Domaća galvanska ćelija za autonomno napajanje. Karakteristike nekih vrsta galvanskih ćelija i njihove kratke karakteristike Galvanske ćelije koje se koriste u radu
Preduvjeti za nastanak galvanskih ćelija. Malo istorije. Godine 1786. talijanski profesor medicine, fiziolog Luigi Aloisio Galvani otkrio je zanimljiv fenomen: mišići stražnjih nogu svježe otvorenog leša žabe, obješeni na bakrene kuke, skupili su se kada ih je naučnik dodirnuo čeličnim skalpelom. Galvani je odmah zaključio da se radi o manifestaciji "životinjskog elektriciteta".
Nakon Galvanijeve smrti, njegov savremenik Alessandro Volta, kao hemičar i fizičar, opisao bi i javno demonstrirao realističniji mehanizam za stvaranje električne struje kada različiti metali dođu u kontakt.
Volta će nakon niza eksperimenata doći do nedvosmislenog zaključka da se struja pojavljuje u strujnom kolu zbog prisustva u njemu dva provodnika od različitih metala smještenih u tekućini, a to uopće nije "životinjski elektricitet", kako kaže Galvani mislio. Trzanje žabljih nogu bilo je posljedica djelovanja struje koja nastaje dodirom različitih metala (bakrene kuke i čelični skalpel).
Volta će pokazati iste fenomene koje je Galvani demonstrirao na mrtvoj žabi, ali na potpuno neživom domaćem elektrometru, te će 1800. dati precizno objašnjenje za nastanak struje: „provodnik druge klase (tečnost) je u sredini i u kontaktu je sa dva provodnika prve klase od dva različita metala... Kao rezultat toga, električna struja nastaje u jednom ili drugom pravcu.”
U jednom od svojih prvih eksperimenata, Volta je umočio dvije ploče - cink i bakar - u teglu kiseline i povezao ih žicom. Nakon toga, cink ploča je počela da se otapa, a na bakrenom čeliku su se pojavili mjehurići plina. Volta je predložio i dokazao da električna struja teče kroz žicu.
Tako je izmišljen "Volta element" - prva galvanska ćelija. Radi praktičnosti, Volta mu je dao oblik okomitog cilindra (stupa), koji se sastoji od međusobno povezanih prstenova od cinka, bakra i tkanine, natopljenih kiselinom. Naponski stub visok pola metra stvarao je napon koji je bio osjetljiv na ljude.
Budući da je istraživanje započeo Luigi Galvani, ime je zadržalo uspomenu na njega u svom imenu.
Galvanska ćelija je hemijski izvor električne struje zasnovan na interakciji dva metala i/ili njihovih oksida u elektrolitu, što dovodi do pojave električne struje u zatvorenom kolu. Tako se u galvanskim ćelijama hemijska energija pretvara u električnu energiju.
Galvanske ćelije danas
Danas se galvanske ćelije nazivaju baterijama. U širokoj su upotrebi tri vrste baterija: slane (suhe), alkalne (nazivaju se i alkalne, „alkalne“ u prevodu sa engleskog kao „alkalne“) i litijumske. Princip njihovog rada je isti kao što je opisao Volta 1800: dva metala, a električna struja nastaje u vanjskom zatvorenom kolu.
Napon baterije zavisi kako od metala koji se koriste, tako i od broja elemenata u „bateriji“. Baterije, za razliku od akumulatora, nisu sposobne da povrate svoja svojstva, jer direktno pretvaraju hemijsku energiju, odnosno energiju reagensa koji čine bateriju (reduktor i oksidant), u električnu energiju.
Reagensi koji se nalaze u bateriji troše se tokom njenog rada, a struja se postepeno smanjuje, tako da djelovanje izvora prestaje nakon što reagensi potpuno reagiraju.
Alkalne i slane ćelije (baterije) se široko koriste za napajanje raznih elektronskih uređaja, radio opreme, igračaka, a litijumske se najčešće mogu naći u prenosivim medicinskim uređajima kao što su glukometri ili u digitalnoj opremi kao što su kamere.
Mangan-cink ćelije, koje se nazivaju slane baterije, su "suhe" galvanske ćelije koje ne sadrže tekući rastvor elektrolita.
Cinkova elektroda (+) je katoda u obliku stakla, a anoda je praškasta mješavina mangan dioksida i grafita. Struja teče kroz grafitnu šipku. Elektrolit je pasta od rastvora amonijum hlorida sa dodatkom škroba ili brašna da se zgusne tako da ništa ne teče.
Proizvođači baterija obično ne navode tačan sastav slanih ćelija, međutim, slane baterije su najjeftinije, obično se koriste u uređajima gdje je potrošnja energije izuzetno niska: u satovima, u daljinskim upravljačima daljinski upravljač, u elektronskim termometrima itd.
Koncept "nominalnog kapaciteta" rijetko se koristi za karakterizaciju cink-manganskih baterija, jer njihov kapacitet uvelike ovisi o načinima rada i uvjetima. Glavni nedostaci ovih elemenata su značajna brzina pada napona tokom čitavog pražnjenja i značajno smanjenje isporučenog kapaciteta sa povećanjem struje pražnjenja. Konačni napon pražnjenja se postavlja ovisno o opterećenju u rasponu od 0,7-1,0 V.
Nije važna samo veličina struje pražnjenja, već i vremenski raspored opterećenja. Sa povremenim pražnjenjem pri visokim i srednjim strujama, performanse baterija se značajno povećavaju u odnosu na kontinuirani rad. Međutim, pri niskim strujama pražnjenja i višemjesečnim prekidima u radu, njihov kapacitet se može smanjiti kao rezultat samopražnjenja.
Gornji grafikon prikazuje krivulje pražnjenja za prosječnu solnu bateriju za 4, 10, 20 i 40 sati za poređenje sa alkalnom baterijom, o čemu će biti riječi kasnije.
Alkalna baterija je mangan-cink voltaična baterija koja koristi mangan dioksid kao katodu, cink u prahu kao anodu i alkalni rastvor, obično u obliku paste kalijum hidroksida, kao elektrolit.
