Célula galvânica caseira para alimentação autônoma. Características de alguns tipos de células galvânicas e suas breves características Células galvânicas utilizadas no trabalho

Pré-requisitos para o surgimento de células galvânicas. Um pouco de história. Em 1786, o professor italiano de medicina, o fisiologista Luigi Aloisio Galvani descobriu um fenômeno interessante: os músculos das patas traseiras de um cadáver de sapo recém-aberto, suspensos em ganchos de cobre, contraíam-se quando o cientista os tocava com um bisturi de aço. Galvani concluiu imediatamente que se tratava de uma manifestação de “eletricidade animal”.

Após a morte de Galvani, seu contemporâneo Alessandro Volta, sendo químico e físico, descreveria e demonstraria publicamente um mecanismo mais realista para a geração de corrente elétrica quando diferentes metais entram em contato.

Volta, após uma série de experimentos, chegará à conclusão inequívoca de que a corrente aparece no circuito devido à presença nele de dois condutores de metais diferentes colocados em um líquido, e isso não é de forma alguma “eletricidade animal”, como Galvani pensamento. O espasmo das patas da rã foi consequência da ação da corrente gerada pelo contato de diversos metais (ganchos de cobre e bisturi de aço).

Volta mostrará os mesmos fenômenos que Galvani demonstrou em um sapo morto, mas em um eletrômetro caseiro completamente inanimado, e dará em 1800 uma explicação precisa para a ocorrência de corrente: “um condutor de segunda classe (líquido) está no meio e está em contato com dois condutores de primeira classe feitos de dois metais diferentes... Como resultado, surge uma corrente elétrica em uma direção ou outra.”

Em um de seus primeiros experimentos, Volta mergulhou duas placas - zinco e cobre - em uma jarra de ácido e as conectou com fio. Depois disso, a placa de zinco começou a se dissolver e bolhas de gás apareceram no aço cobre. Volta sugeriu e provou que uma corrente elétrica flui através de um fio.

Foi assim que foi inventado o “elemento Volta” - a primeira célula galvânica. Por conveniência, Volta deu-lhe a forma de um cilindro vertical (coluna), composto por anéis interligados de zinco, cobre e tecido embebidos em ácido. Uma coluna voltaica de meio metro de altura criou uma voltagem sensível aos humanos.

Como a pesquisa foi iniciada por Luigi Galvani, o nome manteve a memória dele em seu nome.

Célula galvânicaé uma fonte química de corrente elétrica baseada na interação de dois metais e/ou seus óxidos em um eletrólito, levando ao aparecimento de corrente elétrica em circuito fechado. Assim, nas células galvânicas, a energia química é convertida em energia elétrica.

Células galvânicas hoje

As células galvânicas hoje são chamadas de baterias. Três tipos de baterias são amplamente utilizados: sal (secas), alcalinas (também chamadas de alcalinas, “alcalinas” traduzidas do inglês como “alcalinas”) e de lítio. O princípio de seu funcionamento é o mesmo descrito por Volta em 1800: dois metais e uma corrente elétrica surgem em um circuito externo fechado.

A voltagem da bateria depende tanto dos metais utilizados como do número de elementos da “bateria”. As baterias, diferentemente dos acumuladores, não são capazes de restaurar suas propriedades, pois convertem diretamente a energia química, ou seja, a energia dos reagentes que compõem a bateria (agente redutor e agente oxidante), em energia elétrica.

Os reagentes incluídos na bateria são consumidos durante o seu funcionamento, e a corrente diminui gradativamente, de forma que o efeito da fonte termina após os reagentes terem reagido completamente.

Células alcalinas e de sal (baterias) são amplamente utilizadas para alimentar uma variedade de dispositivos eletrônicos, equipamentos de rádio, brinquedos, e as de lítio podem ser encontradas com mais frequência em dispositivos médicos portáteis, como glicosímetros, ou em equipamentos digitais, como câmeras.

As células de manganês-zinco, chamadas baterias de sal, são células galvânicas “secas” que não contêm uma solução eletrolítica líquida.

O eletrodo de zinco (+) é um cátodo em forma de vidro e o ânodo é uma mistura em pó de dióxido de manganês e grafite. A corrente flui através da barra de grafite. O eletrólito é uma pasta de solução de cloreto de amônio com adição de amido ou farinha para engrossar e não escorrer.

Normalmente os fabricantes de baterias não indicam a composição exata das células de sal, porém as baterias de sal são as mais baratas, geralmente são utilizadas em dispositivos onde o consumo de energia é extremamente baixo: em relógios, em controles remotos controle remoto, em termômetros eletrônicos, etc.

O conceito de “capacidade nominal” raramente é utilizado para caracterizar baterias de zinco-manganês, uma vez que sua capacidade depende muito dos modos e condições de operação. As principais desvantagens desses elementos são a taxa significativa de diminuição da tensão ao longo da descarga e uma diminuição significativa na capacidade entregue com o aumento da corrente de descarga. A tensão de descarga final é definida dependendo da carga na faixa de 0,7-1,0 V.

Não apenas a magnitude da corrente de descarga é importante, mas também o cronograma da carga. Com descarga intermitente em correntes altas e médias, o desempenho das baterias aumenta visivelmente em comparação com a operação contínua. No entanto, em baixas correntes de descarga e interrupções de operação com duração de meses, sua capacidade pode diminuir como resultado da autodescarga.

O gráfico acima mostra as curvas de descarga de uma bateria média de sal por 4, 10, 20 e 40 horas para comparação com a bateria alcalina, que será discutida posteriormente.

