Види гальванічних елементів. Саморобний гальванічний елемент для автономного живлення. Сольові гальванічні елементи

гальванічний елемент - це пристрій, здатний перетворювати вільну енергію Гіббса окислювально-відновної реакції в електричну.

Елемент складається з двох електродів (наприклад, цинк і мідь), опущених в розчини власних солей (або іншого електроліту) і з'єднаних провідником.

Розчини солей також наведені в електричний контакт напівпроникною мембраною або електролітичним ключем у вигляді скляної трубки, заповненої насиченим розчином КСl.

При цьому через провідник протікає електричний струм, а на електродах в розчині електроліту протікають окислювально-відновні реакції. На внутрішньому ділянці електричного кола гальванічного елемента (розчини солей і насичений розчин КСl) протікає іонний струм.

Наприклад, для елемента Даніеля-Якобі:

- на аноді Zn 0 -2e \u003d Zn 2+ - окислення;

- на катоді Cu 2+ + 2e \u003d Cu 0 - відновлення.

Zn 0 + Cu 2+ \u003d Zn 2+ + Cu 0.

Схема гальванічного елемента:.

Електрорушійна сила (ЕРС) гальванічного елемента (ε) виражається різницею сталих електроднихпотенціалів катода і анода:

ε \u003d Е К-Е А .

При стандартних умовах (при зануренні металу в розчин власного іона з одномоляльной концентрацією при температурі Т \u003d 25 ° С), електродний потенціал металу дорівнює його стандартному електродному потенціалу (дод. 6).

В умовах, що відрізняються від стандартних, електродний потенціал металу (Е) залежить від концентрації його іонів в розчині (при постійній температурі), що виражається рівнянням Нернста:

де Е 0 - стандартний електродний потенціал, В; n - число електронів, що беруть участь в процесі (заряд іона); З m - моляльна концентрація (активність) гідратованих іонів металу в розчині, моль / кг Н 2 О.

приклад 1. Складіть схеми двох гальванічних елементів, в одному з яких метал був би катодом, а в іншому - анодом. Напишіть рівняння реакцій, що протікають на електродах в гальванічних елементах. Визначте ЕРС елементів при температурі 298 К, \u200b\u200bякщо активність іонів обох металів в першому елементі дорівнює 0,01 моль / кг Н 2 О, а в іншому 1,0 моль / кг Н 2 О.

Рішення.Метал - мідь. Складемо елемент, в якому мідний електрод є катодом. Анодом можна вибрати будь-який метал, який має менший електродний потенціал, наприклад - магній.

Схема гальванічного елемента: (-) Mg / Mg 2+ // Cu 2+ / Cu (+).

Реакція на аноді: Mg (тв.) -2e \u003d Mg 2+ (водн.)

Реакція на катоді: Cu 2+ (водн.) + 2 e \u003d Cu (тв.)

Рівняння токообразующей реакції:

Mg (тв.) + Cu 2+ (водн.) \u003d Mg 2+ (водн.) + Cu (тв.)

Значення потенціалів електродів розрахуємо за рівнянням Нернста:

Складемо елемент, в якому мідний електрод є анодом. Катодом можна вибрати будь-який метал, який має більший електродний потенціал, наприклад, ртуть:

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

Запишемо рівняння реакцій:

Cu (тв.) -2e \u003d Cu 2+ (водн.) - на аноді;

Hg 2+ (водн.) + 2 e \u003d Hg (ж.) - на катоді.

Сумарне рівняння:

Cu (тв.) + Hg 2 (водн.) \u003d Cu 2+ (водн.) + Hg (ж.).

Так як активність іонів металу в розчинах дорівнює 1 моль / кг води, то в даному елементі обидва значення потенціалів - стандартні:

Відповідь: ε \u003d 0,51 В.

електроліз

Електролізом називається процес роздільного окислення і відновлення на електродах, опущених в розчин електроліту, який здійснюється за рахунок протікання струму від зовнішнього джерела ЕРС. При цьому на аноді відбувається окислення, а на катоді - відновлення і виділення металу. При електролізі розплавів електролітів на катоді завжди протікає відновлення катіонів:

Ме n + + ne \u003d Ме 0

На аноді - окислення відповідних аніонів:

Аn m- - me - \u003d Аn 0

Як правило, анодний процес супроводжується вторинними хімічними реакціями - рекомбінацією атомів в молекули:

2Аn 0 \u003d (Аn 0) 2

або розпадом нейтральної складної частки на два речовини, одне з яких є простим:

наприклад:

SО 4 2- - 2 е → → SО 2 + О 2

NO 3 - - е → → NO + О2

Приклад 1.Написати рівняння процесів, що відбуваються при електролізі розплаву фториду алюмінію AlF 3 (матеріал катода - алюміній, матеріал анода - графіт).

Рішення:

У розплаві AlF 3 дисоціює згідно з рівнянням:

AlF 3 ↔Al 3+ + 3F -

Під дією електричного поля катіони Al 3 рухаються до катода і приймають від нього електрони:

Al 3+ + 3е - → Al 0 - процес відновлення.

Аніони F - рухаються до анода і віддають електрони:

F - - е - → F 0 - процес окислення,

2 AlF 3 2 Al 0 + 3 F 2 0

У розчинах електролітів електроліз ускладнюється можливістю участі молекул розчинника (наприклад, води) в електродних процесах. Якщо система, в якій проводять електроліз, містить різні окислювачі, то на катоді буде відновлюватися найбільш активний з них, тобто, окислена форма тієї електрохімічної системи, якій відповідає найбільше значення електродного потенціалу.

Залежно від складу електроліту на катоді можуть протікати (в тому числі і паралельно) такі реакції:

1) відновлення катіонів металу:

Ме n + + ne \u003d Ме 0

2) відновлення молекул води:

2Н 2 О + 2 е → Н 2 + 2 ОН -

Перша реакція виключно протікає в розчинах солей тільки тих металів, які в ряді напруги знаходяться після водню, тобто мають більший, в порівнянні з воднем електродний потенціал.

Друга - тільки в розчинах найбільш активних металів, що знаходяться на початку ряду напруг аж до алюмінію. Їх електродний потенціал значно негативніше потенціалу водневого електрода в нейтральному водному середовищі (-0,41 В). Для розчинів солей металів, що мають електродний потенціал, близький до -0,41 В, і складових середину ряду напруг, характерно перебіг обох катодних реакцій.

У розчинах кислот на катоді протікає воднева реакція:

2Н + + 2 е → Н 2

Слід зазначити, що в якості катода можна використовувати будь-який струмопровідний матеріал, крім найбільш активних лужних і лужноземельних металів. Більшість інших металів, а також графіт, стійко в будь-яких електролітах при катодному заряжении.