Ove baterije imaju niz prednosti (posebno značajno veći kapacitet, najbolji posao pri niskim temperaturama i pri visokim strujama opterećenja).
Alkalne baterije, u poređenju sa slanim baterijama, mogu pružiti veću struju tokom dužeg vremenskog perioda. Veća struja postaje moguća jer se cink ovdje ne koristi u obliku stakla, već u obliku praha koji ima veću površinu dodira sa elektrolitom. Kao elektrolit koristi se kalijum hidroksid u obliku paste.
Upravo zahvaljujući sposobnosti ove vrste galvanskih ćelija da isporučuju značajnu struju (do 1 A) dugo vremena, alkalne baterije su danas najčešće.
U električnim igračkama, u prenosivoj medicinskoj opremi, u elektronskih uređaja, u fotoaparatima - svuda se koriste alkalne baterije. Traju 1,5 puta duže od slanih ako je pražnjenje slabe struje. Grafikon prikazuje krivulje pražnjenja pri različitim strujama za poređenje sa slanom baterijom (grafikon je prikazan gore) za 4, 10, 20 i 40 sati.
Litijumske baterije
Još jedan prilično uobičajen tip naponskih ćelija su litijumske baterije - pojedinačne nepunjive voltaične ćelije koje koriste litijum ili njegove spojeve kao anodu. Zahvaljujući upotrebi alkalni metal imaju veliku potencijalnu razliku.
Katoda i elektrolit litijumske ćelije mogu biti veoma različiti, tako da izraz "litijumska ćelija" kombinuje grupu ćelija sa istim anodnim materijalom. Na primjer, mangan dioksid, ugljen monofluorid, pirit, tionil hlorid itd. mogu se koristiti kao katoda.
Litijumske baterije se razlikuju od ostalih baterija po dugom radnom veku i visokoj ceni. Ovisno o odabranoj veličini i korištenoj hemiji, litijumska baterija može proizvoditi napon od 1,5 V (kompatibilno s alkalnim baterijama) do 3,7 V.
Ove baterije imaju najveći kapacitet po jedinici težine i dugi vijek trajanja. Litijumske ćelije se široko koriste u modernim prenosivim uređajima elektronska tehnologija: za napajanje sata matične ploče kompjuteri, za napajanje prijenosnih medicinskih uređaja, ručnih satova, kalkulatora, fotografske opreme itd.
Gornji grafikon prikazuje krivulje pražnjenja za dvije litijumske baterije dva popularna proizvođača. Početna struja je bila 120 mA (po otporniku od oko 24 Ohma).
Različite vrste galvanskih ćelija pretvaraju svoju hemijsku energiju u električnu struju. Ime su dobili u čast italijanskog naučnika Galvanija, koji je izveo prve takve eksperimente i istraživanja. Električna energija nastaje hemijskom reakcijom dva metala (obično cinka i bakra) u elektrolitu.
Princip rada
Naučnici su stavili bakar i cink ploču u posude s kiselinom. Spojeni su vodičem, na prvom su se formirali mjehurići plina, a drugi su se počeli rastvarati. Time je dokazano da električna struja teče kroz provodnik. Nakon Galvanija, Volt se bavio eksperimentima. Stvorio je cilindrični element, sličan vertikalnom stupu. Sastojao se od prstenova od cinka, bakra i tkanine, prethodno impregniranih kiselinom. Prvi element imao je visinu od 50 cm, a napon koji je generirao je osjetila osoba.
Princip rada je da dvije vrste metala u elektrolitičkom mediju međusobno djeluju, zbog čega struja počinje teći kroz vanjski krug. Moderne galvanske ćelije i baterije nazivaju se baterijama. Njihov napon zavisi od metala koji se koristi. Uređaj je smešten u cilindar od mekog lima. Elektrode su mrežaste s oksidativnim i redukcijskim raspršivanjem.
Pretvaranje hemijske energije u električnu eliminiše mogućnost vraćanja svojstava baterija. Uostalom, kada element radi, reagensi se troše, što uzrokuje smanjenje struje. Redukciono sredstvo je obično negativno olovo iz litija ili cinka. Tokom rada gubi elektrone. Pozitivni dio je napravljen od soli metala ili magnezijevog oksida, obavlja rad oksidacijskog sredstva.
U normalnim uslovima, elektrolit ne dozvoljava da struja prođe kroz njega, raspada se na jone samo kada je kolo zatvoreno. To je ono što uzrokuje pojavu provodljivosti. Kao elektrolit koriste se kiseli rastvori, soli natrijuma ili kalija.
Vrste elemenata
Baterije se koriste za napajanje uređaja, uređaja, opreme i igračaka. Prema shemi, svi galvanski elementi podijeljeni su u nekoliko tipova:
- slani rastvor;
- alkalne;
- litijum
Najpopularnije su slane baterije od cinka i mangana. Element kombinira pouzdanost, kvalitetu i razumnu cijenu. Ali unutra u poslednje vreme Proizvođači smanjuju ili potpuno zaustavljaju svoju proizvodnju, jer kompanije koje proizvode kućanske aparate postepeno povećavaju svoje zahtjeve za njima. Glavne prednosti galvanskih baterija ovog tipa:
- univerzalni parametri koji omogućavaju njihovu upotrebu u različitim područjima;
- jednostavno rukovanje;
- niska cijena;
- jednostavnim uslovima proizvodnja;
- pristupačne i jeftine sirovine.
Među nedostacima su kratak vijek trajanja (ne više od dvije godine), smanjenje svojstava zbog niskih temperatura, smanjenje kapaciteta s povećanjem struje i smanjenje napona tijekom rada. Kada se slane baterije isprazne, mogu procuriti jer pozitivni volumen elektrode istiskuje elektrolit. Provodljivost povećavaju grafit i čađa, aktivna smjesa se sastoji od mangan-dioksida. Vijek trajanja direktno ovisi o zapremini elektrolita.
Prvi alkalni elementi pojavili su se u prošlom veku. Ulogu oksidacionog sredstva u njima igra mangan, a redukciono sredstvo je cink u prahu. Tijelo baterije je spojeno kako bi se spriječila korozija. Ali upotreba žive je bila zabranjena, pa su premazani mješavinama cinkovog praha i inhibitora rđe.
Aktivna tvar u uređaju galvanske ćelije je to su cink, indijum, olovo i aluminijum. Aktivna masa uključuje čađ, mangan i grafit. Elektrolit je napravljen od kalijuma i natrijuma. Suhi prah značajno poboljšava performanse baterije. Sa istim dimenzijama kao i vrste soli, alkalne imaju veći kapacitet. Nastavljaju dobro raditi čak i pri jakom mrazu.
Litijumske ćelije se koriste za napajanje moderne tehnologije. Proizvode se u obliku baterija i akumulatora različitih veličina. Prvi sadrže čvrsti elektrolit, dok drugi uređaji sadrže tečni elektrolit. Ova opcija je pogodna za uređaje koji zahtijevaju stabilan napon i srednje strujno punjenje. Litijumske baterije se mogu puniti nekoliko puta, baterije se koriste samo jednom, ne otvaraju se.
Opseg primjene
Postoji niz zahtjeva za proizvodnju galvanskih ćelija. Kućište baterije mora biti pouzdano i zapečaćeno. Elektrolit ne smije iscuriti, a stranim tvarima ne smije se dozvoliti da uđu u uređaj. U nekim slučajevima, kada tečnost iscuri, ona će se zapaliti. Oštećena stvar se ne može koristiti. Dimenzije svih baterija su skoro iste, samo se veličine baterija razlikuju. Elementi mogu imati različite oblike: cilindrični, prizmatični ili disk.
Svi tipovi uređaja imaju zajedničke prednosti: kompaktni su i male težine, prilagođeni različitim radnim temperaturnim rasponima, imaju veliki kapacitet i stabilno rade u različitim uvjetima. Postoje i neki nedostaci, ali se odnose na određene vrste elemenata. Slani ne traju dugo, litijumski su dizajnirani tako da se mogu zapaliti ako su pod pritiskom.
Primjene baterija su brojne:
- digitalna tehnologija;
- Dječje igračke;
- medicinski uređaji;
- odbrambena i vazduhoplovna industrija;
- svemirska proizvodnja.
Galvanske ćelije su jednostavne za upotrebu i pristupačne. Ali nekim tipovima treba pažljivo rukovati i ne koristiti ih ako su oštećeni. Prije kupovine baterija treba pažljivo proučiti upute za uređaj koji će napajati.
Kyzyl, TSU
SAŽETAK
Tema: "Galvanske ćelije. Baterije."
Sastavila: Spiridonova V.A.
I godina, IV gr., FMF
Provjerio: Kendivan O.D.
2001
I. Uvod
II. Galvanski izvori struje
1. Vrste galvanskih ćelija
III. Baterije
1. Kisela
2. Alkalna
3. Zapečaćeni nikl-kadmijum
4. Zapečaćeno
5. Baterije “DRYFIT” tehnologije
UVOD
Hemijski izvori struje (CHS) dugi niz godina
čvrsto ušao u naše živote. U svakodnevnom životu potrošač rijetko obraća pažnju
obratiti pažnju na razlike između korištenih HIT-a. Za njega su to baterije i
baterije. Obično se koriste u uređajima kao što su
baterijske lampe, igračke, radio ili automobile.
U slučaju kada je potrošnja energije relativno
je velika (10Ah), koriste se baterije, uglavnom kisele,
kao i nikl-gvožđe i nikl-kadmijum. Koriste se u
prenosivi računari (Laptop, Notebook, Palmtop), nosivi uređaji
komunikacije, rasvjeta za hitne slučajeve itd.
Posljednjih godina takve su baterije naširoko korištene u
rezervna napajanja za kompjutere i elektromehanička
sistemi koji skladište energiju za moguća vršna opterećenja
i hitno napajanje vitalnih sistema.
IZVORI GALVANSKE STRUJE
Jednokratni izvori galvanske struje
predstavljaju jedinstveni kontejner u kome
sadrži elektrolit koji apsorbuje aktivni materijal
separator, i elektrode (anoda i katoda), zbog čega se i zovu
suvi elementi. Ovaj izraz se koristi u vezi sa
sve ćelije koje ne sadrže tečni elektrolit. Za obične
Suhi elementi uključuju ugljenik-cink elemente.
Suhe ćelije se koriste za niske struje i povremene
režimi rada. Stoga se takvi elementi široko koriste u
telefonski aparati, igračke, alarmni sistemi itd.
Djelovanje bilo koje galvanske ćelije temelji se na pojavi redoks reakcije u njoj. U svom najjednostavnijem obliku, galvanska ćelija se sastoji od dvije ploče ili šipke napravljene od različitih metala i uronjene u otopinu elektrolita. Takav sistem omogućava prostorno odvajanje redoks reakcije: oksidacija se događa na jednom metalu, a redukcija na drugom. Tako se elektroni prenose sa redukcionog sredstva na oksidaciono sredstvo kroz spoljašnji krug.
Uzmimo, kao primjer, bakar-cink galvansku ćeliju, koju pokreće energija gornje reakcije između cinka i bakar sulfata. Ova ćelija (Jacobi-Daniel ćelija) sastoji se od bakarne ploče uronjene u rastvor bakar sulfata (bakarna elektroda) i cinkove ploče uronjene u rastvor cink sulfata (cinkova elektroda). Obje otopine su u kontaktu jedna s drugom, ali da bi se spriječilo miješanje razdvojene su pregradom od poroznog materijala.
Kada element radi, tj. kada je lanac zatvoren, cink se oksidira: na površini njegovog kontakta s otopinom, atomi cinka se pretvaraju u ione i, kada se hidratiziraju, prelaze u otopinu. Elektroni oslobođeni u ovom slučaju kreću se duž vanjskog kola do bakrene elektrode. Čitav skup ovih procesa shematski je predstavljen jednadžbom polu-reakcije, ili elektrohemijskom jednačinom:
Na bakarnoj elektrodi dolazi do redukcije jona bakra. Elektroni koji dolaze ovamo iz cinkove elektrode kombinuju se sa dehidrirajućim ionima bakra koji izlaze iz rastvora; atomi bakra se formiraju i oslobađaju kao metal. Odgovarajuća elektrohemijska jednačina je:
Ukupna jednačina reakcije koja se odvija u elementu dobija se zbrajanjem jednadžbi obe polureakcije. Dakle, tokom rada galvanske ćelije, elektroni iz redukcijskog agensa prolaze do oksidacijskog sredstva kroz vanjsko kolo, na elektrodama se odvijaju elektrohemijski procesi, a u otopini se opaža usmjereno kretanje iona.
Elektroda na kojoj dolazi do oksidacije naziva se anoda (cink). Elektroda na kojoj dolazi do redukcije naziva se katoda (bakar).
U principu, svaka redoks reakcija može proizvesti električnu energiju. Međutim, broj reakcija
praktično koristi u hemijskim izvorima električne energije je mala. To je zbog činjenice da svaka redoks reakcija ne omogućava stvaranje galvanske ćelije s tehnički vrijednim svojstvima. Osim toga, mnoge redoks reakcije zahtijevaju potrošnju skupih supstanci.
Za razliku od bakarno-cink ćelije, sve moderne galvanske ćelije i baterije koriste ne dva, već jedan elektrolit; Takvi izvori struje su mnogo praktičniji za korištenje.
VRSTE GALVANSKIH ĆELIJA
Ugljično-cink elementi
Ugalj-cink elementi (mangan-cink) su
najčešći suvi elementi. U ugljen-cink
elementi koriste pasivni (ugljenični) kolektor struje u
kontakt sa anodom od mangan-dioksida (MnO2), elektrolitom od
amonijum hlorid i cink katoda. Elektrolit je unutra
pasta formira ili impregnira poroznu dijafragmu.
Takav elektrolit nije jako pokretljiv i ne širi se, dakle
elementi se nazivaju suvi.
Ugalj-cink elementi se „obnavljaju“ tokom
pauza od posla. Ova pojava je posljedica postupnosti
poravnanje lokalnih nehomogenosti u kompoziciji
elektrolita koji nastaje tokom procesa pražnjenja. Kao rezultat
periodično "odmor" produžava se vijek trajanja elementa.
Prednost ugljenik-cink elemenata je njihova
relativno niske cijene. Na značajne nedostatke
treba uključiti značajno smanjenje napona tokom pražnjenja,
niska specifična snaga (5...10 W/kg) i kratak vijek trajanja
skladištenje
Niske temperature smanjuju efikasnost
galvanske ćelije, a unutrašnje grijanje baterije je
povećava. Povećanje temperature uzrokuje hemijsku koroziju cinkove elektrode vodom koja se nalazi u elektrolitu i isušivanje elektrolita. Ovi faktori se mogu donekle nadoknaditi držanjem baterije na povišenim temperaturama i unošenjem fiziološkog rastvora u ćeliju kroz unapred napravljenu rupu.
Alkalni elementi
Poput ćelija ugljenik-cink, alkalne ćelije koriste MnO2 anodu i cink katodu sa odvojenim elektrolitom.
Razlika između alkalnih i ugljično-cink elemenata je
u upotrebi alkalnog elektrolita, kao rezultat toga
Praktično nema emisije gasova tokom pražnjenja, a mogu biti
biti zapečaćeni, što je za mnoge od njih veoma važno
aplikacije.
Elementi žive
Elementi žive su veoma slični alkalnim elementima. U njima
Koristi se živin oksid (HgO). Katoda se sastoji od mješavine praha
cink i živa. Anoda i katoda su odvojene separatorom i dijafragmom,
natopljen u 40% rastvor alkalije.
Pošto je živa oskudna i toksična, elementi žive nisu
treba baciti nakon što se u potpunosti iskoriste. Trebali bi
idite na reciklažu.
Srebrni elementi
Imaju "srebrne" katode napravljene od Ag2O i AgO.
Litijumske ćelije
Koriste litijumske anode, organski elektrolit
i katode od raznih materijala. Imaju veoma velike
rok trajanja, visoke gustoće energije i operativnost
u širokom temperaturnom rasponu jer ne sadrže vodu.
Budući da litijum ima najveći negativni potencijal
u odnosu na sve metale, litijumske elemente
karakterizira najveći nazivni napon na
minimalne dimenzije.
Jonska provodljivost se osigurava uvođenjem u
Rastvarači soli sa velikim anjonima.
Nedostaci litijumskih ćelija uključuju njihovu
relativno visoka cijena zbog visoke cijene
litijuma, posebni zahtjevi za njihovu proizvodnju (potreba
inertna atmosfera, prečišćavanje nevodenih rastvarača). Trebalo bi
Također uzmite u obzir da neke litijumske ćelije kada su
su eksplozivne ako se otvore.
Litijumske ćelije se široko koriste u rezervnim izvorima napajanja za memorijska kola, merne instrumente i druge visokotehnološke sisteme.
BATERIJE
Baterije su hemijski izvori
višekratnu električnu energiju. Oni se sastoje od
dvije elektrode (pozitivna i negativna), elektrolit
i trupovi. Do akumulacije energije u bateriji dolazi kada
pojava hemijske oksidaciono-redukcione reakcije
elektrode. Kada se baterija isprazni, dešava se obrnuto
procesi. Napon baterije je razlika potencijala
između polova baterije pri fiksnom opterećenju.
Da bi se dobile dovoljno velike vrijednosti napona ili
punjenja, pojedinačne baterije su međusobno povezane
serijski ili paralelno sa baterijama. Postoji broj
opšteprihvaćeni naponi za baterije: 2; 4; 6;
Ograničićemo se na razmatranje sledećih baterija:
kiselinske baterije izrađene po tradicionalnoj
tehnologije;
stacionarni provod i pogon (automobilski i
traktor);
zapečaćene baterije bez održavanja, zapečaćene
nikl-kadmijum i kiseli "dryfit" A400 i A500 (želeast
elektrolit).
AKID BATERIJE
Kao primjer, uzmite olovno-kiselinsku bateriju spremnu za upotrebu. Sastoji se od rešetkastih olovnih ploča, od kojih su neke punjene olovnim dioksidom, a druge metalnim spužvastim olovom. Ploče su uronjene u 35-40% rastvor H2SO4; pri ovoj koncentraciji specifična električna provodljivost otopine sumporne kiseline je maksimalna.
Kada baterija radi - kada se isprazni - u njoj se javlja oksidaciono-redukciona reakcija, tokom koje se metalno olovo oksidira:
Pb + SO4= PbSO4 + 2e-
I olovni dioksid se smanjuje:
Pb + SO4 + 4H+ + 2e- = PbSO4 + 2H2O
Elektrone koje odaju metalni atomi olova tokom oksidacije prihvataju atomi olova PbO2 tokom redukcije; elektroni se prenose s jedne elektrode na drugu preko vanjskog kola.
Dakle, olovni metal služi kao anoda u olovnoj bateriji i negativno je nabijen, a PbO2 služi kao katoda i pozitivno je nabijen.
U unutrašnjem kolu (u rastvoru H2SO4) dolazi do prenosa jona tokom rada baterije. Joni SO42 se kreću prema anodi, a H+ joni se kreću prema katodi. Smjer ovog kretanja određen je električnim poljem koje nastaje uslijed pojave elektrodnih procesa: anioni se troše na anodi, a kationi na katodi. Kao rezultat, rješenje ostaje električno neutralno.
Ako zbrojimo jednadžbe koje odgovaraju oksidaciji olova i redukciji PbO2, dobićemo ukupnu reakcijsku jednačinu,
curenje iz olovne baterije tokom njenog rada (pražnjenje):
Pb + PbO2 + 4H+ + 2SO4 = 2PbSO4 + 2H2O
E.m.f. napunjene olovne baterije je približno 2V. Kako se baterija prazni, njeni katodni (PbO2) i anodni (Pb) materijali se troše. Takođe se konzumira i sumporna kiselina. Istovremeno, napon na terminalima baterije opada. Kada postane manja od vrijednosti koju dozvoljavaju radni uvjeti, baterija se ponovo puni.
Za punjenje (ili punjenje), baterija je povezana na vanjski izvor struje (plus na plus i minus na minus). U tom slučaju struja teče kroz bateriju u smjeru suprotnom od onog u kojem je prošla kada se baterija ispraznila. Kao rezultat toga, elektrohemijski procesi na elektrodama su „obrnuti“. Olovna elektroda sada prolazi kroz proces redukcije
PbSO4 + 2e- = Pb + SO4
one. Ova elektroda postaje katoda. Proces oksidacije se odvija na PbO2 elektrodi
PbSO4 + 2H2O = PbO2 + 4H+ + 2e-
stoga je ova elektroda sada anoda. Joni u otopini kreću se u smjerovima suprotnim od onih u kojima su se kretali dok je baterija radila.
Zbrajanjem zadnje dvije jednačine dobijamo jednačinu za reakciju koja se javlja pri punjenju baterije:
2PbSO4 + 2H2O = Pb + PbO2 + 4H+ + 2SO4
Lako je uočiti da je ovaj proces suprotan onome koji se dešava kada baterija radi: kada se baterija napuni, ona ponovo proizvodi supstance neophodne za njen rad.
Olovne baterije se obično spajaju u bateriju, koja
postavljen u monoblok od ebonita, termoplasta, polipropilena,
polistiren, polietilen, sastav asfaltne smole, keramika
ili staklo.
Jedna od najvažnijih karakteristika baterije je
vijek trajanja ili vijek trajanja (broj ciklusa). Pogoršanje
parametri baterije i kvar su prvenstveno uzrokovani
red korozije rešetke i klizanja aktivne mase
pozitivna elektroda. Trajanje baterije je određeno
prvenstveno po vrsti pozitivnih ploča i uslovima
operacija.
Poboljšanja u olovnim baterijama su na pravom putu
istraživanje novih legura za rešetke (na primjer, olovo-kalcij), laganih i izdržljivih materijala za kućište
(na primjer, na bazi propilen-etilen kopolimera), poboljšanja
kvaliteta separatora.
ALKALNE BATERIJE
Srebro-cink.
imati dobro električne karakteristike, imaju malu masu i zapreminu. Elektrode u njima su srebrni oksidi Ag2O, AgO (katoda) i sunđer cink (anoda); Elektrolit je rastvor KOH.
Tokom rada baterije, cink se oksidira, pretvarajući se u ZnO i Zn(OH)2, a srebrni oksid se reducira u metal. Ukupna reakcija koja se javlja kada se baterija isprazni može se približno izraziti jednadžbom:
AgO + Zn = Ag + ZnO
E.m.f. napunjene srebrno-cink baterije je približno 1,85 V. Kada napon padne na 1,25 V, baterija se puni. U ovom slučaju, procesi na elektrodama su "obrnuti": cink se reducira, srebro se oksidira - ponovo se dobivaju tvari potrebne za rad baterije.
Kadmijum-nikl i gvožđe-nikl.
CN i ZHN su vrlo slični jedni drugima. Njihova glavna razlika je materijal ploča negativnih elektroda; u KN baterijama su kadmijum, a u ZhN baterijama su gvožđe. KN baterije su najčešće korištene.
Alkalne baterije se uglavnom proizvode sa lamelnim elektrodama. U njima su aktivne mase zatvorene u lamele - ravne kutije s rupama. Aktivna masa pozitivnih ploča napunjene baterije uglavnom se sastoji od hidratiziranog nikl oksida (Ni) Ni2O3 x H2O ili NiOOH. Osim toga, sadrži grafit koji se dodaje radi povećanja električne provodljivosti. Aktivna masa negativnih ploča KN baterija sastoji se od mješavine spužvastog kadmija sa željeznim prahom, a ZhN baterija - od reduciranog željeznog praha. Elektrolit je rastvor kalijum hidroksida koji sadrži malu količinu LiOH.
Razmotrimo procese koji se dešavaju tokom rada KN baterije. Kada se baterija isprazni, kadmijum oksidira.
Cd + 2OH- = Cd(OH)2 + 2e-
I NiOOH se obnavlja:
2NiOOH + 2H2O + 2e- = 2Ni(OH)2 + 2OH-
U ovom slučaju, elektroni se prenose sa kadmijumske elektrode na niklovanu elektrodu duž spoljašnjeg kola. Kadmijumska elektroda služi kao anoda i negativno je nabijena, a niklova elektroda služi kao katoda i pozitivno je nabijena.
Ukupna reakcija koja se dešava u KN bateriji tokom njenog rada može se izraziti jednadžbom koja se dobija dodavanjem poslednje dve elektrohemijske jednačine:
2NiOOH + 2H2O + Cd = 2NI(OH)2 + CD(OH)2
E.m.f. napunjene nikl-kadmijum baterije je približno 1,4 V. Kako baterija radi (prazni se), napon na njenim terminalima opada. Kada padne ispod 1V, baterija se puni.
Prilikom punjenja baterije, elektrohemijski procesi na njenim elektrodama su "obrnuti". Redukcija metala se dešava na kadmijumskoj elektrodi
Cd(OH)2 + 2e- = CD + 2OH-
O niklu - oksidacija nikal hidroksida (P):
2Ni(OH)2 + 2OH- = 2NiOOH + 2H2O + 2e-
Ukupna reakcija tokom punjenja je suprotna od reakcije koja se dešava tokom pražnjenja:
2Ni(OH)2 + Cd(OH)2 = 2NiOOH + 2H2O + Cd
ZAPTVORENE NIKL-KADMIJUMSKE BATERIJE
Posebna grupa nikl-kadmijumskih baterija su zapečaćene baterije. Kiseonik koji se oslobađa na kraju punjenja oksidira kadmijum, tako da se pritisak u bateriji ne povećava. Brzina stvaranja kisika trebala bi biti niska, tako da se baterija puni relativno malom strujom.
Zapečaćene baterije se dele na diskove,
cilindrične i pravougaone.
Zapečaćene pravougaone nikl-kadmijumske baterije
proizvode se s negativnim nekermet elektrodama od kadmij oksida ili sa cermet kadmij elektrodama.
ZAŠTITNE BATERIJE
Široko korišćene kiselinske baterije,
izvršeno prema klasična tehnologija, izazvati mnogo problema
i imaju štetan uticaj na ljude i opremu. Oni su najviše
jeftini, ali zahtijevaju dodatne troškove za njihovo održavanje,
posebne prostorije i osoblje.
BATERIJE "DRYFIT" TEHNOLOGIJE
Najprikladniji i najsigurniji od kiselih baterija
su potpuno zatvorene baterije koje ne zahtijevaju održavanje
VRLA (Valve Regulated Lead Acid) proizvedena upotrebom tehnologije
"dryfit". Elektrolit u ovim baterijama je u želeastom stanju. Ovo garantuje pouzdanost baterija i sigurnost njihovog rada.
REFERENCE:
1. Deordiev S.S.
Baterije i njihova briga.
K.: Tehnika, 1985. 136 str.
2. Elektrotehnički priručnik.
U 3 sveske T.2. Električni proizvodi i uređaji/pod
ukupno ed. profesori Moskovskog energetskog instituta (glavni urednik I.N. Orlov) i drugi 7. izd. 6corr. i dodatne
M.: Energoatomizdat, 1986. 712 str.
3. N.L.Glinka.
Opća hemija.
Izdavačka kuća "Hemija" 1977.
4. Bagotsky V.S., Skundin A.M.
Hemijski izvori struje.
M.: Energoizdat, 1981. 360 str.
Da bi se napravio dijagram galvanske ćelije, potrebno je razumjeti princip njegovog rada i strukturne karakteristike.
Potrošači rijetko obraćaju pažnju na baterije i punjive baterije, iako su to najpopularniji izvori napajanja.
Hemijski izvori struje
Šta je galvanska ćelija? Njegov krug se zasniva na elektrolitu. Uređaj uključuje malu posudu u kojoj se nalazi elektrolit, koji se adsorbira separatorom. Osim toga, dijagram dvije galvanske ćelije pretpostavlja prisustvo Kako se zove takva galvanska ćelija? Shema koja povezuje dva metala zajedno pretpostavlja prisustvo oksidaciono-redukcione reakcije.
Najjednostavnija galvanska ćelija
Uključuje prisustvo dvije ploče ili šipke napravljene od različitih metala, koje su uronjene u otopinu jakog elektrolita. Tokom rada ove galvanske ćelije, na anodi se javlja proces oksidacije, povezan sa oslobađanjem elektrona.
Na katodi - redukcija, praćena prihvatanjem negativnih čestica. Elektroni se prenose kroz eksterno kolo do oksidacionog sredstva iz redukcionog sredstva.
Primjer galvanske ćelije
Da bi komponovao elektronska kola galvanskih ćelija, potrebno je znati vrijednost njihovog standardnog elektrodnog potencijala. Analizirajmo varijantu bakar-cink galvanske ćelije koja radi na bazi energije oslobođene pri interakciji bakar sulfata sa cinkom.
Ova galvanska ćelija, čiji će dijagram biti dat u nastavku, naziva se Jacobi-Daniel element. Uključuje koji je uronjen u otopinu bakar sulfata (bakarna elektroda), a sastoji se i od cinkove ploče koja se nalazi u otopini njegovog sulfata (cinkova elektroda). Otopine dolaze u dodir jedna s drugom, ali kako bi se spriječilo njihovo miješanje, element koristi pregradu od poroznog materijala.
Princip rada
Kako radi galvanska ćelija čiji je krug Zn ½ ZnSO4 ½½ CuSO4 ½ Cu? Tokom rada, kada je zatvoren električni krug, dolazi do procesa oksidacije metalnog cinka.
Na njegovoj površini kontakta sa rastvorom soli primećuje se transformacija atoma u katione Zn2+. Proces je praćen oslobađanjem "slobodnih" elektrona, koji se kreću duž vanjskog kola.
Reakcija koja se odvija na cink elektrodi može se predstaviti na sljedeći način:
Redukcija metalnih kationa vrši se na bakrenoj elektrodi. Negativne čestice koje ovdje ulaze iz cinkove elektrode kombinuju se sa bakarnim kationima, taložeći ih u obliku metala. Ovaj proces ima sljedeći oblik:
Ako zbrojimo dvije gore diskutovane reakcije, dobićemo zbirnu jednačinu koja opisuje rad galvanske ćelije cink-bakar.
Cink elektroda služi kao anoda, a bakar kao katoda. Moderne galvanske ćelije i baterije zahtijevaju upotrebu jedne otopine elektrolita, što proširuje opseg njihove primjene i čini njihov rad ugodnijim i praktičnijim.
Vrste galvanskih ćelija
Najčešći su ugljenik-cink elementi. Koriste pasivni ugljenični kolektor struje u kontaktu sa anodom, a to je mangan oksid (4). Elektrolit je amonijum hlorid, koji se koristi u obliku paste.
Ne širi se, zbog čega se sama galvanska ćelija naziva suha. Njegova karakteristika je sposobnost "oporavka" tokom rada, što pozitivno utiče na trajanje njihovog operativnog perioda. Takve galvanske ćelije imaju nisku cijenu, ali malu snagu. Kako temperatura pada, oni smanjuju svoju efikasnost, a kako temperatura raste, elektrolit se postepeno suši.
Alkalne ćelije zahtijevaju korištenje alkalne otopine, tako da imaju dosta područja primjene.
U litijumskim ćelijama aktivni metal deluje kao anoda, što pozitivno utiče na životni vek. Litijum je negativan, stoga, sa malim dimenzijama, takvi elementi imaju maksimalni nazivni napon. Među nedostacima takvih sistema je visoka cijena. Otvaranje litijumskih izvora energije je eksplozivno.
Zaključak
Princip rada bilo koje galvanske ćelije zasniva se na redoks procesima koji se odvijaju na katodi i anodi. Ovisno o korištenom metalu i odabranoj otopini elektrolita mijenja se vijek trajanja elementa, kao i vrijednost nazivnog napona. Trenutno su tražene litijumske i kadmijske galvanske ćelije koje imaju prilično dug vijek trajanja.
Kyzyl, TSU
SAŽETAK
Tema: "Galvanske ćelije. Baterije."
Sastavila: Spiridonova V.A.
I godina, IV gr., FMF
Provjerio: Kendivan O.D.
2001
I. Uvod
II. Galvanski izvori struje
1. Vrste galvanskih ćelija
III. Baterije
1. Kisela
2. Alkalna
3. Zapečaćeni nikl-kadmijum
4. Zapečaćeno
5. Baterije “DRYFIT” tehnologije
UVOD
Hemijski izvori struje (CHS) dugi niz godina
čvrsto ušao u naše živote. U svakodnevnom životu potrošač rijetko obraća pažnju
obratiti pažnju na razlike između korištenih HIT-a. Za njega su to baterije i
baterije. Obično se koriste u uređajima kao što su
baterijske lampe, igračke, radio ili automobile.
U slučaju kada je potrošnja energije relativno
je velika (10Ah), koriste se baterije, uglavnom kisele,
kao i nikl-gvožđe i nikl-kadmijum. Koriste se u
prenosivi računari (Laptop, Notebook, Palmtop), nosivi uređaji
komunikacije, rasvjeta za hitne slučajeve itd.
Posljednjih godina takve su baterije naširoko korištene u
rezervna napajanja za kompjutere i elektromehanička
sistemi koji skladište energiju za moguća vršna opterećenja
i hitno napajanje vitalnih sistema.
IZVORI GALVANSKE STRUJE
Jednokratni izvori galvanske struje
predstavljaju jedinstveni kontejner u kome
sadrži elektrolit koji apsorbuje aktivni materijal
separator, i elektrode (anoda i katoda), zbog čega se i zovu
suvi elementi. Ovaj izraz se koristi u vezi sa
sve ćelije koje ne sadrže tečni elektrolit. Za obične
Suhi elementi uključuju ugljenik-cink elemente.
Suhe ćelije se koriste za niske struje i povremene
režimi rada. Stoga se takvi elementi široko koriste u
telefoni, igračke, alarmni sistemi itd.
Djelovanje bilo koje galvanske ćelije temelji se na pojavi redoks reakcije u njoj. U svom najjednostavnijem obliku, galvanska ćelija se sastoji od dvije ploče ili šipke napravljene od različitih metala i uronjene u otopinu elektrolita. Takav sistem omogućava prostorno odvajanje redoks reakcije: oksidacija se događa na jednom metalu, a redukcija na drugom. Tako se elektroni prenose sa redukcionog sredstva na oksidaciono sredstvo kroz spoljašnji krug.
Uzmimo, kao primjer, bakar-cink galvansku ćeliju, koju pokreće energija gornje reakcije između cinka i bakar sulfata. Ova ćelija (Jacobi-Daniel ćelija) sastoji se od bakarne ploče uronjene u rastvor bakar sulfata (bakarna elektroda) i cinkove ploče uronjene u rastvor cink sulfata (cinkova elektroda). Obje otopine su u kontaktu jedna s drugom, ali da bi se spriječilo miješanje razdvojene su pregradom od poroznog materijala.
