Виды гальванических элементов. Самодельный гальванический элемент для автономного питания. Солевые гальванические элементы

Гальванический элемент – это устройство, способное преобразовывать свободную энергию Гиббса окислительно-восстановительной реакции в электрическую.

Элемент состоит из двух электродов (например, цинк и медь), опущенных в растворы собственных солей (или другого электролита) и соединенных проводником.

Растворы солей также приведены в электрический контакт полупроницаемой мембраной или электролитическим ключом в виде стеклянной трубки, заполненной насыщенным раствором КСl.

При этом через проводник протекает электронный ток, а на электродах в растворе электролита протекают окислительно-восстановительные реакции. На внутреннем участке электрической цепи гальванического элемента (растворы солей и насыщенный раствор КСl) протекает ионный ток.

Например, для элемента Даниэля-Якоби:

– на аноде Zn 0 -2e=Zn 2+ – окисление;

– на катоде Cu 2+ +2e=Cu 0 – восстановление.

Zn 0 + Cu 2+ =Zn 2+ +Cu 0 .

Схема гальванического элемента: .

Электродвижущая сила (ЭДС) гальванического элемента (ε) выражается разностью установившихся электродных потенциалов катода и анода:

ε =Е К -Е А .

При стандартных условиях (при погружении металла в раствор собственного иона с одномоляльной концентрацией при температуре Т=25°С), электродный потенциал металла равен его стандартному электродному потенциалу (прил. 6).

В условиях, отличающихся от стандартных, электродный потенциал металла (Е) зависит от концентрации его ионов в растворе (при постоянной температуре), что выражается уравнением Нернста:

где Е 0 - стандартный электродный потенциал, В; n – число электронов, принимающих участие в процессе (заряд иона); С m – моляльная концентрация (активность) гидратированных ионов металла в растворе, моль/кг Н 2 О.

Пример 1 . Составьте схемы двух гальванических элементов, в одном из которых металл был бы катодом, а в другом – анодом. Напишите уравнения реакций, протекающих на электродах в гальванических элементах. Определите ЭДС элементов при температуре 298 К, если активность ионов обоих металлов в первом элементе равна 0,01 моль/кг Н 2 О, а в другом 1,0 моль/кг Н 2 О.

Решение. Металл – медь. Составим элемент, в котором медный электрод является катодом. Анодом можно выбрать любой металл, имеющий меньший электродный потенциал, например – магний.

Схема гальванического элемента: (-) Mg/ Mg 2+ //Cu 2+ /Cu (+).

Реакция на аноде: Mg (тв.) -2e=Mg 2+ (водн.)

Реакция на катоде: Cu 2+ (водн.) +2e=Cu (тв.)

Уравнение токообразующей реакции:

Mg (тв.) + Cu 2+ (водн.) =Mg 2+ (водн.) +Cu (тв.)

Значения потенциалов электродов рассчитаем по уравнению Нернста:

Составим элемент, в котором медный электрод является анодом. Катодом можно выбрать любой металл, имеющий больший электродный потенциал, например, ртуть:

(-)Cu / Cu 2+ //Hg 2+ / Hg (+).

Запишем уравнение реакций:

Cu (тв.) -2e=Cu 2+ (водн.) – на аноде;

Hg 2+ (водн.) +2e=Hg (ж.) – на катоде.

Суммарное уравнение:

Cu (тв.) + Hg 2+ (водн.) =Cu 2+ (водн.) + Hg (ж.) .

Так как активность ионов металла в растворах равна 1 моль/кг воды, то в данном элементе оба значения потенциалов – стандартные:

Ответ: ε=0,51 В.

Электролиз

Электролизом называется процесс раздельного окисления и восстановления на электродах, опущенных в раствор электролита, осуществляемый за счет протекания тока от внешнего источника ЭДС. При этом на аноде происходит окисление, а на катоде – восстановление и выделение металла. При электролизе расплавов электролитов на катоде всегда протекает восстановление катионов:

Ме n+ + ne= Ме 0

На аноде – окисление соответствующих анионов:

Аn m- - me - = Аn 0

Как правило, анодный процесс сопровождается вторичными химическими реакциями – рекомбинацией атомов в молекулы:

2Аn 0 =(Аn 0) 2

либо распадом нейтральной сложной частицы на два вещества, одно из которых является простым:

Например:

SО 4 2- - 2 е → → SО 2 + О 2

NO 3 - - е → → NO + О 2

Пример 1. Написать уравнения процессов, происходящих при электролизе расплава фторида алюминия AlF 3 (материал катода – алюминий, материал анода – графит).

Решение:

В расплаве AlF 3 диссоциирует согласно уравнению:

AlF 3 ↔Al 3+ +3F -

Под действием электрического поля катионы Al 3+ движутся к катоду и принимают от него электроны:

Al 3+ + 3е - → Al 0 – процесс восстановления.

Анионы F - движутся к аноду и отдают электроны:

F - - е - → F 0 – процесс окисления,

2 AlF 3 2 Al 0 + 3 F 2 0

В растворах электролитов электролиз осложняется возможностью участия молекул растворителя (например, воды) в электродных процессах. Если система, в которой проводят электролиз, содержит разные окислители, то на катоде будет восстанавливаться наиболее активный из них, т.е., окисленная форма той электрохимической системы, которой отвечает наибольшее значение электродного потенциала.

В зависимости от состава электролита на катоде могут протекать (в том числе и параллельно) следующие реакции:

1) восстановление катионов металла:

Ме n+ + ne= Ме 0

2) восстановление молекул воды:

2Н 2 О + 2 е →Н 2 + 2 ОН -

Первая реакция исключительно протекает в растворах солей только тех металлов, которые в ряду напряжения находятся после водорода, то есть имеют больший, по сравнению с водородом электродный потенциал.

Вторая – только в растворах наиболее активных металлов, находящихся в начале ряда напряжений вплоть до алюминия. Их электродный потенциал значительно отрицательнее потенциала водородного электрода в нейтральной водной среде (-0,41 В). Для растворов солей металлов, имеющих электродный потенциал, близкий к -0,41 В, и составляющих середину ряда напряжений, характерно протекание обеих катодных реакций.

В растворах кислот на катоде протекает водородная реакция:

2Н + + 2 е →Н 2

Следует отметить, что в качестве катода можно использовать любой токопроводящий материал, кроме наиболее активных щелочных и щелочноземельных металлов. Большинство других металлов, а также графит, устойчиво в любых электролитах при катодном заряжении.

Аналогично, при наличии в системе, подвергающейся электролизу, нескольких восстановителей, на аноде будет окисляться наиболее активный из них, т.е. восстановленная форма той электрохимической системы, которая характеризуется наименьшим значением электродного потенциала. На аноде может протекать несколько окислительных процессов:

1) растворение материала анода (кроме платины и графита):

Ме 0 - ne= Ме n+

2) окисление анионов соли или кислоты

Аn m- - me - = Аn 0

2Аn 0 =(Аn 0) 2

3) окисление молекул воды:

2Н 2 0 - 4 е - →О 2 + 4 Н +

На нерастворимых анодах (платина, графит и некоторые металлы, образующие на своей поверхности защитную токопроводящую оксидную пленку, например, Pb в растворе Н 2 SО 4 образует PbО 2) конкурируют реакции 2 и 3. Для бескислородных кислот и их солей предпочтительнее реакция 2, например:

2Cl - - 2 е → Cl 2

В растворах кислородных кислот и их солей, а также фторидов металлов протекает исключительно реакция окисления молекул воды.

В водных растворах щелочей на нерастворимых анодах протекает гидроксильная реакция:

4ОН - - 4е = 2Н 2 О + О 2

Пример 2. Написать уравнения процессов, происходящих при электролизе раствора хлорида меди (анод – черновая медная пластина).

Решение. Если анод изготовлен из металла, способного окисляться в условиях электролиза, как в данном случае, ионы из раствора на аноде не окисляются.Медь окисляется на аноде (черновая медная пластина) с переходом ионов меди в раствор: Cu 0 -2e=Cu 2+ ,а на катоде выделяется чистая медь из раствора: Cu 2+ + 2e= Cu 0 . Суммарного уравнения электролиза, как правило, в этом случае не пишут.

Пример 3. Написать уравнения процессов, происходящих при электролизе водного раствора сульфата натрия (анод платиновый).

Решение. Стандартный электродный потенциал системы

Na + + е - → Na 0 (-2,71 В)

значительно отрицательнее потенциала водородного электрода в нейтральной водной среде (-0,41 В). Поэтому на катоде будет происходить электрохимическое восстановление воды, сопровождающееся выделением водорода:

2Н 2 0 + 2 е →Н 2 + 2 ОН -

а ионы Na + , приходящие к катоду, будут накапливаться в прилегающей к нему части раствора (катодное пространство)

На аноде будет происходить электрохимическое окисление воды, сопровождающееся выделением кислорода

2Н 2 0 - 4 е - →О 2 + 4 Н +

поскольку отвечающий этой системе стандартный электродный потенциал (1,23В) значительно ниже, чем стандартный электродный потенциал (2,01 В), характеризующий систему

2SО 4 2- → S 2 О 8 2- + 2 е -

Ионы SО 4 2- , движущиеся при электролизе к аноду, будут накапливаться в анодном пространстве.