Аналогічно, при наявності в системі, яка піддається електролізу, декількох відновників, на аноді буде окислюватися найбільш активний з них, тобто відновлена \u200b\u200bформа тієї електрохімічної системи, яка характеризується найменшим значенням електродного потенціалу. На аноді може протікати кілька окислювальних процесів:

1) розчинення матеріалу анода (крім платини і графіту):

Ме 0 - ne \u003d Ме n +

2) окислення аніонів солі або кислоти

Аn m- - me - \u003d Аn 0

2Аn 0 \u003d (Аn 0) 2

3) окислення молекул води:

2Н 2 0 - 4 е - → О 2 + 4 Н +

На нерозчинних анодах (платина, графіт і деякі метали, що утворюють на своїй поверхні захисну струмопровідну оксидну плівку, наприклад, Pb в розчині Н 2 SО 4 утворює PbО 2) конкурують реакції 2 і 3. Для безкисневих кислот і їх солей краще реакція 2, наприклад :

2Cl - - 2 е → Cl 2

У розчинах кисневих кислот і їх солей, а також фторидів металів протікає виключно реакція окислення молекул води.

У водних розчинах лугів на нерозчинних анодах протікає гидроксильная реакція:

4ОН - - 4е \u003d 2Н 2 О + О 2

Приклад 2.Написати рівняння процесів, що відбуваються при електролізі розчину хлориду міді (анод - чорнова мідна пластина).

Рішення.Якщо анод виготовлений з металу, здатного окислюватися в умовах електролізу, як в даному випадку, іони з розчину на аноді НЕ окісляются.Медь окислюється на аноді (чорнова мідна пластина) з переходом іонів міді в розчин: Cu 0 -2e \u003d Cu 2+, а на катоді виділяється чиста мідь з розчину: Cu 2+ + 2e \u003d Cu 0 . Сумарного рівняння електролізу, як правило, в цьому випадку не пишуть.

Приклад 3.Написати рівняння процесів, що відбуваються при електролізі водного розчину сульфату натрію (анод платиновий).

Рішення.Стандартний електродний потенціал системи

Na + + е - → Na 0 (-2,71 В)

значно негативніше потенціалу водневого електрода в нейтральному водному середовищі (-0,41 В). Тому на катоді буде відбуватися електрохімічне відновлення води, що супроводжується виділенням водню:

2Н 2 0 + 2 е → Н 2 + 2 ОН -

а іони Na \u200b\u200b+, що приходять до катода, будуть накопичуватися в прилеглій до нього частині розчину (катодного простір)

На аноді відбуватиметься електрохімічне окислення води, що супроводжується виділенням кисню

2Н 2 0 - 4 е - → О 2 + 4 Н +

оскільки відповідає цій системі електродний потенціал (1,23В) значно нижче, ніж стандартний електродний потенціал (2,01 В), що характеризує систему

2SО 4 2 → S 2 О 8 2 + 2 е -

Іони SО 4 2-, рухомі при електролізі до анода, будуть накопичуватися в анодному просторі.

Помноживши рівняння катодного процесу на два і складаючи з рівнянням анодного процесу, отримуємо сумарне рівняння процесу:

6Н 2 0 → 2Н 2 + 4ОН - + О 2 + 4 Н +

Взявши до уваги, що одночасно відбувається накопичення іонів Na + в катодному просторі і іонів SО 4 2- в анодному просторі, сумарне рівняння процесу можна записати в такій формі:

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

м Кизил, ТГУ

РЕФЕРАТ

Тема: "Гальванічні елементи. Акумулятори."

Склала: Спиридонова В.А.

I курс, IV гр., ФМФ

Перевірила: Кендіван О.Д.

2001 р

I. Вступ

II. Гальванічні джерела струму

1. Типи гальванічних елементів

III. Акумулятори

1. Кислотні

2. Лужні

3. Граматичні нікель-кадмієві

4. Граматичні

5. Акумулятори технології "DRYFIT"

ВСТУП

Хімічні джерела струму (ХДС) в перебігу багатьох років

міцно увійшли в наше життя. У побуті споживач рідко звертає

увагу на відмінності використовуваних ХІТ. Для нього це батарейки та

акумулятори. Зазвичай вони використовуються в пристроях таких, як

кишенькові ліхтарі, іграшки, радіоприймачі або автомобілі.

У тому випадку, коли споживана потужність щодо

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

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

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

зв'язку, аварійному освітленні і ін.

В останні роки такі акумулятори широко застосовуються в

резервних джерелах живлення ЕОМ і електромеханічних

системах, що накопичують енергію для можливих пікових навантажень

і аварійного живлення електроенергією життєво-важливих систем.

ГАЛЬВАНІЧНІ ДЖЕРЕЛА СТРУМУ

Гальванічні джерела струму одноразової дії

являють собою уніфікований контейнер, в якому

знаходяться електроліт, абсорбіруемий активним матеріалом

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

сухими елементами. Цей термін використовується стосовно

всіх елементів, що не містить рідкого електроліту. До звичайних

сухим елементів відносяться вуглецево-цинкові елементи.

Сухі елементи застосовуються при малих токах і переривчастих

режимах роботи. Тому такі елементи широко використовуються в

телефонних апаратах, іграшках, системах сигналізації і ін.

Дія будь-якого гальванічного елемента заснована на протіканні в ньому окислювально-відновної реакції. У найпростішому випадку гальванічний елемент складається з двох пластин або стрижнів, виготовлених з різних металів і занурених в розчин електроліту. Така система робить можливим просторове розділення окислювально-відновної реакції: окислювання протікає на одному металі, а відновлення - на іншому. Таким чином, електрони передаються від відновлювача до окислювача по зовнішньому ланцюзі.

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

При роботі елемента, тобто при замкнутому ланцюзі, цинк окислюється: на поверхні його зіткнення з розчином атоми цинку перетворюються в іони і, гидратируясь, переходять в розчин. Вивільняються при цьому електрони рухаються по зовнішньому ланцюзі до мідного електрода. Вся сукупність цих процесів схематично зображується рівнянням полуреакции, або електрохімічним рівнянням:

Zn \u003d Zn 2+ + 2e -

На мідному електроді протікає відновлення іонів міді. Електрони, що приходять сюди від цинкового електрода, з'єднуються з вихідними з розчину дегідратірующая іонами міді; утворюються атоми міді, котрі виділяються як металу. Відповідне електрохімічне рівняння має вигляд:

Cu 2+ + 2e - \u003d Cu

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 по зовнішньому ланцюзі, на електродах йдуть електрохімічні процеси, в розчині спостерігається спрямоване рух іонів.

Електрод, на якому протікає окислювання, називається анодом (цинк). Електрод, на якому протікає відновлення, називається катодом (мідь).

