
Veksler G.S. Izračun napajalnih naprav. K.: Tehnika, 1978. 208 str.
Lisovski F.V., Kalugin I.K. Angleško-ruski slovar radijske elektronike. 2. izdaja, popravljena. in dodatno V REDU. 63.000 izrazov. M.: Rus. jezik, 1987.
Bagotsky V.S., Skundin A.M. Kemični viri toka. M.: Energoizdat, 1981. 360 str.
Crompton T. Primarni tokovni viri. M.: Mir, 1986. 326 str.

nadaljujte z branjem

Različne vrste galvanskih členov pretvarjajo svojo kemično energijo v električni tok. Ime so prejeli v čast italijanskemu znanstveniku Galvaniju, ki je izvedel prve tovrstne poskuse in raziskave. Električna energija nastane s kemično reakcijo dveh kovin (običajno cinka in bakra) v elektrolitu.

Princip delovanja

Znanstveniki so v posode s kislino postavili bakreno in cinkovo ploščo. Povezali so ju z vodnikom, na prvem so nastali plinski mehurčki, drugi pa se je začel raztapljati. S tem smo dokazali, da skozi vodnik teče električni tok. Po Galvaniju se je poskusov lotil Volt. Ustvaril je cilindrični element, podoben navpičnemu stebru. Sestavljen je iz cinkovih, bakrenih in platnenih obročev, ki so bili predhodno impregnirani s kislino. Prvi element je bil visok 50 cm, napetost, ki jo je ustvaril, pa je čutila oseba.

Načelo delovanja je, da dve vrsti kovin v elektrolitskem mediju medsebojno vplivata, zaradi česar tok začne teči skozi zunanji tokokrog. Sodobne galvanske člene in baterije imenujemo baterije. Njihova napetost je odvisna od uporabljene kovine. Naprava je nameščena v valju iz mehke pločevine. Elektrode so mrežaste z oksidativnim in redukcijskim naprševanjem.

Pretvarjanje kemične energije v električno odpravi možnost ponovne vzpostavitve lastnosti baterij. Konec koncev, ko element deluje, se reagenti porabijo, kar povzroči zmanjšanje toka. Reducent je običajno negativni svinec iz litija ali cinka. Med delovanjem izgublja elektrone. Pozitivni del je iz kovinskih soli ali magnezijevega oksida, opravlja delo oksidanta.

V normalnih pogojih elektrolit ne prepušča toka, razpade na ione šele, ko je tokokrog zaprt. To je tisto, kar povzroča pojav prevodnosti. Kot elektrolit se uporablja kislinska raztopina, natrijeve ali kalijeve soli.

Raznolikost elementov

Baterije se uporabljajo za napajanje naprav, aparatov, opreme in igrač. Po shemi so vsi galvanski elementi razdeljeni na več vrst:

fiziološka raztopina;
alkalno;
litij

Najbolj priljubljene so solne baterije iz cinka in mangana. Element združuje zanesljivost, kakovost in razumno ceno. Toda v zadnjem času proizvajalci zmanjšujejo ali popolnoma ustavljajo svojo proizvodnjo, saj se zahteve podjetij, ki proizvajajo gospodinjske aparate, postopoma povečujejo. Glavne prednosti galvanskih baterij te vrste:

univerzalni parametri, ki omogočajo njihovo uporabo na različnih področjih;
enostavno upravljanje;
poceni;
enostavni pogoji proizvodnja;
dostopne in poceni surovine.

Med pomanjkljivostmi so kratka življenjska doba (ne več kot dve leti), zmanjšanje lastnosti zaradi nizkih temperatur, zmanjšanje zmogljivosti z naraščajočim tokom in zmanjšanje napetosti med delovanjem. Ko so solne baterije izpraznjene, lahko puščajo, saj pozitivna prostornina elektrode iztisne elektrolit. Prevodnost povečata grafit in saje, aktivna zmes je sestavljena iz manganovega dioksida. Življenjska doba je neposredno odvisna od količine elektrolita.

