Galvaniska element. Typer och enhet. Arbete och funktioner. Galvaniska celler och batterier - anordning, funktionsprincip, typer Vad gäller galvaniska batterier - energilagringsanordningar

Förutsättningar för uppkomsten av galvaniska celler. Lite historia. År 1786 upptäckte den italienske professorn i medicin, fysiologen Luigi Aloisio Galvani ett intressant fenomen: musklerna i bakbenen på ett nyöppnat grodlik, upphängt i kopparkrokar, drog sig samman när vetenskapsmannen rörde vid dem med en stålskalpell. Galvani drog omedelbart slutsatsen att detta var en manifestation av "animalisk elektricitet."

Efter Galvanis död skulle hans samtida Alessandro Volta, som är kemist och fysiker, beskriva och offentligt demonstrera en mer realistisk mekanism för generering av elektrisk ström när olika metaller kommer i kontakt.

Volta kommer efter en serie experiment att komma till den otvetydiga slutsatsen att ström uppträder i kretsen på grund av närvaron i den av två ledare av olika metaller placerade i en vätska, och detta är inte alls "animalisk elektricitet", som Galvani trodde. Ryckningarna i grodbenen var en följd av verkan av ström som genererades av kontakten mellan olika metaller (kopparkrokar och en stålskalpell).

Volta kommer att visa samma fenomen som Galvani demonstrerade på en död groda, men på en helt livlös hemmagjord elektrometer, och kommer år 1800 att ge en exakt förklaring till förekomsten av ström: "en ledare av andra klassen (vätska) är i mitten och är i kontakt med två ledare av den första klassen från två olika metaller... Som ett resultat uppstår en elektrisk ström i en eller annan riktning.”

I ett av sina första experiment doppade Volta två plattor - zink och koppar - i en burk med syra och kopplade ihop dem med tråd. Efter detta började zinkplattan lösas upp och gasbubblor uppstod på kopparstålet. Volta föreslog och bevisade att en elektrisk ström flyter genom en tråd.

Så här uppfanns "Volta-elementet" - den första galvaniska cellen. För enkelhetens skull gav Volta den formen av en vertikal cylinder (kolumn), bestående av sammankopplade ringar av zink, koppar och tyg, indränkta i syra. En halvmeter hög voltaisk pelare skapade en spänning som var känslig för människor.

Sedan forskningen startades av Luigi Galvani har namnet behållit minnet av honom i sitt namn.

Galvanisk cellär en kemisk källa för elektrisk ström baserad på växelverkan mellan två metaller och/eller deras oxider i en elektrolyt, vilket leder till uppkomsten av elektrisk ström i en sluten krets. I galvaniska celler omvandlas således kemisk energi till elektrisk energi.

Galvaniska celler idag

Galvaniska celler kallas idag batterier. Tre typer av batterier används ofta: salt (torrt), alkaliska (de kallas även alkaliska, "alkaliska" översatt från engelska som "alkaliska") och litium. Principen för deras funktion är densamma som beskrevs av Volta 1800: två metaller och en elektrisk ström uppstår i en extern sluten krets.

Batteriets spänning beror både på de metaller som används och på antalet element i "batteriet". Batterier, till skillnad från ackumulatorer, är inte kapabla att återställa sina egenskaper, eftersom de direkt omvandlar kemisk energi, det vill säga energin från reagenserna som utgör batteriet (reduktionsmedel och oxidationsmedel), till elektrisk energi.

Reagenserna som ingår i batteriet förbrukas under dess drift, och strömmen minskar gradvis, så effekten av källan upphör efter att reagenserna har reagerat helt.

Alkaliska och saltceller (batterier) används ofta för att driva en mängd olika elektroniska apparater, radioutrustning, leksaker och litium finns oftast i bärbara medicinska apparater som glukometer eller i digital utrustning som kameror.

Mangan-zinkceller, som kallas saltbatterier, är "torra" galvaniska celler som inte innehåller en flytande elektrolytlösning.

Zinkelektroden (+) är en glasformad katod, och anoden är en pulveriserad blandning av mangandioxid och grafit. Ström flyter genom grafitstaven. Elektrolyten är en pasta av ammoniumkloridlösning med tillsats av stärkelse eller mjöl för att tjockna den så att ingenting rinner.

Vanligtvis anger batteritillverkare inte den exakta sammansättningen av saltceller, men saltbatterier är billigast, de används vanligtvis i enheter där strömförbrukningen är extremt låg: i klockor, i fjärrkontroller fjärrkontroll, i elektroniska termometrar, etc.

Begreppet "nominell kapacitet" används sällan för att karakterisera zink-manganbatterier, eftersom deras kapacitet i hög grad beror på driftsätt och förhållanden. De huvudsakliga nackdelarna med dessa element är den betydande spänningsminskningshastigheten under urladdningen och en signifikant minskning av den levererade kapaciteten med ökande urladdningsström. Den slutliga urladdningsspänningen ställs in beroende på belastningen i området 0,7-1,0 V.

Inte bara storleken på urladdningsströmmen är viktig, utan också tidsplanen för lasten. Med intermittent urladdning vid höga och medelstora strömmar ökar batteriernas prestanda märkbart jämfört med kontinuerlig drift. Men vid låga urladdningsströmmar och månader långa driftuppehåll kan deras kapacitet minska till följd av självurladdning.

Grafen ovan visar urladdningskurvorna för ett genomsnittligt saltbatteri under 4, 10, 20 och 40 timmar för jämförelse med det alkaliska batteriet, ca. vi ska prata Ytterligare.

Ett alkaliskt batteri är ett mangan-zink-elektriskt batteri som använder mangandioxid som katod, pulvriserad zink som anod och en alkalilösning, vanligtvis i form av kaliumhydroxidpasta, som elektrolyt.

Dessa batterier har ett antal fördelar (särskilt betydligt högre kapacitet, bästa jobbet vid låga temperaturer och vid höga belastningsströmmar).

Alkaliska batterier, jämfört med saltbatterier, kan ge mer ström under en längre tid. En högre ström blir möjlig eftersom zink inte används här i form av ett glas, utan i form av ett pulver som har en större kontaktyta med elektrolyten. Kaliumhydroxid i form av en pasta används som elektrolyt.

Det är tack vare förmågan hos denna typ av galvaniska celler att leverera betydande ström (upp till 1 A) under lång tid som alkaliska batterier är vanligast idag.

Elektriska leksaker, bärbar medicinsk utrustning, elektroniska enheter och kameror använder alla alkaliska batterier. De håller 1,5 gånger längre än salt om urladdningen är lågström. Grafen visar urladdningskurvorna vid olika strömmar för jämförelse med ett saltbatteri (grafen visades ovan) under 4, 10, 20 och 40 timmar.

Litiumbatterier

En annan ganska vanlig typ av voltaisk cell är litiumbatterier - enstaka icke-uppladdningsbara voltaiska celler som använder litium eller dess föreningar som anod. Tack vare användningen av alkalimetall har de en hög potentialskillnad.

Katoden och elektrolyten i en litiumcell kan vara mycket olika, så termen "litiumcell" kombinerar en grupp celler med samma anodmaterial. Till exempel kan mangandioxid, kolmonofluorid, pyrit, tionylklorid, etc. användas som katod.

Litiumbatterier skiljer sig från andra batterier i sin långa livslängd och höga kostnad. Beroende på vald storlek och kemi som används kan ett litiumbatteri producera spänningar från 1,5 V (kompatibelt med alkaliska batterier) till 3,7 V.

Dessa batterier har den högsta kapaciteten per viktenhet och lång hållbarhet. Litiumceller används ofta i modern bärbar elektronisk utrustning: för att driva klockor moderkort datorer, för att driva bärbara medicinska apparater, armbandsur, miniräknare, fotografisk utrustning, etc.

Grafen ovan visar urladdningskurvorna för två litiumbatterier från två populära tillverkare. Den initiala strömmen var 120 mA (per motstånd på cirka 24 ohm).

Kyzyl, TSU

ABSTRAKT

Ämne: "Galvaniska celler. Batterier."

Sammanställt av: Spiridonova V.A.

I år, IV gr., FMF

Kontrolleras av: Kendivan O.D.

2001

I. INLEDNING

II. Galvaniska strömkällor

1. Typer av galvaniska celler

III. Batterier

1. Surt

2. Alkaliskt

3. Förseglad nickel-kadmium

4. Förseglad

5. "DRYFIT"-teknikbatterier

INTRODUKTION

Kemiska strömkällor (CHS) i många år

fast in i våra liv. I vardagen uppmärksammar konsumenten sällan

uppmärksamma skillnaderna mellan den använda HIT. För honom är det batterier och

batterier. De används vanligtvis i enheter som t.ex

ficklampor, leksaker, radioapparater eller bilar.

I det fall strömförbrukningen är relativt

är stor (10Ah), batterier används, främst sura,

samt nickel-järn och nickel-kadmium. De används i

bärbara datorer (laptop, notebook, handdator), bärbara enheter

kommunikationer, nödbelysning m.m.

Under de senaste åren har sådana batterier använts i stor utsträckning

backup strömförsörjning för datorer och elektromekaniska

system som lagrar energi för eventuella toppbelastningar

och nödströmförsörjning av vitala system.

GALVANISK STRÖMKÄLLOR

Galvaniska engångsströmkällor

är en enhetlig behållare i vilken

innehåller en elektrolyt som absorberas av det aktiva materialet

separator, och elektroder (anod och katod), vilket är anledningen till att de kallas

torra element. Denna term används i relation till

alla celler som inte innehåller flytande elektrolyt. Till vanliga

Torra grundämnen inkluderar kol-zinkämnen.

Torra celler används för låga strömmar och intermittent

driftlägen. Därför används sådana element i stor utsträckning i

telefoner, leksaker, larmsystem m.m.

Verkan hos en galvanisk cell baseras på förekomsten av en redoxreaktion i den. I sin enklaste form består en galvanisk cell av två plattor eller stavar gjorda av olika metaller och nedsänkta i en elektrolytlösning. Ett sådant system gör det möjligt att rumsligt separera redoxreaktionen: oxidation sker på en metall och reduktion sker på en annan. Således överförs elektroner från reduktionsmedlet till oxidationsmedlet genom den externa kretsen.

Betrakta, som ett exempel, en koppar-zink galvanisk cell, som drivs av energin från ovanstående reaktion mellan zink och kopparsulfat. Denna cell (Jacobi-Daniel cell) består av en kopparplatta nedsänkt i en kopparsulfatlösning (kopparelektrod) och en zinkplatta nedsänkt i en zinksulfatlösning (zinkelektrod). Båda lösningarna är i kontakt med varandra, men för att förhindra blandning separeras de av en skiljevägg gjord av poröst material.

När elementet är i drift, dvs. när kedjan är sluten oxideras zink: på ytan av dess kontakt med lösningen förvandlas zinkatomer till joner och, när de hydratiseras, passerar de in i lösningen. Elektronerna som frigörs i detta fall rör sig längs den externa kretsen till kopparelektroden. Hela uppsättningen av dessa processer representeras schematiskt av halvreaktionsekvationen, eller elektrokemisk ekvation:

Reduktion av kopparjoner sker vid kopparelektroden. Elektronerna som kommer hit från zinkelektroden kombineras med de uttorkande kopparjonerna som kommer ut ur lösningen; kopparatomer bildas och frigörs som metall. Motsvarande elektrokemiska ekvation är:

Den totala ekvationen för reaktionen som sker i elementet erhålls genom att addera ekvationerna för båda halvreaktionerna. Sålunda, under driften av en galvanisk cell, passerar elektroner från reduktionsmedlet till oxidationsmedlet genom den yttre kretsen, elektrokemiska processer äger rum vid elektroderna och riktningsrörelse av joner observeras i lösningen.

Elektroden vid vilken oxidation sker kallas anod (zink). Elektroden vid vilken reduktion sker kallas katoden (koppar).

I princip kan vilken redoxreaktion som helst producera elektrisk energi. Däremot antalet reaktioner

praktiskt taget används i kemiska källor för elektrisk energi är liten. Detta beror på det faktum att inte varje redoxreaktion gör det möjligt att skapa en galvanisk cell med tekniskt värdefulla egenskaper. Dessutom kräver många redoxreaktioner konsumtion av dyra ämnen.

Till skillnad från koppar-zinkcellen använder alla moderna galvaniska celler och batterier inte två, utan en elektrolyt; Sådana strömkällor är mycket bekvämare att använda.

TYPER AV GALVANISKA CELLER

Kol-zink element

Kol-zink-element (mangan-zink) är

de vanligaste torra elementen. I kol-zink

element använder en passiv (kol)strömavtagare i

kontakt med en anod gjord av mangandioxid (MnO2), elektrolyt gjord av

ammoniumklorid och en zinkkatod. Elektrolyten är inne

pasta bildar eller impregnerar ett poröst diafragma.

En sådan elektrolyt är inte särskilt mobil och sprider sig inte, så

elementen kallas torra.

Kol-zinkelement "återställs" under

paus från jobbet. Detta fenomen beror på den gradvisa

anpassning av lokala inhomogeniteter i kompositionen

elektrolyt som uppstår under urladdningsprocessen. Som ett resultat

periodisk "vila" elementets livslängd förlängs.

Fördelen med kol-zinkelement är deras

relativt låg kostnad. Till betydande nackdelar

bör inkludera en signifikant minskning av spänningen under urladdning,

låg specifik effekt (5...10 W/kg) och kort livslängd

lagring

Låga temperaturer minskar effektiviteten i användningen

galvaniska celler och den interna uppvärmningen av batteriet

ökar. En ökning av temperaturen orsakar kemisk korrosion av zinkelektroden av vattnet som finns i elektrolyten och uttorkning av elektrolyten. Dessa faktorer kan kompenseras något genom att hålla batteriet vid förhöjda temperaturer och föra in en saltlösning i cellen genom ett förgjort hål.

Alkaliska element

Liksom kol-zinkceller använder alkaliska celler en MnO2-anod och en zinkkatod med en separerad elektrolyt.

Skillnaden mellan alkaliska grundämnen och kol-zink grundämnen är

vid användning av en alkalisk elektrolyt, som ett resultat av vilket

Det sker praktiskt taget ingen gasutveckling under utsläpp, och det kan de vara

förseglas, vilket är mycket viktigt för ett antal av dem

applikationer.

Kvicksilver element

Kvicksilverelement är mycket lika alkaliska grundämnen. I dem

Kvicksilveroxid (HgO) används. Katoden består av en blandning av pulver

zink och kvicksilver. Anoden och katoden är åtskilda av en separator och ett membran,

indränkt i 40 % alkalilösning.

Eftersom kvicksilver är ont om och giftigt är kvicksilver inte det

ska kastas efter att de har använts helt. De måste

gå till återvinning.

Silverelement

De har "silver" katoder gjorda av Ag2O och AgO.

Litiumceller

De använder litiumanoder, en organisk elektrolyt

och katoder gjorda av olika material. De har mycket stora

hållbarhet, hög energitäthet och effektiv

över ett brett temperaturområde eftersom de inte innehåller vatten.

Eftersom litium har den högsta negativa potentialen

i förhållande till alla metaller, litiumelement

kännetecknas av den högsta märkspänningen vid

minimimått.

Jonkonduktivitet säkerställs genom införande i

Lösningsmedel av salter med stora anjoner.

Nackdelarna med litiumceller inkluderar deras

relativt hög kostnad på grund av högt pris

litium, särskilda krav för deras produktion (behovet

inert atmosfär, rening av icke-vattenhaltiga lösningsmedel). Skall

Ta även hänsyn till att vissa litiumceller när de

är explosiva om de öppnas.

Litiumceller används i stor utsträckning i reservströmförsörjning för minneskretsar, mätinstrument och andra högteknologiska system.

BATTERIER

Batterier är kemiska källor

återanvändbar elektrisk energi. De består av

två elektroder (positiva och negativa), elektrolyt

och skrov. Ansamlingen av energi i batteriet uppstår när

förekomsten av en kemisk oxidations-reduktionsreaktion

elektroder. När batteriet är urladdat sker det omvända

processer. Batterispänningen är potentialskillnaden

mellan batteripolerna vid en fast belastning.

För att få tillräckligt stora spänningsvärden eller

laddning, individuella batterier är anslutna till varandra

serie eller parallellt med batterier. Det finns ett antal

allmänt accepterade spänningar för batterier: 2; 4; 6;

Vi kommer att begränsa oss till att överväga följande batterier:

syrabatterier tillverkade enligt traditionella

teknik;

stationär ledning och drivning (bil och

traktor);

förseglade underhållsfria batterier, förseglade

nickel-kadmium och syra "dryfit" A400 och A500 (geléliknande

elektrolyt).

SYRA BATTERIER

Som ett exempel, överväg ett färdigt blybatteri. Den består av gallerblyplattor, varav några är fyllda med blydioxid och andra med metallsvampbly. Plattorna nedsänks i en 35-40% H2SO4-lösning; vid denna koncentration är den specifika elektriska ledningsförmågan för svavelsyralösningen maximal.

När batteriet är i drift - när det är urladdat - inträffar en oxidationsreduktionsreaktion i det, under vilken metallblyet oxideras:

Pb + SO4= PbSO4 + 2e-

Och blydioxid reduceras:

Pb + SO4 + 4H+ + 2e- = PbS04 + 2H2O

Elektroner som avges av metalliska blyatomer under oxidation accepteras av blyatomer PbO2 under reduktion; elektroner överförs från en elektrod till en annan genom en extern krets.

Således fungerar blymetall som anod i ett blybatteri och är negativt laddat, och PbO2 fungerar som katod och är positivt laddat.

I den interna kretsen (i H2SO4-lösningen) sker jonöverföring under batteridrift. SO42-joner rör sig mot anoden och H+-joner rör sig mot katoden. Riktningen för denna rörelse bestäms av det elektriska fältet som är ett resultat av förekomsten av elektrodprocesser: anjoner förbrukas vid anoden och katjoner förbrukas vid katoden. Som ett resultat förblir lösningen elektriskt neutral.

Om vi ​​summerar ekvationerna som motsvarar oxidationen av bly och reduktionen av PbO2 får vi den totala reaktionsekvationen,

läcker i ett blybatteri under dess drift (urladdning):

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

E.m.f. av ett laddat blybatteri är ungefär 2V. När ett batteri laddas ur förbrukas dess katod (PbO2) och anodmaterial (Pb). Svavelsyra konsumeras också. Samtidigt sjunker spänningen vid batteripolerna. När det blir lägre än värdet som tillåts av driftsförhållanden, laddas batteriet igen.

För att ladda (eller ladda) kopplas batteriet till extern källa ström (plus till plus och minus till minus). I detta fall flyter ström genom batteriet i motsatt riktning mot den som det passerade i när batteriet laddades ur. Som ett resultat av detta är de elektrokemiska processerna på elektroderna "omvända". Blyelektroden genomgår nu en reduktionsprocess

PbS04 + 2e- = Pb + SO4

de där. Denna elektrod blir katoden. Oxidationsprocessen sker på PbO2-elektroden

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

därför är denna elektrod nu anoden. Jonerna i lösningen rör sig i motsatta riktningar mot de som de rörde sig i när batteriet var i drift.

Lägger vi till de två sista ekvationerna får vi ekvationen för reaktionen som uppstår när batteriet laddas:

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

Det är lätt att se att denna process är motsatsen till den som sker när batteriet är i drift: när batteriet laddas producerar det återigen de ämnen som är nödvändiga för dess drift.

Bly-syra batterier är vanligtvis kopplade till ett batteri, vilket

placerad i ett monoblock av ebonit, termoplast, polypropen,

polystyren, polyeten, asfaltbeckkomposition, keramik

eller glas.

En av de viktigaste egenskaperna hos ett batteri är

livslängd eller livslängd (antal cykler). Försämring

batteriparametrar och fel orsakas i första hand

kö av gallerkorrosion och glidning av den aktiva massan

positiv elektrod. Batteritiden bestäms

främst av typen av positiva plattor och tillstånd

drift.

Förbättringar av blybatterier är på väg

forskar om nya legeringar för galler (till exempel bly-kalcium), lätta och hållbara husmaterial

(till exempel baserad på propen-eten-sampolymer), förbättringar

kvalitet på separatorer.

ALKALISKA BATTERIER

Silver-zink.

De har goda elektriska egenskaper och är lätta i vikt och volym. Elektroderna i dem är silveroxider Ag2O, AgO (katod) och svampzink (anod); Elektrolyten är en KOH-lösning.

Under batteridrift oxideras zink och omvandlas till ZnO och Zn(OH)2, och silveroxid reduceras till metall. Den totala reaktionen som uppstår när ett batteri laddas ur kan ungefär uttryckas med ekvationen:

AgO + Zn = Ag + ZnO

E.m.f. av ett laddat silver-zink batteri är cirka 1,85 V. När spänningen sjunker till 1,25 V laddas batteriet. I det här fallet är processerna på elektroderna "omvända": zink reduceras, silver oxideras - de ämnen som är nödvändiga för batteriets drift erhålls igen.

Kadmium-nickel och järn-nickel.

CN och ZHN är väldigt lika varandra. Deras huvudsakliga skillnad är materialet i de negativa elektrodplattorna; i KN-batterier är de kadmium, och i ZhN-batterier är de järn. KN-batterier är de mest använda.

Alkaliska batterier tillverkas huvudsakligen med lamellelektroder. I dem är de aktiva massorna inneslutna i lameller - platta lådor med hål. Den aktiva massan av de positiva plattorna i ett laddat batteri består huvudsakligen av hydratiserad nickeloxid (Ni) Ni2O3 x H2O eller NiOOH. Dessutom innehåller den grafit, som tillsätts för att öka den elektriska ledningsförmågan. Den aktiva massan av negativa plattor av KN-batterier består av en blandning av svampkadmium med järnpulver och av ZhN-batterier - av reducerat järnpulver. Elektrolyten är en lösning av kaliumhydroxid som innehåller en liten mängd LiOH.

Låt oss överväga de processer som sker under driften av ett KN-batteri. När batteriet är urladdat oxiderar kadmium.

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

Och NiOOH är återställt:

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

I detta fall överförs elektroner från kadmiumelektroden till nickelelektroden längs den externa kretsen. Kadmiumelektroden fungerar som anod och är negativt laddad, och nickelelektroden fungerar som katod och är positivt laddad.

Den totala reaktionen som inträffar i KN-batteriet under dess drift kan uttryckas med ekvationen som erhålls genom att addera de två sista elektrokemiska ekvationerna:

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

E.m.f. av ett laddat nickel-kadmium-batteri är ungefär 1,4 V. När batteriet fungerar (urladdas), sjunker spänningen vid dess poler. När den sjunker under 1V laddas batteriet.

När du laddar ett batteri "omvänds" de elektrokemiska processerna vid dess elektroder. Metallreduktion sker vid kadmiumelektroden

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

På nickel - oxidation av nickelhydroxid (P):

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

Den totala reaktionen under laddning är motsatsen till reaktionen som inträffar under urladdning:

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

FÖRSEGNADE NICKEL-KADMIUM BATTERIER

En speciell grupp nickel-kadmium-batterier är slutna batterier. Syret som frigörs i slutet av laddningen oxiderar kadmium, så trycket i batteriet ökar inte. Hastigheten för syrebildning bör vara låg, så batteriet laddas med en relativt låg ström.

Förseglade batterier är uppdelade i skivor,

cylindrisk och rektangulär.

Förseglade rektangulära nickel-kadmium-batterier

tillverkas med negativa icke-cermetkadmiumoxidelektroder eller med cermetkadmiumelektroder.

FÖRSEGNADE BATTERIER

Mycket använda syrabatterier,

gjorda med klassisk teknik, orsaka mycket problem

och har en skadlig effekt på människor och utrustning. De är de flesta

billiga, men kräver extra kostnader för deras underhåll,

särskilda lokaler och personal.

"DRYFIT" TEKNIK BATTERIER

Det bekvämaste och säkraste av syrabatterier

är helt underhållsfria förseglade batterier

VRLA (Valve Regulated Lead Acid) tillverkad med hjälp av teknologi

"torr passform". Elektrolyten i dessa batterier är i ett geléliknande tillstånd. Detta garanterar batteriernas tillförlitlighet och säkerheten för deras drift.

BIBLIOGRAFI:

1. Deordiev S.S.

Batterier och deras skötsel.

K.: Teknik, 1985. 136 sid.

2. Elektrisk uppslagsbok.

I 3 volymer T.2. Elektriska produkter och apparater/under

total ed. professorer vid Moscow Power Engineering Institute (chefredaktör I.N. Orlov) och andra. 7:e uppl. 6korr. och ytterligare

M.: Energoatomizdat, 1986. 712 sid.

3. N.L.Glinka.

Allmän kemi.

Förlaget "Chemistry" 1977.

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

Kemiska strömkällor.

M.: Energoizdat, 1981. 360 sid.

Text tillhandahållen av Scientific Research Centre "Science and Technology"
Rättigheterna till den elektroniska versionen av publikationen tillhör N&T (www.n-t.org)

Boken innehåller information om utformning, funktionsprinciper och karakteristiska egenskaper hos kemiska kraftkällor (batterier och ackumulatorer). Du kommer att lära dig från den här boken hur du väljer de batterier och ackumulatorer du behöver, hur du laddar och återställer dem på rätt sätt.

• Anoden är den positiva polen på batteriet.
• Batteri - två eller flera celler kopplade i serie och/eller parallellt för att tillhandahålla erforderlig spänning och nuvarande.
• Internt motstånd är motståndet mot strömflöde genom ett element, mätt i ohm. Kallas ibland intern impedans.
• Energiutgång är kapacitetsförbrukningen multiplicerad med medelspänningen under batteriernas urladdningstid, uttryckt i wattimmar (Wh).
• Kapacitet är mängden elektrisk energi som ett batteri släpper ut under vissa urladdningsförhållanden, uttryckt i amperetimmar (Ah) eller coulombs (1 Ah = 3600 C).
• Laddning är elektrisk energi som överförs till ett element för att omvandlas till lagrad kemisk energi.
• Katoden är batteriets minuspol.
• Kompenserande laddning är en metod som använder likström för att få batteriet till ett fulladdat tillstånd och behålla det i detta tillstånd.
• Brytspänning är den lägsta spänning vid vilken batteriet kan leverera användbar energi under vissa urladdningsförhållanden.
• Öppen kretsspänning är spänningen vid batteriets yttre poler i frånvaro av strömdrag.
• Märkspänning är spänningen över ett fulladdat batteri när det laddas ur med mycket låg hastighet.
• Flytladdning är en metod för att hålla ett uppladdningsbart batteri i ett fulladdat tillstånd genom att applicera en vald konstant spänning för att kompensera för olika förluster i det.
• Energitäthet är förhållandet mellan energin hos ett element och dess massa eller volym, uttryckt i wattimmar per massa- eller volymenhet.
• Polarisation är ett spänningsfall som orsakas av förändringar i den kemiska sammansättningen av elementens komponenter (skillnaden mellan den öppna kretsspänningen och spänningen när som helst under urladdningen).
• Urladdning är förbrukningen av elektrisk energi från ett element till en extern krets. En djupurladdning är ett tillstånd där nästan hela elementets kapacitet är förbrukad. En grund urladdning är en urladdning där en liten del av den totala kapaciteten förbrukas.
• Separator - ett material som används för att isolera elektroder från varandra. Det behåller ibland elektrolyten i torra celler.
• Hållbarhet är den tidsperiod under vilken ett element som lagras under normala förhållanden (20oC) behåller 90 % av sin ursprungliga kapacitet.
• Stabilitet är likformigheten i spänningen vid vilken batteriet avger energi under full urladdning.
• Ett grundämne är en grundläggande enhet som kan omvandla kemisk energi till elektrisk energi. Den består av positiva och negativa elektroder nedsänkta i en vanlig elektrolyt.
• En elektrod är ett ledande material som kan producera strömbärare när den reagerar med en elektrolyt.
• Elektrolyt är ett material som leder laddningsbärare i en cell.
• En cykel är en sekvens av laddning och urladdning av ett element.

engelska termer

• Ett batteri - glödlampsbatteri
• syra lagringsbatteri - batteri av syra (bly) batterier
• luftbatteri - luft-metallelement
• alkaliskt batteri - (primär) alkalisk cell
• alkaliskt batteri - alkalisk mangan-zinkcell
• alkaliskt torrbatteri - torr kvicksilver-zinkcell
• alkaliskt torrbatteri - torr alkalisk cell
• alkaliskt manganbatteri - alkalisk mangan-zinkcell
• alkaliskt lagringsbatteri - alkaliskt batteri
• alkaliskt lagringsbatteri - alkaliskt batteri
• anodbatteri - anodbatteri
• B batteri - anodbatteri
• Bansen batteri - (salpetersyra-zink) Bunsencell
• batteri av väska - kopp (primärt) element med en puppa
• balanseringsbatteri - buffertbatteri
• batteri - batteri
• bias batteri - bias batteri element, rutnät batteri element
• förspänningsbatteri - förspänningsbatteri, nätbatteri
• bikromatbatteri - (primär) cell med dikromatlösning
• buffertbatteri - buffertbatteri
• bypass batteri - buffertbatteri
• C-batteri - förspänningsbatteri, nätbatteri
• Clark batteri - (kvicksilver-zink) Clark cell
• kadmium normalt batteri - (kvicksilver-kadmium) Weston normal cell
• kadmium-silver-oxid batteri - kadmium oxid galvanisk cell
• kolbatteri - (primär) cell med en kolelektrod
• kol-zink batteri - (torr) cell med en zinkanod och en kolkatod
• cell - element, cell, galvanisk cell (primärcell, batteri eller bränslecell)
• kemiskt batteri - batteri av kemiska strömkällor
• laddningsbart batteri - laddningsbart element
• cooper-zink batteri - koppar-zink cell
• mot (elektromotoriskt) batteri - motverkande element
• Daniel batteri - (koppar-zink) Daniel cell
• nedbrytningsbatteri - en cell med en (sido)reaktion av elektrolytisk nedbrytning
• dikromatbatteri - (primär) cell med dikromatlösning
• förskjutningsbatteri - en cell med en (sido)elektrolytisk ersättningsreaktion
• tvåvärt silveroxidbatteri - en cell med oxidation av silver till tvåvärt tillstånd
• dubbelvätskebatteri - tvåvätskeelement
• trumförvaring - nickel-zink batteri
• torrbatteri - torrcell
• torrbatteri - torrbatteri
• torrladdat batteri - batteri av torrladdade batterier
• torrladdat batteri - torrladdat batteri
• Edison batteri - nickel-järn batteri
• elektriskt batteri - galvaniskt batteri (batteri av primärceller, ackumulatorer eller bränsleceller)
• elbatteri - galvanisk cell (primärcell), batteri eller bränslecell
• nödbatterier - nödbatterier
• nödbatteri - nödbatteri
• slutbatterier - reservbatterier
• Faradey batteri - Faraday cell
• Faure ackumulatorbatteri - batteri med klistrade plåtar
• filament batteri - filament batteri
• flytande batteri - reservbatteri (kopplat parallellt med huvudbatteriet)
• Grenet batteri - (zinkdikromat) Grenet cell
• galvaniskt batteri - elektrokemisk cell i galvaniskt cellläge
• nätbatteri - nätbatteri, förskjutningsbatteri
• nät-bias batteri - bias batteri, rutnät batteri
• Lalande batteri - (alkalisk koppar zinkoxid) Lalande cell
• Leclanche batteri - (mangan-zink) Leclanche cell
• bly (-syra) batteri - surt (bly) batteri
• bly-syra (bly-lagring) batteri - batteri av bly (syra) batterier
• bly-kalcium batteri - bly-kalcium cell
• blydioxid primärbatteri - blydioxid primärcell
• linjebatteri - buffertbatteri
• litiumbatteri - en cell med en litiumanod
• litium-järnsulfid sekundärt batteri - järn-litiumklorid batteri
• litium-silver kromat batteri - silver-litium kromat cell
• litium-vatten batteri - litium-vatten cell
• batteri med lång livslängd på vått stativ - ett batteri av batterier med lång hållbarhet i översvämmat tillstånd
• magnesiumbatteri - primärcell med magnesiumanod
• magnesium kvicksilver oxid batteri - magnesium-oxid-kvicksilver batteri
• magnesium-koppar(II)kloridbatteri - koppar-magnesiumkloridcell
• magnesium-silverkloridbatteri - silver-magnesiumkloridcell
• magnesium-vatten batteri - magnesium-vatten batteri
• kvicksilverbatteri - (torr) kvicksilver-zinkcell
• kvicksilverbatteri - batteri av (torra) kvicksilver-zinkceller
• metall-luft lagringsbatteri - metall luftbatteri
• nicad (nickel-kadmium) batteri - nickel-kadmium batteri
• nickel-kadmium batteri - nickel-kadmium batteri
• nickel-järn batteri - nickel-järn batteri
• nickel-järn batteri - nickel-järn batteri
• Plante batteri - bly (syra) batteri med linne separator
• pilotbatteri - kontrollbatteribatteri
• plåtbatteri - anodbatteri
• plug-in batteri - utbytbart batteri
• bärbart batteri - bärbart batteri
• primärbatteri - (primärt) element
• primärbatteri - batteri av (primära) celler
• tyst batteri - mikrofonbatteri
• Ruben batteri - (torr) kvicksilver-zink cell
• uppladdningsbart batteri - batteri av batterier
• uppladdningsbart batteri - batteri av uppladdningsbara element
• reservbatteri - galvaniskt element i ett reservbatteri
• ringande batteri - ringande (telefon) batteri
• sal-ammoniakbatteri - (primär) cell med lösningar av ammoniumsalter
• mättat standardbatteri - mättad normalcell
• förseglat batteri - förseglat batteri
• förseglat batteri - förseglat (primärt) element
• sekundärt batteri - batteri av batterier
• signalbatteri - anropande (telefon)batteri
• silver-kadmium lagringsbatteri - batteri av silver-kadmium batterier
• silveroxidbatteri - (primär) cell med silverkatod
• silver-zink primärbatteri - silver-zink primärcell
• silver-zink lagringsbatteri - batteri av silver-zink batterier
• solbatteri - solbatteri
• standard Daniel batteri - (koppar-zink) normal Daniel cell
• standby batteri - nödbatteri
• stationärt batteri - stationärt batteri lagringsbatteri - batteri av batterier
• talande batteri - mikrofonbatteri
• Voltaiskt batteri - Volta-element; element med metallelektroder och flytande elektrolyt
• Weston (standard) batteri - (kvicksilver-kadmium) normal Weston cell
• vått batteri - cell med flytande elektrolyt
• zink-luftbatteri - batteri av zinkluftceller
• zink-klor batteri - zink klor batteri
• zink-koppar-oxid batteri - koppar-zink oxid cell
• zink-järn batteri - zink järn cell
• zink-mangandioxid batteri - batteri av mangan-zink celler
• zink-kvicksilver-oxid batteri - zink-kvicksilver oxid cell
• zink-nickel batteri - nickel-zink batteri
• zink-silver-klorid primärbatteri - silver-zinkklorid primärcell

Introduktion

Kemiska strömkällor (CHS) har blivit en del av våra liv i många år. I vardagen uppmärksammar konsumenten sällan skillnaderna mellan den använda HIT. För honom är det batterier och ackumulatorer. De används vanligtvis i enheter som ficklampor, leksaker, radioapparater eller bilar.

Oftast kännetecknas batterier och ackumulatorer av deras utseende. Men det finns batterier som är designade på samma sätt som batterier. Till exempel utseende KNG-1D-batteriet skiljer sig lite från de klassiska R6C AA-batterierna. Och vice versa. Uppladdningsbara batterier och batterier av disktyp är också omöjliga att skilja i utseende. Till exempel ett D-0,55-batteri och en tryckknappskvicksilvercell (batteri) RC-82.

För att kunna skilja mellan dem måste konsumenten vara uppmärksam på markeringarna på HIT-kroppen. Märkningarna på batteriernas och ackumulatorernas höljen beskrivs i kapitel 1 och 2 i figurerna och tabellerna. Detta är nödvändigt för att korrekt välja strömförsörjning för din enhet.

Framväxten av bärbar audio, video och annan mer energikrävande utrustning krävde en ökning av energiintensiteten hos HIT, deras tillförlitlighet och hållbarhet.

Den här boken beskriver de tekniska egenskaperna och metoderna för att välja den optimala HIT, metoder för att ladda, återställa, använda och förlänga livslängden för batterier och ackumulatorer.

Läsaren uppmanas att iaktta försiktighet angående säkerhet och kassering av kemiska avfallsprodukter.

I det fall strömförbrukningen är relativt hög (10Ah) används batterier, främst syra, samt nickel-järn och nickel-kadmium. De används i bärbara datorer (laptop, notebook, palmtop), bärbar kommunikationsutrustning, nödbelysning, etc.

Bilbatterier har en speciell plats i boken. Diagram över enheter för laddning och återställning av batterier tillhandahålls, och nya förseglade batterier skapade med "dryfit"-tekniken som inte kräver underhåll under 5...8 års drift beskrivs. De har ingen skadlig effekt på människor eller utrustning.

Under senare år har sådana batterier använts i stor utsträckning i reservkraftförsörjning för datorer och elektromekaniska system som ackumulerar energi för möjliga toppbelastningar och nödströmförsörjning av vitala system.

I början av varje kapitel finns en ordlista med speciella engelska termer som används i beskrivningar och märkning av batterier och ackumulatorer. I slutet av boken finns en konsoliderad ordbok över termer.

De viktigaste egenskaperna hos CCI för ett brett spektrum av tillämpningar som är av praktiskt intresse ges i tabell B.1.

KAPITEL 1
GALVANISK STRÖMKÄLLOR, ENKEL ÅTGÄRD

Galvaniska engångsströmkällor är en enhetlig behållare som innehåller en elektrolyt, absorberad av det aktiva materialet i separatorn, och elektroder (anod och katod), vilket är anledningen till att de kallas torra celler. Denna term används för att hänvisa till alla celler som inte innehåller en flytande elektrolyt. Vanliga torra celler inkluderar zink-kol eller Leclanche-celler.

Torra celler används vid låga strömmar och intermittenta driftlägen. Därför används sådana element i stor utsträckning i telefoner, leksaker, larmsystem etc.

Eftersom utbudet av enheter som använder torra element är mycket brett och dessutom kräver periodiskt utbyte, finns det standarder för deras dimensioner. Det bör betonas att dimensionerna på elementen som anges i tabellerna 1.1 och 1.2 tillverkade av olika tillverkare kan skilja sig något när det gäller placeringen av stiften och andra egenskaper som anges i deras specifikationer.

Under urladdningsprocessen sjunker spänningen hos torra celler från den nominella spänningen till brytspänningen (brytspänningen är den lägsta spänningen vid vilken batteriet kan leverera minimal energi), d.v.s. typiskt 1,2V till 0,8V/cell beroende på applikation. Vid urladdning vid anslutning till elementet konstant motstånd efter att kretsen har stängts minskar spänningen vid dess terminaler kraftigt till ett visst värde, något mindre än den ursprungliga spänningen. Strömmen som flyter i detta fall kallas den initiala urladdningsströmmen.

Funktionaliteten hos en torr cell beror på strömförbrukning, avstängningsspänning och urladdningsförhållanden. Elementets effektivitet ökar när urladdningsströmmen minskar. För torra celler kan kontinuerlig urladdning under mindre än 24 timmar klassificeras som höghastighetsurladdning.

Den elektriska kapaciteten hos en torr cell är specificerad för urladdning genom ett fast motstånd vid en given slutspänning i timmar beroende på den initiala urladdningen och presenteras i en graf eller tabell. Det är tillrådligt att använda tillverkarens tabell eller tabell för ett specifikt batteri. Detta beror inte bara på behovet av att ta hänsyn till produktens egenskaper, utan också på det faktum att varje tillverkare ger sina egna rekommendationer om den bästa användningen av sina produkter. Tabell 1.3 och Tabell 1.5 visar de tekniska egenskaperna hos galvaniska celler som på senare tid varit vanligast på hyllorna i våra butiker.

Batteriets interna resistans kan begränsa den ström som krävs, till exempel när det används i en blixtkamera. Den initiala stabila ström som ett batteri kan leverera under en kort tid kallas blixtström. Elementtypens beteckning innehåller bokstavsbeteckningar som motsvarar elementets blixtströmmar och inre resistans, mätt vid lik- och växelström (tabell 1.4). Blixtström och intern resistans är mycket svåra att mäta, och celler kan ha lång hållbarhet, men blixtströmmen kan minska.

1.1. TYPER AV GALVANISKA CELLER

Kol-zink element

Kol-zink-element (mangan-zink) är de vanligaste torra elementen. Kol-zinkceller använder en passiv (kol) strömkollektor i kontakt med en mangandioxid (MnO2) anod, en ammoniumkloridelektrolyt och en zinkkatod. Elektrolyten är i pastaform eller impregnerar det porösa diafragman. En sådan elektrolyt är lätt rörlig och sprider sig inte, varför elementen kallas torra.

Märkspänningen för kol-zinkcellen är 1,5 V.

Torra element kan ha en cylindrisk form, fig. 1.1, en skivform, fig. 1.2, och en rektangulär form. Utformningen av rektangulära element liknar skivor. Zinkanoden är gjord i form av ett cylindriskt glas, som också är en behållare. Skivelementen består av en zinkplatta, ett kartongmembran impregnerat med en elektrolytlösning och ett komprimerat lager av den positiva elektroden. Skivelementen är anslutna i serie med varandra, det resulterande batteriet är isolerat och förpackat i ett fodral.

Kol-zinkelement "återställs" under ett driftuppehåll. Detta fenomen beror på den gradvisa anpassningen av lokala inhomogeniteter i elektrolytsammansättningen som uppstår under urladdningsprocessen. Som ett resultat av periodisk "vila" förlängs elementets livslängd.

I fig. Figur 1.3 visar ett tredimensionellt diagram som visar ökningen av drifttiden för ett D-element vid användning av ett intermittent driftläge jämfört med ett konstant. Detta bör beaktas när du använder elementen intensivt (och använd flera uppsättningar för drift så att en uppsättning har en tillräcklig tidsperiod för att återställa funktionaliteten. Till exempel, när du använder en spelare, rekommenderas det inte att använda en uppsättning batterier i mer än två timmar i rad. Vid byte av två set tredubblas drifttidselementen.

Fördelen med kol-zinkelement är deras relativt låga kostnad. Betydande nackdelar inkluderar en signifikant minskning av spänningen under urladdning, låg effekttäthet (5...10 W/kg) och kort hållbarhet.

Låga temperaturer minskar effektiviteten vid användning av galvaniska celler, och intern uppvärmning av batteriet ökar den. Effekten av temperatur på kapacitansen hos en galvanisk cell visas i fig. 1.4. En ökning av temperaturen orsakar kemisk korrosion av zinkelektroden av vattnet som finns i elektrolyten och uttorkning av elektrolyten. Dessa faktorer kan kompenseras något genom att hålla batteriet vid förhöjda temperaturer och införa en saltlösning i cellen genom ett tidigare gjort hål.

Alkaliska element

Liksom kol-zinkceller använder alkaliska celler en MnO2-anod och en zinkkatod med en separerad elektrolyt.

Skillnaden mellan alkaliska celler och kol-zinkceller är användningen av en alkalisk elektrolyt, som ett resultat av vilken det praktiskt taget ingen gasutveckling sker under urladdningen, och de kan göras hermetiskt förslutna, vilket är mycket viktigt för ett antal av deras tillämpningar .

Spänningen för alkaliska celler är ungefär 0,1 V lägre än för kol-zinkceller under samma förhållanden. Därför är dessa element utbytbara.

Spänningen hos celler med en alkalisk elektrolyt förändras betydligt mindre än hos celler med en saltelektrolyt. Celler med alkalisk elektrolyt har också högre specifik energi (65...90 Wh/kg), specifik effekt (100...150 kWh/m3) och längre hållbarhet.

Laddning av mangan-zinkceller och batterier sker med asymmetrisk växelström. Du kan ladda celler med en salt eller alkalisk elektrolyt av vilken koncentration som helst, men inte för urladdade och utan skadade zinkelektroder. Inom det utgångsdatum som fastställts för av denna typ cell eller batteri kan du återställa funktionaliteten flera gånger (6...8 gånger).

Laddning av torra batterier och celler utförs från en speciell enhet som gör att du kan få en laddningsström av den erforderliga formen: med ett förhållande mellan laddnings- och urladdningskomponenter på 10:1 och ett förhållande mellan pulslängderna för dessa komponenter på 1: 2. Denna enhet låter dig ladda klockbatterier och aktivera gamla små batterier. Vid laddning av klockbatterier bör laddningsströmmen inte överstiga 2 mA. Laddningstiden är inte mer än 5 timmar. Diagrammet för en sådan anordning för laddning av batterier visas i fig. 1.5.

Här kopplas batteriet som laddas genom två parallellkopplade kedjor av dioder med resistorer. Den asymmetriska laddningsströmmen erhålls som ett resultat av skillnaden i resistanserna hos motstånden. Slutet på laddningen bestäms av att spänningstillväxten på batteriet upphör. Transformator sekundär spänning laddare väljs så att utspänningen överstiger elementets märkspänning med 50...60%.

Batteriets laddningstid med den beskrivna enheten bör vara cirka 12...16 timmar. Laddningskapaciteten bör vara cirka 50 % större än den nominella batterikapaciteten.

Kvicksilver element

Kvicksilverelement är mycket lika alkaliska grundämnen. De använder kvicksilveroxid (HgO). Katoden består av en blandning av zinkpulver och kvicksilver. Anoden och katoden separeras av en separator och ett membran impregnerat med en 40% alkalilösning.

Dessa element har långa villkor lagring och högre kapacitet (med samma volym). Spänningen hos en kvicksilvercell är ungefär 0,15 V lägre än den hos en alkalisk cell.

Kvicksilverelement kännetecknas av hög specifik energi (90...120 Wh/kg, 300...400 kWh/m3), spänningsstabilitet och hög mekanisk hållfasthet.

För små enheter har moderniserade element av typerna RC-31S, RC-33S och RC-55US skapats. Den specifika energin för RC-31S- och RC-55US-elementen är 600 kWh/m3, RC-33S-elementen är 700 kWh/m3. RC-31S och RC-33S element används för att driva klockor och annan utrustning. RC-55US-element är avsedda för medicinsk utrustning, särskilt för implanterbar medicinsk utrustning.

RC-31S- och RC-33S-elementen fungerar i 1,5 år vid strömmar på 10 respektive 18 µA, och RC-55US-elementet säkerställer driften av implanterad medicinsk utrustning i 5 år. Som följer av tabell 1.6 motsvarar den nominella kapaciteten för dessa element inte deras beteckning.

Kvicksilverelement fungerar i temperaturområdet från 0 till +50oC; det finns köldbeständiga RC-83X och RC-85U och värmebeständiga element RC-82T och RC-84, som kan arbeta vid temperaturer upp till +70oC . Det finns modifieringar av de element där indium och titanlegeringar används istället för zinkpulver (negativ elektrod).

Eftersom kvicksilver är ont om och giftigt, bör kvicksilverceller inte kasseras efter att de är helt använda. De måste återvinnas.

Silverelement

De har "silver" katoder gjorda av Ag2O och AgO. Deras spänning är 0,2 V högre än för kol-zink under jämförbara förhållanden.

Litiumceller

De använder litiumanoder, en organisk elektrolyt och katoder gjorda av olika material. De har en mycket lång hållbarhet, höga energidensiteter och fungerar inom ett brett temperaturområde, eftersom de inte innehåller vatten.

Eftersom litium har den högsta negativa potentialen i förhållande till alla metaller kännetecknas litiumceller av den högsta märkspänningen med minimala dimensioner (Fig. 1.6). Specifikationer litiumgalvaniska celler anges i tabell 1.7.

Organiska föreningar används vanligtvis som lösningsmedel i sådana grundämnen. Lösningsmedel kan också vara oorganiska föreningar, till exempel SOCl2, som också är reaktiva ämnen.

Jonkonduktivitet säkerställs genom att salter med stora anjoner introduceras i lösningsmedel, till exempel: LiAlCl4, LiClO4, LiBFO4. Specifik elektrisk konduktivitet icke-vattenhaltiga elektrolytlösningar är 1...2 storleksordningar lägre än konduktiviteten för vattenlösningar. Dessutom går katodiska processer i dem vanligtvis långsamt, därför är strömtätheten låga i celler med icke-vattenhaltiga elektrolyter.

Nackdelarna med litiumceller inkluderar deras relativt höga kostnad, på grund av det höga priset på litium och speciella krav för deras produktion (behovet av en inert atmosfär, rening av icke-vattenhaltiga lösningsmedel). Man bör också ta hänsyn till att vissa litiumceller är explosiva om de öppnas.

Sådana element är vanligtvis gjorda i en tryckknappsdesign med en spänning på 1,5 V och 3 V. De ger framgångsrikt ström till kretsar med en förbrukning på cirka 30 μA i konstant läge eller 100 μA i intermittenta lägen. Litiumceller används i stor utsträckning i reservströmförsörjning för minneskretsar, mätinstrument och andra högteknologiska system.

KAPITEL 1.2 BATTERIER FRÅN VÄRLDENS LEDANDE FÖRETAG

Under de senaste decennierna har produktionsvolymen av alkaliska analoger av Leclanche-element, inklusive zinkluft, ökat (se tabell B1).

Till exempel i Europa började produktionen av alkaliska mangan-zink-element att utvecklas 1980, och 1983 nådde den redan 15% av den totala produktionen.

Användningen av fri elektrolyt begränsar möjligheterna att använda autonoma och används främst vid stationär HIT. Därför syftar många studier till att skapa så kallade torra celler, eller celler med förtjockad elektrolyt, fria från element som kvicksilver och kadmium, som utgör allvarliga faror för människors hälsa och miljön.

Denna trend är en konsekvens av fördelarna med alkaliska kemikalier i jämförelse med klassiska saltelement:

en betydande ökning av urladdningsströmdensiteter på grund av användningen av en klistrad anod;

öka kapaciteten hos kemisk uppvärmningsutrustning på grund av möjligheten att öka belastningen av aktiva massor;

skapande av zinkluftkompositioner (element av typ 6F22) på grund av den större aktiviteten hos befintliga katodmaterial i elektroreduktionsreaktionen av disyre i en alkalisk elektrolyt.

Batterier från Duracell (USA)

Duracell är en erkänd ledare i världen inom produktion av alkaliska galvaniska engångskällor. Företagets historia sträcker sig mer än 40 år tillbaka i tiden.

Själva företaget är beläget i USA. I Europa finns dess fabriker i Belgien. Enligt konsumenter både här och utomlands har Duracell-batterier en ledande position när det gäller popularitet, användningstid och pris-kvalitetsförhållande.

Duracells utseende på den ukrainska marknaden uppmärksammades av våra konsumenter.

Urladdningsströmtätheterna i litiumkällor är inte höga (jämfört med andra HITs), i storleksordningen 1 mA/cm2 (se sidan 14). Med en garanterad hållbarhet på 10 år och låg strömurladdning är det rationellt att använda Duracell litiumceller i högteknologiska system.

USA-patenterad EXRA-POWER-teknologi som använder titandioxid (TiO2) och andra tekniska funktioner bidrar till att öka kraften och effektiviteten hos Duracells kemiska mangan-zinkreaktorer.

Inuti stålkroppen av Duracell alkaliska celler finns en cylindrisk grafituppsamlare som håller en pastaliknande elektrolyt i kontakt med en nålkatod.

Elementens garanterade hållbarhetstid är 5 år, och samtidigt garanteras kapaciteten för elementet som anges på förpackningen vid slutet av hållbarheten.

Tekniska egenskaper för Duracell HIT ges i Tabell 1.8.

Batterier från Varta concern (Tyskland)

Vartakoncernen är en av världsledande inom produktion av HIT. Koncernens 25 fabriker finns i mer än 100 länder runt om i världen och producerar mer än 1 000 typer av batterier och ackumulatorer.

De huvudsakliga produktionsanläggningarna upptas av avdelningen för stationära industribatterier. Däremot produceras cirka 600 typer av voltaiska celler från klockbatterier till slutna batterier på koncernens fabriker av Instrument Batteries Department i USA, Italien, Japan, Tjeckien etc., med en garanti om konstant kvalitet oavsett geografiskt område. anläggningens läge. Fotokameran för den första människan som satte sin fot på månen drevs av Varta-batterier.

De är ganska välkända för våra konsumenter och efterfrågas stadigt.

Tekniska egenskaper hos HIT gäller Varta med indikation inhemska analoger ges i tabell 1.9.

KAPITEL 2. BATTERIER

Batterier är återanvändbara kemiska källor för elektrisk energi. De består av två elektroder (positiva och negativa), en elektrolyt och ett hus. Energiackumulering i batteriet sker under en kemisk reaktion av oxidation-reduktion av elektroderna. När batteriet är urladdat sker de omvända processerna. Batterispänning är potentialskillnaden mellan batteriets poler vid en fast belastning.

Bibliografi

1. Kaufman M., Sidman. A.G.
   En praktisk guide till kretsberäkningar inom elektronik. Katalog. I 2 band: Övers. från engelska/Ed. F.N. Pokrovsky. M.: Energoatomizdat, 1991. 368 sid.
2. Tereshchuk R.M. etc. Liten utrustning. Handbok för amatörradio. K.: Naukova Dumka, 1975. 557 sid.
3. Sena L.A. Enheter av fysiska storheter och deras dimensioner. Utbildnings- och referensmanual. 3:e uppl., reviderad. och ytterligare M.: Vetenskap. Ch. ed. fysik och matematik lit., 1988. 432 sid.
4. Deordiev S.S. Batterier och deras skötsel. K.: Teknik, 1985. 136 sid.
5. Elektrisk uppslagsbok. I 3 volymer T.2. Elektriska produkter och apparater/under allmänt. ed. professorer vid Moscow Power Engineering Institute (chefredaktör I.N. Orlov) och andra. 7:e uppl. 6 rev. och ytterligare M.: Energoatomizdat, 1986. 712 sid.
6. Digital och analog integrerade kretsar. Katalog. Ed. S.V. Yakubovsky. M.: Radio och kommunikation, 1990. 496 sid.
7. Semushkin S. Aktuella källor och deras tillämpning. "Radio", 1978. 2.3.
8. Veksler G.S. Beräkning av strömförsörjningsenheter. K.: Technika, 1978. 208 sid.
9. Lisovsky F.V., Kalugin I.K. Engelsk-rysk ordbok för radioelektronik. 2:a uppl., reviderad. och ytterligare OK. 63 000 villkor. M.: Rus. lang., 1987.
10. Bagotsky V.S., Skundin A.M. Kemiska strömkällor. M.: Energoizdat, 1981. 360 sid.
11. Crompton T. Primära strömkällor. M.: Mir, 1986. 326 sid.

Fortsätt läsa

Olika typer av galvaniska celler omvandlar sin kemiska energi till elektrisk ström. De fick sitt namn för att hedra den italienska vetenskapsmannen Galvani, som genomförde de första sådana experimenten och forskningen. Elektricitet alstras genom den kemiska reaktionen av två metaller (vanligen zink och koppar) i en elektrolyt.

Funktionsprincip

Forskare placerade en koppar- och zinkplatta i behållare med syra. De var förbundna med en ledare, gasbubblor bildades på den första och den andra började lösas upp. Detta bevisade att elektrisk ström flyter genom ledaren. Efter Galvani tog Volt upp experiment. Han skapade ett cylindriskt element, liknande en vertikal kolumn. Den bestod av zink-, koppar- och tygringar, förimpregnerade med syra. Det första elementet hade en höjd av 50 cm, och spänningen som genererades av det kändes av en person.

Funktionsprincipen är att två typer av metall i ett elektrolytiskt medium interagerar, vilket resulterar i att ström börjar flyta genom den externa kretsen. Moderna galvaniska celler och batterier kallas batterier. Deras spänning beror på vilken metall som används. Anordningen placeras i en cylinder gjord av mjuk plåt. Elektroderna är maskor med oxidativ och reduktionsförstoftning.

Omvandling av kemisk energi till elektricitet eliminerar möjligheten att återställa batteriernas egenskaper. När allt kommer omkring, när elementet fungerar, förbrukas reagenser, vilket gör att strömmen minskar. Reduktionsmedlet är vanligtvis det negativa blyet från litium eller zink. Under drift förlorar den elektroner. Den positiva delen är gjord av metallsalter eller magnesiumoxid, den utför arbetet med ett oxidationsmedel.

Under normala förhållanden tillåter inte elektrolyten ström att passera, den sönderdelas till joner endast när kretsen är sluten. Det är detta som gör att konduktivitet uppstår. En sur lösning, natrium- eller kaliumsalter används som elektrolyt.

Variationer av element

Batterier används för att driva enheter, enheter, utrustning och leksaker. Enligt schemat är alla galvaniska element uppdelade i flera typer:

• salin;
• alkalisk;
• litium

De mest populära är saltbatterier gjorda av zink och mangan. Elementet kombinerar tillförlitlighet, kvalitet och rimligt pris. Men på senare tid har tillverkarna minskat eller helt stoppat sin produktion, eftersom kraven på dem från företag som tillverkar hushållsapparater gradvis ökar. De viktigaste fördelarna med galvaniska batterier av denna typ:

• universella parametrar som tillåter användning på olika områden;
• enkel drift;
• låg kostnad;
• enkla förhållanden produktion;
• tillgängliga och billiga råvaror.

Bland nackdelarna är en kort livslängd (högst två år), en minskning av egenskaper på grund av låga temperaturer, en minskning av kapaciteten med ökande ström och en minskning av spänningen under drift. När saltbatterier laddas ur kan de läcka eftersom elektrodens positiva volym trycker ut elektrolyten. Konduktiviteten ökas av grafit och kimrök, den aktiva blandningen består av mangandioxid. Livslängden beror direkt på volymen av elektrolyt.

Under förra seklet dök de första alkaliska elementen upp. Oxidationsmedlets roll i dem spelas av mangan, och reduktionsmedlet är zinkpulver. Batterikroppen är sammanfogad för att förhindra korrosion. Men användningen av kvicksilver förbjöds, så de belades med blandningar av zinkpulver och rostinhibitorer.

Den aktiva substansen i enheten i en galvanisk cell är dessa är zink, indium, bly och aluminium. Den aktiva massan inkluderar sot, mangan och grafit. Elektrolyten är gjord av kalium och natrium. Torrt puder förbättrar batteriets prestanda avsevärt. Med samma dimensioner som salttyper har alkaliska en större kapacitet. De fortsätter att fungera bra även i hård frost.

Litiumceller används för att driva modern teknik. De tillverkas i form av batterier och ackumulatorer olika storlekar. De förra innehåller en fast elektrolyt, medan andra enheter innehåller en flytande elektrolyt. Det här alternativet är lämpligt för enheter som kräver stabil spänning och genomsnittliga nuvarande avgifter. Litiumbatterier kan laddas flera gånger, batterier används endast en gång, de öppnas inte.

Tillämpningsområde

Det finns ett antal krav för produktion av galvaniska celler. Batterihöljet måste vara pålitligt och förseglat. Elektrolyten får inte läcka ut och främmande ämnen får inte komma in i enheten. I vissa fall, när vätska läcker ut, kommer den att fatta eld. En skadad vara kan inte användas. Måtten på alla batterier är nästan lika, bara storlekarna på batterierna skiljer sig åt. Elementen kan ha olika former: cylindriska, prismatiska eller skiva.

Alla typer av enheter har gemensamma fördelar: de är kompakta och lätta i vikt, anpassade till olika driftstemperaturområden, har stor kapacitet och fungerar stabilt under olika förhållanden. Det finns också några nackdelar, men de hänför sig till vissa typer av element. Salta håller inte länge, litium sådana är utformade på ett sådant sätt att de kan antändas om de trycks ner.

Användningsområdena för batterier är många:

• digital teknologi;
• Leksaker för barn;
• medicinska apparater;
• försvars- och flygindustrin;
• rymdproduktion.

Galvaniska celler är lätta att använda och prisvärda. Men vissa typer måste hanteras försiktigt och inte användas om de är skadade. Innan du köper batterier bör du noggrant studera instruktionerna för enheten som de kommer att driva.

Lågeffektkällor för elektrisk energi

Galvaniska celler och batterier används för att driva bärbar el- och radioutrustning.

Galvaniska celler- det här är källor för enstaka åtgärder, batterier- återanvändbara källor.

Det enklaste galvaniska elementet

Det enklaste elementet kan tillverkas av två remsor: koppar och zink, nedsänkt i vatten lätt surgjort med svavelsyra. Om zinken är tillräckligt ren för att vara fri från lokala reaktioner sker ingen märkbar förändring förrän koppar och zink är sammankopplade med tråd.

Remsorna har dock olika potentialer i förhållande till varandra, och när de är sammankopplade med en tråd kommer en att dyka upp i den. När denna åtgärd fortskrider kommer zinkremsan gradvis att lösas upp och gasbubblor kommer att bildas nära kopparelektroden och samlas på dess yta. Denna gas är väte, bildad av elektrolyten. Elektrisk ström flyter från kopparremsan genom tråden till zinkremsan och från den genom elektrolyten tillbaka till kopparn.

Gradvis ersätts elektrolytens svavelsyra med zinksulfat, bildat från den lösta delen av zinkelektroden. På grund av detta reduceras elementets spänning. Ett ännu större spänningsfall orsakas dock av bildandet av gasbubblor på kopparn. Båda dessa åtgärder producerar "polarisering". Sådana element har nästan ingen praktisk betydelse.

Viktiga parametrar för galvaniska celler

Storleken på spänningen som tillhandahålls av galvaniska celler beror endast på deras typ och design, det vill säga på elektrodernas material och elektrolytens kemiska sammansättning, men beror inte på elementens form och storlek.

Mängden ström som en galvanisk cell kan producera begränsas av dess inre motstånd.

En mycket viktig egenskap hos en galvanisk cell är. Med elektrisk kapacitet avses den mängd elektricitet som en galvanisk eller battericell kan leverera under hela sin drifttid, dvs innan den slutliga urladdningen inträffar.

Kapaciteten som ges av elementet bestäms genom att multiplicera urladdningsströmmen, uttryckt i ampere, med tiden i timmar under vilken elementet urladdades fram till början av full urladdning. Därför uttrycks elektrisk kapacitet alltid i amperetimmar (A x h).

Baserat på elementets kapacitet kan du också i förväg bestämma hur många timmar det kommer att fungera innan det är helt urladdat. För att göra detta måste du dela kapaciteten med urladdningsströmmen som är tillåten för detta element.

Den elektriska kapacitansen är dock inte ett strikt konstant värde. Det varierar inom ganska vida gränser beroende på elementets driftsförhållanden (läge) och den slutliga urladdningsspänningen.

Om elementet urladdas med maximal ström och utan avbrott, kommer det att avge betydligt mindre kapacitet. Tvärtom, när samma element urladdas med en lägre ström och med täta och relativt långa avbrott, kommer elementet att ge upp sin fulla kapacitet.

När det gäller effekten av den slutliga urladdningsspänningen på elementets kapacitans, måste man komma ihåg att under urladdningen av en galvanisk cell förblir dess driftsspänning inte på samma nivå, utan minskar gradvis.

Vanliga typer av galvaniska celler

De vanligaste galvaniska cellerna är mangan-zink, mangan-luft, zink-luft och kvicksilver-zink system med salt och alkaliska elektrolyter. Torra mangan-zinkceller med en saltelektrolyt har en startspänning på 1,4 till 1,55 V, drifttid vid omgivningstemperaturer från -20 till -60 o C från 7 timmar till 340 timmar.

Torra mangan-zink- och zink-luftceller med en alkalisk elektrolyt har en spänning från 0,75 till 0,9 V och en drifttid från 6 timmar till 45 timmar.

Torra kvicksilver-zinkceller har en initial spänning på 1,22 till 1,25 V och en drifttid på 24 timmar till 55 timmar.

Största garantiperiod torra kvicksilver-zinkelement har en lagringstid på upp till 30 månader.

Dessa är sekundära galvaniska celler.Till skillnad från galvaniska celler sker inga kemiska processer i batteriet direkt efter montering.

Så att kemiska reaktioner i samband med rörelse börjar i batteriet elektriska laddningar, måste du ändra den kemiska sammansättningen av dess elektroder (och delvis elektrolyten) i enlighet med detta. Denna förändring i elektrodernas kemiska sammansättning sker under inverkan av elektrisk ström som passerar genom batteriet.

Därför, för att batteriet ska producera elektrisk ström, måste det först "laddas" med en konstant elchock från någon extern strömkälla.

Batterier skiljer sig också positivt från konventionella galvaniska celler genom att de efter urladdning kan laddas igen. Med god omsorg och under normala driftsförhållanden tål batterier upp till flera tusen laddningar och urladdningar.
Batterienhet

För närvarande används bly- och kadmium-nickel-batterier oftast i praktiken. För den förra är elektrolyten en lösning av svavelsyra och för den senare en lösning av alkalier i vatten. Blybatterier kallas även syrabatterier, och nickel-kadmiumbatterier kallas alkaliska batterier.

Principen för drift av batterier är baserad på polarisering av elektroder. Det enklaste syrabatteriet är utformat enligt följande: dessa är två blyplattor doppad i en elektrolyt. Som ett resultat av den kemiska substitutionsreaktionen täcks plattorna med en lätt beläggning av blysulfat PbSO4, enligt formeln Pb + H 2 SO 4 = PbSO 4 + H 2.

Syrabatterienhet

Detta tillstånd hos plattorna motsvarar ett urladdat batteri. Om batteriet nu är påslaget för en laddning, det vill säga anslutet till en likströmsgenerator, kommer polariseringen av plattorna att börja i den på grund av elektrolys. Som ett resultat av laddning av batteriet är dess plattor polariserade, det vill säga de ändrar substansen på sin yta, och från homogena (PbSO 4) förvandlas till olika (Pb och Pb O 2).

Batteriet blir en strömkälla och dess positiva elektrod är en platta belagd med blydioxid, och den negativa elektroden är en ren blyplatta.

Mot slutet av laddningen ökar elektrolytkoncentrationen på grund av uppkomsten av ytterligare svavelsyramolekyler i den.

Detta är en av egenskaperna hos ett blybatteri: dess elektrolyt förblir inte neutral och deltar själv i kemiska reaktioner under batteridrift.

Mot slutet av urladdningen täcks båda batteriplattorna igen med blysulfat, vilket resulterar i att batteriet slutar att vara en strömkälla. Batteriet förs aldrig till detta tillstånd. På grund av bildandet av blysulfat på plattorna minskar elektrolytkoncentrationen i slutet av urladdningen. Om du laddar batteriet kan du återigen orsaka polarisering för att ladda ur det igen osv.

Hur man laddar batteriet

Det finns flera sätt att ladda batterier. Det enklaste är normal batteriladdning, som sker enligt följande. Initialt, under 5 - 6 timmar, utförs laddningen med dubbel normal ström tills spänningen på varje batteribank når 2,4 V.

Normal laddningsström bestäms av formeln I laddning = Q/16

Där Q - nominell batterikapacitet, Ah.

Efter detta reduceras laddningsströmmen till ett normalt värde och laddningen fortsätter i 15 - 18 timmar, tills tecken på att laddningen är slut.

Moderna batterier

Kadmium-nickel, eller alkaliska batterier, dök upp mycket senare än blybatterier och är i jämförelse med dem mer avancerade kemiska strömkällor. Den största fördelen med alkaliska batterier jämfört med blybatterier är den kemiska neutraliteten hos deras elektrolyt med avseende på plattornas aktiva massor. På grund av detta är självurladdningen av alkaliska batterier mycket mindre än för blybatterier. Funktionsprincipen för alkaliska batterier är också baserad på polariseringen av elektroderna under elektrolys.

För att driva radioutrustning tillverkas förseglade kadmium-nickel-batterier, som är i drift vid temperaturer från -30 till +50 o C och klarar 400 - 600 laddnings-urladdningscykler. Dessa batterier är gjorda i form av kompakta parallellepipeder och skivor med en massa på flera gram till kilogram.

De producerar nickel-vätebatterier för strömförsörjning till autonoma anläggningar. Den specifika energin för ett nickel-vätebatteri är 50 - 60 Wh kg -1.