В принципі електричну енергію може дати будь-яка окислювально-відновна реакція. Однак, число реакцій,

практично використовуваних в хімічних джерелах електричної енергії, невелика. Це пов'язано з тим, що не всяка окислювально-відновна реакція дозволяє створити гальванічний елемент, що володіє технічно цінними властивостями. Крім того, багато окислювально-відновні реакції вимагають витрати дорогих речовин.

На відміну від мідно-цинкового елемента, у всіх сучасних гальванічних елементах і 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 і катодом з цинку. Електроліт знаходиться в

пасти або просочує пористу діафрагму.

Такий електроліт мало рухливий і не розтікається, тому

елементи називаються сухими.

Вугільно-цинкові елементи "відновлюються" протягом

перерви в роботі. Це явище обумовлено поступовим

вирівнюванням локальних неоднорідностей в композиції

електроліту, що виникають в процесі розряду. В результаті

періодичного "відпочинку" термін служби елемента продовжується.

Перевагою вугільно-цинкових елементів є їх

відносно низька вартість. До істотних недоліків

слід віднести значне зниження напруги при розряді,

невисоку питому потужність (5 ... 10 Вт / кг) і 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 чинники вдається кілька компенсувати витримкою батареї при підвищеній температурі і введенням всередину елемента, через попередньо пророблений отвір, сольового розчину.

лужні елементи

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

Відмінність лужних елементів від вугільно-цинкових полягає

в застосуванні лужного електроліту, внаслідок чого

газовиділення при розряді фактично відсутня, і їх можна

виконувати герметичними, що дуже важливо для цілого ряду їх

застосувань.

ртутні елементи

Ртутні елементи дуже схожі на лужні елементи. У них

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

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

просоченої 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 і AgO.

літієві елементи

У них застосовуються літієві аноди, органічний електроліт

і катоди з різних матеріалів. Вони мають дуже великими

термінами зберігання, високими густиною енергії і працездатні

в широкому інтервалі температур, оскільки не містять води.

Так як літій має найвищим негативним потенціалом

по відношенню до всіх металів, літієві елементи

характеризуються найбільшим номінальним напругою при

мінімальних габаритах.

Іонна провідність забезпечується введенням в

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

розтині вибухонебезпечні.

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

АКУМУЛЯТОРИ

Акумулятори є хімічними джерелами

електричної енергії багаторазового дії. Вони складаються з

двох електродів (позитивного і негативного), електроліту

і 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.

Для отримання досить великих значень напруг або

заряду окремі акумулятори з'єднуються між собою

послідовно або паралельно в батареї. існує ряд

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

Обмежимося розглядом наступних акумуляторів:

кислотних акумуляторів, виконаних за традиційною

технології;

стаціонарних свинцевих і приводних (автомобільних і

тракторних);

герметичних необслуговуваних акумуляторів, герметичних

нікель-кадмієвих і кислотних "dryfit" А400 і А500 (желеподібний

електроліт).

КИСЛОТНІ АКУМУЛЯТОРИ

Як приклад розглянемо готовий до вживання свинцевий акумулятор. Він складається з гратчастих свинцевих пластин, одні з яких заповнені діоксидом свинцю, а інші - металевим губчастим свинцем. Пластини занурені в 35-40% розчин H 2 SO 4; при цій концентрації питома електропровідність розчину сірчаної кислоти максимальна.

При роботі акумулятора - при його розряді - в ньому протікає окислювально-відновна реакція, в ході якої металевий свинець окислюється:

Pb + SO 4 \u003d PbSO 4 + 2e-

А діоксид свинцю відновлюється:

Pb + SO 4 + 4H + + 2e - \u003d PbSO4 + 2H 2 O

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

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

У внутрішній ланцюга (в розчині H2SO4) під час роботи акумулятора відбувається перенесення іонів. Іони SO 4 2- рухаються до анода, а іони H + - до катода. Напрямок цього руху обумовлено електричним полем, що виникають в результаті протікання електродних процесів: у анода витрачаються аніони, а у катода - катіони. В результаті розчин залишається електронейтральний.

Якщо скласти рівняння, відповідальні окислювання свинцю і відновлення PbO2, то вийде сумарне рівняння реакції,

протікає в свинцевому акумуляторі при його роботі (розряді):

Pb + PbO2 + 4H + + 2SO4 \u003d 2PbSO4 + 2H2O

Е.р.с. зарядженого свинцевого акумулятора дорівнює приблизно 2В. У міру розряду акумулятора матеріали його катода (PbO2) і анода (Pb) витрачаються. Витрачається і сірчана кислота. При цьому напруга на затискачах акумулятора падає. Коли воно стає менше значення, що допускається умовами експлуатації, акумулятор знову заряджають.

Для зарядки (або заряду) акумулятор підключають до зовнішнього джерела струму (плюсом до плюса і мінусом до мінуса). При цьому струм протікає через акумулятор в напрямку, протилежному тому, в якому він проходив при розряді акумулятора. В результаті цього електрохімічні процеси на електродах "звертаються". На свинцевому електроді тепер відбувається процес відновлення

PbSO 4 + 2e- \u003d Pb + SO 4

тобто Етод електрод стає катодом. На електроді з PbO2 йде процес окислення

PbSO4 + 2H2O \u003d PbO2 + 4H + + 2e -

отже цей електрод з'являється нині анодом. Іони в розчині рухаються в напрямках, зворотних тим, в яких вони переміщалися при роботі акумулятора.

Складаючи два останні рівняння, отримаємо рівняння реакції, що протікає при зарядці акумулятора:

2PbSO4 + 2H2O \u003d Pb + PbO2 + 4H + + 2SO 4

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

Свинцеві акумулятори зазвичай з'єднують в батарею, яку

поміщають в моноблок з ебоніту, термопласта, поліпропілену,

полістиролу, поліетилену, асфальтопековой композиції, кераміки

або скла.

Однією з найважливіших характеристик акумулятора є

термін служби або ресурс-напрацювання (число циклів). погіршення

параметрів акумулятора і вихід з ладу обумовлені в першу

чергу корозією решітки і оползанием активної маси

позитивного електрода. Термін служби акумулятора визначається

в першу чергу типом позитивних пластин і умовами

експлуатації.

Удосконалення свинцевих акумуляторів рухається шляхом

пошуку нових сплавів для решіток (наприклад свинцово- кальцієвих), полегшених і міцних матеріалів корпусів

(Наприклад, на основі сополимера пропілену і етилену), поліпшення

якості сепараторів.

ЛУЖНІ АКУМУЛЯТОРИ

Срібно-цинкові.

Мають хорошими електричними характеристиками, мають малу масу і об'єм. У них електродами служать оксиди срібла Ag2O, AgO (катод) і губчастий цинк (анод); електролітом служить розчин KOH.