Uma bateria alcalina é uma bateria voltaica de manganês-zinco que usa dióxido de manganês como cátodo, zinco em pó como ânodo e uma solução alcalina, geralmente na forma de pasta de hidróxido de potássio, como eletrólito.

Estas baterias têm uma série de vantagens (em particular, capacidade significativamente maior, melhor trabalho em baixas temperaturas e em altas correntes de carga).

As baterias alcalinas, em comparação com as baterias de sal, podem fornecer mais corrente por um longo período de tempo. Uma corrente mais alta torna-se possível porque o zinco aqui não é usado na forma de vidro, mas na forma de pó que possui maior área de contato com o eletrólito. O hidróxido de potássio na forma de pasta é usado como eletrólito.

É graças à capacidade deste tipo de células galvânicas de fornecer uma corrente significativa (até 1 A) por um longo período que as baterias alcalinas são mais comuns hoje.

Em brinquedos elétricos, em equipamentos médicos portáteis, em dispositivos eletrônicos, em câmeras - baterias alcalinas são usadas em todos os lugares. Eles duram 1,5 vezes mais que os salgados se a descarga for de baixa corrente. O gráfico mostra curvas de descarga em várias correntes para comparação com uma bateria de sal (o gráfico foi mostrado acima) por 4, 10, 20 e 40 horas.

Baterias de lítio

Outro tipo bastante comum de célula voltaica são as baterias de lítio - células voltaicas únicas não recarregáveis ​​que usam lítio ou seus compostos como ânodo. Graças ao uso metal alcalino eles têm uma alta diferença de potencial.

O cátodo e o eletrólito de uma célula de lítio podem ser muito diferentes, portanto o termo "célula de lítio" combina um grupo de células com o mesmo material anódico. Por exemplo, dióxido de manganês, monofluoreto de carbono, pirita, cloreto de tionila, etc. podem ser usados ​​como cátodo.

As baterias de lítio diferem de outras baterias por sua longa vida útil e alto custo. Dependendo do tamanho escolhido e dos produtos químicos utilizados, uma bateria de lítio pode produzir tensões de 1,5 V (compatível com baterias alcalinas) a 3,7 V.

Essas baterias têm a maior capacidade por unidade de peso e uma longa vida útil. As células de lítio são amplamente utilizadas em dispositivos portáteis modernos tecnologia eletrônica: para alimentar o relógio placas-mãe computadores, para alimentar dispositivos médicos portáteis, relógios de pulso, calculadoras, equipamentos fotográficos, etc.

O gráfico acima mostra as curvas de descarga de duas baterias de lítio de dois fabricantes populares. A corrente inicial era de 120 mA (por resistor de cerca de 24 Ohms).

Diferentes tipos de células galvânicas convertem sua energia química em corrente elétrica. Eles receberam esse nome em homenagem ao cientista italiano Galvani, que conduziu os primeiros experimentos e pesquisas desse tipo. A eletricidade é gerada pela reação química de dois metais (geralmente zinco e cobre) em um eletrólito.

Princípio de funcionamento

Os cientistas colocaram uma placa de cobre e zinco em recipientes com ácido. Eles foram conectados por um condutor, bolhas de gás se formaram no primeiro e o segundo começou a se dissolver. Isso provou que a corrente elétrica flui através do condutor. Depois de Galvani, Volt iniciou experimentos. Ele criou um elemento cilíndrico, semelhante a uma coluna vertical. Consistia em anéis de zinco, cobre e tecido, pré-impregnados com ácido. O primeiro elemento tinha 50 cm de altura e a tensão por ele gerada era sentida por uma pessoa.

O princípio de funcionamento é que dois tipos de metal interagem em um meio eletrolítico, fazendo com que a corrente comece a fluir pelo circuito externo. As células e baterias galvânicas modernas são chamadas de baterias. Sua voltagem depende do metal utilizado. O dispositivo é colocado em um cilindro feito de chapa macia. Os eletrodos são malhas com pulverização catódica oxidativa e redutora.

A conversão de energia química em eletricidade elimina a possibilidade de restaurar as propriedades das baterias. Afinal, quando o elemento funciona, são consumidos reagentes, o que faz com que a corrente diminua. O agente redutor é geralmente o chumbo negativo do lítio ou zinco. Durante a operação, ele perde elétrons. A parte positiva é feita de sais metálicos ou óxido de magnésio, atua como agente oxidante.

Em condições normais, o eletrólito não permite a passagem da corrente; ele se desintegra em íons somente quando o circuito é fechado. É isso que faz com que a condutividade apareça. Uma solução ácida, sais de sódio ou potássio são usados ​​​​como eletrólito.

Variedades de elementos

As baterias são usadas para alimentar dispositivos, dispositivos, equipamentos e brinquedos. De acordo com o esquema, todos os elementos galvânicos são divididos em vários tipos:

• salina;
• alcalino;
• lítio

As mais populares são as baterias de sal feitas de zinco e manganês. O elemento combina confiabilidade, qualidade e preço razoável. Mas em ultimamente Os fabricantes estão reduzindo ou parando completamente a sua produção, à medida que as empresas que produzem eletrodomésticos aumentam gradualmente as suas necessidades. As principais vantagens das baterias galvânicas deste tipo:

• parâmetros universais que permitem sua utilização em diversas áreas;
• operação fácil;
• baixo custo;
• condições simples produção;
• matérias-primas acessíveis e baratas.

Entre as desvantagens estão uma vida útil curta (não mais de dois anos), uma diminuição nas propriedades devido às baixas temperaturas, uma diminuição na capacidade com o aumento da corrente e uma diminuição na tensão durante a operação. Quando as baterias de sal estão descarregadas, elas podem vazar à medida que o volume positivo do eletrodo empurra o eletrólito. A condutividade é aumentada por grafite e negro de fumo, a mistura ativa consiste em dióxido de manganês. A vida útil depende diretamente do volume de eletrólito.

No século passado surgiram os primeiros elementos alcalinos. O papel do agente oxidante neles é desempenhado pelo manganês, e o agente redutor é o pó de zinco. O corpo da bateria é amalgamado para evitar corrosão. Mas o uso de mercúrio foi proibido, por isso foram revestidos com misturas de pó de zinco e inibidores de ferrugem.

A substância ativa no dispositivo de uma célula galvânica é estes são zinco, índio, chumbo e alumínio. A massa ativa inclui fuligem, manganês e grafite. O eletrólito é feito de potássio e sódio. O pó seco melhora significativamente o desempenho da bateria. Com as mesmas dimensões dos tipos de sal, os alcalinos possuem maior capacidade. Eles continuam a funcionar bem mesmo em geadas severas.

As células de lítio são usadas para alimentar a tecnologia moderna. São produzidos na forma de baterias e acumuladores de diversos tamanhos. Os primeiros contêm um eletrólito sólido, enquanto outros dispositivos contêm um eletrólito líquido. Esta opção é adequada para dispositivos que requerem cargas estáveis ​​de tensão e média corrente. As baterias de lítio podem ser carregadas várias vezes, as baterias são usadas apenas uma vez, não são abertas.

Escopo de aplicação

Existem vários requisitos para a produção de células galvânicas. A caixa da bateria deve ser confiável e vedada. O eletrólito não deve vazar e substâncias estranhas não devem entrar no dispositivo. Em alguns casos, quando o líquido vazar, ele pegará fogo. Um item danificado não pode ser usado. As dimensões de todas as baterias são quase as mesmas, apenas os tamanhos das baterias diferem. Os elementos podem ter diferentes formatos: cilíndrico, prismático ou disco.

Todos os tipos de dispositivos têm vantagens comuns: são compactos e leves, adaptados a diferentes faixas de temperatura de operação, possuem grande capacidade e operam de forma estável em diferentes condições. Existem também algumas desvantagens, mas referem-se a certos tipos de elementos. Os de sal não duram muito, os de lítio são projetados de forma que podem pegar fogo se despressurizados.

As aplicações das baterias são inúmeras:

• tecnologia digital;
• brinquedos infantis;
• dispositivos médicos;
• indústria de defesa e aviação;
• produção espacial.

As células galvânicas são fáceis de usar e acessíveis. Mas alguns tipos precisam ser manuseados com cuidado e não usados ​​se estiverem danificados. Antes de comprar baterias, você deve estudar cuidadosamente as instruções do dispositivo que elas alimentarão.

Kyzyl, TSU

RESUMO

Tópico: "Células galvânicas. Baterias."

Compilado por: Spiridonova V.A.

I ano, IV gr., FMF

Verificado por: Kendivan O.D.

2001

I. Introdução

II. Fontes de corrente galvânica

1. Tipos de células galvânicas

III. Baterias

1. Ácido

2. Alcalino

3. Níquel-cádmio selado

4. Selado

5. Baterias com tecnologia “DRYFIT”

INTRODUÇÃO

Fontes de corrente química (CHS) por muitos anos

entrou firmemente em nossas vidas. Na vida cotidiana, o consumidor raramente presta atenção

atenção às diferenças entre o HIT utilizado. Para ele são baterias e

baterias. Eles são normalmente usados ​​em dispositivos como

lanternas, brinquedos, rádios ou carros.

No caso em que o consumo de energia é relativamente

é grande (10Ah), são utilizadas baterias, principalmente ácidas,

bem como níquel-ferro e níquel-cádmio. Eles são usados ​​em

computadores portáteis (laptop, notebook, palmtop), dispositivos vestíveis

comunicações, iluminação de emergência etc.

Nos últimos anos, essas baterias têm sido amplamente utilizadas em

fontes de alimentação de backup para computadores e eletromecânica

sistemas que armazenam energia para possíveis picos de carga

e fornecimento de energia de emergência de sistemas vitais.

FONTES DE CORRENTE GALVÂNICA

Fontes de corrente galvânica descartáveis

representam um contêiner unificado no qual

contém um eletrólito absorvido pelo material ativo

separador e eletrodos (ânodo e cátodo), por isso são chamados

elementos secos. Este termo é usado em relação a

todas as células que não contêm eletrólito líquido. Para comum

Os elementos secos incluem elementos de carbono-zinco.

Células secas são usadas para correntes baixas e intermitentes

modos de operação. Portanto, tais elementos são amplamente utilizados em

aparelhos telefônicos, brinquedos, sistemas de alarme, etc.

A ação de qualquer célula galvânica é baseada na ocorrência de uma reação redox nela. Na sua forma mais simples, uma célula galvânica consiste em duas placas ou hastes feitas de metais diferentes e imersas em uma solução eletrolítica. Tal sistema permite separar espacialmente a reação redox: a oxidação ocorre em um metal e a redução em outro. Assim, os elétrons são transferidos do agente redutor para o agente oxidante através do circuito externo.

Considere, como exemplo, uma célula galvânica de cobre-zinco, alimentada pela energia da reação acima entre zinco e sulfato de cobre. Esta célula (célula Jacobi-Daniel) consiste em uma placa de cobre imersa em solução de sulfato de cobre (eletrodo de cobre) e uma placa de zinco imersa em solução de sulfato de zinco (eletrodo de zinco). Ambas as soluções estão em contato uma com a outra, mas para evitar mistura são separadas por uma divisória de material poroso.

Quando o elemento está operando, ou seja, quando a cadeia é fechada, o zinco é oxidado: na superfície de contato com a solução, os átomos de zinco se transformam em íons e, quando hidratados, passam para a solução. Os elétrons liberados neste caso movem-se ao longo do circuito externo até o eletrodo de cobre. Todo o conjunto desses processos é representado esquematicamente pela equação de meia reação, ou equação eletroquímica:

A redução dos íons de cobre ocorre no eletrodo de cobre. Os elétrons vindos do eletrodo de zinco combinam-se com os íons de cobre desidratados que saem da solução; átomos de cobre são formados e liberados como metal. A equação eletroquímica correspondente é:

A equação total da reação que ocorre no elemento é obtida somando as equações de ambas as semi-reações. Assim, durante o funcionamento de uma célula galvânica, os elétrons do agente redutor passam para o agente oxidante através do circuito externo, processos eletroquímicos ocorrem nos eletrodos e o movimento direcional dos íons é observado na solução.

O eletrodo no qual ocorre a oxidação é denominado ânodo (zinco). O eletrodo no qual ocorre a redução é chamado de cátodo (cobre).

Em princípio, qualquer reação redox pode produzir energia elétrica. No entanto, o número de reações

praticamente utilizado em fontes químicas de energia elétrica é pequeno. Isto se deve ao fato de que nem toda reação redox permite criar uma célula galvânica com propriedades tecnicamente valiosas. Além disso, muitas reações redox requerem o consumo de substâncias caras.

Ao contrário da célula de cobre-zinco, todas as células e baterias galvânicas modernas usam não dois, mas um eletrólito; Essas fontes atuais são muito mais convenientes de usar.

TIPOS DE CÉLULAS GALVÂNICAS

Elementos de carbono-zinco

Elementos carvão-zinco (manganês-zinco) são

os elementos secos mais comuns. Em carvão-zinco

elementos usam um coletor de corrente passivo (carbono) em

contato com um ânodo feito de dióxido de manganês (MnO2), eletrólito feito de

cloreto de amônio e um cátodo de zinco. O eletrólito está em

colar ou impregnar um diafragma poroso.

Esse eletrólito não é muito móvel e não se espalha, então

os elementos são chamados de secos.

Os elementos carvão-zinco são “restaurados” durante

pausa do trabalho. Este fenômeno se deve ao gradual

alinhamento de heterogeneidades locais na composição

eletrólito que surge durante o processo de descarga. Como resultado

"descanso" periódico a vida útil do elemento é prolongada.

A vantagem dos elementos carbono-zinco é a sua

custo relativamente baixo. Para desvantagens significativas

deve incluir uma diminuição significativa na tensão durante a descarga,

baixa potência específica (5...10 W/kg) e curta vida útil

armazenar

Baixas temperaturas reduzem a eficiência de uso

células galvânicas e o aquecimento interno da bateria

aumenta. Um aumento na temperatura causa corrosão química do eletrodo de zinco pela água contida no eletrólito e ressecamento do eletrólito. Esses fatores podem ser compensados ​​​​de certa forma mantendo a bateria em temperaturas elevadas e introduzindo uma solução salina na célula através de um orifício pré-fabricado.

Elementos alcalinos

Assim como as células de carbono-zinco, as células alcalinas usam um ânodo de MnO2 e um cátodo de zinco com um eletrólito separado.

A diferença entre elementos alcalinos e elementos de carbono-zinco é

no uso de um eletrólito alcalino, como resultado

Praticamente não há evolução de gás durante a descarga e eles podem ser

ser selado, o que é muito importante para alguns deles

aplicações.

Elementos de mercúrio

Os elementos mercúrio são muito semelhantes aos elementos alcalinos. Neles

Óxido de mercúrio (HgO) é usado. O cátodo consiste em uma mistura de pó

zinco e mercúrio. O ânodo e o cátodo são separados por um separador e um diafragma,

embebido em solução alcalina a 40%.

Como o mercúrio é escasso e tóxico, os elementos de mercúrio não são

devem ser descartados após terem sido completamente usados. Eles deveriam

vá para a reciclagem.

Elementos prateados

Eles têm cátodos “prateados” feitos de Ag2O e AgO.

Células de lítio

Eles usam ânodos de lítio, um eletrólito orgânico

e cátodos feitos de vários materiais. Eles têm muito grande

vida útil, altas densidades de energia e eficiência

em uma ampla faixa de temperatura porque não contêm água.

Como o lítio tem o maior potencial negativo

em relação a todos os metais, elementos de lítio

caracterizado pela tensão nominal mais alta em

dimensões mínimas.

A condutividade iônica é garantida pela introdução em

Solventes de sais com grandes ânions.

As desvantagens das células de lítio incluem a sua

custo relativamente alto devido ao preço alto

lítio, requisitos especiais para sua produção (a necessidade

atmosfera inerte, purificação de solventes não aquosos). Deve

Tenha também em conta que algumas células de lítio quando

são explosivos se abertos.

As células de lítio são amplamente utilizadas em fontes de alimentação de backup para circuitos de memória, instrumentos de medição e outros sistemas de alta tecnologia.

BATERIAS

Baterias são fontes químicas

energia elétrica reutilizável. Eles consistem em

dois eletrodos (positivo e negativo), eletrólito

e cascos. O acúmulo de energia na bateria ocorre quando

a ocorrência de uma reação química de oxidação-redução

eletrodos. Quando a bateria está descarregada, ocorre o inverso

processos. A tensão da bateria é a diferença de potencial

entre os pólos da bateria em uma carga fixa.

Para obter valores de tensão suficientemente grandes ou

carregando, baterias individuais são conectadas umas às outras

série ou paralelo às baterias. Há um número

tensões geralmente aceitas para baterias: 2; 4; 6;

Limitar-nos-emos a considerar as seguintes baterias:

baterias ácidas feitas de acordo com o tradicional

tecnologias;

condutor e acionamento estacionário (automotivo e

trator);

baterias seladas sem manutenção, seladas

níquel-cádmio e ácido "dryfit" A400 e A500 (gelatinoso

eletrólito).

BATERIAS ÁCIDAS

Por exemplo, considere uma bateria de chumbo-ácido pronta para uso. Consiste em placas treliçadas de chumbo, algumas das quais preenchidas com dióxido de chumbo e outras com chumbo esponjoso metálico. As placas são imersas em solução de H2SO4 35-40%; nesta concentração, a condutividade elétrica específica da solução de ácido sulfúrico é máxima.

Quando a bateria está funcionando - quando está descarregada - ocorre nela uma reação de oxidação-redução, durante a qual o chumbo metálico é oxidado:

Pb + SO4= PbSO4 + 2e-

E o dióxido de chumbo é reduzido:

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

Os elétrons cedidos pelos átomos de chumbo metálico durante a oxidação são aceitos pelos átomos de chumbo PbO2 durante a redução; elétrons são transferidos de um eletrodo para outro através de um circuito externo.

Assim, o metal chumbo serve como ânodo em uma bateria de chumbo e tem carga negativa, e o PbO2 serve como cátodo e tem carga positiva.

No circuito interno (na solução H2SO4), a transferência de íons ocorre durante a operação da bateria. Os íons SO42 movem-se em direção ao ânodo e os íons H+ movem-se em direção ao cátodo. A direção desse movimento é determinada pelo campo elétrico resultante da ocorrência dos processos de eletrodo: os ânions são consumidos no ânodo e os cátions são consumidos no cátodo. Como resultado, a solução permanece eletricamente neutra.

Se somarmos as equações correspondentes à oxidação do chumbo e à redução do PbO2, obtemos a equação total da reação,

vazamento em uma bateria de chumbo-ácido durante sua operação (descarga):

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

E.m.f. de uma bateria de chumbo-ácido carregada é de aproximadamente 2V. À medida que uma bateria descarrega, seus materiais de cátodo (PbO2) e ânodo (Pb) são consumidos. O ácido sulfúrico também é consumido. Ao mesmo tempo, a tensão nos terminais da bateria cai. Quando for inferior ao valor permitido pelas condições de operação, a bateria é carregada novamente.

Para carregar (ou carregar), a bateria é conectada a uma fonte de corrente externa (mais com mais e menos com menos). Neste caso, a corrente flui através da bateria na direção oposta àquela por onde passou quando a bateria foi descarregada. Como resultado disso, os processos eletroquímicos nos eletrodos são “revertidos”. O eletrodo de chumbo agora passa por um processo de redução

PbSO4 + 2e- = Pb + SO4

aqueles. Este eletrodo se torna o cátodo. O processo de oxidação ocorre no eletrodo de PbO2

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

portanto, este eletrodo é agora o ânodo. Os íons na solução se movem em direções opostas àquelas em que se moviam quando a bateria estava funcionando.

Somando as duas últimas equações, obtemos a equação da reação que ocorre ao carregar a bateria:

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

É fácil perceber que este processo é o oposto daquele que ocorre durante o funcionamento da bateria: quando a bateria é carregada, nela são novamente obtidas as substâncias necessárias ao seu funcionamento.

As baterias de chumbo-ácido são geralmente conectadas a uma bateria, que

colocado em monobloco de ebonite, termoplástico, polipropileno,

poliestireno, polietileno, composição de asfalto, cerâmica

ou vidro.

Uma das características mais importantes de uma bateria é

vida útil ou vida útil (número de ciclos). Deterioração

parâmetros e falhas da bateria são causados ​​principalmente

fila de corrosão da rede e deslizamento da massa ativa

eletrodo positivo. A vida útil da bateria é determinada

principalmente pelo tipo de placas positivas e condições

operação.

Melhorias nas baterias de chumbo-ácido estão no caminho certo

pesquisando novas ligas para grades (por exemplo, chumbo-cálcio), materiais de carcaça leves e duráveis

(por exemplo, com base em copolímero de propileno-etileno), melhorias

qualidade dos separadores.

BATERIAS ALCALINAS

Prata-zinco.

tenha bom características elétricas, têm baixa massa e volume. Os eletrodos neles são óxidos de prata Ag2O, AgO (cátodo) e esponja de zinco (ânodo); O eletrólito é uma solução de KOH.

Durante a operação da bateria, o zinco é oxidado, transformando-se em ZnO e Zn(OH)2, e o óxido de prata é reduzido a metal. A reação geral que ocorre quando uma bateria é descarregada pode ser expressa aproximadamente pela equação:

AgO + Zn = Ag + ZnO

E.m.f. de uma bateria de prata-zinco carregada é de aproximadamente 1,85 V. Quando a tensão cai para 1,25 V, a bateria está carregada. Nesse caso, os processos nos eletrodos são “invertidos”: o zinco é reduzido, a prata é oxidada - as substâncias necessárias ao funcionamento da bateria são novamente obtidas.

Cádmio-níquel e ferro-níquel.

CN e ZHN são muito semelhantes entre si. Sua principal diferença é o material das placas dos eletrodos negativos; nas baterias KN são cádmio e nas baterias ZhN são ferro. As baterias KN são as mais utilizadas.

As baterias alcalinas são produzidas principalmente com eletrodos lamelares. Neles, as massas ativas são encerradas em lamelas - caixas planas com furos. A massa ativa das placas positivas de uma bateria carregada consiste principalmente em óxido de níquel hidratado (Ni) Ni2O3 x H2O ou NiOOH. Além disso, contém grafite, que é adicionado para aumentar a condutividade elétrica. A massa ativa das placas negativas das baterias KN consiste em uma mistura de esponja de cádmio com pó de ferro, e das baterias ZhN - de pó de ferro reduzido. O eletrólito é uma solução de hidróxido de potássio contendo uma pequena quantidade de LiOH.

Consideremos os processos que ocorrem durante a operação de uma bateria KN. Quando a bateria está descarregada, o cádmio oxida.

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

E NiOOH é restaurado:

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

Neste caso, os elétrons são transferidos do eletrodo de cádmio para o eletrodo de níquel ao longo do circuito externo. O eletrodo de cádmio serve como ânodo e tem carga negativa, e o eletrodo de níquel serve como cátodo e tem carga positiva.

A reação total que ocorre na bateria KN durante sua operação pode ser expressa pela equação obtida pela soma das duas últimas equações eletroquímicas:

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

E.m.f. de uma bateria de níquel-cádmio carregada é de aproximadamente 1,4 V. À medida que a bateria opera (descarrega), a tensão em seus terminais cai. Quando cai abaixo de 1 V, a bateria está carregada.

Ao carregar uma bateria, os processos eletroquímicos em seus eletrodos são “invertidos”. A redução do metal ocorre no eletrodo de cádmio

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

No níquel - oxidação do hidróxido de níquel (P):

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

A reação total durante o carregamento é o oposto da reação que ocorre durante a descarga:

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

BATERIAS SELADAS DE NÍQUEL-CÁDMIO

Um grupo especial de baterias de níquel-cádmio são as baterias seladas. O oxigênio liberado no final da carga oxida o cádmio, fazendo com que a pressão na bateria não aumente. A taxa de formação de oxigênio deve ser baixa, para que a bateria seja carregada com uma corrente relativamente baixa.

As baterias seladas são divididas em disco,

cilíndrico e retangular.

Baterias retangulares seladas de níquel-cádmio

são produzidos com eletrodos negativos de óxido de cádmio não cermet ou com eletrodos de cádmio cermet.

BATERIAS SELADAS

Baterias ácidas amplamente utilizadas,

realizado de acordo com tecnologia clássica, causar muitos problemas

e ter um efeito prejudicial sobre pessoas e equipamentos. Eles são os mais

barato, mas requer custos adicionais para sua manutenção,

instalações e pessoal especiais.

BATERIAS COM TECNOLOGIA "DRYFIT"

A mais conveniente e segura das baterias ácidas

são baterias seladas totalmente isentas de manutenção

VRLA (ácido de chumbo regulado por válvula) produzido com tecnologia

"ajuste seco". O eletrólito nessas baterias está em estado gelatinoso. Isso garante a confiabilidade das baterias e a segurança de seu funcionamento.

REFERÊNCIAS:

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Em 3 volumes. Produtos e dispositivos elétricos/sob

total Ed. professores do Instituto de Engenharia de Energia de Moscou (editor-chefe I.N. Orlov) e outros 7ª ed. 6corr. e adicional

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

Fontes de corrente química.

M.: Energoizdat, 1981. 360 p.

Para traçar o diagrama de uma célula galvânica é necessário compreender o princípio de seu funcionamento e características estruturais.

Os consumidores raramente prestam atenção às baterias e baterias recarregáveis, embora estas sejam as fontes de energia mais populares.

Fontes de corrente química

O que é uma célula galvânica? Seu circuito é baseado em um eletrólito. O dispositivo inclui um pequeno recipiente contendo o eletrólito, que é adsorvido pelo material separador. Além disso, o diagrama de duas células galvânicas pressupõe a presença de Qual é o nome dessa célula galvânica? O esquema que liga dois metais pressupõe a presença de uma reação de oxidação-redução.

A célula galvânica mais simples

Envolve a presença de duas placas ou hastes feitas de metais diferentes, que são imersas em uma solução de um eletrólito forte. Durante o funcionamento desta célula galvânica, ocorre um processo de oxidação no ânodo, associado à liberação de elétrons.

No cátodo - redução, acompanhada pela aceitação de partículas negativas. Os elétrons são transferidos através do circuito externo para o agente oxidante do agente redutor.

Exemplo de uma célula galvânica

Para compor circuitos eletrônicos células galvânicas, é necessário conhecer o valor do seu potencial de eletrodo padrão. Analisemos uma variante de célula galvânica cobre-zinco que opera com base na energia liberada durante a interação do sulfato de cobre com o zinco.

Esta célula galvânica, cujo diagrama será dado a seguir, é chamada de elemento de Jacobi-Daniel. Inclui que está imerso em uma solução de sulfato de cobre (eletrodo de cobre), e também consiste em uma placa de zinco localizada em uma solução de seu sulfato (eletrodo de zinco). As soluções entram em contato entre si, mas para evitar que se misturem, o elemento utiliza uma divisória de material poroso.

Princípio de funcionamento

Como funciona uma célula galvânica cujo circuito é Zn ½ ZnSO4 ½½ CuSO4 ½ Cu? Durante o seu funcionamento, quando fechado circuito elétrico, ocorre o processo de oxidação do zinco metálico.

Em sua superfície de contato com a solução salina, observa-se a transformação de átomos em cátions Zn2+. O processo é acompanhado pela liberação de elétrons “livres”, que se movem ao longo do circuito externo.

