Celulă galvanică de casă pentru alimentare autonomă. Caracteristicile unor tipuri de celule galvanice și pe scurt caracteristicile lor Pile galvanice utilizate în lucru

Acasă / Laptop-uri

Condiții preliminare pentru apariția celulelor galvanice. Puțină istorie. În 1786, profesorul italian de medicină, fiziologul Luigi Aloisio Galvani, a descoperit un fenomen interesant: mușchii picioarelor posterioare ale unui cadavru de broaște proaspăt deschis, suspendat pe cârlige de cupru, s-au contractat când omul de știință i-a atins cu un bisturiu de oțel. Galvani a concluzionat imediat că aceasta a fost o manifestare a „electricității animale”.

După moartea lui Galvani, contemporanul său Alessandro Volta, fiind chimist și fizician, avea să descrie și să demonstreze public un mecanism mai realist pentru generarea de curent electric atunci când diferite metale intră în contact.

Volta, după o serie de experimente, va ajunge la concluzia fără echivoc că curentul apare în circuit datorită prezenței în acesta a doi conductori de metale diferite plasate într-un lichid, iar aceasta nu este deloc „electricitate animală”, așa cum Galvani. gândire. Strângerea picioarelor broaștei a fost o consecință a acțiunii curentului generat de contactul diferitelor metale (cârlige de cupru și bisturiu din oțel).

Volta va arăta aceleași fenomene pe care Galvani le-a demonstrat pe o broască moartă, dar pe un electrometru de casă complet neînsuflețit și va da în 1800 o explicație precisă pentru apariția curentului: „un conductor de clasa a doua (lichid) se află la mijloc. și este în contact cu doi conductori de prima clasă din două metale diferite... Ca urmare, un curent electric ia naștere într-o direcție sau alta.”

Într-unul dintre primele sale experimente, Volta a scufundat două plăci - zinc și cupru - într-un borcan cu acid și le-a conectat cu sârmă. După aceasta, placa de zinc a început să se dizolve, iar pe oțelul de cupru au apărut bule de gaz. Volta a sugerat și a demonstrat că un curent electric circulă printr-un fir.

Așa a fost inventat „elementul Volta” - prima celulă galvanică. Pentru comoditate, Volta i-a dat forma unui cilindru (coloană) vertical, format din inele interconectate de zinc, cupru și pânză, înmuiate în acid. O coloană voltaică de o jumătate de metru înălțime a creat o tensiune care era sensibilă pentru oameni.

Din moment ce cercetarea a fost începută de Luigi Galvani, numele a păstrat amintirea lui în numele său.

Celulă galvanică este o sursă chimică de curent electric bazată pe interacțiunea a două metale și/sau a oxizilor acestora într-un electrolit, ducând la apariția curentului electric într-un circuit închis. Astfel, în celulele galvanice, energia chimică este transformată în energie electrică.

Celulele galvanice astăzi

Celulele galvanice astăzi se numesc baterii. Trei tipuri de baterii sunt utilizate pe scară largă: sare (uscate), alcaline (se mai numesc și alcaline, „alcaline” tradus din engleză ca „alcaline”) și litiu. Principiul funcționării lor este același cu cel descris de Volta în 1800: două metale și un curent electric ia naștere într-un circuit închis extern.

Tensiunea bateriei depinde atât de metalele folosite, cât și de numărul de elemente din „baterie”. Bateriile, spre deosebire de acumulatori, nu sunt capabile să-și restabilească proprietățile, deoarece transformă direct energia chimică, adică energia reactivilor care alcătuiesc bateria (agent reducător și agent oxidant), în energie electrică.

Reactivii incluși în baterie se consumă în timpul funcționării acesteia, iar curentul scade treptat, astfel că efectul sursei se termină după ce reactivii au reacționat complet.

Celulele alcaline și sărate (bateriile) sunt utilizate pe scară largă pentru a alimenta o varietate de dispozitive electronice, echipamente radio, jucării, iar cele cu litiu pot fi găsite cel mai adesea în dispozitivele medicale portabile, cum ar fi glucometrele sau în echipamente digitale precum camerele foto.

Celulele mangan-zinc, care sunt numite baterii cu sare, sunt celule galvanice „uscate” care nu conțin o soluție lichidă de electrolit.

Electrodul de zinc (+) este un catod în formă de sticlă, iar anodul este un amestec sub formă de pulbere de dioxid de mangan și grafit. Curentul curge prin tija de grafit. Electrolitul este o pastă de soluție de clorură de amoniu cu adaos de amidon sau făină pentru a o îngroșa, astfel încât să nu curgă nimic.

În mod obișnuit, producătorii de baterii nu indică compoziția exactă a celulelor de sare, cu toate acestea, bateriile de sare sunt cele mai ieftine, ele sunt de obicei folosite în dispozitive unde consumul de energie este extrem de scăzut: la ceasuri, la telecomenzi telecomanda, în termometre electronice etc.

Conceptul de „capacitate nominală” este rar folosit pentru a caracteriza bateriile zinc-mangan, deoarece capacitatea lor depinde în mare măsură de modurile și condițiile de funcționare. Principalele dezavantaje ale acestor elemente sunt rata semnificativă de scădere a tensiunii pe toată durata descărcării și o scădere semnificativă a capacității furnizate cu creșterea curentului de descărcare. Tensiunea finală de descărcare este setată în funcție de sarcină în intervalul 0,7-1,0 V.

Nu numai amploarea curentului de descărcare este importantă, ci și programul de timp al sarcinii. Cu descărcări intermitente la curenți mari și medii, performanța bateriilor crește considerabil în comparație cu funcționarea continuă. Cu toate acestea, la curenți de descărcare scăzuti și întreruperi de o lună în funcțiune, capacitatea acestora poate scădea ca urmare a autodescărcării.