V prejšnjem stoletju so se pojavili prvi alkalni elementi. Vlogo oksidanta v njih igra mangan, reducent pa je cinkov prah. Telo baterije je amalgamirano, da se prepreči korozija. Toda uporaba živega srebra je bila prepovedana, zato so jih premazali z mešanicami cinkovega prahu in zaviralcev rje.

Aktivna snov v napravi galvanske celice je to so cink, indij, svinec in aluminij. Aktivna masa vključuje saje, mangan in grafit. Elektrolit je narejen iz kalija in natrija. Suh prah bistveno izboljša delovanje baterije. Z enakimi dimenzijami kot vrste soli imajo alkalne večjo zmogljivost. Še naprej dobro delujejo tudi v hudi zmrzali.

Litijeve celice se uporabljajo za napajanje sodobne tehnologije. Proizvajajo se v obliki baterij in akumulatorjev različne velikosti. Prve vsebujejo trden elektrolit, druge naprave pa tekoči elektrolit. Ta možnost je primerna za naprave, ki zahtevajo stabilna napetost in povprečni trenutni stroški. Litijeve baterije je mogoče polniti večkrat, baterije se uporabljajo samo enkrat, se ne odpirajo.

Področje uporabe

Za proizvodnjo galvanskih členov obstaja več zahtev. Ohišje baterije mora biti zanesljivo in zatesnjeno. Elektrolit ne sme iztekati, tujki pa ne smejo priti v napravo. V nekaterih primerih, ko tekočina izteče, se vname. Poškodovanega predmeta ni mogoče uporabiti. Dimenzije vseh baterij so skoraj enake, razlikujejo se le velikosti baterij. Elementi so lahko različnih oblik: cilindrični, prizmatični ali diskasti.

Vse vrste naprav imajo skupne prednosti: so kompaktne in lahke, prilagojene različnim temperaturnim območjem delovanja, imajo veliko zmogljivost in stabilno delovanje v različnih pogojih. Obstaja tudi nekaj slabosti, vendar se nanašajo na določene vrste elementov. Solni ne zdržijo dolgo, litijevi so zasnovani tako, da se lahko vnamejo, če jim ni tlaka.

Uporabe baterij so številne:

digitalna tehnologija;
Otroške igrače;
medicinske naprave;
obrambna in letalska industrija;
vesoljska proizvodnja.

Galvanski členi so enostavni za uporabo in cenovno dostopni. Toda z nekaterimi vrstami je treba ravnati previdno in jih ne uporabljati, če so poškodovane. Pred nakupom baterij morate natančno preučiti navodila za napravo, ki jo bodo napajale.

Viri električne energije majhne moči

Galvanski členi in baterije se uporabljajo za napajanje prenosne električne in radijske opreme.

Galvanski členi- to so viri z enim dejanjem, baterije- viri za večkratno uporabo.

Najenostavnejši galvanski člen

Najenostavnejši element je lahko izdelan iz dveh trakov: bakra in cinka, potopljenih v vodo, rahlo nakisano z žveplovo kislino. Če je cink dovolj čist, da ne povzroča lokalnih reakcij, ne bo prišlo do opaznih sprememb, dokler bakra in cinka ne povežeta z žico.

Vendar imajo trakovi med seboj različne potenciale in ko jih povežemo z žico, se v njej pojavi a. Med potekom tega dejanja se bo cinkov trak postopoma raztopil in plinski mehurčki se bodo oblikovali v bližini bakrene elektrode in se zbirali na njeni površini. Ta plin je vodik, ki nastane iz elektrolita. Električni tok teče od bakrenega traku skozi žico do cinkovega traku in od njega skozi elektrolit nazaj do bakra.