При роботі акумулятора цинк окислюється, перетворюючись в ZnO і Zn (OH) 2, а оксид срібла відновлюється до металу. Сумарну реакцію, яка при розряді акумулятора, можна наближено виразити рівнянням:

AgO + Zn \u003d Ag + ZnO

Е.р.с. зарядженого срібно-цинкового акумулятора наближено дорівнює 1,85 В. При зниженні напруги до 1,25 В акумулятор заряджають. При цьому процеси на електродах "звертаються": цинк відновлюється, срібло окислюється - знову виходять речовини, необхідні для роботи акумулятора.

Кадмієво-нікелеві і залізно-нікелеві.

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

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

Розглянемо процеси, що протікають при роботі акумулятора КН. При розряді акумулятора кадмій окислюється.

Cd + 2OH - \u003d Cd (ОН) 2 + 2е -

А NiOOH відновлюється:

2NiOOH + 2H2O + 2e - \u003d 2Ni (ОН) 2 + 2ОН -

За зовнішньої ланцюга при цьому відбувається перенесення електронів від кадмиевого електрода до нікелевому. Кадмієвий електрод служить анодом і заряджений негативно, а нікелевий - катодом і заряджений позитивно.

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

2NiOOH + 2H2O + Cd \u003d 2NI (OH) 2 + CD (OH) 2

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

При зарядці акумулятора електрохімічні процеси на його електродах "звертаються". На кадмиевом електроді відбувається відновлення металу

Cd (OH) 2 + 2 e - \u003d CD + 2OH -

На нікелевому - окислення гідроксиду нікелю (П):

2Ni (OH) 2 + 2OH - \u003d 2NiOOH + 2H2O + 2e -

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

2Ni (OH) 2 + Cd (OH) 2 \u003d 2NiOOH + 2H2O + Cd

ГЕРМЕТИЧНІ нікель-кадмієвих акумуляторів

Особливу групу нікель-кадмієвих акумуляторів становлять герметичні акумулятори. Вирізняється в кінці заряду кисень окисляє кадмій, тому тиск в акумуляторі не підвищується. Швидкість освіти кисню повинна бути невелика, тому акумулятор заряджають щодо невеликим струмом.

Герметичні акумулятори поділяються на дискові,

циліндричні і прямокутні.

Герметичні прямокутні нікель-кадмієві акумулятори

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

ГЕРМЕТИЧНІ АКУМУЛЯТОРИ

Широко поширені кислотні акумулятори,

виконані за класичною технологією, доставляють багато клопоту

і мають шкідливий вплив на людей і апаратуру. вони найбільш

дешеві, але вимагають додаткових витрат на їх обслуговування,

спеціальних приміщень і персонал.

АКУМУЛЯТОРИ ТЕХНОЛОГІЇ "DRYFIT"

Найбільш зручними і безпечними з кислотних акумуляторів

є абсолютно не обслуговуються герметичні акумулятори

VRLA (Valve Regulated Lead Acid) вироблені за технологією

"Dryfit". Електроліт в цих акумуляторах знаходиться в желеподібному стані. Це гарантує надійність акумуляторів і 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. М. Орлов) і ін. 7 видавництво. 6 испр. і доп.

із зазначенням теми прямо зараз, щоб дізнатися про можливість отримання консультації.

Малопотужні джерела електричної енергії

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

гальванічні елементи - це джерела одноразової дії, акумулятори - джерела багаторазового дії.

Найпростіший гальванічні 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, ніяких помітних змін не відбудеться до тих пір, поки мідь і цинк НЕ будуть з'єднані проводом.

Однак смужки мають різні потенціали одна по відношенню до іншої, і коли вони будуть з'єднані проводом, в ньому з'явиться. У міру цієї дії цинкова смужка буде поступово розчинятися, а біля мідного електрода будуть утворюватися бульбашки газу, що збираються на його поверхні. Цей газ - водень, що утворюється з електроліту. Електричний струм йде від мідної смужки по дроту до цинкової смужці, 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 більш сильне падіння напруги викликається утворенням газових бульбашок на міді. Обидва ці дії роблять «поляризацію». Подібні елементи не мають майже ніякого практичного значення.

Важливі параметри гальванічних елементів

Величина напруги, що дається гальванічними елементами, залежить тільки від їх типу і пристрої, т. Е. Від матеріалу електродів і хімічного складу електроліту, але не залежить від форми і розмірів елементів.

Сила струму, яку може давати гальванічний елемент, обмежується його внутрішнім опором.

Дуже важливою характеристикою гальванічного елемента є. Під електричної ємністю мається на увазі ту кількість електрики, яке гальванічний або акумуляторний елемент здатний віддати протягом всього часу своєї роботи, т. Е. До настання остаточного розряду.

Віддана елементом ємність визначається множенням сили розрядного струму, вираженої в амперах, на час в годинах, протягом якого розряджався елемент аж до настання повного розряду. Тому електрична ємність виражається завжди в ампер-годинах (А х ч).

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

Однак електрична ємність не є величиною строго постійною. Вона змінюється в досить великих межах залежно від умов (режиму) роботи елемента і кінцевою розрядної напруги.

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

Що ж стосується впливу на ємність елемента кінцевого розрядної напруги, то потрібно мати на увазі, що в процесі розряду гальванічного елемента його робоча напруга не залишається на одному рівні, а поступово знижується.

Поширені види гальванічних елементів

Найбільш поширені гальванічні елементи марганцево-цинкової, марганцево-повітряної, повітряно-цинкової і ртутно-цинкової систем з сольовим і лужним електролітами. Сухі марганцево-цинкові елементи з сольовим електролітом мають початкова напруга від 1,4 до 1,55 В, тривалість роботи при температурі навколишнього середовища від -20 до -60 ° С від 7 ч до 340 ч.

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

Сухі ртутно-цинкові елементи мають початкова напруга від 1,22 до 1,25 В і тривалість роботи від 24 год до 55 год.

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

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

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

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

Від звичайних гальванічних елементів акумулятори вигідно відрізняються також тим, що після розряду вони знову можуть бути заряджені. При гарному догляді за ними і при нормальних умовах експлуатації акумулятори витримують до декількох тисяч зарядів і розрядів.
пристрій акумулятора

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

Принцип роботи акумуляторів заснований на поляризації електродів. Найпростіший кислотний акумулятор влаштований таким чином: 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 \u003d PbSO 4 + Н 2.

Пристрій кислотного акумулятора

Такий стан пластин відповідає розрідженому внутрішньому акумулятора. Якщо тепер акумулятор включити на заряд, т. Е. Під'єднати його до генератора постійного струму, то в ньому внаслідок електролізу почнеться поляризація пластин. В результаті заряду акумулятора його пластини поляризуються, т. Е. Змінюють речовина своїй поверхні, і з однорідних (PbSO 4) перетворюються в різнорідні (Pb і Рb О2).