Graficul de mai sus prezintă curbele de descărcare pentru o baterie medie cu sare timp de 4, 10, 20 și 40 de ore pentru comparație cu cea alcalină, despre care vom discuta mai târziu.

O baterie alcalină este o baterie voltaică mangan-zinc care utilizează dioxid de mangan ca catod, zinc sub formă de pulbere ca anod și o soluție alcalină, de obicei sub formă de pastă de hidroxid de potasiu, ca electrolit.

Aceste baterii au o serie de avantaje (în special, capacitate semnificativ mai mare, cel mai bun job la temperaturi scăzute şi la curenţi mari de sarcină).

Bateriile alcaline, în comparație cu bateriile cu sare, pot furniza mai mult curent pentru o perioadă mai lungă de timp. Un curent mai mare devine posibil deoarece zincul este folosit aici nu sub formă de sticlă, ci sub formă de pulbere care are o zonă mai mare de contact cu electrolitul. Hidroxidul de potasiu sub formă de pastă este utilizat ca electrolit.

Datorită capacității acestui tip de celule galvanice de a furniza un curent semnificativ (până la 1 A) pentru o perioadă lungă de timp, bateriile alcaline sunt cele mai comune astăzi.

În jucării electrice, în echipamente medicale portabile, în dispozitive electronice, în camere - bateriile alcaline sunt folosite peste tot. Acestea durează de 1,5 ori mai mult decât cele cu sare dacă descărcarea este de curent scăzut. Graficul arată curbele de descărcare la diferiți curenți pentru comparație cu o baterie de sare (graficul a fost prezentat mai sus) pentru 4, 10, 20 și 40 de ore.

Baterii cu litiu

Un alt tip destul de comun de celulă voltaică sunt bateriile cu litiu - celule voltaice unice nereîncărcabile care folosesc litiu sau compușii săi ca anod. Datorită utilizării metal alcalin au o diferență mare de potențial.

Catodul și electrolitul unei celule cu litiu pot fi foarte diferite, astfel încât termenul „celulă cu litiu” combină un grup de celule cu același material anodic. De exemplu, dioxidul de mangan, monofluorura de carbon, pirita, clorura de tionil etc. pot fi utilizate ca catod.

Bateriile cu litiu diferă de alte baterii prin durata de viață lungă și costul ridicat. În funcție de dimensiunea aleasă și de chimiile folosite, o baterie cu litiu poate produce tensiuni de la 1,5 V (compatibilă cu bateriile alcaline) până la 3,7 V.

Aceste baterii au cea mai mare capacitate pe unitate de greutate și o durată de viață lungă. Celulele cu litiu sunt utilizate pe scară largă în portabile moderne tehnologie electronică: pentru a alimenta ceasul plăci de bază calculatoare, pentru alimentarea dispozitivelor medicale portabile, ceasurilor de mână, calculatoarelor, echipamentelor fotografice etc.

Graficul de mai sus arată curbele de descărcare pentru două baterii cu litiu de la doi producători populari. Curentul inițial a fost de 120 mA (per rezistor de aproximativ 24 ohmi).

Diferite tipuri de celule galvanice își transformă energia chimică în curent electric. Ei și-au primit numele în onoarea savantului italian Galvani, care a efectuat primele astfel de experimente și cercetări. Electricitatea este generată prin reacția chimică a două metale (de obicei zinc și cupru) într-un electrolit.

Principiul de funcționare

Oamenii de știință au plasat o placă de cupru și zinc în recipiente cu acid. Au fost conectate printr-un conductor, pe primul s-au format bule de gaz, iar al doilea au început să se dizolve. Aceasta a dovedit că curentul electric trece prin conductor. După Galvani, Volt a început experimentele. El a creat un element cilindric, asemănător unei coloane verticale. Era format din zinc, cupru și inele de pânză, preimpregnate cu acid. Primul element avea o înălțime de 50 cm, iar tensiunea generată de acesta era simțită de o persoană.

Principiul de funcționare este că două tipuri de metal într-un mediu electrolitic interacționează, drept urmare curentul începe să curgă prin circuitul extern. Bateriile și celulele galvanice moderne sunt numite baterii. Tensiunea lor depinde de metalul folosit. Aparatul este plasat într-un cilindru din tablă moale. Electrozii sunt ochiuri cu pulverizare oxidativă și de reducere.

Transformarea energiei chimice în energie electrică elimină posibilitatea restabilirii proprietăților bateriilor. La urma urmei, atunci când elementul funcționează, se consumă reactivi, ceea ce face ca curentul să scadă. Agentul reducător este de obicei plumbul negativ din litiu sau zinc. În timpul funcționării, pierde electroni. Partea pozitivă este făcută din săruri metalice sau oxid de magneziu, efectuează activitatea unui agent oxidant.

În condiții normale, electrolitul nu permite trecerea curentului, se dezintegrează în ioni doar atunci când circuitul este închis. Aceasta este ceea ce face să apară conductivitatea. Ca electrolit se folosesc o soluție acidă, săruri de sodiu sau potasiu.

Varietăți de elemente

Bateriile sunt folosite pentru alimentarea dispozitivelor, dispozitivelor, echipamentelor și jucăriilor. Conform schemei, toate elementele galvanice sunt împărțite în mai multe tipuri:

ser fiziologic;
alcalin;
litiu

Cele mai populare sunt bateriile de sare din zinc și mangan. Elementul combină fiabilitatea, calitatea și prețul rezonabil. Dar în în ultima vreme Producătorii își reduc sau opresc complet producția, deoarece companiile care produc electrocasnice își măresc treptat cerințele pentru acestea. Principalele avantaje ale bateriilor galvanice de acest tip:

parametri universali care permit utilizarea lor în diferite domenii;
operare usoara;
cost scăzut;
conditii simple producție;
materii prime accesibile și ieftine.