Postopoma se žveplova kislina elektrolita nadomesti s cinkovim sulfatom, ki nastane iz raztopljenega dela cinkove elektrode. Zaradi tega se napetost elementa zmanjša. Še večji padec napetosti pa povzroči nastanek plinskih mehurčkov na bakru. Oba dejanja povzročita "polarizacijo". Takšni elementi skoraj nimajo praktičnega pomena.

Pomembni parametri galvanskih celic

Velikost napetosti, ki jo zagotavljajo galvanski členi, je odvisna le od njihovega tipa in konstrukcije, to je od materiala elektrod in kemične sestave elektrolita, ni pa odvisna od oblike in velikosti elementov.

Količina toka, ki jo lahko proizvede galvanski člen, je omejena z njegovim notranjim uporom.

Zelo pomembna značilnost galvanskega člena je. Električna kapaciteta je količina električne energije, ki jo je galvanski ali baterijski člen sposoben oddajati ves čas svojega delovanja, torej do končne izpraznitve.

Zmogljivost, ki jo poda element, se določi z množenjem toka praznjenja, izraženega v amperih, s časom v urah, v katerem je bil element izpraznjen do začetka popolna izpraznitev. Zato je električna kapaciteta vedno izražena v amper urah (A x h).

Na podlagi kapacitete elementa lahko tudi vnaprej določite, koliko ur bo deloval, preden se popolnoma izprazni. Če želite to narediti, morate zmogljivost deliti s tokom praznjenja, ki je dovoljen za ta element.

Vendar pa električna kapacitivnost ni strogo konstantna vrednost. Spreminja se v precej širokih mejah, odvisno od pogojev delovanja (načina) elementa in končne napetosti praznjenja.

Če se element izprazni z največjim tokom in brez prekinitev, bo oddajal bistveno manjšo kapaciteto. Nasprotno, pri praznjenju istega elementa z nižjim tokom in s pogostimi in razmeroma dolgimi prekinitvami bo element izgubil svojo polno zmogljivost.

Kar zadeva vpliv končne izpustne napetosti na kapacitivnost elementa, je treba upoštevati, da med praznjenjem galvanske celice njegova delovna napetost ne ostane na isti ravni, ampak se postopoma zmanjšuje.

Pogosti tipi galvanskih celic

Najpogostejši galvanski členi so sistemi mangan-cink, mangan-zrak, cink-zrak in živo srebro-cink s solnimi in alkalnimi elektroliti. Suhe mangansko-cinkove celice s solnim elektrolitom imajo začetno napetost od 1,4 do 1,55 V, čas delovanja pri temperaturi okolja od -20 do -60 o C od 7 ur do 340 ur.

Suhe mangan-cinkove in cink-zračne celice z alkalnim elektrolitom imajo napetost od 0,75 do 0,9 V in čas delovanja od 6 ur do 45 ur.

Suhe živosrebrno-cinkove celice imajo začetno napetost od 1,22 do 1,25 V in čas delovanja od 24 do 55 ur.

Največji garancijski rok suhi živosrebrno-cinkovi elementi imajo življenjsko dobo do 30 mesecev.

To so sekundarni galvanski členi.Za razliko od galvanskih členov v bateriji takoj po montaži ne pride do kemičnih procesov.

Tako, da se kemične reakcije, povezane z gibanjem, začnejo v bateriji električni naboji, morate ustrezno spremeniti kemično sestavo njegovih elektrod (in delno elektrolita). Ta sprememba kemične sestave elektrod se pojavi pod vplivom električnega toka, ki teče skozi baterijo.

Torej, da baterija proizvaja električni tok, jo je treba najprej "napolniti" s konstanto električni šok iz nekega zunanjega vira toka.