Умножая уравнение катодного процесса на два и складывая с уравнением анодного процесса, получаем суммарное уравнение процесса:

6Н 2 0 → 2Н 2 + 4ОН - + О 2 + 4 Н +

Приняв во внимание, что одновременно происходит накопление ионов Na + в катодном пространстве и ионов SО 4 2- в анодном пространстве, суммарное уравнение процесса можно записать в следующей форме:

6Н 2 0 + 2 Na 2 SО 4 → 2Н 2 + 4 Na + + 4ОН - + О 2 + 4 Н + + 2SО 4 2-

г. Кызыл, ТГУ

РЕФЕРАТ

Тема: "Гальванические элементы. Аккумуляторы."

Составила: Спиридонова В.А.

I курс, IV гр., ФМФ

Проверила: Кендиван О.Д.

2001 г.

I. Введение

II. Гальванические источники тока

1. Типы гальванических элементов

III. Аккумуляторы

1. Кислотные

2. Щелочные

3. Герметичные никель-кадмиевые

4. Герметичные

5. Аккумуляторы технологии "DRYFIT"

ВВЕДЕНИЕ

Химические источники тока (ХИТ) в течении многих лет

прочно вошли в нашу жизнь. В быту потребитель редко обращает

внимание на отличия используемых ХИТ. Для него это батарейки и

аккумуляторы. Обычно они используются в устройствах таких, как

карманные фонари, игрушки, радиоприемники или автомобили.

В том случае, когда потребляемая мощность относительно

велика (10Ач), используются аккумуляторы, в основном кислотные,

а также никель-железные и никель-кадмиевые. Они применяются в

портативных ЭВМ (Laptop, Notebook, Palmtop), носимых средствах

связи, аварийном освещении и пр.

В последние годы такие аккумуляторы широко применяются в

резервных источниках питания ЭВМ и электромеханических

системах, накапливающих энергию для возможных пиковых нагрузок

и аварийного питания электроэнергией жизненно-важных систем.

ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА

Гальванические источники тока одноразового действия

представляют собой унифицированный контейнер, в котором

находятся электролит, абсорбируемый активным материалом

сепаратора, и электроды (анод и катод), поэтому они называются

сухими элементами. Этот термин используется применительно ко

всем элементам, не содержащим жидкого электролита. К обычным

сухим элементам относятся углеродно-цинковые элементы.

Сухие элементы применяются при малых токах и прерывистых

режимах работы. Поэтому такие элементы широко используются в

телефонных аппаратах, игрушках, системах сигнализации и др.

Действие любого гальванического элемента основано на протекании в нем окислительно-восстановительной реакции. В простейшем случае гальванический элемент состоит из двух пластин или стержней, изготовленных из различных металлов и погруженных в раствор электролита. Такая система делает возможным пространственное разделение окислительно-восстановительной реакции: окисление протекает на одном металле, а восстановление - на другом. Таким образом, электроны передаются от восстановителя к окислителю по внешней цепи.

Рассмотрим в качестве примера медно-цинковый гальванический элемент, работающий за счет энергии приведенной выше реакции между цинком и сульфатом меди. Этот элемент (элемент Якоби-Даниэля) состоит из медной пластины, погруженной в раствор сульфата меди (медный электрод), и цинковой пластины, погруженной в раствор сульфата цинка (цинковый электрод). Оба раствора соприкасаются друг с другом, но для предупреждения смешивания они разделены перегородкой, изготовленной из пористого материала.

При работе элемента, т.е. при замкнутой цепи, цинк окисляется: на поверхности его соприкосновения с раствором атомы цинка превращаются в ионы и, гидратируясь, переходят в раствор. Высвобождающиеся при этом электроны движутся по внешней цепи к медному электроду. Вся совокупность этих процессов схематически изображается уравнением полуреакции, или электрохимическим уравнением:

Zn = Zn 2+ + 2e -

На медном электроде протекает восстановление ионов меди. Электроны, приходящие сюда от цинкового электрода, соединяются с выходящими из раствора дегидратирующимися ионами меди; образуются атомы меди, выделяющиеся в виде металла. Соответствующее электрохимическое уравнение имеет вид:

Cu 2+ + 2e - = Cu

Суммарное уравнение реакции, протекающей в элементе, получится при сложении уравнений обеих полуреакций. Таким образом, при работе гальванического элемента, электроны от восстановителя переходят к окислителю по внешней цепи, на электродах идут электрохимические процессы, в растворе наблюдается направленное движение ионов.

Электрод, на котором протекает окисление, называется анодом(цинк). Электрод, на котором протекает восстановление, называется катодом (медь).

В принципе электрическую энергию может дать любая окислительно-восстановительная реакция. Однако, число реакций,

практически используемых в химических источниках электрической энергии, невелико. Это связано с тем, что не всякая окислительно-восстановительная реакция позволяет создать гальванический элемент, обладающий технически ценными свойствами. Кроме того, многие окислительно-восстановительные реакции требуют расхода дорогостоящих веществ.

В отличие от медно-цинкового элемента, во всех современных гальванических элементах и аккумуляторах используют не два, а один электролит; такие источники тока значительно удобнее в эксплуатации.

ТИПЫ ГАЛЬВАНИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Угольно-цинковые элементы

Угольно-цинковые элементы (марганец-цинковые) являются

самыми распространенными сухими элементами. В угольно-цинковых

элементах используется пассивный (угольный) коллектор тока в

контакте с анодом из двуокиси марганца (MnO2), электролит из

хлорида аммония и катодом из цинка. Электролит находится в

пастообразном состоянии или пропитывает пористую диафрагму.

Такой электролит мало подвижен и не растекается, поэтому

элементы называются сухими.

Угольно-цинковые элементы "восстанавливаются" в течении

перерыва в работе. Это явление обусловлено постепенным

выравниванием локальных неоднородностей в композиции

электролита, возникающих в процессе разряда. В результате

периодического "отдыха" срок службы элемента продлевается.

Достоинством угольно-цинковых элементов является их

относительно низкая стоимость. К существенным недостаткам

следует отнести значительное снижение напряжения при разряде,

невысокую удельную мощность (5...10 Вт/кг) и малый срок

хранения.

Низкие температуры снижают эффективность использования

гальванических элементов, а внутренний разогрев батареи его

повышает. Повышение температуры вызывает химическую коррозию цинкового электрода водой, содержащейся в электролите, и высыхание электролита. Эти факторы удается несколько компенсировать выдержкой батареи при повышенной температуре и введением внутрь элемента, через предварительно проделанное отверстие, солевого раствора.

Щелочные элементы

Как и в угольно-цинковых, в щелочных элементах используется анод из MnO2 и цинковый катод с разделенным электролитом.

Отличие щелочных элементов от угольно-цинковых заключается

в применении щелочного электролита, вследствие чего

газовыделение при разряде фактически отсутствует, и их можно

выполнять герметичными, что очень важно для целого ряда их

применений.

Ртутные элементы

Ртутные элементы очень похожи на щелочные элементы. В них

используется оксид ртути (HgO). Катод состоит из смеси порошка

цинка и ртути. Анод и катод разделены сепаратором и диафрагмой,

пропитанной 40% раствором щелочи.

Так как ртуть дефицитна и токсична, ртутные элементы не

следует выбрасывать после их полного использования. Они должны

поступать на вторичную переработку.

Серебряные элементы

Они имеют "серебряные" катоды из Ag2O и AgO.

Литиевые элементы

В них применяются литиевые аноды, органический электролит

и катоды из различных материалов. Они обладают очень большими

сроками хранения, высокими плотностями энергии и работоспособны

в широком интервале температур, поскольку не содержат воды.

Так как литий обладает наивысшим отрицательным потенциалом

по отношению ко всем металлам, литиевые элементы

характеризуются наибольшим номинальным напряжением при

минимальных габаритах.

Ионная проводимость обеспечивается введением в

растворители солей, имеющих анионы больших размеров.

К недостаткам литиевых элементов следует отнести их

относительно высокую стоимость, обусловленную высокой ценой

лития, особыми требованиями к их производству (необходимость

инертной атмосферы, очистка неводных растворителей). Следует

также учитывать, что некоторые литиевые элементы при их

вскрытии взрывоопасны.

Литиевые элементы широко применяются в резервных источниках питания схем памяти, измерительных приборах и прочих высокотехнологичных системах.

АККУМУЛЯТОРЫ

Аккумуляторы являются химическими источниками

электрической энергии многоразового действия. Они состоят из

двух электродов (положительного и отрицательного), электролита

и корпуса. Накопление энергии в аккумуляторе происходит при

протекании химической реакции окисления-восстановления

электродов. При разряде аккумулятора происходят обратные

процессы. Напряжение аккумулятора - это разность потенциалов

между полюсами аккумулятора при фиксированной нагрузке.

Для получения достаточно больших значений напряжений или

заряда отдельные аккумуляторы соединяются между собой

последовательно или параллельно в батареи. Существует ряд

общепринятых напряжений для аккумуляторных батарей: 2; 4; 6;

Ограничимся рассмотрением следующих аккумуляторов:

кислотных аккумуляторов, выполненных по традиционной

технологии;

стационарных свинцовых и приводных (автомобильных и

тракторных);

герметичных необслуживаемых аккумуляторов, герметичных

никель-кадмиевых и кислотных "dryfit" А400 и А500 (желеобразный

электролит).

КИСЛОТНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

В качестве примера рассмотрим готовый к употреблению свинцовый аккумулятор. Он состоит из решетчатых свинцовых пластин, одни из которых заполнены диоксидом свинца, а другие - металлическим губчатым свинцом. Пластины погружены в 35-40% раствор H 2 SO 4 ; при этой концентрации удельная электропроводность раствора серной кислоты максимальна.

При работе аккумулятора - при его разряде - в нем протекает окислительно-восстановительная реакция, в ходе которой металлический свинец окисляется:

Pb + SO 4 = PbSO 4 + 2e-

А диоксид свинца восстанавливается:

Pb + SO 4 + 4H + + 2e - = PbSO4 + 2H 2 O

Электроны, отдаваемые атомами металлического свинца при окислении, принимаются атомами свинца PbO2 при восстановлении; электроны передаются от одного электрода к другому по внешней цепи.

Таким образом, металлический свинец служит в свинцовом аккумуляторе анодом и заряжен отрицательно, а PbO2 служит катодом и заряжен положительно.

Во внутренней цепи (в растворе H2SO4) при работе аккумулятора происходит перенос ионов. Ионы SO 4 2- движутся к аноду, а ионы H + - к катоду. Направление этого движения обусловлено электрическим полем, возникающим в результате протекания электродных процессов: у анода расходуются анионы, а у катода - катионы. В итоге раствор остается электронейтральным.

Если сложить уравнения, отвечающие окислению свинца и восстановлению PbO2, то получится суммарное уравнение реакции,

протекающей в свинцовом аккумуляторе при его работе (разряде):

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

Э.д.с. заряженного свинцового аккумулятора равна приблизительно 2В. По мере разряда аккумулятора материалы его катода (PbO2) и анода (Pb) расходуются. Расходуется и серная кислота. При этом напряжение на зажимах аккумулятора падает. Когда оно становится меньше значения, допускаемого условиями эксплуатации, аккумулятор вновь заряжают.

Для зарядки (или заряда) аккумулятор подключают к внешнему источнику тока (плюсом к плюсу и минусом к минусу). При этом ток протекает через аккумулятор в направлении, обратном тому, в котором он проходил при разряде аккумулятора. В результате этого электрохимические процессы на электродах "обращаются". На свинцовом электроде теперь происходит процесс восстановления

PbSO 4 + 2e- = Pb + SO 4

т.е. этод электрод становится катодом. На электроде из PbO2 идет процесс окисления

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

следовательно этот электрод является теперь анодом. Ионы в растворе движутся в направлениях, обратных тем, в которых они перемещались при работе аккумулятора.

Складывая два последние уравнения, получим уравнение реакции, протекающей при зарядке аккумулятора:

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

Нетрудно заметить, что этот процесс противоположен тому, который протекает при работе аккумулятора: при зарядке аккумулятора в нем вновь получаются вещества, необходимые для его работы.

Свинцовые аккумуляторы обычно соединяют в батарею, которую

помещают в моноблок из эбонита, термопласта, полипропилена,

полистирола, полиэтилена, асфальтопековой композиции, керамики

или стекла.

Одной из важнейших характеристик аккумулятора является

срок службы или ресурс-наработка (число циклов). Ухудшение

параметров аккумулятора и выход из строя обусловлены в первую

очередь коррозией решетки и оползанием активной массы

положительного электрода. Срок службы аккумулятора определяется

в первую очередь типом положительных пластин и условиями

эксплуатации.

Совершенствование свинцовых аккумуляторов идет по пути

изыскания новых сплавов для решеток (например свинцово- кальциевых), облегченных и прочных материалов корпусов

(например, на основе сополимера пропилена и этилена), улучшения

качества сепараторов.

ЩЕЛОЧНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

Серебряно-цинковые.

Обладают хорошими электрическими характеристиками, имеют малую массу и объем. В них электродами служат оксиды серебра Ag2O, AgO (катод) и губчатый цинк (анод); электролитом служит раствор KOH.

При работе аккумулятора цинк окисляется, превращаясь в ZnO и Zn(OH)2, а оксид серебра восстанавливается до металла. Суммарную реакцию, протекающую при разряде аккумулятора, можно приближенно выразить уравнением:

AgO + Zn = Ag + ZnO

Э.д.с. заряженного серебряно-цинкового аккумулятора приближенно равна 1,85 В. При снижении напряжения до 1,25 В аккумулятор заряжают. При этом процессы на электродах "обращаются": цинк восстанавливается, серебро окисляется - вновь получаются вещества, необходимые для работы аккумулятора.

Кадмиево-никелевые и железно-никелевые.

КН и ЖН весьма сходны между собой. Основное их различие состоит в материале пластин отрицательного электрода; в аккумуляторах КН они кадмиевые, а в аккумуляторах ЖН - железные. Наиболее широкое применение имеют аккумуляторы КН.

Щелочные аккумуляторы в основном выпускаются с ламельными электродами. В них активные массы заключены в ламели - плоские коробочки с отверстиями. Активная масса положительных пластин заряженного аккумулятора в основном состоит из гидротированного оксида никеля (Ш) Ni2O3 x H2O или NiOOH. Кроме того, в ней содержится графит, добавляемый для увеличения электропроводности. Активная масса отрицательных пластин аккумуляторов КН состоит из смеси губчатого кадмия с порошком железа, а аккумуляторов ЖН - из порошка восстановленного железа. Электролитом служит раствор гидроксида калия, содержащий небольшое количество LiOH.

Рассмотрим процессы, протекающие при работе аккумулятора КН. При разряде аккумулятора кадмий окисляется.

Cd + 2OH - = Cd(ОН)2 + 2е -

А NiOOH восстанавливается:

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

По внешней цепи при этом происходит перенос электронов от кадмиевого электрода к никелевому. Кадмиевый электрод служит анодом и заряжен отрицательно, а никелевый - катодом и заряжен положительно.

Суммарную реакцию, протекающую в аккумуляторе КН при его работе, можно выразить уравнением, которое получится при сложении двух последних электрохимических уравнений:

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

Э.д.с. заряженного кадмиево-никелевого аккумулятора равна приблизительно 1,4 В. По мере работы (разряда) аккумулятора напряжение на его зажимах падает. Когда оно становится ниже 1В, аккумулятор заряжают.

При зарядке аккумулятора электрохимические процессы на его электродах "обращаются". На кадмиевом электроде происходит восстановление металла

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

На никелевом - окисление гидроксида никеля (П):

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

Суммарная реакция при зарядке обратна реакции, протекающей при разряде:

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

ГЕРМЕТИЧНЫЕ НИКЕЛЬ-КАДМИЕВЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

Особую группу никель-кадмиевых аккумуляторов составляют герметичные аккумуляторы. Выделяющийся в конце заряда кислород окисляет кадмий, поэтому давление в аккумуляторе не повышается. Скорость образования кислорода должна быть невелика, поэтому аккумулятор заряжают относительно небольшим током.

Герметичные аккумуляторы подразделяются на дисковые,

цилиндрические и прямоугольные.

Герметичные прямоугольные никель-кадмиевые аккумуляторы

производятся с отрицательными неметаллокерамическими электродами из оксида кадмия или с металлокерамическими кадмиевыми электродами.

ГЕРМЕТИЧНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

Широко распространенные кислотные аккумуляторы,

выполненные по классической технологии, доставляют много хлопот

и оказывают вредное влияние на людей и аппаратуру. Они наиболее

дешевы, но требуют дополнительных затрат на их обслуживание,

специальных помещений и персонал.

АККУМУЛЯТОРЫ ТЕХНОЛОГИИ "DRYFIT"

Наиболее удобными и безопасными из кислотных аккумуляторов

являются абсолютно необслуживаемые герметичные аккумуляторы

VRLA (Valve Regulated Lead Acid) произведенные по технологии

"dryfit". Электролит в этих аккумуляторах находится в желеобразном состоянии. Это гарантирует надежность аккумуляторов и безопасность их эксплуатации.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Деордиев С.С.

Аккумуляторы и уход за ними.

К.: Техника, 1985. 136 с.

2. Электротехнический справочник.

В 3-х т. Т.2. Электротехнические изделия и устройства/под

общ. ред. профессоров МЭИ (гл. ред. И. Н. Орлов) и др. 7 изд. 6 испр. и доп.

с указанием темы прямо сейчас, чтобы узнать о возможности получения консультации.

Маломощные источники электрической энергии

Для питания переносной электро- и радиоаппаратуры применяют гальванические элементы и аккумуляторы.

Гальванические элементы - это источники одноразового действия, аккумуляторы - источники многоразового действия.

Простейший гальванические элемент

Простейший элемент может быть изготовлен из двух полосок: медной и цинковой, погруженных в воду, слегка подкисленную серной кислотой. Если цинк достаточно чист, чтобы быть свободным от местных реакций, никаких заметных изменений не произойдет до тех пор, пока медь и цинк не будут соединены проводом.

Однако полоски имеют разные потенциалы одна по отношению к другой, и когда они будут соединены проводом, в нем появится . По мере этого действия цинковая полоска будет постепенно растворяться, а близ медного электрода будут образовываться пузырьки газа, собирающиеся на его поверхности. Этот газ - водород, образующийся из электролита. Электрический ток идет от медной полоски по проводу к цинковой полоске, а от нее через электролит обратно к меди.

Постепенно серная кислота электролита замещается сульфатом цинка, образующимся из растворенной части цинкового электрода. Благодаря этому напряжение элемента уменьшается. Однако еще более сильное падение напряжения вызывается образованием газовых пузырьков на меди. Оба эти действия производят «поляризацию». Подобные элементы не имеют почти никакого практического значения.

Важные параметры гальванических элементов

Величина напряжения, даваемого гальваническими элементами, зависит только от их типа и устройства, т. е. от материала электродов и химического состава электролита, но не зависит от формы и размеров элементов.

Сила тока, которую может давать гальванический элемент, ограничивается его внутренним сопротивлением.

Очень важной характеристикой гальванического элемента является . Под электрической емкостью подразумевается то количество электричества, которое гальванический или аккумуляторный элемент способен отдать в течение всего времени своей работы, т. е. до наступления окончательного разряда.

Отданная элементом емкость определяется умножением силы разрядного тока, выраженной в амперах, на время в часах, в течение которого разряжался элемент вплоть до наступления полного разряда. Поэтому электрическая емкость выражается всегда в ампер-часах (А х ч).

По величине емкости элемента можно также заранее определить, сколько примерно часов он будет работать до наступления полного разряда. Для этого нужно емкость разделить на допустимую для этого элемента силу разрядного тока.

Однако электрическая емкость не является величиной строго постоянной. Она изменяется в довольно больших пределах в зависимости от условий (режима) работы элемента и конечною разрядного напряжения.

Если элемент разряжать предельной силой тока и притом без перерывов, то он отдаст значительно меньшую емкость. Наоборот, при разряде того же элемента током меньшей силы и с частыми и сравнительно продолжительными перерывами элемент отдаст полную емкость.

Что же касается влияния на емкость элемента конечного разрядного напряжения, то нужно иметь в виду, что в процессе разряда гальванического элемента его рабочее напряжение не остается на одном уровне, а постепенно понижается.

Распространенные виды гальванических элементов

Наиболее распространены гальванические элементы марганцево-цинковой, марганцево-воздушной, воздушно-цинковой и ртутно-цинковой систем с солевым и щелочным электролитами. Сухие марганцево-цинковые элементы с солевым электролитом имеют начальное напряжение от 1,4 до 1,55 В, продолжительность работы при температуре окружающей среды от -20 до -60 о С от 7 ч до 340 ч.

Сухие марганцево-цинковые и воздушно-цинковые элементы со щелочным электролитом имеют напряжение от 0,75 до 0,9 В и продолжительность работы от 6 ч до 45 ч.

Сухие ртутно-цинковые элементы имеют начальное напряжение от 1,22 до 1,25 В и продолжительность работы от 24 ч до 55 ч.

Наибольший гарантийный срок хранения, достигающий 30 месяцев, имеют сухие ртутно-цинковые элементы.

Это вторичные гальванические элементы. В отличие от гальванических элементов в аккумуляторе же сразу после сборки никакие химические процессы не возникают.

Чтобы в аккумуляторе начались химические реакции, связанные с движением электрических зарядов, нужно соответствующим образом изменить химический состав его электродов (а частью и электролита). Это изменение химического состава электродов происходит под действием пропускаемого через аккумулятор электрического тока.

Поэтому, чтобы аккумулятор мог давать электрический ток, его предварительно нужно «зарядить» постоянным электрическим током от какого-нибудь постороннего источника тока.

От обычных гальванических элементов аккумуляторы выгодно отличаются также тем, что после разряда они опять могут быть заряжены. При хорошем уходе за ними и при нормальных условиях эксплуатации аккумуляторы выдерживают до нескольких тысяч зарядов и разрядок.
Устройство аккумулятора

В настоящее время наиболее часто на практике применяют свинцовые и кадмиево-никелевые аккумуляторы. У первых электролитом служит раствор серной кислоты, а у вторых - раствор щелочей в воде. Свинцовые аккумуляторы называют также кислотными, а кадмиево-никелевые - щелочными.

Принцип работы аккумуляторов основан на поляризации электродов . Простейший кислотный аккумулятор устроен следующим образом: это две свинцовые пластины, опущенные в электролит. В результате химической реакции замещения пластины покрываются слабым налетом сернокислого свинца PbSO4, как это следует из формулы Pb + H 2 SO 4 = PbSO 4 + Н 2 .

Устройство кислотного аккумулятора

Такое состояние пластин соответствует разряженному аккумулятору. Если теперь аккумулятор включить на заряд, т. е. подсоединить его к генератору постоянного тока, то в нем вследствие электролиза начнется поляризация пластин. В результате заряда аккумулятора его пластины поляризуются, т. е. изменяют вещество своей поверхности, и из однородных (PbSO 4) превращаются в разнородные (Pb и Рb О 2 ).

Аккумулятор становится источником тока, причем положительным электродом у него служит пластина, покрытая двуокисью свинца, а отрицательным - чистая свинцовая пластина.

К концу заряда концентрация электролита повышается вследствие появления в нем дополнительных молекул серной кислоты.

В этом одна из особенностей свинцового аккумулятора: его электролит не остается нейтральным и сам участвует в химических реакциях при работе аккумулятора.

К концу разряда обе пластины аккумулятора опять покрываются сернокислым свинцом, в результате чего аккумулятор перестает быть источником тока. До такого состояния аккумулятор никогда не доводят. Вследствие образования сернокислого свинца на пластинах, концентрация электролита в конце разряда понижается. Если аккумулятор поставить на заряд, то вновь можно вызвать поляризацию, чтобы опять поставить его на разряд и т. д.

Как зарядить аккумулятор

Существует несколько способов заряда аккумуляторов. Наиболее простой - нормальный заряд аккумулятора, который происходит следующим образом. Вначале на протяжении 5 - 6 ч заряд ведут двойным нормальным током, пока напряжение на каждой аккумуляторной банке не достигнет 2,4 В.

Нормальный зарядный ток определяют по формуле I зар = Q/16

Где Q - номинальная емкость аккумулятора, Ач.

После этого зарядный ток уменьшают до нормального значения и продолжают заряд и течение 15 - 18 ч, до появления признаков конца заряда.

Современные аккумуляторы

Кадмиево-никелевые, или щелочные аккумуляторы, появились значительно позже свинцовых и по сравнению с ними представляют собой более совершенные химические источники тока. Главное преимущество щелочных аккумуляторов перед свинцовыми заключается в химической нейтральности их электролита по отношению к активным массам пластин. Благодаря этому саморазряд у щелочных аккумуляторов получается значительно меньше, чем у свинцовых. Принцип действия щелочных аккумуляторов также основан на поляризации электродов при электролизе.

Для питания радиоаппаратуры выпускают герметичные кадмиево-никелевые аккумуляторы, которые работоспособны при температурах от -30 до +50 о С и выдерживают 400 - 600 циклов заряд-разряд. Эти аккумуляторы выполняют в форме компактных параллелепипедов и дисков с массой от нескольких граммов до килограммов.

Выпускают никель-водородные аккумуляторы для энергоснабжения автономных объектов. Удельная энергия никель-водородного аккумулятора составляет 50 - 60 Вт ч кг -1 .

Текст предоставлен НИЦ «Наука и Техника»
Права на электронную версию издания принадлежат НиТ (www.n-t.org)

В книге изложены сведения о конструкции, принципах действия и характерных особенностях химических источников тока (батареек и аккумуляторов). Как самому выбрать необходимые вам батарейки и аккумуляторы, как правильно их заряжать и восстанавливать, вы узнаете из этой книги.

Анод - положительный вывод батареи.
Батарея - два или более элементов, соединенных последовательно или (и) параллельно для обеспечения нужного напряжения и тока.
Внутреннее сопротивление - сопротивление току через элемент, измеренное в Омах. Иногда называется внутренним импедансом.
Выход энергии - расход емкости, умноженный на среднее напряжение в течение времени разряда батарей, выраженный в Ватт-часах (Втч).
Емкость - количество электрической энергии, которое батарея выделяет при определенных условиях разряда, выраженное в ампер-часах (Ач) или кулонах (1 Ач = 3600 Кл).
Заряд - электрическая энергия, передаваемая элементу, с целью преобразования в запасаемую химическую энергию.
Катод - отрицательный вывод батареи.
Компенсационный подзаряд - метод, при котором для приведения батареи в полностью заряженное состояние и поддержания ее в этом состоянии используется постоянный ток.
Напряжение отсечки - минимальное напряжение, при котором батарея способна отдавать полезную энергию при определенных условиях разряда.
Напряжение холостого хода - напряжение на внешних зажимах батареи при отсутствии отбора тока.
Номинальное напряжение - напряжение на полностью заряженной батарее при ее разряде с очень низкой скоростью.
Плавающий заряд - метод поддержания подзаряжаемой батареи в полностью заряженном состоянии путем подачи выбранного постоянного напряжения для компенсации в ней различных потерь.
Плотность энергии - отношение энергии элемента к его массе или объему, выраженное в Ватт-часах на единицу массы или объема.
Поляризация - падение напряжения, вызванное изменениями химических композиций компонентов элементов (разница между напряжением холостого хода и напряжением в любой момент разряда).
Разряд - потребление электрической энергии от элемента во внешнюю цепь. Глубокий разряд - это состояние, в котором практически вся емкость элемента израсходована. Неглубокий разряд - это разряд, при котором израсходована малая часть полной емкости.
Сепаратор - материал, используемый для изоляции электродов друг от друга. Он иногда удерживает электролит в сухих элементах.
Срок хранения - период времени, в течение которого, элемент хранящийся при нормальных условиях (20oC), сохраняет 90% первоначальной емкости.
Стабильность - однородность напряжения, при котором батарея отдает энергию в течение полного режим разряда.
Элемент - базовая единица, способная преобразовывать химическую энергию в электрическую. Он состоит из положительного и отрицательного электродов, погруженных в общий электролит.
Электрод - проводящий материал, способный при реакции с электролитом производить носителей тока.
Электролит - материал, проводящий носителей заряда в элементе.
Цикл - одна последовательность заряда и разряда элемента.

Английские термины

A battery - батарея накала
acid storage battery - батарея кислотных (свинцовых) аккумуляторов
air battery - воздушно-металлический элемент
alkaline battery - (первичный) щелочной элемент
alkaline battery - щелочной марганцево-цинковый элемент
alkaline dry battery - сухой ртутно-цинковый элемент
alkaline dry battery - сухой щелочной элемент
alkaline manganese battery - щелочной марганцево-цинковый элемент
alkaline storage battery - батарея щелочных аккумуляторов
alkaline storage battery - щелочной аккумулятор
anode battery - анодная батарея
B battery - анодная батарея
Bansen battery - (азотно-кислотно-цинковый) элемент Бунзена
bag-type battery - стаканчиковый (первичный) элемент с куколкой
balancing battery - буферная батарея
battery - батарея
bias battery - элемент батареи смещения, элемент сеточной батареи
biasing battery - батарея смещения, сеточная батарея
bichromate battery - (первичный) элемент с дихроматным раствором
buffer battery - буферная батарея
bypass battery - буферная батарея
C battery - батарея смещения, сеточная батарея
Clark battery - (ртутно-цинковый) элемент Кларка
cadmium normal battery - (ртутно-кадмиевый) нормальный элемент Вестона
cadmium-silver-oxide battery - оксидно-кадмиевый гальванический элемент
carbon battery - (первичный) элемент с угольным электродом
carbon-zinc battery - (сухой) элемент с цинковым анодом и угольным катодом
cell - элемент, ячейка, гальванический элемент (первичный элемент, аккумулятор или топливный элемент)
chemical battery - батарея химических источников тока
chargeable battery - перезаряжаемый элемент
cooper-zinc battery - медно-цинковый элемент
counter (electromotive) battery - противодействующий элемент
Daniel battery - (медно-цинковый) элемент Даниеля
decomposition battery - элемент с (побочной) реакцией электролитического разложения
dichromate battery - (первичный) элемент с дихроматным раствором
displacement battery - элемент с (побочной) реакцией электролитического замещения
divalent silver oxide battery - элемент с оксидированием серебра до двухвалентного состояния
double-fluid battery - двухжидкостный элемент
drum storage - батарея никель-цинковых аккумуляторов
dry battery - сухой элемент
dry battery - сухая батарея
dry-charged battery - батарея сухозаряженных аккумуляторов
dry-charged battery - сухозаряженный аккумулятор
Edison battery - никель-железный аккумулятор
electric battery - гальваническая батарея (батарея первичных элементов, аккумуляторов или топливных элементов)
electric battery - гальванический элемент (первичный элемент), аккумулятор или топливный элемент
emergency batteries - батареи аккумуляторов аварийного питания
emergency battery - батарея аварийного питания
end batteries - запасные аккумуляторные батареи
Faradey battery - ячейка Фарадея
Faure storage battery - батарея аккумуляторов с пастированными пластинами
filament battery - батарея накала
floating battery - запасная батарея аккумуляторов (включаемая параллельно основной батарее)
Grenet battery - (дихроматно-цинковый) элемент Грене
galvanic battery - электрохимическая ячейка в режиме гальванического элемента
grid battery - сеточная батарея, батарея смещения
grid-bias battery - батарея смещения, сеточная батарея
Lalande battery - (щелочной оксидмедно-цинковый) элемент Лаланда
Leclanche battery - (марганцево-цинковый) элемент Лекланше
lead (-acid) battery - кислотный (свинцовый) аккумулятор
lead-acid (lead-storage) battery - батарея свинцовых (кислотных) аккумуляторов
lead-calcium battery - свинцово-кальциевый элемент
lead-dioxide primary battery - первичный элемент из диоксида свинца
line battery - буферная батарея
lithium battery - элемент с литиевым анодом
lithium-iron sulfide secondary battery - хлориджелезно-литиевый аккумулятор
lithium-silver chromate battery - хроматосеребряно-литиевый элемент
lithium-water battery - водно-литиевый элемент
long wet-stand life battery - батарея аккумуляторов с длительным сроком хранения в залитом состоянии
magnesium battery - первичный элемент с магниевым анодом
magnesium mercuric oxide battery - магниевая-оксид-ртутная батарея
magnesium-cuprous chloride battery - хлоридмедно-магниевый элемент
magnesium-silver chloride battery - хлоридсеребряно-магниевый элемент
magnesium-water battery - водно-магниевый элемент
mercury battery - (сухой) ртутно-цинковый элемент
mercury battery - батарея (сухих) ртутно-цинковых элементов
metal-air storage battery - воздушно-металлический аккумулятор
nicad (nickel-cadmium) battery - батарея никель-кадмиевых аккумуляторов
nickel-cadmium battery - никель-кадмиевый аккумулятор
nickel-iron battery - никель-железный аккумулятор
nickel-iron battery - батарея никель-железных аккумуляторов
Plante battery - свинцовый (кислотный) аккумулятор с полотняным сепаратором
pilot battery - контрольный аккумулятор батареи
plate battery - анодная батарея
plug-in battery - сменная батарея
portable battery - переносная батарея
primary battery - (первичный) элемент
primary battery - батарея (первичных) элементов
quiet battery - микрофонная батарея
Ruben battery - (сухой) ртутно-цинковый элемент
rechargeable battery - батарея аккумуляторов
rechargeable battery - батарея перезаряжаемых элементов
reserve battery - гальванический элемент резервной батареи
ringing battery - вызывная (телефонная) батарея
sal-ammoniac battery - (первичный) элемент с растворами солей аммония
saturated standard battery - насыщенный нормальный элемент
sealed battery - герметичный аккумулятор
sealed battery - герметичный (первичный) элемент
secondary battery - батарея аккумуляторов
signaling battery - вызывная (телефонная) батарея
silver-cadmium storage battery - батарея серебряно-кадмиевых аккумуляторов
silver-oxide battery - (первичный) элемент с серебряным катодом
silver-zinc primary battery - серебряно-цинковый первичный элемент
silver-zinc storage battery - батарея серебряно-цинковых аккумуляторов
solar battery - солнечная батарея
standard Daniel battery - (медно-цинковый) нормальный элемент Даниеля
standby battery - батарея аварийного питания
stationary battery - стационарная батарея аккумуляторов storage battery - батарея аккумуляторов
talking battery - микрофонная батарея
Voltaic battery - элемент Вольта; элемент с металлическими электродами и жидким электролитом
Weston (standard) battery - (ртутно-кадмиевый) нормальный элемент Вестона
wet battery - элемент с жидким электролитом
zinc-air battery - батарея воздушно-цинковых элементов
zinc-chlorine battery - хлорно-цинковый аккумулятор
zinc-coper-oxide battery - оксидмедно-цинковый элемент
zinc-iron battery - железоцинковый элемент
zinc-manganese dioxide battery - батарея марганцево-цинковых элементов
zinc-mercury-oxide battery - оксидртутно-цинковый элемент
zinc-nickel battery - батарея никель-цинковых аккумуляторов
zinc-silver-chloride primary battery - хлоридсеребряно-цинковый первичный элемент

Введение

Химические источники тока (ХИТ) в течении многих лет прочно вошли в нашу жизнь. В быту потребитель редко обращает внимание на отличия используемых ХИТ. Для него это батарейки и аккумуляторы. Обычно они используются в устройствах таких, как карманные фонари, игрушки, радиоприемники или автомобили.

Чаще всего, различают батарейки и аккумуляторы по внешнему виду. Но существуют аккумуляторы, конструктивно выполненные также как и батарейки. Например внешний вид аккумулятор КНГ-1Д мало отличается от классических пальчиковых батареек R6C. И наоборот. Аккумуляторы и батарейки дисковой конструкции внешне также неразличимы. Например аккумулятор Д-0,55 и кнопочный ртутный элемент (батарейка) РЦ-82.

Для того, чтобы различать их потребителю необходимо обращать внимание на маркировку, нанесенную на корпус ХИТ. Маркировки, наносимые на корпуса батареек и аккумуляторов описаны в главе 1 и 2 на рисунках и в таблицах. Это необходимо для правильного выбора питающего элемента для вашего устройства.

Появление переносной аудио, видео и другой более энергоемкой аппаратуры потребовало увеличения энергоемкости ХИТ, их надежности и долговечности.

В данной книге описываются технические характеристики и способы выбора оптимального ХИТ, способы заряда, восстановления, эксплуатации и продления срока использования аккумуляторов и батареек.

Читателю следует обратить внимание на предостережения относительно безопасности и утилизации ХИТ.

В том случае, когда потребляемая мощность относительно велика (10Ач), используются аккумуляторы, в основном кислотные, а также никель-железные и никель-кадмиевые. Они применяются в портативных ЭВМ (Laptop, Notebook, Palmtop), носимых средствах связи, аварийном освещении и пр.

Автомобильные аккумуляторы занимают особое место в книге. Приводятся схемы устройств для зарядки и восстановления аккумуляторов, а также описываются новые, созданные по технологии «dryfit», герметичные аккумуляторы, не требующие ухода в течении 5…8 лет эксплуатации. Они не оказывают вредного воздействия на людей и аппаратуру.

В последние годы такие аккумуляторы широко применяются в резервных источниках питания ЭВМ и электромеханических системах, накапливающих энергию для возможных пиковых нагрузок и аварийного питания электроэнергией жизненно-важных систем.

В начале каждой главы приведен словарь специальных английских терминов, которые используются в описаниях и при маркировке батареек и аккумуляторов. В конце книги находится сводный отрезной словарь терминов.

Основные характеристики ХИТ широкого спектра применения, представляющих практический интерес, приведены в таблице В.1.

ГЛАВА 1
ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА ОДНОРАЗОВОГО ДЕЙСТВИЯ

Гальванические источники тока одноразового действия представляют собой унифицированный контейнер, в котором находятся электролит, абсорбируемый активным материалом сепаратора, и электроды (анод и катод), поэтому они называются сухими элементами. Этот термин используется применительно ко всем элементам, не содержащим жидкого электролита. К обычным сухим элементам относятся углеродно-цинковые элементы или элементы Лекланше .

Сухие элементы применяются при малых токах и прерывистых режимах работы. Поэтому такие элементы широко используются в телефонных аппаратах, игрушках, системах сигнализации и др.

Поскольку спектр приборов, в которых используются сухие элементы, весьма широк и, кроме того требуется их периодическая замена, существуют нормы на их габариты . Следует подчеркнуть, что габариты элементов, приведенные в таблицах 1.1 и 1.2, выпускаемые различными изготовителями могут несколько отличаться в части расположения выводов и других особенностей, оговоренных в их спецификациях.

В процессе разряда напряжение сухих элементов падает от номинального до напряжения отсечки (напряжение отсечки - минимальное напряжение, при котором батарея способна отдавать минимальную энергию), т.е. обычно от 1,2 В до 0,8 В/элемент в зависимости от особенностей применения. В случае разряда при подключении к элементу постоянного сопротивления после замыкания цепи напряжение на его выводах резко уменьшается до некоторой величины, несколько меньшей исходного напряжения. Ток, протекающий при этом, называется начальным током разряда.

Функциональные возможности сухого элемента зависят от потребления тока, напряжения отсечки и условий разряда. Эффективность элемента повышается по мере уменьшения тока разряда. Для сухих элементов непрерывный разряд за время меньше 24ч может быть отнесен к категории разряда с высокой скоростью.

Электрическая емкость сухого элемента оговаривается для разряда через фиксированное сопротивление при заданном конечном напряжении в часах в зависимости от начального разряда и представляется графиком или таблицей. Целесообразно использовать график или таблицу изготовителя для конкретной батареи. Это обусловлено не только необходимостью учета особенностей изделия, но и тем, что каждый изготовитель дает свои рекомендации по наилучшему использованию его продукции. В таблице 1.3 и таблице 1.5 представлены технические характеристики гальванических элементов, наиболее распространенных в последнее время на прилавках наших магазинов.

Внутреннее сопротивление батареи может ограничивать необходимый ток, например при использовании в фотовспышке. Начальный стабильный ток, который может кратковременно давать батарея, называется током вспышки. В обозначении типа элемента присутствуют буквенные обозначения, которым соответствуют токи вспышки и внутреннее сопротивление элемента, измеренные на постоянном и переменном токе (таблица 1.4 ). Ток вспышки и внутреннее сопротивление весьма сложны для измерений, причем элементы могут иметь длительный срок хранения, но при этом ток вспышки может уменьшаться.

1.1. ТИПЫ ГАЛЬВАНИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Угольно-цинковые элементы

Угольно-цинковые элементы (марганец-цинковые) являются самыми распространенными сухими элементами. В угольно-цинковых элементах используется пассивный (угольный) коллектор тока в контакте с анодом из двуокиси марганца (MnO2), электролит из хлорида аммония и катодом из цинка. Электролит находится в пастообразном состоянии или пропитывает пористую диафрагму. Такой электролит мало подвижен и не растекается, поэтому элементы называются сухими.

Номинальное напряжение угольно-цинкового элемента составляет 1,5 В.

Сухие элементы могут иметь цилиндрическую, рис.1.1, дисковую рис.1.2 и прямоугольную форму. Устройство прямоугольных элементов аналогично дисковым. Цинковый анод выполнен в виде цилиндрического стакана, одновременно являющимся контейнером. Дисковые элементы состоят из цинковой пластины, картонной диафрагмы, пропитанной раствором электролита, и спрессованного слоя положительного электрода. Дисковые элементы последовательно соединяют друг с другом, полученную батарею изолируют и упаковывают в футляр.

Угольно-цинковые элементы «восстанавливаются» в течении перерыва в работе. Это явление обусловлено постепенным выравниванием локальных неоднородностей в композиции электролита, возникающих в процессе разряда. В результате периодического «отдыха» срок службы элемента продлевается.

На рис. 1.3 представлена трехмерная диаграмма, показывающая увеличение продолжительности работы D-элемента при использовании прерывистого режима работы в сравнении с постоянным. Это следует учитывать при интенсивной эксплуатации элементов (и использовать несколько комплектов для работы с тем, чтобы один комплект имел достаточный период времени для восстановления работоспособности. Например, при эксплуатации плеера не рекомендуется использовать один комплект батареек более двуo часов подряд. При смене двух комплектов продолжительность работы элементов увеличивается в три раза.

Достоинством угольно-цинковых элементов является их относительно низкая стоимость. К существенным недостаткам следует отнести значительное снижение напряжения при разряде, невысокую удельную мощность (5…10 Вт/кг) и малый срок хранения.

Низкие температуры снижают эффективность использования гальванических элементов, а внутренний разогрев батареи его повышает. Влияние температуры на емкость гальванического элемента показана на рис. 1.4. Повышение температуры вызывает химическую коррозию цинкового электрода водой, содержащейся в электролите, и высыхание электролита. Эти факторы удается несколько компенсировать выдержкой батареи при повышенной температуре и введением внутрь элемента, через предварительно проделанное отверстие, солевого раствора.

Щелочные элементы

Отличие щелочных элементов от угольно-цинковых заключается в применении щелочного электролита, в следствии чего газовыделение при разряде фактически отсутствует, и их можно выполнять герметичными, что очень важно для целого ряда их применений.

Напряжение щелочных элементов примерно на 0,1 В меньше, чем угольно-цинковых, при одинаковых условиях. Следовательно эти элементы взаимозаменяемы.

Напряжение элементов с щелочным электролитом изменяется значительно меньше, чем у элементов с солевым электролитом. Элементы с щелочным электролитом также имеют более высокие удельную энергию (65…90 Втч/кг), удельную мощность (100…150 кВтч/м3) и более длительный срок хранения.

Зарядка марганцево-цинковых элементов и батарей производится асимметричным переменным током. Заряжать можно элементы с солевым или щелочным электролитом любой концентрации, но не слишком разряженные и не имеющие повреждений цинковых электродов. В пределах срока годности, установленного для данного типа элемента или батареи, можно производить многократное (6…8 раз) восстановление работоспособности .

Зарядка сухих батарей и элементов производятся от специального устройства, позволяющего получить зарядный ток необходимой формы: при соотношении зарядной и разрядной составляющей 10:1 и отношении длительности импульсов этих составляющих 1:2. Это устройство позволяет заряжать батарейки для часов и активизировать старые малогабаритные аккумуляторы. При зарядке батареек для часов, зарядный ток не должен превышать 2 мА. Время заряда не более 5 часов. Схема такого устройства для зарядки батарей показана на рис. 1.5.

Здесь заряжаемая батарея включена через две параллельно включенные цепочки диодов с резисторами. Асимметричный ток заряда получается в следствии различия сопротивлений резисторов. Окончание заряда определяется по прекращению роста напряжения на батарее. Напряжение вторичной обмотки трансформатора зарядного устройства выбирается так, чтобы выходное напряжение превышало номинальное напряжение элемента на 50…60%.

Время заряда батарей с помощью описанного устройства должно быть порядка 12…16 часов. Зарядная емкость должна быть примерно на 50% больше номинальной емкости батареи.

Ртутные элементы

Ртутные элементы очень похожи на щелочные элементы. В них используется оксид ртути (HgO). Катод состоит из смеси порошка цинка и ртути. Анод и катод разделены сепаратором и диафрагмой, пропитанной 40% раствором щелочи.

Эти элементы имеют длительные сроки хранения и более высокие емкости (при том же объеме). Напряжение ртутного элемента примерно на 0,15 В ниже, чем у щелочного.

Ртутные элементы отличаются высокой удельной энергией (90…120 Втч/кг, 300…400 кВтч/м3), стабильностью напряжения и высокой механической прочностью.

Для малогабаритных приборов созданы модернизированные элементы типов РЦ-31С, РЦ-33С и РЦ-55УС. Удельная энергия элементов РЦ-31С и РЦ-55УС - 600 кВтч/м3, элементов РЦ-33С - 700 кВтч/м3. Элементы РЦ-31С и РЦ-33С применяются для питания ручных часов и другой аппаратуры. Элементы РЦ-55УС предназначены для медицинской аппаратуры, в частности для вживляемых медицинских приборов.

Элементы РЦ-31С и РЦ-33С работают 1,5 года при токах соответственно 10 и 18 мкА, а элемент РЦ-55УС обеспечивает работу вживляемых медицинских приборов в течении 5 лет. Как следует из таблицы 1.6, номинальная емкость этих элементов не соответствует их обозначению.

Ртутные элементы работоспособны в интервале температур от 0 до +50oС, имеются холодостойкие РЦ-83Х и РЦ-85У и теплостойкие элементы РЦ-82Т и РЦ-84, которые способны работать при температуре до +70oС. Имеются модификации элементов, в которых вместо цинкового порошка (отрицательный электрод) используются сплавы индия и титана.

Так как ртуть дефицитна и токсична, ртутные элементы не следует выбрасывать после их полного использования. Они должны поступать на вторичную переработку.

Серебряные элементы

Они имеют «серебряные» катоды из Ag2O и AgO. Напряжение у них на 0,2 В выше, чем у угольно-цинковых при сопоставимых условиях .

Литиевые элементы

В них применяются литиевые аноды, органический электролит и катоды из различных материалов. Они обладают очень большими сроками хранения, высокими плотностями энергии и работоспособны в широком интервале температур, поскольку не содержат воды.

Так как литий обладает наивысшим отрицательным потенциалом по отношению ко всем металлам, литиевые элементы характеризуются наибольшим номинальным напряжением при минимальных габаритах (рис. 1.6). Технические характеристики литиевых гальванических элементов приведены в таблице 1.7.

В качестве растворителей в таких элементах обычно используются органические соединения. Также растворителями могут быть неорганические соединения, например, SOCl2, которые одновременно являются реактивными веществами.

Ионная проводимость обеспечивается введением в растворители солей, имеющих анионы больших размеров, например: LiAlCl4, LiClO4, LiBFO4. Удельная электрическая проводимость неводных растворов электролитов на 1…2 порядка ниже проводимости водных. Кроме того, катодные процессы в них обычно протекают медленно, поэтому в элементах с неводными электролитами плотности тока невелики.

К недостаткам литиевых элементов следует отнести их относительно высокую стоимость, обусловленную высокой ценой лития, особыми требованиями к их производству (необходимость инертной атмосферы, очистка неводных растворителей). Следует также учитывать, что некоторые литиевые элементы при их вскрытии взрывоопасны.

Такие элементы обычно выполняются в кнопочном исполнении с напряжением 1,5 В и 3 В. Они успешно обеспечивают питанием схемы с потреблением порядка 30 мкА в постоянном или 100 мкА в прерывистом режимах. Литиевые элементы широко применяются в резервных источниках питания схем памяти, измерительных приборах и прочих высокотехнологичных системах.

ГЛАВА 1.2 БАТАРЕЙКИ ВЕДУЩИХ ФИРМ МИРА

В последние десятилетия возрос объем производства щелочных аналогов элементов Лекланше, в том числе воздушно-цинковых (см. таблицу В1).

Так, например в Европе производство щелочных марганцево-цинковых элементов стало развиваться в 1980 г., а в 1983 г. оно достигло уже 15% общего выпуска .

Использование свободного электролита ограничивает возможности применения автономных и в основном используется в стационарных ХИТ. Поэтому многочисленные исследования направлены на создание так называемых сухих элементов, или элементов с загущенным электролитом, свободных от таких элементов, как ртуть и кадмий, которые представляют серьезную опасность для здоровья людей и окружающей среды.

Такая тенденция является следствием преимуществ щелочных ХИТ в сравнении с классическими солевыми элементами:

существенное повышение разрядных плотностей тока за счет применения пастированного анода;

повышение емкости ХИТ за счет возможности увеличения закладки активных масс;

создание воздушно-цинковых композиций (элементы типа 6F22) за счет большей активности существующих катодных материалов в реакции электровосстановления дикислорода в щелочном электролите .

Батарейки компании Duracell (США)

Фирма Duracell - признанный лидер в мире по производству щелочных гальванических источников одноразового действия. История фирмы насчитывает более 40 лет.

Сама фирма расположена в Соединенных Штатах Америки. В Европе ее заводы находятся в Бельгии. По мнению потребителей как у нас, так и за рубежом по популярности, продолжительности использования и соотношению цены и качества батарейки фирмы Duracell занимают ведущее место.

Появление Duracell на рынке Украины привлекло внимание наших потребителей.

Плотности разрядного тока в литиевых источниках не велики (по сравнению с другими ХИТ), порядка 1 мА/см2 (см. стр.14). При гарантированном сроке хранения 10 лет и разряде малым током рационально использовать литиевые элементы Duracell в высокотехнологичных системах.

Запатентованная в США технология EXRA-POWER с применением двуокиси титана (TiO2) и других технологических особенностей способствует повышению мощности и эффективности использования марганцево-цинковых ХИТ фирмы Duracell.

Внутри стального корпуса щелочных элементов «Duracell» расположен цилиндрический графитовый коллектор, в котором находится пастообразный электролит в контакте с игольчатым катодом.

Гарантированный срок хранения элементов 5 лет, и при этом - емкость элемента, указанная на упаковке, гарантируется в конце срока хранения.

Технические характеристики ХИТ фирмы Duracell приведены в таблице 1.8.

Батарейки концерна Varta (Германия)

Концерн Varta - один из мировых лидеров по производству ХИТ. 25 заводов концерна расположены в более чем 100 странах мира и выпускают более 1000 наименований аккумуляторов и батареек.

Основные производственные мощности занимает Департамент стационарных промышленных аккумуляторов. Однако порядка 600 наименований гальванических элементов от батареек для часов до герметичных аккумуляторов производятся на заводах концерна Департаментом приборных батарей в США, Италии, Японии, Чехии и т.д., при гарантии неизменного качества вне зависимости от географического расположения завода. В фотографической камере первого человека, ступившего на Луну, были установлены батарейки концерна Varta.

Они достаточно хорошо известны нашим потребителям и пользуются устойчивым спросом.

Технические характеристики ХИТ концерна Varta с указанием отечественных аналогов приведены в таблице 1.9.

ГЛАВА 2. АККУМУЛЯТОРЫ

Аккумуляторы являются химическими источниками электрической энергии многоразового действия. Они состоят из двух электродов (положительного и отрицательного), электролита и корпуса. Накопление энергии в аккумуляторе происходит при протекании химической реакции окисления-восстановления электродов. При разряде аккумулятора происходят обратные процессы. Напряжение аккумулятора - это разность потенциалов между полюсами аккумулятора при фиксированной нагрузке.

Список литературы

Кауфман М., Сидман. А.Г.
Практическое руководство по расчетам схем в электронике. Справочник. В 2-х т.: Пер. с англ./ Под ред. Ф.Н. Покровского. M.: Энергоатомиздат, 1991. 368 с.
Терещук Р.М. и др. Малогабаритная аппаратура. Справочник радиолюбителя. К.: Наукова думка, 1975. 557 с.
Сена Л.А. Единицы физических величин и их размерности. Учебно-справочное руководство. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988. 432 с.
Деордиев С.С. Аккумуляторы и уход за ними. К.: Техника, 1985. 136 с.
Электротехнический справочник. В 3-х т. Т.2. Электротехнические изделия и устройства/под общ. ред. профессоров МЭИ (гл. ред. И. Н. Орлов) и др. 7 изд. 6 испр. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1986. 712 с.
Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы. Справочник. Под ред. С.В.Якубовского. М.: Радио и связь, 1990. 496 с.
Семушкин С. Источники тока и их применение. «Радио», 1978. щ 2,3.
Векслер Г.С. Расчет электропитающих устройств. К.: Техника, 1978. 208 с.
Лисовский Ф.В., Калугин И.К. Англо-русский словарь по радиоэлектронике. 2-е изд., перераб. и доп. Ок. 63000 терминов. М.: Рус. яз., 1987.
Багоцкий В.С., Скундин А.М. Химические источники тока. М.: Энергоиздат, 1981. 360 с.
Кромптон Т. Первичные источники тока. М.: мир, 1986. 326 с.

Продолжить чтение

Гальванический элемент — это химический источник электрического тока, в котором происходит непосредственное преобразование химической энергии в электрическую. Поэтому он является . Внешний вид наиболее распространенных элементов питания приведен на рисунке 1.

Рисунок 1. Внешний вид пальчиковых гальванических элементов

Существуют солевые (сухие), щелочные и литиевые элементы. Гальванические элементы часто называют батарейками, однако это название неверно, т.к. батареей является соединение нескольких одинаковых устройств. Например, при последовательном соединении трех гальванических элементов образуется широко используемая 4,5 вольтовая батарейка.

Принцип действия гальванического элемента основан на взаимодействии двух металлов через электролит, приводящем к возникновению в замкнутой цепи электрического тока. Напряжение зависит от использованных металлов. Некоторые из этих химических источников тока приведены в таблице 1.

Тип источников тока	Катод	Электролит	Анод	Напряжение, В
Марганцево-цинковый	MnO 2	KOH	Zn	1,56
Марганцево-оловянный	MnO 2	KOH	Sn	1,65
Марганцево-магниевый	MnO 2	MgBr 2	Mg	2,00
Свинцово-цинковый	PbO 2	H 2 SO 4	Zn	2,55
Свинцово-кадмиевый	PbO 2	H 2 SO 4	Cd	2,42
Свинцово-хлорный	PbO 2	HClO 4	Pb	1,92
Ртутно-цинковый	HgO	KOH	Zn	1,36
Ртутно-кадмиевый	HgO 2	KOH	Cd	1,92
Окисно-ртутно-оловянный	HgO 2	KOH	Sn	1,30
Хром-цинковый	K 2 Cr 2 O 7	H 2 SO 4	Zn	1,8-1,9

В продаже в основном представлены Марганцево-цинковые элементы, которые называют солевыми. Производители батареек обычно не указывают их химический состав. Это самые дешевые гальванические элементы, которые можно применять только в устройствах с низким потреблением, таких как часы, электронные термометры или пульты дистанционного управления. На рисунке 2 приведены внешний вид и внутреннее устройство солевого элемента питания.

Рисунок 2. Внешний вид и устройство "сухого" гальванического элемента

Не менее распространенным элементом питания являются щелочные марганцевые батарейки. В продаже их называют алкалиновыми, не утруждая себя переводом названия на русский язык. Внутреннее устройство алкалинового гальванического элемента показано на рисунке 2.

Рисунок 3. Внутреннее и устройство щелочного гальванического элемента

Эти химические источники тока обладают большей емкостью (2...3 A/ч) и они могут обеспечивать больший ток в течение длительного времени.Больший ток стал возможным, т.к. цинк используется не в виде стакана, а в виде порошка, обладающего большей площадью соприкосновения с электролитом. В качестве электролита применяется гидрооксид калия. Именно благодаря способности данного вида гальванических элементов в течение длительного времени отдавать значительный ток (до 1 A), наиболее распространен в настоящее время.

Еще одним достаточно распространенным видом гальванических элементов являются литиевые барарейки. Благодаря использованию щелочного металла они обладают высокой разностью потенциалов. Напряжение литиевых элементов равно 3 В. Однако на рынке представлены и 1,5 В литиевые батарейки. Эти элементы питания обладают наивысшей емкостью на единицу массы и длительным временем хранения. Применяются в основном для питания часов на материнских платах компьютеров и фототехнике. В качестве недостатка можно назвать высокую стоимость. Внешний вид литиевых батареек приведен на рисунке 4.

Рисунок 4. Внешний вид литиевых элементов питания

Следует отметить, что практически все гальванические элементы способны подзаряжаться от сетевых источников питания. Исключение составляют литиевые батарейки, которые при попытке подзаряда могут взорваться .

Для применения в различных устройствах батарейки были стандартизированы. Наиболее распространенные виды корпусов гальванических элементов приведены в таблице 2.

Для крепления батареек внутри корпуса радиоэлектронных устройств в настоящее время предлагаются готовые батарейные отсеки. Применение их позволяет значительно упростить разработку корпуса радиоэлектронного устройства и удешевить его производство. Внешний вид некоторых из них приведен на рисунке 5.

Рисунок 5. Внешний вид отсеков для крепления гальванических элементов питания

Первый вопрос, который волнует покупателей батареек — это время их работы. Оно зависит от технологии производства гальванического элемента. График типовой зависимости выходного напряжения от технологии производства элемента питания приведен на рисунке 5.

Рисунок 6. График времени работы элемента питания в зависимости от технологии производства при токе разряда 1 А

Результаты тестов батареек различных фирм, проведенные на сайте http://www.batteryshowdown.com/ приведены на рисунке 7.

Рисунок 7. График времени работы батареек различных фирм при токе разряда 1 А

И, наконец, давайте сделаем выводы где какой тип батареек имеет смысл применять, так как при приобретении батареек мы всегда стараемся получить максимум полезного эффекта при минимуме затрат.

Не стоит покупать батарейки в киосках или на рынке. Обычно они там достаточно долго лежат и поэтому за счет саморазряда практически теряют свою емкость. Это может быть даже опасно для аппаратуры, т.к. при использовании дешевых гальванических элементов (батареек) из них может протечь электролит. Это приведет к выходу аппаратуры из строя! Покупать лучше в магазинах с хорошим оборотом товара.
щелочные (алкалиновые) батарейки следует применять в устройствах, потребляющих достаточно большой ток, таких как фонарики, плееры или фотоаппараты. В малопотребляющих устройствах их срок работы не отличается от солевых батареек.
Солевые («обычные», угольно-цинковые гальванические элементы), будут отлично работать в часах, ИК пультах и прочих устройствах, рассчитанных на работу от одного комплекта батарей в течении года и более. При этом они не могут работать на морозе.
Самые экономически выгодные батарейки на сегодня — пальчиковые АА. Как мизинчиковые (АAА), так и большие (R20), при одной и той же емкости стоят дороже. Ёмкость современных батареек R20 почти такая же как и пальчиковых батареек АА, и это при в три раза больших размерах!
Не стоит обращать внимание на раскрученные бренды. Гальванические элементы фирм Duracell и Energizer стоят в полтора-два раза дороже батареек остальных фирм и при этом работают примерно столько-же