Printre dezavantaje se numără o durată de viață scurtă (nu mai mult de doi ani), o scădere a proprietăților din cauza temperaturilor scăzute, o scădere a capacității odată cu creșterea curentului și o scădere a tensiunii în timpul funcționării. Când bateriile cu sare sunt descărcate, acestea pot curge, deoarece volumul pozitiv al electrodului împinge electrolitul. Conductivitatea este crescută de grafit și negru de fum, amestecul activ este format din dioxid de mangan. Durata de viață depinde direct de volumul de electrolit.

Primele elemente alcaline au apărut în secolul trecut. Rolul agentului oxidant în ele este jucat de mangan, iar agentul reducător este pulberea de zinc. Corpul bateriei este amalgamat pentru a preveni coroziunea. Dar utilizarea mercurului a fost interzisă, așa că au fost acoperite cu amestecuri de pudră de zinc și inhibitori de rugină.

Substanța activă din dispozitivul unei celule galvanice este acestea sunt zinc, indiu, plumb și aluminiu. Masa activă include funingine, mangan și grafit. Electrolitul este format din potasiu și sodiu. Pulberea uscată îmbunătățește semnificativ performanța bateriei. Cu aceleasi dimensiuni ca si tipurile de sare, cele alcaline au o capacitate mai mare. Ele continuă să funcționeze bine chiar și în înghețuri severe.

Celulele cu litiu sunt folosite pentru a alimenta tehnologia modernă. Sunt produse sub formă de baterii și acumulatori de diferite dimensiuni. Primele conțin un electrolit solid, în timp ce alte dispozitive conțin un electrolit lichid. Această opțiune este potrivită pentru dispozitivele care necesită încărcări stabile de tensiune și curent mediu. Bateriile cu litiu pot fi încărcate de mai multe ori, bateriile se folosesc o singura data, nu se deschid.

Domeniul de aplicare

Există o serie de cerințe pentru producția de celule galvanice. Carcasa bateriei trebuie să fie fiabilă și sigilată. Electrolitul nu trebuie să se scurgă și substanțele străine nu trebuie lăsate să pătrundă în dispozitiv. În unele cazuri, atunci când lichidul se scurge, acesta va lua foc. Un articol deteriorat nu poate fi folosit. Dimensiunile tuturor bateriilor sunt aproape aceleași, doar dimensiunile bateriilor diferă. Elementele pot avea diferite forme: cilindrice, prismatice sau disc.

Toate tipurile de dispozitive au avantaje comune: sunt compacte și ușoare, adaptate la diferite intervale de temperatură de funcționare, au o capacitate mare și funcționează stabil în diferite condiții. Există și unele dezavantaje, dar se referă la anumite tipuri de elemente. Cele cu sare nu durează mult, cele cu litiu sunt proiectate în așa fel încât să se poată aprinde dacă sunt depresurizate.

Aplicațiile bateriilor sunt numeroase:

tehnologie digitală;
jucării pentru copii;
dispozitive medicale;
industria de apărare și aviație;
producție spațială.

Celulele galvanice sunt ușor de utilizat și accesibile. Dar unele tipuri trebuie manipulate cu atenție și nu utilizate dacă sunt deteriorate. Înainte de a cumpăra baterii, ar trebui să studiați cu atenție instrucțiunile pentru dispozitivul pe care îl vor alimenta.

Kyzyl, TSU

ABSTRACT

Subiect: "Celule galvanice. Baterii."

Alcătuit de: Spiridonova V.A.

I an, IV gr., FMF

Verificat de: Kendivan O.D.

2001

I. Introducere

II. Surse de curent galvanic

1. Tipuri de celule galvanice

III. baterii

1. Acid

2. Alcalin

3. Nichel-cadmiu sigilat

4. Sigilat

5. Baterii cu tehnologie „DRYFIT”.

INTRODUCERE

Surse de curent chimic (CHS) de mulți ani

intrat ferm în vieţile noastre. În viața de zi cu zi, consumatorul îi acordă rar atenție

atenție la diferențele dintre HIT-urile utilizate. Pentru el acestea sunt baterii și

baterii. Ele sunt utilizate de obicei în dispozitive precum

lanterne, jucării, radiouri sau mașini.

În cazul în care consumul de energie este relativ

este mare (10Ah), se folosesc baterii, în principal acide,

precum și nichel-fier și nichel-cadmiu. Sunt folosite în

calculatoare portabile (laptop, notebook, palmtop), dispozitive purtabile

comunicatii, iluminat de urgență etc.

În ultimii ani, astfel de baterii au fost utilizate pe scară largă în

surse de alimentare de rezervă pentru calculatoare și electromecanice

sisteme care stochează energie pentru posibile sarcini de vârf

și alimentarea cu energie de urgență a sistemelor vitale.

SURSE DE CURENT GALVANIC

Surse de curent galvanic de unică folosință

reprezintă un container unificat în care

conţine un electrolit absorbit de materialul activ

separator și electrozi (anod și catod), motiv pentru care se numesc

elemente uscate. Acest termen este folosit în legătură cu

toate celulele care nu conțin electrolit lichid. Spre obișnuit

Elementele uscate includ elemente carbon-zinc.

Celulele uscate sunt folosite pentru curenți scăzuti și intermitenți

moduri de operare. Prin urmare, astfel de elemente sunt utilizate pe scară largă în

aparate telefonice, jucării, sisteme de alarmă etc.

Acțiunea oricărei celule galvanice se bazează pe apariția unei reacții redox în ea. În forma sa cea mai simplă, o celulă galvanică este formată din două plăci sau tije din metale diferite și scufundate într-o soluție de electrolit. Un astfel de sistem face posibilă separarea spațială a reacției redox: oxidarea are loc pe un metal, iar reducerea are loc pe altul. Astfel, electronii sunt transferați de la agentul reducător la agentul de oxidare prin circuitul extern.

Luați în considerare, ca exemplu, o celulă galvanică cupru-zinc, alimentată de energia reacției de mai sus dintre zinc și sulfatul de cupru. Această celulă (celula Jacobi-Daniel) este formată dintr-o placă de cupru scufundată într-o soluție de sulfat de cupru (electrod de cupru) și o placă de zinc imersată într-o soluție de sulfat de zinc (electrod de zinc). Ambele soluții sunt în contact una cu cealaltă, dar pentru a preveni amestecarea ele sunt separate printr-un despărțitor din material poros.

Când elementul funcționează, de ex. când lanțul este închis, zincul este oxidat: la suprafața contactului său cu soluția, atomii de zinc se transformă în ioni și, atunci când sunt hidratați, trec în soluție. Electronii eliberați în acest caz se deplasează de-a lungul circuitului extern până la electrodul de cupru. Întregul set al acestor procese este reprezentat schematic de ecuația semireacției sau ecuația electrochimică:

Reducerea ionilor de cupru are loc la electrodul de cupru. Electronii care vin aici de la electrodul de zinc se combină cu ionii de cupru deshidratanți care ies din soluție; atomii de cupru sunt formați și eliberați ca metal. Ecuația electrochimică corespunzătoare este:

Ecuația totală a reacției care are loc în element se obține prin adăugarea ecuațiilor ambelor semireacții. Astfel, în timpul funcționării unei celule galvanice, electronii din agentul reducător trec la agentul de oxidare printr-un circuit extern, procesele electrochimice au loc la electrozi și se observă mișcarea direcțională a ionilor în soluție.

Electrodul la care are loc oxidarea se numește anod (zinc). Electrodul la care are loc reducerea se numește catod (cupru).

În principiu, orice reacție redox poate produce energie electrică. Cu toate acestea, numărul de reacții

utilizat practic în sursele chimice de energie electrică este mic. Acest lucru se datorează faptului că nu orice reacție redox face posibilă crearea unei celule galvanice cu proprietăți valoroase din punct de vedere tehnic. În plus, multe reacții redox necesită consumul de substanțe scumpe.

Spre deosebire de celula cupru-zinc, toate celulele galvanice și bateriile moderne folosesc nu doi, ci un electrolit; Astfel de surse de curent sunt mult mai convenabile de utilizat.

TIPURI DE CELULE GALVANICE

Elemente carbon-zinc

Elementele cărbune-zinc (mangan-zinc) sunt

cele mai comune elemente uscate. În cărbune-zinc

elementele utilizează un colector de curent pasiv (carbon) în

contact cu un anod din dioxid de mangan (MnO2), electrolit din

clorură de amoniu și un catod de zinc. Electrolitul este în

formează pastă sau impregnează o diafragmă poroasă.

Un astfel de electrolit nu este foarte mobil și nu se răspândește, deci

elementele se numesc uscate.

Elementele cărbune-zinc sunt „restaurate” în timpul

pauză de la muncă. Acest fenomen se datorează treptat

alinierea neomogenităților locale în compoziție

electrolitul apărut în timpul procesului de descărcare. Ca urmare

„odihnă” periodică durata de viață a elementului este prelungită.

Avantajul elementelor carbon-zinc este lor

cost relativ mic. La dezavantaje semnificative

ar trebui să includă o scădere semnificativă a tensiunii în timpul descărcării,

putere specifică scăzută (5...10 W/kg) și durată de viață scurtă

depozitare

Temperaturile scăzute reduc eficiența

celule galvanice, iar încălzirea internă a bateriei este

crește. O creștere a temperaturii provoacă coroziunea chimică a electrodului de zinc de către apa conținută în electrolit și uscarea electrolitului. Acești factori pot fi oarecum compensați prin menținerea bateriei la temperaturi ridicate și introducerea unei soluții saline în celulă printr-un orificiu prefabricat.

Elemente alcaline

La fel ca celulele carbon-zinc, celulele alcaline folosesc un anod de MnO2 și un catod de zinc cu un electrolit separat.

Diferența dintre elementele alcaline și elementele carbon-zinc este

în utilizarea unui electrolit alcalin, drept urmare

Practic nu există emisii de gaz în timpul descărcării și pot fi

să fie sigilat, ceea ce este foarte important pentru un număr dintre ei

aplicatii.

Elemente de mercur

Elementele de mercur sunt foarte asemănătoare cu elementele alcaline. In ele

Se folosește oxidul de mercur (HgO). Catodul este format dintr-un amestec de pulbere

zinc și mercur. Anodul și catodul sunt separate printr-un separator și o diafragmă,

înmuiat în soluție alcalină 40%.

Deoarece mercurul este rar și toxic, elementele de mercur nu sunt

trebuie aruncate după ce au fost utilizate complet. Ar trebui

mergi la reciclare.

Elemente de argint

Au catozi „argintii” din Ag2O și AgO.

Celule cu litiu

Ei folosesc anozi de litiu, un electrolit organic

și catozi din diverse materiale. Au foarte mari

termen de valabilitate, densități mari de energie și operabilitate

într-un interval larg de temperatură deoarece nu conțin apă.

Deoarece litiul are cel mai mare potențial negativ

în raport cu toate metalele, elementele de litiu

caracterizat prin cea mai mare tensiune nominală la

dimensiuni minime.

Conductivitatea ionică este asigurată prin introducerea în

Solvenți de săruri cu anioni mari.

Dezavantajele celulelor cu litiu includ lor

cost relativ ridicat din cauza prețului ridicat

litiu, cerințe speciale pentru producerea lor (nevoia

atmosferă inertă, purificarea solvenților neapoși). Ar trebui

De asemenea, luați în considerare faptul că unele celule de litiu atunci când acestea

sunt explozive dacă sunt deschise.

Celulele cu litiu sunt utilizate pe scară largă în sursele de alimentare de rezervă pentru circuitele de memorie, instrumente de măsură și alte sisteme de înaltă tehnologie.

BATERIE

Bateriile sunt surse chimice

energie electrică reutilizabilă. Ele constau din

doi electrozi (pozitiv și negativ), electrolit

și carene. Acumularea de energie în baterie are loc atunci când

apariţia unei reacţii chimice de oxidare-reducere

electrozi. Când bateria este descărcată, are loc invers

proceselor. Tensiunea bateriei este diferența de potențial

între polii bateriei la o sarcină fixă.

Pentru a obține valori de tensiune suficient de mari sau

la încărcare, bateriile individuale sunt conectate între ele

serie sau paralel cu bateriile. Există un număr

tensiuni general acceptate pt baterii: 2; 4; 6;

Ne vom limita la a lua în considerare următoarele baterii:

baterii cu acid fabricate conform tradiționalului

tehnologii;

plumb și acționare staționară (auto și

tractor);

baterii sigilate fara intretinere, sigilate

nichel-cadmiu și acid „dryfit” A400 și A500 (asemănător jeleului

electrolit).

BATERIE ACIDE

Ca exemplu, luați în considerare o baterie plumb-acid gata de utilizare. Este alcătuit din plăci de plumb zăbrele, dintre care unele sunt umplute cu dioxid de plumb, iar altele cu plumb burete metalic. Plăcile sunt scufundate într-o soluție 35-40% H2SO4; la această concentrație, conductivitatea electrică specifică a soluției de acid sulfuric este maximă.

Când bateria funcționează - când este descărcată - are loc o reacție de oxidare-reducere în ea, în timpul căreia plumbul metalic este oxidat:

Pb + SO4= PbSO4 + 2e-

Și dioxidul de plumb este redus:

Pb + S04 + 4H+ + 2e- = PbS04 + 2H2O

Electronii cedați de atomii metalici de plumb în timpul oxidării sunt acceptați de atomii de plumb PbO2 în timpul reducerii; electronii sunt transferați de la un electrod la altul printr-un circuit extern.

Astfel, plumbul metalic servește ca anod într-o baterie cu plumb și este încărcat negativ, iar PbO2 servește drept catod și este încărcat pozitiv.

În circuitul intern (în soluția de H2SO4), transferul de ioni are loc în timpul funcționării bateriei. Ionii SO42 se deplasează spre anod, iar ionii H+ se deplasează spre catod. Direcția acestei mișcări este determinată de câmpul electric rezultat din apariția proceselor electrodului: anionii sunt consumați la anod, iar cationii sunt consumați la catod. Ca rezultat, soluția rămâne neutră din punct de vedere electric.

Dacă adunăm ecuațiile corespunzătoare oxidării plumbului și reducerii PbO2, obținem ecuația generală a reacției,

scurgeri într-o baterie plumb-acid în timpul funcționării acesteia (descărcare):

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

E.m.f. a unei baterii plumb-acid încărcate este de aproximativ 2V. Pe măsură ce o baterie se descarcă, materialele sale catod (PbO2) și anod (Pb) sunt consumate. Se consumă și acid sulfuric. În același timp, tensiunea la bornele bateriei scade. Când aceasta devine mai mică decât valoarea permisă de condițiile de funcționare, bateria este încărcată din nou.

Pentru a încărca (sau încărca), bateria este conectată la o sursă de curent externă (plus la plus și minus la minus). În acest caz, curentul trece prin baterie în direcția opusă celei în care a trecut când bateria a fost descărcată. Ca urmare a acestui fapt, procesele electrochimice de pe electrozi sunt „inversate”. Electrodul plumb trece acum printr-un proces de reducere

PbSO4 + 2e- = Pb + SO4

aceste. Acest electrod devine catod. Procesul de oxidare are loc pe electrodul PbO2

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

prin urmare, acest electrod este acum anodul. Ionii din soluție se mișcă în direcții opuse celor în care s-au deplasat atunci când bateria funcționa.

Adunând ultimele două ecuații, obținem ecuația pentru reacția care are loc la încărcarea bateriei:

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

Este ușor de observat că acest proces este opusul celui care are loc atunci când bateria este în funcțiune: când bateria este încărcată, produce din nou substanțele necesare funcționării sale.

Bateriile cu plumb-acid sunt de obicei conectate la o baterie, care

plasat într-un monobloc din ebonită, termoplastic, polipropilenă,

polistiren, polietilenă, compoziție smoală asfaltică, ceramică

sau sticla.

Una dintre cele mai importante caracteristici ale unei baterii este

durata de viață sau durata de viață (număr de cicluri). Deteriorare

parametrii bateriei și defecțiunile sunt cauzate în primul rând

coadă de coroziune a rețelei și alunecarea masei active

electrod pozitiv. Durata de viață a bateriei este determinată

în primul rând prin tipul de plăci pozitive și condiții

operare.

Îmbunătățirile bateriilor plumb-acid sunt pe drumul cel bun

cercetarea de noi aliaje pentru grile (de exemplu, plumb-calciu), materiale de carcasă ușoare și durabile

(de exemplu, pe bază de copolimer propilenă-etilenă), îmbunătățiri

calitatea separatoarelor.