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

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

В цьому одна з особливостей свинцевого акумулятора: його електроліт не залишається нейтральним і сам бере участь в хімічних реакціях при роботі акумулятора.

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

Як зарядити акумулятор

Існує кілька способів заряду акумуляторів. Найбільш простий - нормальний заряд акумулятора, який відбувається в такий спосіб. Спочатку протягом 5 - 6 ч заряд ведуть подвійним нормальним струмом, поки напруга на кожній акумуляторній банку не досягне 2,4 В.

Нормальний зарядний струм визначають за формулою I зар \u003d Q / 16

де Q - номінальна ємність акумулятора, Ач.

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

сучасні акумулятори

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

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

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

Текст надано НДЦ «Наука і Техніка»
Права на електронну версію видання належать НиТ (www.n-t.org)

У книзі викладені відомості про конструкцію, принципи дії та характерні особливості хімічних джерел струму (батарейок і акумуляторів). Як самому вибрати необхідні вам 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 потрібного напруги та струму.
Внутрішній опір - опір току через елемент, виміряний в Омах. Іноді називається внутрішнім опором.
Вихід енергії - витрата ємності, помножений на середню напругу протягом часу розряду батарей, виражений в Ватт-годинах (Втч).
Ємність - кількість електричної енергії, яке батарея виділяє при певних умовах розряду, виражене в ампер-годинах (Аг) або кулонах (1 Ач \u003d 3600 Кл).
Заряд - електрична енергія, що передається елементу, з метою перетворення в запасається хімічну енергію.
Катод - негативний висновок батареї.
Компенсаційний підзаряд - метод, при якому для приведення батареї в повністю заряджену стан і підтримання її в цьому стані використовується постійний струм.
Напруга відсічення - мінімальна напруга, при якому батарея здатна віддавати корисну енергію при певних умовах розряду.
Напруга холостого ходу - напруга на зовнішніх затискачах батареї якщо не відбувається струму.
Номінальна напруга - напруга на повністю зарядженій батареї при її розряді з дуже низькою швидкістю.
Плаваючий заряд - метод підтримки заряджається батареї в повністю зарядженому стані шляхом подачі обраного постійної напруги для компенсації в ній різних втрат.
Щільність енергії - відношення енергії елемента до його маси чи обсягу, виражене в Ватт-годинах на одиницю маси або об'єму.
Поляризація - падіння напруги, викликане змінами хімічних композицій компонентів елементів (різниця між напругою холостого ходу і напругою в будь-який момент розряду).
Розряд - споживання електричної енергії від елемента в зовнішній ланцюг. Глибокий розряд - це стан, в якому практично вся ємність елемента витрачена. Неглибокий розряд - це розряд, при якому витрачена мала частина повної ємності.
Сепаратор - матеріал, який використовується для ізоляції електродів один від одного. Він іноді утримує електроліт в сухих елементах.
Термін зберігання - період часу, протягом якого, елемент зберігається при нормальних умовах (20oC), зберігає 90% початкової ємності.
Стабільність - однорідність напруги, при якому батарея віддає енергію протягом повного режим розряду.
Елемент - базова одиниця, здатна перетворювати хімічну енергію в електричну. Він складається з позитивного і негативного електродів, занурених у загальний електроліт.
Електрод - провідний матеріал, здатний при реакції з електролітом виробляти носіїв струму.
Електроліт - матеріал, який проводить носіїв заряду в елементі.
Цикл - одна послідовність заряду і розряду елемента.

англійські терміни

A battery - батарея напруження
acid storage battery - батарея кислотних (свинцевих) акумуляторів
air battery - повітряно-металевий елемент
alkaline battery - (первинний) лужний елемент
alkaline battery - лужної марганцево-цинковий елемент
alkaline dry battery - сухий ртутно-цинковий елемент
alkaline dry battery - сухий лужний елемент
alkaline manganese battery - лужної 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 батареї зміщення, елемент гратчастої батареї
biasing battery - батарея зміщення, сіткова батарея
bichromate battery - (первинний) елемент з Дихроматні розчином
buffer battery - буферна батарея
bypass battery - буферна батарея
C battery - батарея зміщення, 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 з вугільним електродом
carbon-zinc battery - (сухий) елемент з цинковим анодом і вугільним катодом
cell - елемент, осередок, гальванічний елемент (первинний елемент, акумулятор або паливний елемент)
chemical battery - батарея хімічних джерел струму
chargeable battery - перезаряджається елемент
cooper-zinc battery - мідно-цинковий елемент
counter (electromotive) battery - протидіє елемент
Daniel battery - (мідно-цинковий) елемент Даніеля
decomposition battery - елемент з (побічної) реакцією електролітичного розкладання
dichromate battery - (первинний) елемент з Дихроматні розчином
displacement battery - елемент з (побічної) реакцією електролітичного заміщення
divalent silver oxide battery - елемент з оксидуванням срібла до двовалентного стану
double-fluid battery - дворідинної елемент
drum storage - батарея нікель-цинкових акумуляторів
dry battery - сухий елемент
dry battery - суха батарея
dry-charged battery - батарея сухозаряженной акумуляторів
dry-charged battery - сухозаряджений акумулятор
Edison battery - нікель-залізний акумулятор
electric battery - гальванічна батарея (батарея первинних елементів, акумуляторів або паливних елементів)
electric battery - гальванічний елемент (первинний елемент), акумулятор або 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 з пастірованнимі пластинами
filament battery - батарея напруження
floating battery - запасна батарея акумуляторів (включається паралельно основній батареї)
Grenet battery - (Дихроматні-цинковий) елемент Грені
galvanic battery - електрохімічна комірка в режимі гальванічного елемента
grid battery - сіткова батарея, батарея зміщення
grid-bias battery - батарея зміщення, сіткова батарея
Lalande battery - (лужної оксідмедно-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 - хлоріджелезно-літієвий акумулятор
lithium-silver chromate battery - хроматосеребряно-літієвий елемент
lithium-water battery - водно-літієвий елемент
long wet-stand life battery - батарея акумуляторів 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 - хлорідмедно-магнієвий елемент
magnesium-silver chloride battery - хлорідсеребряно-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 перезаряджаються елементів
reserve battery - гальванічний елемент резервної батареї
ringing battery - виклична (телефонна) батарея
sal-ammoniac battery - (первинний) елемент з розчинами солей амонію
saturated standard battery - насичений нормальний 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 з 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 і рідким електролітом
Weston (standard) battery - (ртутно-кадмієвий) нормальний елемент Вестона
wet battery - елемент з рідким електролітом
zinc-air battery - батарея повітряно-цинкових елементів
zinc-chlorine battery - хлорно-цинковий акумулятор
zinc-coper-oxide battery - оксідмедно-цинковий елемент
zinc-iron battery - железоцінковий елемент
zinc-manganese dioxide battery - батарея марганцево-цинкових елементів
zinc-mercury-oxide battery - оксідртутно-цинковий елемент
zinc-nickel battery - батарея нікель-цинкових акумуляторів
zinc-silver-chloride primary battery - хлорідсеребряно-цинковий первинний елемент