A reação que ocorre no eletrodo de zinco pode ser representada da seguinte forma:

A redução dos cátions metálicos é realizada em um eletrodo de cobre. Partículas negativas que entram aqui vindos do eletrodo de zinco combinam-se com cátions de cobre, precipitando-os na forma de metal. Este processo tem o seguinte formato:

Se somarmos as duas reações discutidas acima, obtemos uma equação sumária que descreve o funcionamento de uma célula galvânica de zinco-cobre.

O eletrodo de zinco serve como ânodo e o cobre como cátodo. As células e baterias galvânicas modernas requerem o uso de uma única solução eletrolítica, o que amplia o escopo de sua aplicação e torna sua operação mais confortável e conveniente.

Tipos de células galvânicas

Os mais comuns são os elementos carbono-zinco. Eles utilizam um coletor de corrente passivo de carbono em contato com o ânodo, que é o óxido de manganês (4). O eletrólito é o cloreto de amônio, usado em forma de pasta.

Não se espalha, razão pela qual a própria célula galvânica é chamada de seca. Sua característica é a capacidade de “recuperação” durante a operação, o que tem efeito positivo na duração do período operacional. Essas células galvânicas têm baixo custo, mas baixo consumo de energia. À medida que a temperatura cai, eles reduzem sua eficiência e, à medida que a temperatura aumenta, o eletrólito seca gradualmente.

As células alcalinas requerem o uso de uma solução alcalina, por isso têm algumas áreas de aplicação.

Nas células de lítio, o metal ativo atua como ânodo, o que tem um efeito positivo na vida útil. O lítio é negativo, portanto, com dimensões pequenas, tais elementos possuem tensão nominal máxima. Entre as desvantagens de tais sistemas está o alto preço. Abrir fontes de energia de lítio é explosivo.

Conclusão

O princípio de funcionamento de qualquer célula galvânica é baseado em processos redox que ocorrem no cátodo e no ânodo. Dependendo do metal utilizado e da solução eletrolítica selecionada, a vida útil do elemento muda, bem como o valor da tensão nominal. Atualmente, estão em demanda células galvânicas de lítio e cádmio que têm uma vida útil bastante longa.

Kyzyl, TSU

RESUMO

Tópico: "Células galvânicas. Baterias."

Compilado por: Spiridonova V.A.

I ano, IV gr., FMF

Verificado por: Kendivan O.D.

2001

I. Introdução

II. Fontes de corrente galvânica

1. Tipos de células galvânicas

III. Baterias

1. Ácido

2. Alcalino

3. Níquel-cádmio selado

4. Selado

5. Baterias com tecnologia “DRYFIT”

INTRODUÇÃO

Fontes de corrente química (CHS) por muitos anos

entrou firmemente em nossas vidas. Na vida cotidiana, o consumidor raramente presta atenção

atenção às diferenças entre o HIT utilizado. Para ele são baterias e

baterias. Eles são normalmente usados ​​em dispositivos como

lanternas, brinquedos, rádios ou carros.

No caso em que o consumo de energia é relativamente

é grande (10Ah), são utilizadas baterias, principalmente ácidas,

bem como níquel-ferro e níquel-cádmio. Eles são usados ​​em

computadores portáteis (laptop, notebook, palmtop), dispositivos vestíveis

comunicações, iluminação de emergência, etc.

Nos últimos anos, essas baterias têm sido amplamente utilizadas em

fontes de alimentação de backup para computadores e eletromecânica

sistemas que armazenam energia para possíveis picos de carga

e fornecimento de energia de emergência de sistemas vitais.

FONTES DE CORRENTE GALVÂNICA

Fontes de corrente galvânica descartáveis

representam um contêiner unificado no qual

contém um eletrólito absorvido pelo material ativo

separador e eletrodos (ânodo e cátodo), por isso são chamados

elementos secos. Este termo é usado em relação a

todas as células que não contêm eletrólito líquido. Para comum

Os elementos secos incluem elementos de carbono-zinco.

Células secas são usadas para correntes baixas e intermitentes

modos de operação. Portanto, tais elementos são amplamente utilizados em

telefones, brinquedos, sistemas de alarme, etc.

A ação de qualquer célula galvânica é baseada na ocorrência de uma reação redox nela. Na sua forma mais simples, uma célula galvânica consiste em duas placas ou hastes feitas de metais diferentes e imersas em uma solução eletrolítica. Tal sistema permite separar espacialmente a reação redox: a oxidação ocorre em um metal e a redução em outro. Assim, os elétrons são transferidos do agente redutor para o agente oxidante através do circuito externo.

Considere, como exemplo, uma célula galvânica de cobre-zinco, alimentada pela energia da reação acima entre zinco e sulfato de cobre. Esta célula (célula Jacobi-Daniel) consiste em uma placa de cobre imersa em solução de sulfato de cobre (eletrodo de cobre) e uma placa de zinco imersa em solução de sulfato de zinco (eletrodo de zinco). Ambas as soluções estão em contato uma com a outra, mas para evitar mistura são separadas por uma divisória de material poroso.

Quando o elemento está operando, ou seja, quando a cadeia é fechada, o zinco é oxidado: na superfície de contato com a solução, os átomos de zinco se transformam em íons e, quando hidratados, passam para a solução. Os elétrons liberados neste caso movem-se ao longo do circuito externo até o eletrodo de cobre. Todo o conjunto desses processos é representado esquematicamente pela equação de meia reação, ou equação eletroquímica:

A redução dos íons de cobre ocorre no eletrodo de cobre. Os elétrons vindos do eletrodo de zinco combinam-se com os íons de cobre desidratados que saem da solução; átomos de cobre são formados e liberados como metal. A equação eletroquímica correspondente é:

A equação total da reação que ocorre no elemento é obtida somando as equações de ambas as semi-reações. Assim, durante o funcionamento de uma célula galvânica, os elétrons do agente redutor passam para o agente oxidante através do circuito externo, processos eletroquímicos ocorrem nos eletrodos e o movimento direcional dos íons é observado na solução.

O eletrodo no qual ocorre a oxidação é denominado ânodo (zinco). O eletrodo no qual ocorre a redução é chamado de cátodo (cobre).

Em princípio, qualquer reação redox pode produzir energia elétrica. No entanto, o número de reações

praticamente utilizado em fontes químicas de energia elétrica é pequeno. Isto se deve ao fato de que nem toda reação redox permite criar uma célula galvânica com propriedades tecnicamente valiosas. Além disso, muitas reações redox requerem o consumo de substâncias caras.

Ao contrário da célula de cobre-zinco, todas as células e baterias galvânicas modernas usam não dois, mas um eletrólito; Essas fontes atuais são muito mais convenientes de usar.

TIPOS DE CÉLULAS GALVÂNICAS

Elementos de carbono-zinco

Elementos carvão-zinco (manganês-zinco) são

os elementos secos mais comuns. Em carvão-zinco

elementos usam um coletor de corrente passivo (carbono) em

contato com um ânodo feito de dióxido de manganês (MnO2), eletrólito feito de

cloreto de amônio e um cátodo de zinco. O eletrólito está em

colar ou impregnar um diafragma poroso.

Esse eletrólito não é muito móvel e não se espalha, então

os elementos são chamados de secos.

Os elementos carvão-zinco são “restaurados” durante

pausa do trabalho. Este fenômeno se deve ao gradual

alinhamento de heterogeneidades locais na composição

eletrólito que surge durante o processo de descarga. Como resultado

"descanso" periódico a vida útil do elemento é prolongada.

A vantagem dos elementos carbono-zinco é a sua

custo relativamente baixo. Para desvantagens significativas

deve incluir uma diminuição significativa na tensão durante a descarga,

baixa potência específica (5...10 W/kg) e curta vida útil

armazenar

Baixas temperaturas reduzem a eficiência de uso

células galvânicas e o aquecimento interno da bateria

aumenta. Um aumento na temperatura causa corrosão química do eletrodo de zinco pela água contida no eletrólito e ressecamento do eletrólito. Esses fatores podem ser compensados ​​​​de certa forma mantendo a bateria em temperaturas elevadas e introduzindo uma solução salina na célula através de um orifício pré-fabricado.

Elementos alcalinos

Assim como as células de carbono-zinco, as células alcalinas usam um ânodo de MnO2 e um cátodo de zinco com um eletrólito separado.

A diferença entre elementos alcalinos e elementos de carbono-zinco é

no uso de um eletrólito alcalino, como resultado

Praticamente não há evolução de gás durante a descarga e eles podem ser

ser selado, o que é muito importante para alguns deles

aplicações.

Elementos de mercúrio

Os elementos mercúrio são muito semelhantes aos elementos alcalinos. Neles

Óxido de mercúrio (HgO) é usado. O cátodo consiste em uma mistura de pó

zinco e mercúrio. O ânodo e o cátodo são separados por um separador e um diafragma,

embebido em solução alcalina a 40%.

Como o mercúrio é escasso e tóxico, os elementos de mercúrio não são

devem ser descartados após terem sido completamente usados. Eles deveriam

vá para a reciclagem.

Elementos prateados

Eles têm cátodos “prateados” feitos de Ag2O e AgO.

Células de lítio

Eles usam ânodos de lítio, um eletrólito orgânico

e cátodos feitos de vários materiais. Eles têm muito grande

vida útil, altas densidades de energia e eficiência

em uma ampla faixa de temperatura porque não contêm água.

Como o lítio tem o maior potencial negativo

em relação a todos os metais, elementos de lítio

caracterizado pela tensão nominal mais alta em

dimensões mínimas.

A condutividade iônica é garantida pela introdução em

Solventes de sais com grandes ânions.

As desvantagens das células de lítio incluem a sua

custo relativamente alto devido ao preço alto

lítio, requisitos especiais para sua produção (a necessidade

atmosfera inerte, purificação de solventes não aquosos). Deve

Tenha também em conta que algumas células de lítio quando

são explosivos se abertos.

As células de lítio são amplamente utilizadas em fontes de alimentação de backup para circuitos de memória, instrumentos de medição e outros sistemas de alta tecnologia.

BATERIAS

Baterias são fontes químicas

energia elétrica reutilizável. Eles consistem em

dois eletrodos (positivo e negativo), eletrólito

e cascos. O acúmulo de energia na bateria ocorre quando

a ocorrência de uma reação química de oxidação-redução

eletrodos. Quando a bateria está descarregada, ocorre o inverso

processos. A tensão da bateria é a diferença de potencial

entre os pólos da bateria em uma carga fixa.

Para obter valores de tensão suficientemente grandes ou

carregando, baterias individuais são conectadas umas às outras

série ou paralelo às baterias. Há um número

tensões geralmente aceitas para baterias: 2; 4; 6;

Limitar-nos-emos a considerar as seguintes baterias:

baterias ácidas feitas de acordo com o tradicional

tecnologias;

condutor e acionamento estacionário (automotivo e

trator);

baterias seladas sem manutenção, seladas

níquel-cádmio e ácido "dryfit" A400 e A500 (gelatinoso

eletrólito).

BATERIAS ÁCIDAS