BATERIE ALCALINE

Argint-zinc.

au bine caracteristici electrice, au masă și volum reduse. Electrozii din ele sunt oxizi de argint Ag2O, AgO (catod) și zinc burete (anod); Electrolitul este o soluție de KOH.

În timpul funcționării bateriei, zincul este oxidat, transformându-se în ZnO și Zn(OH)2, iar oxidul de argint este redus la metal. Reacția globală care are loc atunci când o baterie este descărcată poate fi exprimată aproximativ prin ecuația:

AgO + Zn = Ag + ZnO

E.m.f. a unei baterii argint-zinc încărcate este de aproximativ 1,85 V. Când tensiunea scade la 1,25 V, bateria este încărcată. În acest caz, procesele de pe electrozi sunt „inversate”: zincul este redus, argintul este oxidat - se obțin din nou substanțele necesare funcționării bateriei.

Cadmiu-nichel și fier-nichel.

CN și ZHN sunt foarte asemănătoare între ele. Principala lor diferență este materialul plăcilor cu electrozi negativi; în bateriile KN sunt cadmiu, iar în bateriile ZhN sunt fier. Bateriile KN sunt cele mai utilizate.

Bateriile alcaline sunt produse în principal cu electrozi lamelă. În ele, masele active sunt închise în lamele - cutii plate cu găuri. Masa activă a plăcilor pozitive ale unei baterii încărcate constă în principal din oxid de nichel hidratat (Ni) Ni2O3 x H2O sau NiOOH. În plus, conține grafit, care este adăugat pentru a crește conductivitatea electrică. Masa activă a plăcilor negative ale bateriilor KN constă dintr-un amestec de cadmiu burete cu pulbere de fier, iar din bateriile ZhN - din pulbere de fier redusă. Electrolitul este o soluție de hidroxid de potasiu care conține o cantitate mică de LiOH.

Să luăm în considerare procesele care au loc în timpul funcționării unei baterii KN. Când o baterie se descarcă, cadmiul se oxidează.

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

Și NiOOH este restaurat:

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

În acest caz, electronii sunt transferați de la electrodul de cadmiu la electrodul de nichel de-a lungul circuitului extern. Electrodul de cadmiu servește ca anod și este încărcat negativ, iar electrodul de nichel servește drept catod și este încărcat pozitiv.

Reacția totală care are loc în bateria KN în timpul funcționării acesteia poate fi exprimată prin ecuația care se obține prin adăugarea ultimelor două ecuații electrochimice:

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

E.m.f. a unei baterii nichel-cadmiu încărcate este de aproximativ 1,4 V. Pe măsură ce bateria funcționează (se descarcă), tensiunea la bornele ei scade. Când scade sub 1V, bateria este încărcată.

Când se încarcă o baterie, procesele electrochimice de la electrozii săi sunt „inversate”. Reducerea metalelor are loc la electrodul de cadmiu

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

Pe nichel - oxidarea hidroxidului de nichel (P):

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

Reacția totală în timpul încărcării este opusă reacției care are loc în timpul descărcării:

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

BATERIE NICHEL-CADMIUM SIGLAȚI

Un grup special de baterii cu nichel-cadmiu sunt baterii sigilate. Oxigenul eliberat la sfârșitul încărcării oxidează cadmiul, astfel încât presiunea din baterie nu crește. Rata de formare a oxigenului ar trebui să fie scăzută, astfel încât bateria este încărcată cu un curent relativ scăzut.

Bateriile sigilate sunt împărțite în discuri,

cilindrice și dreptunghiulare.

Baterii nichel-cadmiu dreptunghiulare sigilate

sunt produse cu electrozi negativi de oxid de cadmiu non-cermet sau cu electrozi de cadmiu cermet.

BATERIE SIGLAȚE

Baterii cu acizi utilizate pe scară largă,

efectuate conform tehnologie clasică, provoacă multe probleme

și au un efect dăunător asupra oamenilor și echipamentelor. Ele sunt cele mai multe

ieftin, dar necesită costuri suplimentare pentru întreținerea lor,

spații speciale și personal.

BATERIE TEHNOLOGIE „DRYFIT”.

Cea mai convenabilă și mai sigură dintre bateriile cu acid

sunt baterii sigilate care nu necesită întreținere

VRLA (Valve Regulated Lead Acid) produs folosind tehnologie

„dryfit”. Electrolitul din aceste baterii este într-o stare asemănătoare jeleului. Acest lucru garantează fiabilitatea bateriilor și siguranța funcționării acestora.

REFERINȚE:

1. Deordiev S.S.

Bateriile și îngrijirea lor.

K.: Technika, 1985. 136 p.

2. Carte de referință electrotehnică.

În 3 volume T.2. Produse și dispozitive electrice/sub

total ed. profesori ai Institutului de Inginerie Energetică din Moscova (editor-șef I.N. Orlov) și alții ed. 6cor. si suplimentare

M.: Energoatomizdat, 1986. 712 p.

3. N.L.Glinka.

Chimie generală.

Editura „Chimie” 1977.

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

Surse de curent chimic.

M.: Energoizdat, 1981. 360 p.

Pentru a întocmi o diagramă a unei celule galvanice, este necesar să înțelegeți principiul funcționării acesteia și caracteristicile structurale.

Consumatorii rareori acordă atenție bateriilor și bateriilor reîncărcabile, deși acestea sunt cele mai populare surse de energie.