Kada element radi, tj. kada je lanac zatvoren, cink se oksidira: na površini njegovog kontakta s otopinom, atomi cinka se pretvaraju u ione i, kada se hidratiziraju, prelaze u otopinu. Elektroni oslobođeni u ovom slučaju kreću se duž vanjskog kola do bakrene elektrode. Čitav skup ovih procesa shematski je predstavljen jednadžbom polu-reakcije, ili elektrohemijskom jednačinom:
Na bakarnoj elektrodi dolazi do redukcije jona bakra. Elektroni koji dolaze ovamo iz cinkove elektrode kombinuju se sa dehidrirajućim ionima bakra koji izlaze iz rastvora; atomi bakra se formiraju i oslobađaju kao metal. Odgovarajuća elektrohemijska jednačina je:
Ukupna jednačina reakcije koja se odvija u elementu dobija se zbrajanjem jednadžbi obe polureakcije. Dakle, tokom rada galvanske ćelije, elektroni iz redukcijskog agensa prolaze do oksidacijskog sredstva kroz vanjsko kolo, na elektrodama se odvijaju elektrohemijski procesi, a u otopini se opaža usmjereno kretanje iona.
Elektroda na kojoj dolazi do oksidacije naziva se anoda (cink). Elektroda na kojoj dolazi do redukcije naziva se katoda (bakar).
U principu, svaka redoks reakcija može proizvesti električnu energiju. Međutim, broj reakcija
praktično koristi u hemijskim izvorima električne energije je mala. To je zbog činjenice da svaka redoks reakcija ne omogućava stvaranje galvanske ćelije s tehnički vrijednim svojstvima. Osim toga, mnoge redoks reakcije zahtijevaju potrošnju skupih supstanci.
Za razliku od bakarno-cink ćelije, sve moderne galvanske ćelije i baterije koriste ne dva, već jedan elektrolit; Takvi izvori struje su mnogo praktičniji za korištenje.
VRSTE GALVANSKIH ĆELIJA
Ugljično-cink elementi
Ugalj-cink elementi (mangan-cink) su
najčešći suvi elementi. U ugljen-cink
elementi koriste pasivni (ugljenični) kolektor struje u
kontakt sa anodom od mangan-dioksida (MnO2), elektrolitom od
amonijum hlorid i cink katoda. Elektrolit je unutra
pasta formira ili impregnira poroznu dijafragmu.
Takav elektrolit nije jako pokretljiv i ne širi se, dakle
elementi se nazivaju suvi.
Ugalj-cink elementi se „obnavljaju“ tokom
pauza od posla. Ova pojava je posljedica postupnosti
poravnanje lokalnih nehomogenosti u kompoziciji
elektrolita koji nastaje tokom procesa pražnjenja. Kao rezultat
periodično "odmor" produžava se vijek trajanja elementa.
Prednost ugljenik-cink elemenata je njihova
relativno niske cijene. Na značajne nedostatke
treba uključiti značajno smanjenje napona tokom pražnjenja,
niska specifična snaga (5...10 W/kg) i kratak vijek trajanja
skladištenje
Niske temperature smanjuju efikasnost
galvanske ćelije, a unutrašnje grijanje baterije je
povećava. Povećanje temperature uzrokuje hemijsku koroziju cinkove elektrode vodom koja se nalazi u elektrolitu i isušivanje elektrolita. Ovi faktori se mogu donekle nadoknaditi držanjem baterije na povišenim temperaturama i unošenjem fiziološkog rastvora u ćeliju kroz unapred napravljenu rupu.
Alkalni elementi
Poput ćelija ugljenik-cink, alkalne ćelije koriste MnO2 anodu i cink katodu sa odvojenim elektrolitom.
Razlika između alkalnih i ugljično-cink elemenata je
u upotrebi alkalnog elektrolita, kao rezultat toga
Praktično nema emisije gasova tokom pražnjenja, a mogu biti
biti zapečaćeni, što je za mnoge od njih veoma važno
aplikacije.
Elementi žive
Elementi žive su veoma slični alkalnim elementima. U njima
Koristi se živin oksid (HgO). Katoda se sastoji od mješavine praha
cink i živa. Anoda i katoda su odvojene separatorom i dijafragmom,
natopljen u 40% rastvor alkalije.
Pošto je živa oskudna i toksična, elementi žive nisu
treba baciti nakon što se u potpunosti iskoriste. Trebali bi
idite na reciklažu.
Srebrni elementi
Imaju "srebrne" katode napravljene od Ag2O i AgO.
Litijumske ćelije
Koriste litijumske anode, organski elektrolit
i katode od raznih materijala. Imaju veoma velike
rok trajanja, visoke gustoće energije i operativnost
u širokom temperaturnom rasponu jer ne sadrže vodu.
Budući da litijum ima najveći negativni potencijal
u odnosu na sve metale, litijumske elemente
karakterizira najveći nazivni napon na
minimalne dimenzije.
Jonska provodljivost se osigurava uvođenjem u
Rastvarači soli sa velikim anjonima.
Nedostaci litijumskih ćelija uključuju njihovu
relativno visoka cijena zbog visoke cijene
litijuma, posebni zahtjevi za njihovu proizvodnju (potreba
inertna atmosfera, prečišćavanje nevodenih rastvarača). Trebalo bi
Također uzmite u obzir da neke litijumske ćelije kada su
su eksplozivne ako se otvore.
Litijumske ćelije se široko koriste u rezervnim izvorima napajanja za memorijska kola, merne instrumente i druge visokotehnološke sisteme.
BATERIJE
Baterije su hemijski izvori
višekratnu električnu energiju. Oni se sastoje od
dvije elektrode (pozitivna i negativna), elektrolit
i trupovi. Do akumulacije energije u bateriji dolazi kada
pojava hemijske oksidaciono-redukcione reakcije
elektrode. Kada se baterija isprazni, dešava se obrnuto
procesi. Napon baterije je razlika potencijala
između polova baterije pri fiksnom opterećenju.
Da bi se dobile dovoljno velike vrijednosti napona ili
punjenja, pojedinačne baterije su međusobno povezane
serijski ili paralelno sa baterijama. Postoji broj
opšteprihvaćeni naponi za baterije: 2; 4; 6;
Ograničićemo se na razmatranje sledećih baterija:
kiselinske baterije izrađene po tradicionalnoj
tehnologije;
stacionarni provod i pogon (automobilski i
traktor);
zapečaćene baterije bez održavanja, zapečaćene
nikl-kadmijum i kiseli "dryfit" A400 i A500 (želeast
elektrolit).
AKID BATERIJE