Вступ

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

Найчастіше, розрізняють батарейки та акумулятори за зовнішнім виглядом. Але існують акумулятори, конструктивно виконані також як і батарейки. Наприклад зовнішній вигляд акумулятор КНГ-1Д мало відрізняється від класичних пальчикових батарейок R6C. І навпаки. Акумулятори і батарейки 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, нанесену на корпус ХІТ. Маркування, що наносяться на корпуса батарейок і акумуляторів описані в розділі 1 і 2 на малюнках і в таблицях. Це необхідно для правильного вибору живильного елемента для вашого пристрою.

Поява переносний аудіо, відео та іншої більш енергоємної апаратури зажадало збільшення енергоємності ХІТ, їх надійності та довговічності.

У даній книзі описуються технічні характеристики і способи вибору оптимального ХІТ, способи заряду, відновлення, експлуатації та продовження терміну використання акумуляторів і батарей.

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

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

Автомобільні акумулятори займають особливе місце в книзі. Наводяться схеми пристроїв для зарядки і відновлення акумуляторів, а також описуються нові, створені за технологією «dryfit», герметичні акумулятори, які не потребують догляду протягом 5 ... 8 років експлуатації. Вони не роблять шкідливого впливу на людей і апаратуру.

В останні роки такі акумулятори широко застосовують у резервних джерелах живлення ЕОМ і електромеханічних системах, що накопичують енергію для можливих пікових навантажень і аварійного живлення електроенергією життєво-важливих систем.

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

Основні характеристики ХІТ широкого спектру застосування, що представляють практичний інтерес, наведені в таблиці В.1.

ГЛАВА 1
ГАЛЬВАНІЧНІ ДЖЕРЕЛА СТРУМУ ОДНОРАЗОВОГО ДІЇ

Гальванічні джерела струму одноразової дії являють собою уніфікований контейнер, в якому знаходяться електроліт, абсорбіруемий активним матеріалом сепаратора, і електроди (анод і катод), тому вони називаються сухими елементами. Цей термін використовується стосовно до всіх елементів, що не містить рідкого електроліту. До звичайних сухим елементів відносяться вуглецево-цинкові елементи або елементи Лекланше.

Сухі елементи застосовуються при малих токах і переривчастих режимах роботи. Тому такі елементи широко використовуються в телефонних апаратах, іграшках, системах сигналізації і ін.

Оскільки спектр приладів, в яких використовуються сухі елементи, досить широкий і, крім того потрібно 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, обумовлених в їх специфікаціях.

В процесі розряду напруга сухих елементів падає від номінального до напруги відсічення (напруга відсічення - мінімальна напруга, при якому батарея здатна віддавати мінімальну енергію), тобто зазвичай від 1,2 В до 0,8 В / елемент в залежності від особливостей застосування. У разі розряду при підключенні до елементу постійного опору після замикання ланцюга напруга на його висновках різко зменшується до деякої величини, дещо меншою вихідного напруги. Струм, що протікає при цьому, називається початковим струмом розряду.

Функціональні можливості сухого елемента залежать від споживання струму, напруги відсічення і умов розряду. Ефективність елемента підвищується в міру зменшення струму розряду. Для сухих елементів безперервний розряд за час менше 24г може бути віднесений до категорії розряду з високою швидкістю.

Електрична ємність сухого елемента обмовляється для розряду через фіксоване опір при заданому кінцевому напрузі в годиннику в залежності від початкового розряду і представляється графіком або таблицею. Доцільно використовувати графік або таблицю виробника для конкретної батареї. Це обумовлено не тільки необхідністю врахування особливостей вироби, а й тим, що кожен виробник дає свої рекомендації по найкращому використанню його продукції. У таблиці 1.3 і таблиці 1.5 представлені технічні характеристики гальванічних елементів, найбільш поширених останнім часом на прилавках наших магазинів.

Внутрішній опір батареї може обмежувати необхідний струм, наприклад при використанні в фотоспалаху. Початковий стабільний струм, який може короткочасно давати батарея, називається струмом спалаху. У позначенні типу елемента присутні буквені позначення, яким відповідають струми спалаху і внутрішній опір елемента, виміряні на постійному і змінному струмі (таблиця 1.4). Струм спалаху і внутрішній опір досить 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. У вугільно-цинкових елементах використовується пасивний (вугільний) колектор струму в контакті з анодом з двоокису марганцю (MnO2), електроліт з хлориду амонію і катодом з цинку. Електроліт знаходиться в пасти або просочує пористу діафрагму. Такий електроліт мало рухливий і не розтікається, тому елементи називаються сухими.

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

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

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

На рис. 1.3 представлена \u200b\u200bтривимірна діаграма, що показує збільшення тривалості роботи D-елемента при використанні переривчастого 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 батарейок більш двуo годин поспіль. При зміні двох комплектів тривалість роботи елементів збільшується в три рази.

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

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

лужні елементи

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

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

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

Зарядка марганцево-цинкових елементів та батарей проводиться асиметричним змінним струмом. Заряджати можна елементи з сольовим або лужним електролітом будь-якої концентрації, але не дуже виряджені і не мають пошкоджень цинкових електродів. У межах терміну придатності, встановленого для даного типу елемента або батареї, можна виробляти багаторазове (6 ... 8 разів) відновлення працездатності.

Зарядка сухих батарей і елементів виробляються від спеціального пристрою, що дозволяє отримати зарядний струм необхідної форми: при співвідношенні зарядної і розрядної складової 10: 1 і щодо тривалості імпульсів цих складових 1: 2. Цей пристрій дозволяє заряджати батарейки для годин і активізувати старі малогабаритні акумулятори. При зарядці батарей для годин, зарядний струм не повинен перевищувати 2 мА. Час заряду не більше 5 годин. Схема такого пристрою для зарядки батарей показана на рис. 1.5.

Тут заряджається батарея включена через дві паралельно включені ланцюжка діодів з резисторами. Асиметричний струм заряду виходить в слідстві відмінності опорів резисторів. Закінчення заряду визначається по припиненню зростання напруги на батареї. Напруга вторинної обмотки трансформатора зарядного пристрою вибирається так, щоб вихідна напруга перевищувало номінальну напругу елемента на 50 ... 60%.

Час заряду батарей з допомогою описаного пристрою має бути близько 12 ... 16 годин. Зарядна ємність повинна бути приблизно на 50% більше номінальної ємності батареї.

ртутні елементи

Ртутні елементи дуже схожі на лужні елементи. У них використовується оксид ртуті (HgO). Катод складається з суміші порошку цинку і ртуті. Анод і катод розділені сепаратором і діафрагмою, просоченої 40% розчином лугу.

Ці елементи мають тривалі терміни зберігання і більш високі ємності (при тому ж обсязі). Напруга ртутного елемента приблизно на 0,15 В нижче, ніж у лужного.

Ртутні елементи відрізняються високою питомою енергією (90 ... 120 Втч / кг, 300 ... 400 кВтч / м3), стабільністю напруги і високу механічну міцність.

Для малогабаритних приладів створені модернізовані елементи типів РЦ-31С, РЦ-33С і РЦ-55УС. Питома енергія елементів РЦ-31С і РЦ-55УС - 600 кВтг / м3, елементів РЦ-33С - 700 кВтг / м3. Елементи РЦ-31С і РЦ-33С застосовуються для живлення ручних годин і іншої апаратури. Елементи РЦ-55УС призначені для медичної апаратури, зокрема для імплантуються медичних приладів.

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

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

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 і AgO. Напруга у них на 0,2 В вище, ніж у вугільно-цинкових при порівнянних умовах.

літієві елементи

У них застосовуються літієві аноди, органічний електроліт і катоди з різних матеріалів. Вони мають дуже великими термінами зберігання, високими густиною енергії і працездатні в широкому інтервалі температур, оскільки не містять води.

Так як літій має найвищим негативним потенціалом по відношенню до всіх металів, літієві елементи характеризуються найбільшим номінальним напругою при мінімальних габаритах (рис. 1.6). Технічні характеристики літієвих гальванічних елементів наведені в 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 в розчинники солей, що мають аніони великих розмірів, наприклад: LiAlCl4, LiClO4, LiBFO4. Питома електрична провідність неводних розчинів електролітів на 1 ... 2 порядки нижче провідності водних. Крім того, катодні процеси в них зазвичай протікають повільно, тому в елементах 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 кнопочному виконанні з напругою 1,5 В і 3 В. Вони успішно забезпечують харчуванням схеми зі споживанням близько 30 мкА в постійному або 100 мкА в переривчастому режимах. Літієві елементи широко застосовуються в резервних джерелах живлення схем пам'яті, вимірювальних приладах і інших високотехнологічних системах.

ГЛАВА 1.2 БАТАРЕЙКИ ВЕДУЩИХ ФІРМ СВІТУ

В останні десятиліття зріс обсяг виробництва лужних аналогів елементів Лекланше, в тому числі повітряно-цинкових (див. Таблицю В1).

Так, наприклад в 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 в основному використовується в стаціонарних ХІТ. Тому численні дослідження спрямовані на створення так званих сухих елементів, або елементів з загущених електролітом, вільних від таких елементів, як ртуть і кадмій, які представляють серйозну небезпеку для здоров'я людей і навколишнього середовища.

Така тенденція є наслідком переваг лужних ХДС в порівнянні з класичними сольовими елементами:

істотне підвищення розрядних щільності струму за рахунок застосування пастірованного анода;

підвищення ємності ХІТ за рахунок можливості збільшення закладки активних мас;

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

Батарейки компанії Duracell (США)

Фірма Duracell - визнаний лідер в світі по виробництву лужних гальванічних джерел одноразової дії. Історія фірми налічує більше 40 років.

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

Поява Duracell на ринку України привернуло увагу наших споживачів.

Щільності розрядного струму в літієвих джерелах не великі (у порівнянні з іншими ХДС), близько 1 мА / см2 (див. Стор.14). При гарантованому терміні зберігання 10 років і 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 і ефективності використання марганцево-цинкових ХІТ фірми Duracell.

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

Гарантований термін зберігання елементів 5 років, і при цьому - ємність елемента, зазначена на упаковці, гарантується в кінці терміну зберігання.

Технічні характеристики ХІТ фірми Duracell наведені в таблиці 1.8.

Батарейки концерну Varta (Німеччина)

Концерн Varta - один зі світових лідерів з виробництва ХІТ. 25 заводів концерну розташовані в більш ніж 100 країнах світу і випускають понад 1000 найменувань акумуляторів і батарей.

Основні виробничі потужності займає Департамент стаціонарних промислових акумуляторів. Однак близько 600 найменувань гальванічних елементів від батарейок для годин до герметичних акумуляторів виробляються на заводах концерну Департаментом приладових батарей в США, Італії, Японії, Чехії і т.д., при гарантії незмінної якості незалежно від географічного розташування заводу. У фотографічної камері першого людини, що ступила на Місяць, були встановлені батарейки концерну Varta.

Вони досить добре відомі нашим споживачам і користуються стійким попитом.

Технічні характеристики ХІТ концерну Varta із зазначенням вітчизняних аналогів наведені в таблиці 1.9.

ГЛАВА 2. АКУМУЛЯТОРИ

Акумулятори є хімічними джерелами електричної енергії багаторазового дії. Вони складаються з двох електродів (позитивного і негативного), електроліту і 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

Кауфман М., Сидман. А.Г.
Практичний посібник з розрахунками схем в електроніці. Довідник. У 2-х т .: Пер. з англ. / Под ред. Ф.Н. Покровського. M .: Вища школа, 1991. 368 с.
Терещук Р.М. та ін. Малогабаритна апаратура. Довідник радіоаматора. К .: Наукова думка, 1975. 557 с.
Сена Л.А. Одиниці фізичних величин і їх розмірності. Навчально-довідковий посібник. 3-е изд., Перераб. і доп. М .: Наука. Гл. ред. фіз.-мат. лит., 1988. 432 с.
Деордієв С.С. Акумулятори та догляд за ними. К .: Техніка, 1985. 136 с.
Електротехнічний довідник. У 3-х т. Т.2. Електротехнічні вироби та пристрої / під заг. ред. професорів МЕІ (гл. ред. І. М. Орлов) і ін. 7 видавництво. 6 испр. і доп. М .: Вища школа, 1986. 712 с.
Цифрові і аналогові інтегральні мікросхеми. Довідник. Під ред. С.В.Якубовского. М .: Радио и связь, 1990. 496 с.
Семушкин С. Джерела струму і їх застосування. «Радіо», 1978. щ 2,3.
Векслер Г.С. Розрахунок електроживлячих пристроїв. К .: Техніка, 1978. 208 с.
Лісовський Ф.В., Калугін І.К. Англо-російський словник з радіоелектроніки. 2-е изд., Перераб. і доп. Ок. 63000 термінів. М .: Рус. яз., 1987.
Багоцький В.С., Скундин А.М. Хімічні джерела струму. М .: Енергоіздат, 1981. 360 с.
Кромптон Т. Первинні джерела струму. М .: світ, 1986. 326 с.