Surse de curent chimic

Ce este o celulă galvanică? Circuitul său se bazează pe un electrolit. Dispozitivul include un mic recipient care conține electrolitul, care este adsorbit de materialul separator. În plus, diagrama a două celule galvanice presupune prezența lui Care este numele unei astfel de celule galvanice? Schema care leagă două metale împreună presupune prezența unei reacții de oxidare-reducere.

Cea mai simplă celulă galvanică

Presupune prezența a două plăci sau tije din metale diferite, care sunt scufundate într-o soluție de electrolit puternic. În timpul funcționării acestei celule galvanice, la anod are loc un proces de oxidare, asociat cu eliberarea de electroni.

La catod - reducerea, însoțită de acceptarea particulelor negative. Electronii sunt transferați prin circuitul extern către agentul de oxidare de la agentul reducător.

Exemplu de celulă galvanică

Pentru a compune circuite electronice celule galvanice, este necesar să se cunoască valoarea potențialului lor standard de electrod. Să analizăm o variantă a unei celule galvanice cupru-zinc care funcționează pe baza energiei eliberate în timpul interacțiunii sulfatului de cupru cu zinc.

Această celulă galvanică, a cărei diagramă va fi prezentată mai jos, se numește element Jacobi-Daniel. Acesta include care este scufundat într-o soluție de sulfat de cupru (electrod de cupru), și este, de asemenea, format dintr-o placă de zinc situată într-o soluție a sulfatului său (electrod de zinc). Soluțiile vin în contact unele cu altele, dar pentru a preveni amestecarea lor, elementul folosește un despărțitor din material poros.

Principiul de funcționare

Cum funcționează o celulă galvanică, al cărei circuit este Zn ½ ZnSO4 ½ ½ CuSO4 ½ Cu? În timpul funcționării sale, când este închis circuit electric, are loc procesul de oxidare a zincului metalic.

Pe suprafața sa de contact cu soluția de sare se observă transformarea atomilor în cationi Zn2+. Procesul este însoțit de eliberarea de electroni „liberi”, care se mișcă de-a lungul circuitului extern.

Reacția care are loc la electrodul de zinc poate fi reprezentată după cum urmează:

Reducerea cationilor metalici se realizează pe un electrod de cupru. Particulele negative care intră aici de la electrodul de zinc se combină cu cationii de cupru, precipitându-le sub formă de metal. Acest proces are următoarea formă:

Dacă adunăm cele două reacții discutate mai sus, obținem o ecuație sumară care descrie funcționarea unei celule galvanice zinc-cupru.

Electrodul de zinc servește ca anod, iar cuprul servește drept catod. Celulele și bateriile galvanice moderne necesită utilizarea unei singure soluții de electrolit, care extinde domeniul de aplicare a acestora și face funcționarea lor mai confortabilă și mai convenabilă.

Tipuri de celule galvanice

Cele mai comune sunt elementele carbon-zinc. Ei folosesc un colector de curent pasiv de carbon în contact cu anodul, care este oxid de mangan (4). Electrolitul este clorură de amoniu, folosită sub formă de pastă.

Nu se răspândește, motiv pentru care celula galvanică în sine se numește uscată. Caracteristica sa este capacitatea de „recuperare” în timpul funcționării, ceea ce are un efect pozitiv asupra duratei perioadei lor de funcționare. Astfel de celule galvanice au costuri reduse, dar putere redusă. Pe măsură ce temperatura scade, acestea își reduc eficiența și, pe măsură ce temperatura crește, electrolitul se usucă treptat.

Celulele alcaline necesită utilizarea unei soluții alcaline, deci au destul de multe domenii de aplicare.

În celulele cu litiu, metalul activ acționează ca un anod, ceea ce are un efect pozitiv asupra duratei de viață. Litiul este negativ prin urmare, cu dimensiuni mici, astfel de elemente au o tensiune nominală maximă. Printre dezavantajele unor astfel de sisteme se numără prețul ridicat. Deschiderea surselor de alimentare cu litiu este explozivă.

Concluzie

Principiul de funcționare al oricărei celule galvanice se bazează pe procese redox care au loc la catod și anod. În funcție de metalul utilizat și de soluția de electrolit selectată, durata de viață a elementului se modifică, precum și valoarea tensiunii nominale. În prezent, sunt solicitate celule galvanice cu litiu și cadmiu care au o durată de viață destul de lungă.

Kyzyl, TSU

ABSTRACT

Subiect: "Celule galvanice. Baterii."

Alcătuit de: Spiridonova V.A.

I an, IV gr., FMF

Verificat de: Kendivan O.D.

2001

I. Introducere

II. Surse de curent galvanic

1. Tipuri de celule galvanice

III. baterii

1. Acid

2. Alcalin

3. Nichel-cadmiu sigilat

4. Sigilat

5. Baterii cu tehnologie „DRYFIT”.

INTRODUCERE

Surse de curent chimic (CHS) de mulți ani

intrat ferm în vieţile noastre. În viața de zi cu zi, consumatorul îi acordă rar atenție

atenție la diferențele dintre HIT-urile utilizate. Pentru el acestea sunt baterii și

baterii. Ele sunt utilizate de obicei în dispozitive precum

lanterne, jucării, radiouri sau mașini.

În cazul în care consumul de energie este relativ

este mare (10Ah), se folosesc baterii, în principal acide,

precum și nichel-fier și nichel-cadmiu. Sunt folosite în

calculatoare portabile (laptop, notebook, palmtop), dispozitive purtabile

comunicații, iluminat de urgență etc.

În ultimii ani, astfel de baterii au fost utilizate pe scară largă în

surse de alimentare de rezervă pentru calculatoare și electromecanice

sisteme care stochează energie pentru posibile sarcini de vârf

și alimentarea cu energie de urgență a sistemelor vitale.

SURSE DE CURENT GALVANIC

Surse de curent galvanic de unică folosință

reprezintă un container unificat în care

conţine un electrolit absorbit de materialul activ

separator și electrozi (anod și catod), motiv pentru care se numesc

elemente uscate. Acest termen este folosit în legătură cu

toate celulele care nu conțin electrolit lichid. Spre obișnuit

Elementele uscate includ elemente carbon-zinc.

Celulele uscate sunt folosite pentru curenți scăzuti și intermitenți

moduri de operare. Prin urmare, astfel de elemente sunt utilizate pe scară largă în

telefoane, jucării, sisteme de alarmă etc.

Electrodul la care are loc oxidarea se numește anod (zinc). Electrodul la care are loc reducerea se numește catod (cupru).

În principiu, orice reacție redox poate produce energie electrică. Cu toate acestea, numărul de reacții

Spre deosebire de celula cupru-zinc, toate celulele galvanice și bateriile moderne folosesc nu doi, ci un electrolit; Astfel de surse de curent sunt mult mai convenabile de utilizat.

TIPURI DE CELULE GALVANICE

Elemente carbon-zinc

Elementele cărbune-zinc (mangan-zinc) sunt

cele mai comune elemente uscate. În cărbune-zinc

elementele utilizează un colector de curent pasiv (carbon) în

contact cu un anod din dioxid de mangan (MnO2), electrolit din

clorură de amoniu și un catod de zinc. Electrolitul este în

formează pastă sau impregnează o diafragmă poroasă.

Un astfel de electrolit nu este foarte mobil și nu se răspândește, deci

elementele se numesc uscate.

Elementele cărbune-zinc sunt „restaurate” în timpul

pauză de la muncă. Acest fenomen se datorează treptat

alinierea neomogenităților locale în compoziție

electrolitul apărut în timpul procesului de descărcare. Ca urmare

„odihnă” periodică durata de viață a elementului este prelungită.

Avantajul elementelor carbon-zinc este lor

cost relativ mic. La dezavantaje semnificative

ar trebui să includă o scădere semnificativă a tensiunii în timpul descărcării,

putere specifică scăzută (5...10 W/kg) și durată de viață scurtă

depozitare

Temperaturile scăzute reduc eficiența

celule galvanice, iar încălzirea internă a bateriei este

Elemente alcaline

La fel ca celulele carbon-zinc, celulele alcaline folosesc un anod de MnO2 și un catod de zinc cu un electrolit separat.

Diferența dintre elementele alcaline și elementele carbon-zinc este

în utilizarea unui electrolit alcalin, drept urmare

Practic nu există emisii de gaz în timpul descărcării și pot fi

să fie sigilat, ceea ce este foarte important pentru un număr dintre ei

aplicatii.

Elemente de mercur

Elementele de mercur sunt foarte asemănătoare cu elementele alcaline. In ele

Se folosește oxidul de mercur (HgO). Catodul este format dintr-un amestec de pulbere

zinc și mercur. Anodul și catodul sunt separate printr-un separator și o diafragmă,

înmuiat în soluție alcalină 40%.

Deoarece mercurul este rar și toxic, elementele de mercur nu sunt

trebuie aruncate după ce au fost utilizate complet. Ar trebui

mergi la reciclare.

Elemente de argint

Au catozi „argintii” din Ag2O și AgO.

Celule cu litiu

Ei folosesc anozi de litiu, un electrolit organic

și catozi din diverse materiale. Au foarte mari

termen de valabilitate, densități mari de energie și operabilitate

într-un interval larg de temperatură deoarece nu conțin apă.

Deoarece litiul are cel mai mare potențial negativ

în raport cu toate metalele, elementele de litiu

caracterizat prin cea mai mare tensiune nominală la

dimensiuni minime.

Conductivitatea ionică este asigurată prin introducerea în

Solvenți de săruri cu anioni mari.

Dezavantajele celulelor cu litiu includ lor

cost relativ ridicat din cauza prețului ridicat

litiu, cerințe speciale pentru producerea lor (nevoia

atmosferă inertă, purificarea solvenților neapoși). Ar trebui

De asemenea, luați în considerare faptul că unele celule de litiu atunci când acestea

sunt explozive dacă sunt deschise.

Celulele cu litiu sunt utilizate pe scară largă în sursele de alimentare de rezervă pentru circuitele de memorie, instrumente de măsură și alte sisteme de înaltă tehnologie.

BATERIE

Bateriile sunt surse chimice

energie electrică reutilizabilă. Ele constau din

doi electrozi (pozitiv și negativ), electrolit

și carene. Acumularea de energie în baterie are loc atunci când

apariţia unei reacţii chimice de oxidare-reducere

electrozi. Când bateria este descărcată, are loc invers

proceselor. Tensiunea bateriei este diferența de potențial

între polii bateriei la o sarcină fixă.

Pentru a obține valori de tensiune suficient de mari sau

la încărcare, bateriile individuale sunt conectate între ele

serie sau paralel cu bateriile. Există un număr

tensiuni general acceptate pentru baterii: 2; 4; 6;

Ne vom limita la a lua în considerare următoarele baterii:

baterii cu acid fabricate conform tradiționalului

tehnologii;

plumb și acționare staționară (auto și

tractor);

baterii sigilate fara intretinere, sigilate

nichel-cadmiu și acid „dryfit” A400 și A500 (asemănător jeleului

electrolit).

BATERIE ACIDE

Principiul de funcționare

Varietăți de elemente

Domeniul de aplicare

Surse de curent chimic

Cea mai simplă celulă galvanică

Exemplu de celulă galvanică

Principiul de funcționare

Tipuri de celule galvanice

Concluzie

Alegerea editorului