Baterije se od običajnih galvanskih členov razlikujejo tudi po tem, da jih je po izpraznitvi mogoče ponovno napolniti. Ob dobri negi in v normalnih pogojih delovanja lahko baterije prenesejo do nekaj tisoč polnjenj in izpraznitev.
Baterijska naprava

Trenutno se v praksi najpogosteje uporabljajo svinčeve in kadmij-nikljeve baterije. Pri prvem je elektrolit raztopina žveplove kisline, pri drugem pa raztopina alkalij v vodi. Svinčeve baterije imenujemo tudi kislinske baterije, nikelj-kadmijeve baterije pa alkalne baterije.

Načelo delovanja baterij temelji na polarizaciji elektrod. Najenostavnejša kislinska baterija je zasnovana na naslednji način: to sta dve svinčeni plošči, potopljeni v elektrolit. Zaradi kemične substitucijske reakcije so plošče prekrite z rahlim premazom svinčevega sulfata PbSO4, kot izhaja iz formule Pb + H 2 SO 4 = PbSO 4 + H 2.

Naprava za kislinsko baterijo

To stanje plošč ustreza izpraznjeni bateriji. Če je baterija zdaj vklopljena za polnjenje, tj. priključena na generator enosmernega toka, se bo zaradi elektrolize v njej začela polarizacija plošč. Zaradi polnjenja baterije se njene plošče polarizirajo, to pomeni, da spremenijo snov svoje površine in se iz homogenih (PbSO 4) spremenijo v različne (Pb in Pb O 2).

Baterija postane vir toka, njena pozitivna elektroda je plošča, prevlečena s svinčevim dioksidom, negativna elektroda pa čista svinčena plošča.

Proti koncu polnjenja se koncentracija elektrolita poveča zaradi pojava dodatnih molekul žveplove kisline v njem.

To je ena od značilnosti svinčenega akumulatorja: njegov elektrolit ne ostane nevtralen in sam sodeluje v kemičnih reakcijah med delovanjem akumulatorja.

Proti koncu praznjenja sta obe baterijski plošči ponovno prekriti s svinčevim sulfatom, zaradi česar baterija preneha biti vir toka. Baterije nikoli ne pripeljemo v to stanje. Zaradi tvorbe svinčevega sulfata na ploščah se koncentracija elektrolita ob koncu praznjenja zmanjša. Če daš baterijo na polnjenje, lahko spet povzročiš polarizacijo, da jo ponovno izprazniš itd.

Kako napolniti baterijo

Obstaja več načinov polnjenja baterij. Najenostavnejše je običajno polnjenje baterije, ki poteka na naslednji način. Na začetku, 5-6 ur, se polnjenje izvaja z dvojnim normalnim tokom, dokler napetost na vsaki baterijski banki ne doseže 2,4 V.

Normalni polnilni tok je določen s formulo I charge = Q/16

Kje Q - nazivna kapaciteta baterije, Ah.

Po tem se polnilni tok zmanjša na normalno vrednost in polnjenje se nadaljuje 15 - 18 ur, dokler se ne pojavijo znaki konca polnjenja.

Moderne baterije

Kadmij-nikelj ali alkalne baterije so se pojavile veliko kasneje kot svinčene baterije in so v primerjavi z njimi naprednejši kemični viri toka. Glavna prednost alkalnih baterij pred svinčenimi je kemijska nevtralnost njihovega elektrolita glede na aktivne mase plošč. Zaradi tega je samopraznjenje alkalnih baterij veliko manjše kot pri svinčenih baterijah. Tudi princip delovanja alkalnih baterij temelji na polarizaciji elektrod med elektrolizo.

Za napajanje radijske opreme se proizvajajo zaprte kadmij-nikljeve baterije, ki delujejo pri temperaturah od -30 do +50 o C in lahko prenesejo 400 - 600 ciklov polnjenja in praznjenja. Te baterije so izdelane v obliki kompaktnih paralelopipedov in diskov z maso od nekaj gramov do kilogramov.

Proizvajajo nikelj-vodikove baterije za napajanje avtonomnih objektov. Specifična energija nikelj-vodikove baterije je 50 - 60 Wh kg -1.

Priljubljeno v kategoriji: