Гальванічні елементи. Види та пристрій. Робота та особливості. Гальванічні елементи та акумулятори - пристрій, принцип роботи, види

Передумови появи гальванічних елементів. Трохи історії. У 1786 році італійський професор медицини, фізіолог Луїджі Алоїзіо Гальвані виявив цікаве явище: м'язи задніх лапок свіжого прихованого трупика жаби, підвішеного на мідних гачках, скорочувалися, коли вчений торкався до них сталевим скальпелем. Гальвані відразу зробив висновок, що це прояв «тварини електрики».

Після смерті Гальвані, його сучасник Алессандро Вольта, будучи хіміком і фізиком, опише та публічно продемонструє реальніший механізм виникнення електричного струму при контакті різних металів.

Вольта, після серії експериментів, прийде до однозначного висновку про те, що струм з'являється в ланцюзі через наявність у ньому двох провідників з різних металів, поміщених у рідину, і це зовсім не «тварина електрика», як думав Гальвані. Посмикування лапок жаби було наслідком дії струму, що виникає при контакті різних металів (мідні гачки та сталевий скальпель).

Вольта покаже ті ж явища, які демонстрував Гальвані на мертвій жабі, але на абсолютно неживому саморобному електрометрі, і дасть у 1800 році точне пояснення виникнення струму: «провідник другого класу (рідкий) знаходиться в середині і стикається з двома провідниками першого класу з двох різних металів ... Внаслідок цього виникає електричний струм того чи іншого напряму».

В одному з перших експериментів Вольта опустив у банку з кислотою дві пластинки — цинкову та мідну — і поєднав їх дротом. Після цього цинкова пластина почала розчинятися, а на мідній стали виділятися бульбашки газу. Вольта припустив і довів, що дротом протікає електричний струм.

Так було винайдено «елемент Вольта» — перший гальванічний елемент. Для зручності Вольта надав йому форму вертикального циліндра (стовпа), що складається із з'єднаних між собою кілець цинку, міді та сукна, просочених кислотою. Вольтов стовп заввишки півметра створював напругу, чутливу для людини.

Оскільки початок дослідженням поклав Луїджі Гальвані, то назва зберегла пам'ять про нього в своїй назві.

Гальванічний елемент- це хімічне джерело електричного струму, заснований на взаємодії двох металів та/або їх оксидів в електроліті, що призводить до виникнення в замкнутому ланцюзі електричного струму. Таким чином, у гальванічних елементах хімічна енергія перетворюється на електричну.

Гальванічні елементи сьогодні

Гальванічні елементи сьогодні називають батарейками. Широко поширені три типи батарейок: сольові (сухі), лужні (їх називають ще алкаліновими, «alkaline» у перекладі з англійської – «лужної») та літієві. Принцип їхньої роботи — той самий, описаний Вольта в 1800 року: два металу , й у зовнішньої замкнутої ланцюга виникає електричний струм.

Напруга батарейки залежить як від металів, що використовуються, так і від кількості елементів в «батарейці». Батарейки, на відміну акумуляторів, не здатні до відновлення своїх властивостей, оскільки в них відбувається пряме перетворення енергії хімічної, тобто енергії складових батарейку реагентів (відновника і окислювача), в енергію електричну.

Реагенти, що входять в батарейку, в процесі її роботи витрачаються, струм при цьому поступово зменшується, тому дія джерела закінчується після того, як реагенти прореагують повністю.

Лужні та сольові елементи (батарейки) широко застосовуються для харчування різноманітних електронних пристроїв, радіоапаратури, іграшок, а літієві найчастіше можна зустріти в портативних медичних приладах типу глюкометрів або в цифровій техніці на кшталт фотоапаратів.

Марганцево-цинкові елементи, які називають сольовими батарейками, - це «сухі» гальванічні елементи, всередині яких немає рідкого розчину електроліту.

Цинковий електрод (+) - це катод у формі склянки, а анодом служить порошкоподібна суміш із діоксиду марганцю з графітом. Струм тече через графітовий стрижень. Як електроліт використовується паста з розчину хлориду амонію з додаванням крохмалю або борошна для загущення, щоб нічого не текло.

Зазвичай виробники батарей не вказують точний склад сольових елементів, проте сольові батарейки є найдешевшими, їх зазвичай використовують у тих пристроях, де енергоспоживання вкрай низько: у годинах, у пультах дистанційного керування, в електронних термометрах тощо.

Поняття "номінальна ємність" рідко використовується для властивості марганцево-цинкових батарейок, тому що їх ємність сильно залежить від режимів та умов експлуатації. Основними недоліками цих елементів є значна швидкість зниження напруги на всьому протязі розряду і значне зменшення ємності, що віддається, при збільшенні струму розряду. Кінцеву розрядну напругу встановлюють залежно від навантаження в інтервалі 0,7-1,0 Ст.

Важлива як величина струму розряду, а й тимчасової графік навантаження. При переривчастому розряді великими та середніми струмами працездатність батарей помітно збільшується в порівнянні з безперервним режимом роботи. Однак при малих розрядних струмах та багатомісячних перервах у роботі ємність їх може знижуватися внаслідок саморозряду.

Вище на графіку зображені розрядні криві для середньої сольової батарейки за 4, 10, 20 та 40 годин для порівняння з лужною, про яку мова підедалі.

Лужний елемент живлення — марганцево-цинковий гальванічний елемент живлення, в якому як катод використовується діоксид марганцю, анод — порошкоподібний цинк, а як електроліт — розчин лугу, зазвичай у вигляді пасти гідроксиду калію.

Ці батареї мають цілу низку переваг (зокрема, істотно більшої ємністю, найкращою роботоюпри низьких температурах і великих струмах навантаження).

Лужні батареї, в порівнянні з сольовими, можуть забезпечувати більший струм протягом тривалого часу. Більший струм стає можливим, оскільки цинк тут використовується не у вигляді склянки, а у вигляді порошку, що має більшу площу зіткнення з електролітом. Як електроліт застосовується гідрооксид калію у вигляді пасти.

Саме завдяки здатності даного виду гальванічних елементів протягом тривалого часу віддавати значний струм (до 1 A), лужні батареї найпоширеніші в даний час.

В електричних іграшках, портативної медичної техніки, в електронних приладах, у фотоапаратах - всюди застосовуються лужні батарейки. Вони служать в 1,5 рази довше за сольові, якщо розряд йде малим струмом. На графіці зображені розрядні криві при різних струмах для порівняння з сольовою батареєю (графік був наведений вище) за 4, 10, 20 та 40 годин.

Літієві батареї

Ще одним досить поширеним видом гальванічних елементів є літієві батарейки - одиночні гальванічні елементи, що не перезаряджаються, в яких як анод використовується літій або його з'єднання. Завдяки використанню лужного металу вони мають високу різницю потенціалів.

Катод і електроліт літієвого елемента можуть бути різними, тому термін «літієвий елемент» поєднує групу елементів з однаковим матеріалом анода. Як катод можуть використовуватися наприклад: діоксид марганцю, монофторид вуглецю, пірит, тіонілхлорид та ін.

Літієві батареї відрізняються від інших елементів живлення високою тривалістю роботи та високою вартістю. Залежно від вибраного типорозміру і хімічних матеріалів, що використовуються, літієвий елемент живлення може виробляти напругу від 1,5 В (сумісний з лужними батареями) до 3,7 В.

Ці елементи живлення мають найвищу ємність на одиницю маси і тривалий час зберігання. Літієві елементи широко застосовуються в сучасній портативної електронної техніки: материнських платахкомп'ютерів, для живлення портативних медичних приладів, наручного годинника, калькуляторів, у фототехніці і т.д.

На графіці вище наведено розрядні криві для двох літієвих батарейок від двох популярних виробників. Початковий струм становив 120 мА (на резистор близько 24 Ома).

м. Кизил, ТДУ

РЕФЕРАТ

Тема:"Гальванічні елементи. Акумулятори."

Склала: Спірідонова В.А.

І курс, ІV гр., ФМФ

Перевірила: Кендіван О.Д.

2001 р.

I. Вступ

ІІ. Гальванічні джерела струму

1. Типи гальванічних елементів

ІІІ. Акумулятори

1. Кислотні

2. Лужні

3. Герметичні нікель-кадмієві

4. Герметичні

5. Акумулятори технології "DRYFIT"

ВСТУП

Хімічні джерела струму (ХІТ) протягом багатьох років

міцно увійшли до нашого життя. У побуті споживач рідко звертає

увагу на відмінності ХІТ, що використовуються. Для нього це батарейки та

акумулятори. Зазвичай вони використовуються в таких пристроях, як

кишенькові ліхтарі, іграшки, радіо або автомобілі.

У тому випадку, коли споживана потужність щодо

велика (10Ач), використовуються акумулятори, в основному кислотні,

а також нікель-залізні та нікель-кадмієві. Вони застосовуються в

портативних ЕОМ (Laptop, Notebook, Palmtop), засобах, що носяться

зв'язку, аварійному освітленні та ін.

В останні роки такі акумулятори широко застосовуються в

резервних джерелах живлення ЕОМ та електромеханічних

системах, що накопичують енергію для можливих пікових навантажень

та аварійного живлення електроенергією життєво важливих систем

ГАЛЬВАНІЧНІ ДЖЕРЕЛА СТРУМУ

Гальванічні джерела струму одноразової дії

є уніфікованим контейнером, в якому

знаходяться електроліт, що абсорбується активним матеріалом

сепаратора і електроди (анод і катод), тому вони називаються

сухі елементи. Цей термін використовується стосовно

всім елементам, які містять рідкого електроліту. До звичайних

сухим елементам відносяться вуглецеві-цинкові елементи.

Сухі елементи застосовуються при малих струмах і переривчастих

режими роботи. Тому такі елементи широко використовуються в

телефонних апаратах, іграшках, системах сигналізації та ін.

Дія будь-якого гальванічного елемента заснована на перебігу в ньому окисно-відновної реакції. У найпростішому випадку гальванічний елемент складається з двох пластин або стрижнів, виготовлених із різних металів та занурених у розчин електроліту. Така система уможливлює просторовий поділ окисно-відновної реакції: окислення протікає на одному металі, а відновлення - на іншому. Таким чином, електрони передаються від відновника до окислювача зовнішнього ланцюга.

Розглянемо як приклад мідно-цинковий гальванічний елемент, що працює за рахунок енергії наведеної вище реакції між цинком та сульфатом міді. Цей елемент (елемент Якобі-Даніеля) складається з мідної пластини, зануреної в розчин міді сульфату (мідний електрод), і цинкової пластини, зануреної в розчин сульфату цинку (цинковий електрод). Обидва розчини стикаються один з одним, але для запобігання змішування вони розділені перегородкою, виготовленою з пористого матеріалу.

Працюючи елемента, тобто. при замкнутому ланцюгу, цинк окислюється: на поверхні його дотику з розчином атоми цинку перетворюються на іони і, гідратуючись, переходять у розчин. Електрони, що вивільняються при цьому, рухаються по зовнішньому ланцюгу до мідного електрода. Вся сукупність цих процесів схематично зображується рівнянням напівреакції або електрохімічним рівнянням:

На мідному електроді відбувається відновлення іонів міді. Електрони, що приходять сюди від цинкового електрода, з'єднуються з гідравлічними іонами міді, що виходять з розчину; утворюються атоми міді, що виділяються у вигляді металу. Відповідне електрохімічне рівняння має вигляд:

Сумарне рівняння реакції, що протікає в елементі, вийде при додаванні рівнянь обох напівреакцій. Таким чином, при роботі гальванічного елемента, електрони від відновника переходять до окислювача зовнішнього ланцюга, на електродах йдуть електрохімічні процеси, в розчині спостерігається спрямований рух іонів.

Електрод, у якому протікає окислення, називається анодом(цинк). Електрод, на якому відбувається відновлення, називається катодом (мідь).

У принципі електричну енергію може дати будь-яка окислювально-відновна реакція. Однак, кількість реакцій,

практично використовуються у хімічних джерелах електричної енергії, невелико. Це з тим, що ні всяка окислювально-відновна реакція дозволяє створити гальванічний елемент, що має технічно цінними властивостями. Крім того, багато окислювально-відновних реакцій потребують витрати дорогих речовин.

На відміну від мідно-цинкового елемента, у всіх сучасних гальванічних елементах та акумуляторах використовують не два, а один електроліт; такі джерела струму значно зручніше в експлуатації.

ТИПИ ГАЛЬВАНІЧНИХ ЕЛЕМЕНТІВ

Вугільно-цинкові елементи

Вугільно-цинкові елементи (марганець-цинкові) є

найпоширенішими сухими елементами. У вугільно-цинкових

елементах використовується пасивний (вугільний) колектор струму в

контакті з анодом з двоокису марганцю (MnO2), електроліт з

хлориду амонію та катодом з цинку. Електроліт знаходиться в

пастоподібному стані або просочує пористу діафрагму.

Такий електроліт мало рухливий і не розтікається, тому

елементи називаються сухими.

Вугільно-цинкові елементи "відновлюються" протягом

перерви у роботі. Це явище зумовлене поступовим

вирівнюванням локальних неоднорідностей у композиції

електроліту, що виникають у процесі розряду. В результаті

періодичного "відпочинку" термін служби елемента продовжується.

Перевагою вугільно-цинкових елементів є їх

щодо низька вартість. До суттєвих недоліків

слід віднести значне зниження напруги при розряді,

невисоку питому потужність (5...10 Вт/кг) та малий термін

зберігання.

Низькі температури знижують ефективність використання

гальванічних елементів, а внутрішній розігрів батареї його

підвищує. Підвищення температури викликає хімічну корозію цинкового електрода водою, що міститься в електроліті, і висихання електроліту. Ці фактори вдається декількома компенсувати витримкою батареї при підвищеній температурі і введенням всередину елемента, через пророблений отвір, сольового розчину.

Лужні елементи

Як і вугільно-цинкових, у лужних елементах використовується анод з MnO2 та цинковий катод з розділеним електролітом.

Відмінність лужних елементів від вугільно-цинкових полягає

у застосуванні лужного електроліту, внаслідок чого

газовиділення при розряді фактично відсутнє, і їх можна

виконувати герметичними, що дуже важливо для цілого ряду їх

застосувань.

Ртутні елементи

Ртутні елементи дуже нагадують лужні елементи. У них

використовується оксид ртуті (HgO). Катод складається із суміші порошку

цинку та ртуті. Анод та катод розділені сепаратором та діафрагмою,

просоченого 40% розчином лугу.

Так як ртуть дефіцитна і токсична, ртутні елементи не

слід викидати після їх повного використання. Вони повинні

надходити на вторинну переробку.

Срібні елементи

Вони мають "срібні" катоди з Ag2O та AgO.

Літієві елементи

У них застосовуються літієві аноди, органічний електроліт.

та катоди з різних матеріалів. Вони мають дуже великі

термінами зберігання, високими щільностями енергії та працездатними

у широкому інтервалі температур, оскільки не містять води.

Оскільки літій має найвищий негативний потенціал

по відношенню до всіх металів, літієві елементи

характеризуються найбільшою номінальною напругою при

мінімальних габаритах.

Іонна провідність забезпечується введенням у

розчинники солей, що мають аніони великих розмірів.

До недоліків літієвих елементів слід віднести їх

відносно високу вартість, обумовлену високою ціною

літію, особливими вимогами до їх виробництва (необхідність

інертної атмосфери, очищення неводних розчинників). Слід

також враховувати, що деякі літієві елементи при їх

розтину вибухонебезпечні.

Літійові елементи широко застосовуються в резервних джерелах живлення схем пам'яті, вимірювальних приладах та інших високотехнологічних системах.

АКУМУЛЯТОРИ

Акумулятори є хімічними джерелами

електричної енергії багаторазової дії. Вони складаються з

двох електродів (позитивного та негативного), електроліту

та корпуси. Накопичення енергії в акумуляторі відбувається при

перебігу хімічної реакції окиснення-відновлення

електродів. При розряді акумулятора відбуваються зворотні

процеси. Напруга акумулятора - це різниця потенціалів

між полюсами акумулятора при фіксованому навантаженні.

Для отримання досить великих значень напруги або

заряду окремі акумулятори з'єднуються між собою

послідовно або паралельно батареї. Існує ряд

загальноприйнятих напруг для акумуляторних батарей: 2; 4; 6;

Обмежимося розглядом наступних акумуляторів:

кислотних акумуляторів, виконаних за традиційною

технології;

стаціонарних свинцевих та приводних (автомобільних та

тракторних);

герметичних акумуляторів, що не обслуговуються, герметичних

нікель-кадмієвих та кислотних "dryfit" А400 та А500 (залізоподібний)

електроліт).

КИСЛОТНІ АКУМУЛЯТОРИ

Як приклад розглянемо готовий до вживання свинцевий акумулятор. Він складається з гратчастих свинцевих пластин, одні з яких заповнені діоксидом свинцю, інші - металевим губчастим свинцем. Пластини занурені в 35-40% розчин H2SO4; при цій концентрації питома електропровідність розчину сірчаної кислоти максимальна.

Під час роботи акумулятора - за його розряді - у ньому протікає окислювально-відновна реакція, під час якої металевий свинець окислюється:

Pb + SO4 = PbSO4 + 2e-

А діоксид свинцю відновлюється:

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

Електрони, що віддаються атомами металевого свинцю при окисленні, приймаються атомами свинцю PbO2 при відновленні; електрони передаються від одного електрода до іншого зовнішнього ланцюга.

Таким чином, металевий свинець служить у свинцевому акумуляторі анодом і заряджений негативно, а PbO2 служить катодом і заряджений позитивно.

У внутрішньому ланцюзі (в розчині H2SO4) при роботі акумулятора відбувається перенесення іонів. Іони SO42-рухаються до анода, а іони H+ - до катода. Напрямок цього руху обумовлено електричним полем, що виникає в результаті протікання електродних процесів: у анода витрачаються аніони, а у катода - катіони. У результаті розчин залишається електронейтральним.

Якщо скласти рівняння, що відповідають окисленню свинцю та відновленню PbO2, то вийде сумарне рівняння реакції,

що протікає в свинцевому акумуляторі під час його роботи (розряді):

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

Е.Д.С. зарядженого свинцевого акумулятора дорівнює приблизно 2В. У міру розряду акумулятора матеріали його катода (PbO2) та анода (Pb) витрачаються. Витрачається і сірчана кислота. При цьому напруга на затискачі акумулятора падає. Коли вона стає меншою, ніж допускається умовами експлуатації, акумулятор знову заряджають.

Для заряджання (або заряду) акумулятор підключають до зовнішньому джерелуструму (плюсом до плюсу та мінусом до мінуса). При цьому струм протікає через акумулятор у напрямку, зворотному до того, в якому він проходив при розряді акумулятора. Внаслідок цього електрохімічні процеси на електродах "звертаються". На свинцевому електроді тепер відбувається процес відновлення

PbSO4 + 2e- = Pb + SO4

тобто. етод електрод стає катодом. На електроді з PbO2 йде процес окиснення

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

отже, цей електрод є тепер анодом. Іони у розчині рухаються у напрямах, зворотних тим, у яких переміщалися під час роботи акумулятора.

Складаючи два останні рівняння, отримаємо рівняння реакції, що протікає під час заряджання акумулятора:

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

Неважко помітити, що цей процес протилежний тому, що протікає під час роботи акумулятора: при зарядці акумулятора у ньому знову виходять речовини, необхідні його роботи.

Свинцеві акумулятори зазвичай з'єднують у батарею, яку

поміщають в моноблок з ебоніту, термопласту, поліпропілену,

полістиролу, поліетилену, асфальтопекової композиції, кераміки

або скла.

Однією з найважливіших характеристик акумулятора є

термін служби або ресурс-напрацювання (кількість циклів). Погіршення

параметрів акумулятора та вихід з ладу обумовлені в першу

черга корозією решітки та зповзанням активної маси

позитивний електрод. Термін служби акумулятора визначається

в першу чергу типом позитивних пластин та умовами

експлуатації.

Вдосконалення свинцевих акумуляторів йде шляхом

пошук нових сплавів для решіток (наприклад свинцево-кальцієвих), полегшених і міцних матеріалів корпусів

(наприклад, на основі сополімеру пропілену та етилену), поліпшення

якості сепараторів

ЛУЖНІ АКУМУЛЯТОРИ

Срібно-цинкові.

Мають хороші електричні характеристики, мають малу масу і об'єм. Вони електродами служать оксиди срібла Ag2O, AgO (катод) і губчастий цинк (анод); електроліт служить розчин KOH.

При роботі акумулятора цинк окислюється, перетворюючись на ZnO та Zn(OH)2, а оксид срібла відновлюється до металу. Сумарну реакцію, що протікає при розряді акумулятора, можна приблизно виразити рівнянням:

AgO + Zn = Ag + ZnO

Е.Д.С. зарядженого срібно-цинкового акумулятора приблизно дорівнює 1,85 В. При зниженні напруги до 1,25 В акумулятор заряджають. У цьому процеси на електродах "звертаються": цинк відновлюється, срібло окислюється - знову виходять речовини, необхідних роботи акумулятора.

Кадмієво-нікелеві та залізно-нікелеві.

КН і ЖН дуже подібні між собою. Основна їхня відмінність полягає в матеріалі пластин негативного електрода; в акумуляторах КН вони кадмієві, а акумуляторах ЖН - залізні. Найбільш широке застосування мають акумулятор КН.

Лужні акумулятори переважно випускаються з ламельними електродами. Вони активні маси укладено в ламелі - плоскі коробочки з отворами. Активна маса позитивних пластин зарядженого акумулятора переважно складається з гідротованого оксиду нікелю (Ш) Ni2O3 x H2O або NiOOH. Крім того, в ній міститься графіт, що додається збільшення електропровідності. Активна маса негативних пластин акумуляторів КН складається з суміші кадмію губчастого з порошком заліза, а акумуляторів ЖН - з порошку відновленого заліза. Електроліт служить розчин гідроксиду калію, що містить невелику кількість LiOH.

Розглянемо процеси, які відбуваються під час роботи акумулятора КН. При розряді акумулятора окислюється кадмій.

Cd + 2OH- = Cd(ОН)2 + 2е-

А NiOOH відновлюється:

2NiOOH + 2H2O + 2e- = 2Ni(ОН)2 + 2ОН-

По зовнішньому ланцюзі у своїй відбувається перенесення електронів від кадмієвого електрода до нікелевому. Кадмієвий електрод служить анодом і заряджений негативно, а нікелевий - катодом і позитивно заряджений.

Сумарну реакцію, що протікає в акумуляторі КН при його роботі, можна виразити рівнянням, яке вийде при додаванні двох останніх електрохімічних рівнянь:

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

Е.Д.С. зарядженого кадмієво-нікелевого акумулятора дорівнює приблизно 1,4 В. У міру роботи (розряду) акумулятора напруга на його затискачах падає. Коли воно стає нижчим за 1В, акумулятор заряджають.

При зарядці акумулятора електрохімічні процеси з його електродах "звертаються". На кадмієвому електроді відбувається відновлення металу

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

На нікелевому - окиснення гідроксиду нікелю (П):

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

Сумарна реакція при зарядці зворотна реакції, що протікає при розряді:

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

ГЕРМЕТИЧНІ НІКЕЛЬ-КАДМІЄВІ АКУМУЛЯТОРИ

Особливу групу нікель-кадмієвих акумуляторів становлять герметичні акумулятори. Кисень, що виділяється в кінці заряду, окислює кадмій, тому тиск в акумуляторі не підвищується. Швидкість утворення кисню має бути невеликою, тому акумулятор заряджають відносно невеликим струмом.

Герметичні акумулятори поділяються на дискові,

циліндричні та прямокутні.

Герметичні прямокутні нікель-кадмієві акумулятори

виробляються з негативними неметалокерамічними електродами з оксиду кадмію або з металокерамічними кадмієвими електродами.

ГЕРМЕТИЧНІ АКУМУЛЯТОРИ

Широко поширені кислотні акумулятори,

виконані за класичною технологією, завдають багато клопоту

і надають шкідливий вплив на людей та апаратуру. Вони найбільш

дешеві, але вимагають додаткових витрат на їх обслуговування,

спеціальних приміщень та персонал.

АКУМУЛЯТОРИ ТЕХНОЛОГІЇ "DRYFIT"

Найбільш зручними та безпечними з кислотних акумуляторів

є абсолютно необслуговувані герметичні акумулятори

VRLA (Valve Regulated Lead Acid) вироблені за технологією

"dryfit". Електроліт у цих акумуляторах знаходиться у желеподібному стані. Це гарантує надійність акумуляторів та безпеку їх експлуатації.

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ:

1. Деордієв С.С.

Акумулятори та догляд за ними.

К.: Техніка, 1985. 136 с.

2. Електротехнічний довідник.

У 3-х т. т.2. Електротехнічні вироби та пристрої/під

заг. ред. професорів МЕІ (гл. ред. І. Н. Орлов) та ін. 7 видавництво. 6випр. та дод.

М.: Вища школа, 1986. 712 с.

3. Н.Л.Глінка.

Загальна хімія.

Видавництво „Хімія” 1977.

4. Багоцький В.С., Скундін А.М.

Хімічні джерела струму

М: Енерговидав, 1981. 360 с.

Текст наданий НДЦ «Наука та Техніка»
Права на електронну версію видання належать НІТ (www.n-t.org)

У книзі викладено відомості про конструкцію, принципи дії та характерні особливості хімічних джерел струму (батарейок та акумуляторів). Як самому вибрати необхідні батарейки та акумулятори, як правильно їх заряджати і відновлювати, ви дізнаєтеся з цієї книги.

• Анод – позитивний висновок батареї.
• Батарея – два або більше елементів, з'єднаних послідовно або (і) паралельно для забезпечення потрібної напругита струму.
• Внутрішнє опір - опір струму через елемент, виміряне в Омах. Іноді називається внутрішнім імпеданс.
• Вихід енергії - витрата ємності, помножена на середню напругу протягом часу розряду батарей, виражена у Ватт-годинах (Втч).
• Місткість – кількість електричної енергії, яку батарея виділяє за певних умов розряду, виражена в ампер-годинах (Ач) чи кулонах (1 Ач = 3600 Кл).
• Заряд - електрична енергія, що передається елементу, з метою перетворення в хімічну енергію, що запасається.
• Катод – негативний висновок батареї.
• Компенсаційний підзаряд - метод, при якому для приведення батареї в повністю заряджений стан та підтримки її у цьому стані використовується постійний струм.
• Напруга відсічення - мінімальна напруга, у якому батарея здатна віддавати корисну енергію за певних умов розряду.
• Напруга холостого ходу – напруга на зовнішніх затискачах батареї за відсутності відбору струму.
• Номінальна напруга – напруга на повністю зарядженій батареї при її розряді з дуже низькою швидкістю.
• Плаваючий заряд - метод підтримки батареї, що підзаряджається, в повністю зарядженому стані шляхом подачі обраної постійної напруги для компенсації в ній різних втрат.
• Щільність енергії - відношення енергії елемента до його маси чи об'єму, виражене у Ватт-годинах на одиницю маси чи об'єму.
• Поляризація - падіння напруги, викликане змінами хімічних композицій компонентів елементів (різниця між напругою холостого ходу та напругою у будь-який момент розряду).
• Розряд – споживання електричної енергії від елемента у зовнішній ланцюг. Глибокий розряд - це стан, у якому практично вся ємність елемента витрачена. Неглибокий розряд - це розряд, у якому витрачена мала частина повної ємності.
• Сепаратор – матеріал, що використовується для ізоляції електродів один від одного. Він іноді утримує електроліт у сухих елементах.
• Термін зберігання - період часу, протягом якого елемент, що зберігається за нормальних умов (20oC), зберігає 90% початкової ємності.
• Стабільність - однорідність напруги, при якому батарея віддає енергію протягом повного режиму розряду.
• Елемент - базова одиниця, здатна перетворювати хімічну енергію на електричну. Він складається з позитивного та негативного електродів, занурених у загальний електроліт.
• Електрод - провідний матеріал, здатний при реакції з електролітом виробляти носії струму.
• Електроліт – матеріал, що проводить носії заряду в елементі.
• Цикл - одна послідовність заряду та розряду елемента.

Англійські терміни

• A battery - батарея розжарювання
• acid storage battery - батарея кислотних (свинцевих) акумуляторів
• Air battery - повітряно-металевий елемент
• alkaline battery - (первинний) лужний елемент
• alkaline battery - лужний марганцево-цинковий елемент
• alkaline dry battery - сухий ртутно-цинковий елемент
• alkaline dry battery - сухий лужний елемент
• alkaline manganese battery - лужний марганцево-цинковий елемент
• alkaline storage battery - батарея лужних акумуляторів
• alkaline storage battery - лужний акумулятор
• anode battery - анодна батарея
• B battery - анодна батарея
• Bansen battery - (азотно-кислотно-цинковий) елемент Бунзена
• bag-type battery - стаканчиковий (первинний) елемент з лялечкою
• balancing battery - буферна батарея
• battery - батарея
• bias battery - елемент зміщення, елемент сіткової батареї
• biasing battery - батарея зміщення, сіткова батарея
• bichromate battery – (первинний) елемент з дихроматним розчином
• buffer battery - буферна батарея
• bypass battery - буферна батарея
• C battery - батарея усунення, сіткова батарея
• Clark battery - (ртутно-цинковий) елемент Кларка
• cadmium normal battery - (ртутно-кадмієвий) нормальний елемент Вестона
• cadmium-silver-oxide battery - оксидно-кадмієвий гальванічний елемент
• carbon battery - (первинний) елемент із вугільним електродом
• carbon-zinc battery - (сухий) елемент з цинковим анодом та вугільним катодом
• cell - елемент, комірка, гальванічний елемент (первинний елемент, акумулятор чи паливний елемент)
• chemical battery - батарея хімічних джерел струму
• chargeable battery - елемент, що перезаряджається
• cooper-zinc battery - мідно-цинковий елемент
• counter (electromotive) battery – протидіючий елемент
• Daniel battery - (мідно-цинковий) елемент Данієля
• decomposition battery - елемент із (побічною) реакцією електролітичного розкладання
• dichromate battery - (первинний) елемент з дихроматним розчином
• displacement battery - елемент із (побічною) реакцією електролітичного заміщення
• divalent silver oxide battery - елемент із оксидуванням срібла до двовалентного стану
• double-fluid battery - дворідинний елемент
• drum storage - батарея нікель-цинкових акумуляторів
• dry battery - сухий елемент
• dry battery - суха батарея
• dry-charged battery - батарея сухозаряджених акумуляторів
• dry-charged battery - сухозаряджений акумулятор
• Edison battery – нікель-залізний акумулятор
• electric battery - гальванічна батарея (батарея первинних елементів, акумуляторів чи паливних елементів)
• electric battery - гальванічний елемент (первинний елемент), акумулятор чи паливний елемент
• emergency batteries - батареї акумуляторів аварійного живлення
• emergency battery – батарея аварійного живлення
• end batteries - запасні акумуляторні батареї
• Faradey battery - осередок Фарадея
• Faure storage battery - батарея акумуляторів із пастованими пластинами
• filament battery - батарея розжарювання
• floating battery - запасна батарея акумуляторів (включається паралельно до основної батареї)
• Grenet battery – (дихроматно-цинковий) елемент Грене
• galvanic battery - електрохімічний осередок у режимі гальванічного елемента
• grid battery - сіткова батарея, батарея зміщення
• grid-bias battery - батарея зміщення, сіточна батарея
• Lalande battery - (лужний оксидмідно-цинковий) елемент Лаланда
• Leclanche battery - (марганцево-цинковий) елемент Лекланше
• lead (-acid) battery - кислотний (свинцевий) акумулятор
• lead-acid (lead-storage) battery - батарея свинцевих (кислотних) акумуляторів
• lead-calcium battery - свинцево-кальцієвий елемент
• lead-dioxide primary battery – первинний елемент з діоксиду свинцю
• line battery - буферна батарея
• lithium battery - елемент з літієвим анодом
• lithium-iron sulfide secondary battery - хлоридзалізно-літієвий акумулятор
• lithium-silver chromate battery - хроматосрібно-літієвий елемент
• lithium-water battery - водно-літієвий елемент
• long wet-stand life battery - акумуляторна батарея з тривалим терміном зберігання в залитому стані
• magnesium battery – первинний елемент з магнієвим анодом
• magnesium mercuric oxide battery - магнієва-оксид-ртутна батарея
• magnesium-cuprous chloride battery - хлоридмідно-магнієвий елемент
• magnesium-silver chloride battery - хлоридсрібно-магнієвий елемент
• magnesium-water battery - водно-магнієвий елемент
• mercury battery - (сухий) ртутно-цинковий елемент
• mercury battery - батарея (сухих) ртутно-цинкових елементів
• metal-air storage battery - повітряно-металевий акумулятор
• nicad (nickel-cadmium) battery - батарея нікель-кадмієвих акумуляторів
• Nickel-cadmium battery - нікель-кадмієвий акумулятор
• Nickel-iron battery - нікель-залізний акумулятор
• nickel-iron battery - батарея нікель-залізних акумуляторів
• Plante battery – свинцевий (кислотний) акумулятор з полотняним сепаратором
• pilot battery - контрольний акумулятор батареї
• plate battery - анодна батарея
• plug-in battery - змінна батарея
• portable battery - переносна батарея
• primary battery - (первинний) елемент
• primary battery - батарея (первинних) елементів
• quiet battery - мікрофонна батарея
• Ruben battery - (сухий) ртутно-цинковий елемент
• rechargeable battery - батарея акумуляторів
• rechargeable battery - батарея елементів, що перезаряджаються
• reserve battery – гальванічний елемент резервної батареї
• ringing battery - виклична (телефонна) батарея
• sal-ammoniac battery - (первинний) елемент із розчинами солей амонію
• saturated standard battery - нормальний насичений елемент
• sealed battery - герметичний акумулятор
• sealed battery - герметичний (первинний) елемент
• secondary battery - батарея акумуляторів
• signaling battery - виклична (телефонна) батарея
• silver-cadmium storage battery - батарея срібно-кадмієвих акумуляторів
• silver-oxide battery - (первинний) елемент зі срібним катодом
• silver-zinc primary battery - срібно-цинковий первинний елемент
• silver-zinc storage battery - батарея срібно-цинкових акумуляторів
• solar battery - сонячна батарея
• standard Daniel battery - (мідно-цинковий) нормальний елемент Даніеля
• standby battery - батарея аварійного живлення
• stationary battery - стаціонарна батарея акумуляторів storage battery - батарея акумуляторів
• talking battery - мікрофонна батарея
• Voltaic battery – елемент Вольта; елемент з металевими електродами та рідким електролітом
• Weston (standard) battery - (ртутно-кадмієвий) нормальний елемент Вестона
• wet battery - елемент із рідким електролітом
• zinc-air battery - батарея повітряно-цинкових елементів
• zinc-chlorine battery - хлорно-цинковий акумулятор
• zinc-coper-oxide battery - оксидмідно-цинковий елемент
• zinc-iron battery - залізоцинковий елемент
• zinc-manganese dioxide battery - батарея марганцево-цинкових елементів
• zinc-mercury-oxide battery - оксидртутно-цинковий елемент
• zinc-nickel battery - батарея нікель-цинкових акумуляторів
• zinc-silver-chloride primary battery - хлоридсрібно-цинковий первинний елемент

Вступ

Хімічні джерела струму (ХІТ) протягом багатьох років міцно увійшли до нашого життя. У побуті споживач рідко звертає увагу на відмінності ХІТ, що використовуються. Для нього це батарейки та акумулятори. Зазвичай вони використовуються в таких пристроях, як кишенькові ліхтарі, іграшки, радіоприймачі або автомобілі.

Найчастіше, розрізняють батарейки та акумулятори на вигляд. Але є акумулятори, конструктивно виконані так само як і батарейки. Наприклад зовнішній виглядакумулятор КНГ-1Д мало відрізняється від класичних пальчикових батарейок R6C. І навпаки. Акумулятори та батареї дискової конструкції зовні також невиразні. Наприклад, акумулятор Д-0,55 і кнопковий ртутний елемент (батарейка) РЦ-82.

Для того, щоб розрізняти їх споживачеві, необхідно звертати увагу на маркування, нанесене на корпус ХІТ. Маркування, що наносяться на корпуси батарей і акумуляторів, описані в розділах 1 і 2 на малюнках і таблицях. Це необхідно для правильного вибору елемента живлення для вашого пристрою.

Поява переносної аудіо, відео та іншої більш енергоємної апаратури зажадала збільшення енергоємності ХІТ, їхньої надійності та довговічності.

У цій книзі описуються технічні характеристики та способи вибору оптимального ХІТ, способи заряду, відновлення, експлуатації та продовження терміну використання акумуляторів та батарейок.

Читачеві слід звернути увагу на застереження щодо безпеки та утилізації ХІТ.

У тому випадку, коли споживана потужність відносно велика (10Ач), використовуються акумулятори, переважно кислотні, а також нікель-залізні та нікель-кадмієві. Вони застосовуються в портативних ЕОМ (Laptop, Notebook, Palmtop), засобах зв'язку, що носяться, аварійному освітленні та ін.

Автомобільні акумулятори займають особливе місце у книзі. Наводяться схеми пристроїв для заряджання та відновлення акумуляторів, а також описуються нові, створені за технологією «dryfit», герметичні акумулятори, що не потребують догляду протягом 5...8 років експлуатації. Вони не шкідливо впливають на людей і апаратуру.

В останні роки такі акумулятори широко застосовуються в резервних джерелах живлення ЕОМ та електромеханічних системах, що накопичують енергію для можливих пікових навантажень та аварійного живлення електроенергією життєво важливих систем.

На початку кожного розділу наведено словник спеціальних англійських термінів, які використовуються в описах та при маркуванні батарейок та акумуляторів. Наприкінці книги знаходиться зведений відрізний словник термінів.

Основні характеристики ХІТ широкого спектра застосування, що становлять практичний інтерес, наведені в таблиці В.1.

ГЛАВА 1
ГАЛЬВАНІЧНІ ДЖЕРЕЛА СТРУМУ ОДНОРАЗОВОЇ ДІЇ

Гальванічні джерела струму одноразової дії є уніфікованим контейнером, в якому знаходяться електроліт, що абсорбується активним матеріалом сепаратора, і електроди (анод і катод), тому вони називаються сухими елементами. Цей термін використовується стосовно всіх елементів, що не містять рідкого електроліту. До звичайних сухих елементів належать вуглецево-цинкові елементи або елементи Лекланше.

Сухі елементи застосовуються при малих струмах та переривчастих режимах роботи. Тому такі елементи широко використовують у телефонних апаратах, іграшках, системах сигналізації та інших.

Оскільки спектр приладів, у яких використовуються сухі елементи, дуже широкий і, крім того, потрібна їх періодична заміна, існують норми на їх габарити. Слід підкреслити, що габарити елементів, наведені в таблицях 1.1 і 1.2, що випускаються різними виробниками, можуть дещо відрізнятися в частині розташування висновків та інших особливостей, зазначених у їх специфікаціях.

У процесі розряду напруга сухих елементів падає від номінального до напруги відсічення (напруга відсічення - мінімальна напруга, у якому батарея здатна віддавати мінімальну енергію), тобто. зазвичай від 1,2 до 0,8 В/елемент залежно від особливостей застосування. У разі розряду при підключенні до елемента постійного опорупісля замикання ланцюга напруга на його висновках різко зменшується до деякої величини, дещо меншої за вихідну напругу. Струм, що протікає при цьому, називається початковим струмом розряду.

Функціональні можливості сухого елемента залежать від споживання струму, напруги відсікання та умов розряду. Ефективність елемента підвищується зі зменшенням струму розряду. Для сухих елементів безперервний розряд протягом менше 24год може бути віднесений до категорії розряду з високою швидкістю.

Електрична ємність сухого елемента обумовлюється для розряду через фіксований опір при заданій кінцевій напрузі в годиннику залежно від початкового розряду і представляється графіком або таблицею. Доцільно використовувати графік чи таблицю виробника для конкретної батареї. Це обумовлено не тільки необхідністю обліку особливостей виробу, але й тим, що кожен виробник дає свої рекомендації щодо найкращого використання продукції. У таблиці 1.3 та таблиці 1.5 представлені технічні характеристики гальванічних елементів, найпоширеніших останнім часом на прилавках наших магазинів.

Внутрішній опір батареї може обмежувати необхідний струм, наприклад, у фотоспалаху. Початковий стабільний струм, який може швидко давати батарея, називається струмом спалаху. У позначенні типу елемента присутні буквені позначення, яким відповідають струми спалаху та внутрішній опір елемента, виміряні на постійному та змінному струмі (таблиця 1.4). Струм спалаху та внутрішній опір дуже складні для вимірювань, причому елементи можуть мати тривалий термін зберігання, але при цьому струм спалаху може зменшуватися.

1.1. ТИПИ ГАЛЬВАНІЧНИХ ЕЛЕМЕНТІВ

Вугільно-цинкові елементи

Вугільно-цинкові елементи (марганець-цинкові) є найпоширенішими сухими елементами. Вугільно-цинкові елементи використовують пасивний (вугільний) колектор струму в контакті з анодом з двоокису марганцю (MnO2), електроліт з хлориду амонію і катодом з цинку. Електроліт знаходиться в пастоподібному стані або просочує пористу діафрагму. Такий електроліт мало рухливий і не розтікається, тому елементи називають сухими.

Номінальна напруга вугільно-цинкового елемента становить 1,5 Ст.

Сухі елементи можуть мати циліндричну, рис.1.1, дискову рис.1.2 та прямокутну форму. Влаштування прямокутних елементів аналогічно дисковим. Цинковий анод виконаний у вигляді циліндричної склянки, що одночасно є контейнером. Дискові елементи складаються з цинкової пластини, картонної діафрагми, просоченої розчином електроліту, та спресованого шару позитивного електрода. Дискові елементи послідовно з'єднують один з одним, отриману батарею ізолюють та упаковують у футляр.

Вугільно-цинкові елементи «відновлюються» протягом перерви у роботі. Це зумовлено поступовим вирівнюванням локальних неоднорідностей в композиції електроліту, що у процесі розряду. В результаті періодичного відпочинку термін служби елемента продовжується.

На рис. 1.3 представлена ​​тривимірна діаграма, що показує збільшення тривалості роботи D-елемента при використанні уривчастого режиму роботи в порівнянні з постійним. Це слід враховувати при інтенсивній експлуатації елементів (і використовувати кілька комплектів для роботи з тим, щоб один комплект мав достатній період часу для відновлення працездатності. Наприклад, при експлуатації плеєра не рекомендується використовувати один комплект батарей більше двох годин поспіль. При зміні двох комплектів тривалість роботи елементів збільшується втричі.

Перевагою вугільно-цинкових елементів є їхня відносно низька вартість. До суттєвих недоліків слід віднести значне зниження напруги при розряді, невисоку питому потужність (5...10 Вт/кг) та малий термін зберігання.

Низькі температури знижують ефективність використання гальванічних елементів, а внутрішній розігрів батареї його підвищує. Вплив температури на ємність гальванічного елемента показано на рис. 1.4. Підвищення температури викликає хімічну корозію цинкового електрода водою, що міститься в електроліті, та висихання електроліту. Ці фактори вдається дещо компенсувати витримкою батареї при підвищеній температурі та введенням всередину елемента, через попередньо зроблений отвір, сольового розчину.

Лужні елементи

Як і вугільно-цинкових, у лужних елементах використовується анод з MnO2 та цинковий катод з розділеним електролітом.

Відмінність лужних елементів від вугільно-цинкових полягає у застосуванні лужного електроліту, внаслідок чого газовиділення при розряді фактично відсутнє, і їх можна виконувати герметичними, що дуже важливо для цілого ряду їх застосувань.

Напруга лужних елементів приблизно на 0,1 менше, ніж вугільно-цинкових, при однакових умовах. Отже, ці елементи взаємозамінні.

Напруга елементів із лужним електролітом змінюється значно менше, ніж у елементів із сольовим електролітом. Елементи з лужним електролітом також мають більш високу питому енергію (65…90 Втч/кг), питому потужність (100…150 кВтг/м3) та триваліший термін зберігання.

Заряджання марганцево-цинкових елементів та батарей проводиться асиметричним змінним струмом. Заряджати можна елементи з сольовим або лужним електролітом будь-якої концентрації, але не надто розряджені та не мають пошкоджень цинкових електродів. У межах терміну придатності, встановленого для даного типуелемента або батареї, можна робити багаторазове (6 ... 8 разів) відновлення працездатності.

Заряджання сухих батарей та елементів виконуються від спеціального пристрою, що дозволяє отримати зарядний струм необхідної форми: при співвідношенні зарядної та розрядної складової 10:1 та тривалості імпульсів цих складових 1:2. Цей пристрій дозволяє заряджати батареї для годинника та активізувати старі малогабаритні акумулятори. При зарядці батарейок для годинника, зарядний струм не повинен перевищувати 2 мА. Час заряду трохи більше 5 годин. Схема такого пристрою для заряджання батарей показано на рис. 1.5.

Тут батарея, що заряджається, включена через два паралельно включені ланцюжки діодів з резисторами. Асиметричний струм заряду виходить внаслідок відмінності опорів резисторів. Закінчення заряду визначається припинення зростання напруги на батареї. Напруга вторинної обмотки трансформатора зарядного пристроювибирається так, щоб вихідна напруга перевищувала номінальну напругу елемента на 50...60%.

Час заряду батарей за допомогою описаного пристрою повинен бути близько 12-16 годин. Зарядна ємність повинна бути приблизно на 50% більше від номінальної ємності батареї.

Ртутні елементи

Ртутні елементи дуже нагадують лужні елементи. Вони використовують оксид ртуті (HgO). Катод складається із суміші порошку цинку та ртуті. Анод та катод розділені сепаратором та діафрагмою, просоченою 40% розчином лугу.

Ці елементи мають тривалі термінизберігання та вищі ємності (при тому ж обсязі). Напруга ртутного елемента приблизно на 0,15 нижче, ніж у лужного.

Ртутні елементи відрізняються високою питомою енергією (90...120 Втч/кг, 300...400 кВтг/м3), стабільністю напруги та високою механічною міцністю.

Для малогабаритних приладів створено модернізовані елементи типів РЦ-31С, РЦ-33С та РЦ-55УС. Питома енергія елементів РЦ-31С та РЦ-55УС – 600 кВтг/м3, елементів РЦ-33С – 700 кВтг/м3. Елементи РЦ-31С та РЦ-33С застосовуються для живлення ручного годинника та іншої апаратури. Елементи РЦ-55УС призначені для медичної апаратури, зокрема для медичних приладів, що вживлюються.

Елементи РЦ-31С і РЦ-33С працюють 1,5 року при струмах відповідно 10 і 18 мкА, а елемент РЦ-55УС забезпечує роботу медичних приладів, що вживлюються, протягом 5 років. Як випливає з таблиці 1.6, номінальна ємність цих елементів відповідає їх позначенню.

Ртутні елементи працездатні в інтервалі температур від 0 до +50oС, є холодостійкі РЦ-83Х і РЦ-85У та теплостійкі елементи РЦ-82Т та РЦ-84, які здатні працювати при температурі до +70oС. Є модифікації елементів, у яких замість цинкового порошку (негативний електрод) використовуються сплави індію та титану.

Оскільки ртуть дефіцитна та токсична, ртутні елементи не слід викидати після їх повного використання. Вони мають надходити на вторинну переробку.

Срібні елементи

Вони мають «срібні» катоди з Ag2O та AgO. Напруга у них на 0,2 В вище, ніж у вугільно-цинкових за порівнянних умов.

Літієві елементи

Вони застосовуються літієві аноди, органічний електроліт і катоди з різних матеріалів. Вони мають дуже великі терміни зберігання, високі щільності енергії і працездатні в широкому інтервалі температур, оскільки не містять води.

Так як літій має найвищий негативний потенціал по відношенню до всіх металів, літієві елементи характеризуються найбільшою номінальною напругою при мінімальних габаритах (рис. 1.6). Технічні характеристикилітієвих гальванічних елементів наведено у таблиці 1.7.

Як розчинники в таких елементах зазвичай використовуються органічні сполуки. Також розчинниками можуть бути неорганічні сполуки, наприклад SOCl2, які одночасно є реактивними речовинами.

Іонна провідність забезпечується введенням у розчинники солей, що мають аніони великих розмірів, наприклад LiAlCl4, LiClO4, LiBFO4. Питома електрична провідністьневодних розчинів електролітів на 1...2 порядку нижче за провідність водних. Крім того, катодні процеси в них зазвичай протікають повільно, тому елементи з неводними електролітами щільності струму невеликі.

До недоліків літієвих елементів слід віднести їх відносно високу вартість, обумовлену високою ціною літію, особливими вимогами до їх виробництва (необхідність інертної атмосфери, очищення неводних розчинників). Слід також враховувати, що деякі літієві елементи при їх розтині вибухонебезпечні.

Такі елементи зазвичай виконуються в кнопковому виконанні з напругою 1,5 і 3 В. Вони успішно забезпечують живленням схеми зі споживанням порядку 30 мкА в постійному або 100 мкА в переривчастому режимах. Літійові елементи широко застосовуються в резервних джерелах живлення схем пам'яті, вимірювальних приладах та інших високотехнологічних системах.

ГЛАВА 1.2 Батарейки провідних фірм світу

Останні десятиліття збільшився обсяг виробництва лужних аналогів елементів Лекланше, зокрема повітряно-цинкових (див. таблицю В1).

Так, наприклад, у Європі виробництво лужних марганцево-цинкових елементів стало розвиватися в 1980 р., а в 1983 р. воно досягло вже 15% загального випуску.

Використання вільного електроліту обмежує можливості застосування автономних і переважно використовується в стаціонарних ХІТ. Тому численні дослідження спрямовані на створення так званих сухих елементів, або елементів із загущеним електролітом, вільних від таких елементів, як ртуть та кадмій, які становлять серйозну небезпеку для здоров'я людей та навколишнього середовища.

Така тенденція є наслідком переваг лужних ХІТ порівняно з класичними сольовими елементами:

суттєве підвищення розрядних густин струму за рахунок застосування пастованого анода;

підвищення ємності ХІТ за рахунок можливості збільшення закладання активних мас;

створення повітряно-цинкових композицій (елементи типу 6F22) за рахунок більшої активності існуючих катодних матеріалів реакції електровідновлення дикисню в лужному електроліті .

Батарейки компанії Duracell (США)

Фірма Duracell – визнаний лідер у світі з виробництва лужних гальванічних джерел одноразової дії. Історія фірми налічує понад 40 років.

Сама фірма розташована у Сполучених Штатах Америки. У Європі її заводи перебувають у Бельгії. На думку споживачів як у нас, так і за кордоном за популярністю, тривалістю використання та співвідношенням ціни та якості батарейки фірми Duracell займають провідне місце.

Поява Duracell на ринку України привернула увагу наших споживачів.

Щільності розрядного струму в літієвих джерелах невеликі (проти іншими ХІТ), близько 1 мА/см2 (див. стор.14). При гарантованому терміні зберігання 10 років та розряді малим струмом раціонально використовувати літієві елементи Duracell у високотехнологічних системах.

Запатентована в США технологія EXRA-POWER із застосуванням двоокису титану (TiO2) та інших технологічних особливостей сприяє підвищенню потужності та ефективності використання марганцево-цинкових ХІТ фірми Duracell.

Усередині сталевого корпусу лужних елементів "Duracell" розташований циліндричний графітовий колектор, в якому знаходиться пастоподібний електроліт у контакті з голчастим катодом.

Гарантований термін зберігання елементів 5 років, і при цьому ємність елемента, вказана на упаковці, гарантується наприкінці терміну зберігання.

Технічні характеристики ХІТ фірми Duracell наведено у таблиці 1.8.

Батарейки концерну Varta (Німеччина)

Концерн Varta – один із світових лідерів з виробництва ХІТ. 25 заводів концерну розташовані у більш ніж 100 країнах світу та випускають понад 1000 найменувань акумуляторів та батарейок.

Основні виробничі потужності займає Департамент стаціонарних акумуляторів. Однак близько 600 найменувань гальванічних елементів від батарейок для годинника до герметичних акумуляторів виробляються на заводах концерну Департаментом приладових батарей у США, Італії, Японії, Чехії і т.д., при гарантії незмінної якості незалежно від географічного розташування заводу. У фотографічній камері першої людини, яка ступила на Місяць, було встановлено батарейки концерну Varta.

Вони досить добре відомі нашим споживачам і мають стійкий попит.

Технічні характеристики ХІТ концерну Varta із зазначенням вітчизняних аналогівнаведено у таблиці 1.9.

РОЗДІЛ 2. АКУМУЛЯТОРИ

Акумулятори є хімічними джерелами електричної енергії багаторазової дії. Вони складаються з двох електродів (позитивного та негативного), електроліту та корпусу. Накопичення енергії в акумуляторі відбувається при протіканні хімічної реакції окислення-відновлення електродів. При розряді акумулятора відбуваються зворотні процеси. Напруга акумулятора – це різниця потенціалів між полюсами акумулятора при фіксованому навантаженні.

Список літератури

1. Кауфман М., Сідман. А.Г.
   Практичний посібник із розрахунків схем в електроніці. Довідник У 2-х т.: пров. з англ. / За ред. Ф.М. Покровського. M.: Вища школа, 1991. 368 с.
2. Терещук Р.М. та ін Малогабаритна апаратура. Довідник радіоаматора. К.: Наукова думка, 1975. 557 с.
3. Сена Л.А. Одиниці фізичних величин та їх розмірності. Навчально-довідковий посібник. 3-тє вид., перераб. та дод. М: Наука. Гол. ред. фіз.-мат. літ., 1988. 432 с.
4. Деордієв С.С. Акумулятори та догляд за ними. К.: Техніка, 1985. 136 с.
5. Електротехнічний довідник У 3-х т. т.2. Електротехнічні вироби та пристрої / за заг. ред. професорів МЕІ (гл. ред. І. Н. Орлов) та ін. 7 видавництво. 6 випр. та дод. М.: Вища школа, 1986. 712 с.
6. Цифрові та аналогові інтегральні мікросхеми. Довідник За ред. С.В.Якубовського. М.: Радіо та зв'язок, 1990. 496 с.
7. Семушкин З. Джерела струму та його застосування. "Радіо", 1978. щ 2,3.
8. Векслер Г.С. Розрахунок електроживних пристроїв. К.: Техніка, 1978. 208 с.
9. Лісовський Ф.В., Калугін І.К. Англо-російський словник з радіоелектроніки. 2-ге вид., перераб. та дод. Ок. 63 000 термінів. М: Рус. яз., 1987.
10. Багоцький В.С., Скундін А.М. Хімічні джерела струму М: Енерговидав, 1981. 360 с.
11. Кромптон Т. Первинні джерела струму. М: світ, 1986. 326 с.

Продовжити читання

Різні види гальванічних елементів перетворюють свою хімічну енергію на електричний струм. Свою назву вони отримали на честь італійського вченого Гальвані, який проводив перші подібні експерименти та дослідження. Електрика виробляється завдяки хімічній взаємодії двох металів (зазвичай цинку та міді) в електроліті.

Принцип дії

Вчені поміщали в ємності з кислотою мідну та цинкову пластинку. Їх з'єднували провідником, на першій утворювались бульбашки газу, друга починала розчинятися. Це доводило те, що провіднику протікає електричний струм. Після Гальвані дослідами зайнявся Вольт. Він створив елемент циліндричної форми, схожий вертикальний стовпець. У його складі були цинкові, мідні та сукняні кільця, попередньо просочені кислотою. Перший елемент мав висоту в 50 см, і вироблена ним напруга відчувалася людиною.

Принцип роботи полягає в тому, що два види металу в електролітичному середовищі вступають у взаємодію, в результаті якого зовнішнього ланцюга починає проходити струм. Сучасні гальванічні елементи та акумулятори називають батарейками. Їхня напруга залежить від використовуваного металу. Пристрій поміщений у циліндр із м'якої жерсті. Як електроди виступають сітки з окислювальним і відновлювальним напиленням.

Перетворення хімічної енергії на електрику виключає можливість відновлення властивостей батарейок. Адже під час роботи елемента реагенти витрачаються, через що зменшується струм. Відновником зазвичай є негативний висновок з літію чи цинку. Під час функціонування він втрачає електрони. Позитивну частину виготовляють із металевих солей або оксиду магнію, вона виконує роботу окислювача.

У звичайних умовах електроліт не пропускає струм, він розпадається на іони лише під час замикання ланцюга. Саме це зумовлює появу провідності. Як електроліт використовують розчин кислоти, натрієві або калієві солі.

Різновиди елементів

Батарейки використовують для живлення приладів, пристроїв, техніки, іграшок. Усі гальванічні елементи за схемою поділяють на кілька видів:

• сольові;
• лужні;
• літієві.

Найбільш популярні - сольові батареї, виготовлені з цинку та марганцю. Елемент поєднує в собі надійність, якість та прийнятну ціну. Але останнім часом виробники знижують або повністю припиняють їх виготовлення, оскільки з боку фірм, що випускають побутову техніку, поступово підвищують вимоги. Основні переваги гальванічних батарей цього типу:

• універсальні параметри, що дозволяють використовувати їх у різних галузях;
• легка експлуатація;
• невисока вартість;
• прості умовивиробництва;
• доступна та недорога сировина.

Серед недоліків виділяють невеликий термін служби (не більше двох років), зменшення властивостей через низькі температури, зменшення ємності при підвищенні струму та зниження напруги під час роботи. Коли сольові батареї розряджаються, вони можуть потекти, оскільки позитивний обсяг електрода виштовхує електроліт. Провідність підвищують графіт та сажа, активна суміш складається з діоксиду марганцю. Термін експлуатації залежить від обсягу електроліту.

У минулому столітті з'явилися перші лужні елементи. Роль окислювача у яких грає марганець, а відновника - цинковий порошок. Корпус батарейки амальгамують, щоб уникнути появи корозії. Але використання ртуті заборонили, тому їх покривали сумішами із цинкового порошку з інгібіторами іржі.

Активна речовина у пристрої гальванічного елемента - це цинк, індій, свинець та алюміній. В активну масу входять сажа, марганець та графіт. Електроліт виготовляють з калію та натрію. Сухий порошок значно підвищує функціонування батареї. При таких же габаритах, як у сольових видів, лужні мають більшу ємність. Вони продовжують добре працювати навіть за сильного морозу.

Літійові елементи використовують для живлення сучасної техніки. Їх випускають у вигляді батарейок та акумуляторів різних розмірів. У складі перших знаходиться твердий електроліт, в інших пристроях – рідкий. Такий варіант підходить для приладів, які потребують стабільної напругита середніх зарядів струму. Литєві акумулятори можна заряджати кілька разів, батарейки використовують лише один раз, їх не розкривають.

Сфера використання

До виробництва гальванічних елементів висувають низку вимог. Корпус батарейок повинен бути надійним та герметичним. Електроліт не повинен витікати, а також не допускати потрапляння всередину пристрою сторонніх речовин. У деяких випадках при витіканні рідини вона спалахує. Не можна використовувати пошкоджений елемент. Габарити у всіх батарей практично однакові, відрізняються тільки розміри акумуляторів. Елементи можуть мати різну форму: циліндричну, призматичну чи дискову.

У всіх типів пристроїв є загальні переваги: ​​вони компактні і мають незначну вагу, пристосовані до різних діапазонів робочої температури, мають велику ємність і стабільно працюють у різних умовах. Є також деякі недоліки, але вони стосуються певних типів елементів. Сольові служать недовго, літієві влаштовані так, що можуть спалахувати при розгерметизації.

Сфери застосування батарейок численні:

• цифрова техніка;
• дитячі іграшки;
• медичні прилади;
• оборонна та авіаційна промисловість;
• космічне виробництво.

Гальванічні елементи легко використовувати вони доступні за вартістю. Але з деякими видами потрібно поводитися акуратно і не використовувати їх у разі пошкодження. Перед придбанням батарей слід уважно вивчити інструкцію приладу, який вони живитимуть.

Малопотужні джерела електричної енергії

Для живлення переносної електро- та радіоапаратури застосовують гальванічні елементи та акумулятори.

Гальванічні елементи- це джерела одноразової дії, акумулятори- Джерела багаторазової дії.

Найпростіший гальванічний елемент

Найпростіший елемент може бути виготовлений з двох смужок: мідної та цинкової, занурених у воду, злегка підкислену сірчаною кислотою. Якщо цинк досить чистий, щоб бути вільним від місцевих реакцій, жодних помітних змін не станеться, доки мідь і цинк не будуть з'єднані дротом.

Однак смужки мають різні потенціали одна до іншої, і коли вони будуть з'єднані проводом, в ньому з'явиться . У міру цієї дії цинкова смужка буде поступово розчинятися, а поблизу мідного електрода утворюватимуться бульбашки газу, що збираються на його поверхні. Цей газ - водень, що утворюється з електроліту. Електричний струм йде від мідної смужки з дроту до цинкової смужки, а від неї через електроліт назад до міді.

Поступово сірчана кислота електроліту заміщається сульфатом цинку, що утворюється з розчиненої частини цинкового електрода. Завдяки цьому напруга елемента зменшується. Однак ще сильніше падіння напруги викликається утворенням газових бульбашок на міді. Обидві ці дії роблять «поляризацію». Подібні елементи немає майже ніякого практичного значення.

Важливі параметри гальванічних елементів

Величина напруги, що дається гальванічними елементами, залежить тільки від їх типу та пристрою, тобто від матеріалу електродів та хімічного складу електроліту, але не залежить від форми та розмірів елементів.

Сила струму, яку дає гальванічний елемент, обмежується його внутрішнім опором.

Дуже важливою характеристикою гальванічного елемента є. Під електричною ємністю мається на увазі кількість електрики, яку гальванічний або акумуляторний елемент здатний віддати протягом усього часу своєї роботи, тобто до настання остаточного розряду.

Віддана елементом ємність визначається множенням сили розрядного струму, вираженої в амперах, на якийсь час у годинах, протягом якого розряджався елемент аж до наступу повного розряду. Тому електрична ємність виявляється завжди в ампер-годинниках (Ах год).

За величиною ємності елемента можна також заздалегідь визначити, скільки годин він буде працювати до настання повного розряду. Для цього необхідно ємність розділити на допустиму для цього елемента силу розрядного струму.

Проте електрична ємність перестав бути величиною суворо постійної. Вона змінюється у досить великих межах залежно від умов (режиму) роботи елемента та кінцевої розрядної напруги.

Якщо елемент розряджати граничною силою струму і до того ж без перерв, він віддасть значно меншу ємність. Навпаки, при розряді того ж елемента струмом меншої сили з частими і порівняно тривалими перервами елемент віддасть повну ємність.

Що ж до впливу на ємність елемента кінцевого розрядного напруги, необхідно пам'ятати, що у процесі розряду гальванічного елемента його робоче напруга залишається на одному рівні, а поступово знижується.

Найпоширеніші види гальванічних елементів

Найбільш поширені гальванічні елементи марганцево-цинкової, марганцево-повітряної, повітряно-цинкової та ртутно-цинкової систем із сольовим та лужним електролітами. Сухі марганцево-цинкові елементи з сольовим електролітом мають початкову напругу від 1,4 до 1,55, тривалість роботи при температурі навколишнього середовища від -20 до -60 про С від 7 год до 340 год.

Сухі марганцево-цинкові та повітряно-цинкові елементи зі лужним електролітом мають напругу від 0,75 до 0,9 В та тривалість роботи від 6 год до 45 год.

Сухі ртутно-цинкові елементи мають початкову напругу від 1,22 до 1,25 і тривалість роботи від 24 год до 55 год.

Найбільший гарантійний термінзберігання, що досягає 30 місяців, мають сухі ртутно-цинкові елементи.

Це вторинні гальванічні елементи.На відміну від гальванічних елементів в акумуляторі відразу після складання ніякі хімічні процеси не виникають.

Щоб в акумуляторі почалися хімічні реакції, пов'язані з рухом електричних зарядівпотрібно відповідним чином змінити хімічний склад його електродів (а частиною і електроліту). Ця зміна хімічного складу електродів відбувається під дією електричного струму, що пропускається через акумулятор.

Тому, щоб акумулятор міг давати електричний струм, його потрібно «зарядити» постійним. електричним струмомвід якогось стороннього джерела струму.

Від звичайних гальванічних елементів акумулятори вигідно відрізняються тим, що після розряду вони знову можуть бути заряджені. При хорошому догляді за ними та за нормальних умов експлуатації акумулятори витримують до кількох тисяч зарядів та розрядок.
Пристрій акумулятора

В даний час найчастіше на практиці застосовують свинцеві та кадмієво-нікелеві акумулятори. У перших електроліт служить розчин сірчаної кислоти, а у других - розчин лугів у воді. Свинцеві акумулятори називають також кислотними, а нікелеві кадмієво - лужними.

Принцип роботи акумуляторів ґрунтується на поляризації електродів. Найпростіший кислотний акумулятор влаштований так: це дві свинцеві пластини, опущені в електроліт. В результаті хімічної реакції заміщення пластини покриваються слабким нальотом сірчанокислого свинцю PbSO4, як це випливає з формули Pb + H 2 SO 4 = PbSO 4 + Н 2 .

Пристрій кислотного акумулятора

Такий стан пластин відповідає розрядженому акумулятору. Якщо тепер акумулятор увімкнути на заряд, тобто підключити його до генератора постійного струму, то в ньому внаслідок електролізу почнеться поляризація пластин. В результаті заряду акумулятора його пластини поляризуються, тобто змінюють речовину своєї поверхні, і з однорідних (PbSO 4) перетворюються на різнорідні (Pb і Pb 2).

Акумулятор стає джерелом струму, причому позитивним електродом у нього служить пластина, покрита двоокис свинцю, а негативним - чиста свинцева пластина.

До кінця заряду концентрація електроліту підвищується внаслідок появи у ньому додаткових молекул сірчаної кислоти.

У цьому вся одна з особливостей свинцевого акумулятора: його електроліт залишається нейтральним і бере участь у хімічних реакціях під час роботи акумулятора.

До кінця розряду обидві пластини акумулятора знову покриваються сірчанокислим свинцем, у результаті акумулятор перестає бути джерелом струму. До цього стану акумулятор ніколи не доводять. Внаслідок утворення сірчанокислого свинцю на пластинах концентрація електроліту в кінці розряду знижується. Якщо акумулятор поставити на заряд, знову можна викликати поляризацію, щоб знову поставити його на розряд і т.д.

Як зарядити акумулятор

Існує кілька способів заряджання акумуляторів. Найпростіший - нормальний заряд акумулятора, який відбувається в такий спосіб. Спочатку протягом 5 - 6 год заряд ведуть подвійним нормальним струмом, поки напруга на кожній акумуляторній банці не досягне 2,4 В.

Нормальний зарядний струм визначають за формулою I зар = Q/16

Де Q - Номінальна ємність акумулятора, Ач.

Після цього зарядний струм зменшують до нормального значення і продовжують заряд протягом 15 - 18 год, до появи ознак кінця заряду.

Сучасні акумулятори

Кадмієво-нікелеві, або лужні акумулятори, з'явилися значно пізніше свинцевих і порівняно з ними є більш досконалими хімічними джерелами струму. Головна перевага лужних акумуляторів перед свинцевими полягає в хімічній нейтральності їхнього електроліту по відношенню до активних мас пластин. Завдяки цьому саморозряд у лужних акумуляторів виходить значно менше, ніж у свинцевих. Принцип дії лужних акумуляторів також ґрунтується на поляризації електродів при електролізі.

Для живлення радіоапаратури випускають герметичні кадмієво-нікелеві акумулятори, які працездатні при температурах від -30 до +50 про З і витримують 400 - 600 циклів заряд-розряд. Ці акумулятори виконують у формі компактних паралелепіпедів та дисків з масою від кількох грамів до кілограмів.

Випускають нікель-водневі акумулятори для енергопостачання автономних об'єктів. Питома енергія нікель-водневого акумулятора становить 50-60 Вт ч кг -1.