продовжити читання

Гальванічний елемент - це хімічне джерело електричного струму, в якому відбувається безпосереднє перетворення хімічної енергії в електричну. Тому він є. Зовнішній вигляд найбільш поширених елементів живлення наведено на малюнку 1.

Малюнок 1. Зовнішній вигляд пальчикових гальванічних елементів

Існують сольові (сухі), лужні та літієві елементи. Гальванічні елементи часто називають батарейками, проте ця назва невірно, тому що батареєю є з'єднання кількох однакових пристроїв. Наприклад, при послідовному з'єднанні трьох гальванічних елементів утворюється широко використовувана 4,5 вольта батарейка.

Принцип дії гальванічного елемента заснований на взаємодії двох металів через електроліт, що приводить до виникнення в замкнутому ланцюзі електричного струму. Напруга залежить від використаних металів. Деякі з цих хімічних джерел струму наведені в таблиці 1.

Тип джерел струму	катод	електроліт	анод	напруга, В
Марганцево-цинковий	MnO 2	KOH	Zn	1,56
Марганцево-олов'яний	MnO 2	KOH	Sn	1,65
Марганцево-магнієвий	MnO 2	MgBr 2	Mg	2,00
Свинцево-цинковий	PbO 2	H 2 SO 4	Zn	2,55
Свинцево-кадмієвий	PbO 2	H 2 SO 4	Cd	2,42
Свинцево-хлорний	PbO 2	HClO 4	Pb	1,92
Ртутно-цинковий	HgO	KOH	Zn	1,36
Ртутно-кадмієвий	HgO 2	KOH	Cd	1,92
Окисно-ртутно-олов'яний	HgO 2	KOH	Sn	1,30
Хром-цинковий	K 2 Cr 2 O 7	H 2 SO 4	Zn	1,8-1,9

У продажу в основному представлені марганцево-цинкові елементи, які називають сольовими. Виробники батарейок зазвичай не вказують їх хімічний склад. Це найдешевші гальванічні елементи, які можна застосовувати тільки в пристроях з низьким споживанням, таких як годинник, електронні термометри або пульти дистанційного керування. На малюнку 2 приведені зовнішній вигляд і внутрішній устрій сольового елемента живлення.

Малюнок 2. Зовнішній вигляд і пристрій "сухого" гальванічного елемента

Не менш поширеним елементом харчування є лужні марганцеві батарейки. У продажу їх називають алкалінових, не обтяжуючи себе перекладом назви на російську мову. Внутрішній устрій Алкалинова гальванічного елемента показано на малюнку 2.

Малюнок 3. Внутрішнє і пристрій лужного гальванічного елемента

Ці хімічні джерела струму мають більшу місткість (2 ... 3 A / ч) і вони можуть забезпечувати більший струм протягом тривалого времені.Большій ток став можливим, тому що цинк використовується не у вигляді склянки, а в вигляді порошку, що володіє більшою площею зіткнення з електролітом. В якості електроліту застосовується гідроксид калію. Саме завдяки здатності даного виду гальванічних елементів протягом тривалого часу віддавати значний струм (до 1 A), найбільш поширений в даний час.

Ще одним досить поширеним видом гальванічних елементів є літієві барарейкі. Завдяки використанню лужного металу вони мають високу різницею потенціалів. Напруга літієвих елементів дорівнює 3 В. Однак на ринку представлені і 1,5 У літієві батарейки. Ці елементи живлення володіють найвищою ємністю на одиницю маси і тривалим часом зберігання. Застосовуються в основному для харчування годин на материнських платах комп'ютерів і фототехніку. Як недолік можна назвати високу вартість. Зовнішній вигляд літієвих батарей наведено на малюнку 4.

Малюнок 4. Зовнішній вигляд літієвих елементів живлення

Слід зазначити, що практично всі гальванічні елементи здатні заряджатися від мережевих джерел живлення. виняток становлять літієві батарейки, які при спробі підзарядки можуть вибухнути.

Для застосування в різних пристроях батарейки були стандартизовані. Найбільш поширені види корпусів гальванічних елементів наведені в таблиці 2.

Для кріплення батарейок всередині корпусу радіоелектронних пристроїв в даний час пропонуються готові батарейні відсіки. Застосування їх дозволяє значно спростити розробку корпусу радіоелектронного пристрою і здешевити його виробництво. Зовнішній вигляд деяких з них наведено на малюнку 5.

Малюнок 5. Зовнішній вигляд відсіків для кріплення гальванічних елементів живлення

Перше питання, яке хвилює покупців батарейок - це час їх роботи. Воно залежить від технології виробництва гальванічного елемента. Графік типовий залежності вихідної напруги від технології виробництва елемента живлення наведено на малюнку 5.

Малюнок 6. Графік часу роботи елемента живлення в залежності від технології виробництва при струмі розряду 1 А

Результати тестів батарейок різних фірм, проведені на сайті http://www.batteryshowdown.com/ наведені на малюнку 7.

Малюнок 7. Графік часу роботи батарей різних фірм при струмі розряду 1 А

І, нарешті, давайте зробимо висновки де який тип батарейок має сенс застосовувати, так як при придбанні батарейок ми завжди намагаємося отримати максимум корисного ефекту при мінімумі витрат.

Не варто купувати батарейки в кіосках або на ринку. Зазвичай вони там досить довго лежать і тому за рахунок саморозряду практично втрачають свою ємність. Це може бути навіть небезпечно для апаратури, тому що при використанні дешевих гальванічних елементів (батарейок) з них може протекти електроліт. Це призведе до виходу апаратури з ладу! Купувати краще в магазинах з хорошим оборотом товару.
лужні (алкалінові) батарейки слід застосовувати в пристроях, які споживають досить великий струм, таких як ліхтарики, плеєри або фотоапарати. У малопотребляющіх пристроях їх термін роботи не відрізняється від сольових батарейок.
Сольові ( «звичайні», вугільно-цинкові гальванічні елементи), будуть відмінно працювати в годинах, ІК пультах і інших пристроях, розрахованих на роботу від одного комплекту батарей протягом року і більше. При цьому вони не можуть працювати на морозі.
Самі економічно вигідні батарейки на сьогодні - пальчикові АА. Як мізинчикові (АAА), так і великі (R20), при одній і тій же ємності коштують дорожче. Ємність сучасних батарейок R20 майже така ж як і пальчикових батарейок АА, і це при в три рази більших розмірах!
Не варто звертати увагу на розкручені бренди. Гальванічні елементи фірм Duracell і Energizer стоять в півтора-два рази дорожче батарейок інших фірм і при цьому працюють приблизно стільки ж