Podomácky vyrobený galvanický článok pre autonómne napájanie. Vlastnosti niektorých typov galvanických článkov a ich stručná charakteristika Galvanické články používané v práci

Domov / Prenosné počítače

Predpoklady pre vznik galvanických článkov. Trochu histórie. V roku 1786 taliansky profesor medicíny, fyziológ Luigi Aloisio Galvani objavil zaujímavý jav: svaly zadných nôh čerstvo roztvorenej žabej mŕtvoly zavesené na medených hákoch sa stiahli, keď sa ich vedec dotkol oceľovým skalpelom. Galvani okamžite dospel k záveru, že ide o prejav „živočíšnej elektriny“.

Po Galvaniho smrti by jeho súčasník Alessandro Volta, chemik a fyzik, opísal a verejne demonštroval realistickejší mechanizmus generovania elektrického prúdu pri kontakte rôznych kovov.

Volta po sérii experimentov dospeje k jednoznačnému záveru, že prúd sa v obvode objavuje v dôsledku prítomnosti dvoch vodičov z rôznych kovov umiestnených v kvapaline, a to vôbec nie je „živočíšna elektrina“, ako tvrdí Galvani. myslel si. Trhanie nôh žaby bolo dôsledkom pôsobenia prúdu generovaného kontaktom rôznych kovov (medené háčiky a oceľový skalpel).

Volta ukáže tie isté javy, aké predviedol Galvani na mŕtvej žabe, ale na úplne neživom podomácky vyrobenom elektrometri a v roku 1800 podá presné vysvetlenie výskytu prúdu: „vodič druhej triedy (kvapalina) je v strede. a je v kontakte s dvoma vodičmi prvej triedy z dvoch rôznych kovov... V dôsledku toho vzniká elektrický prúd v jednom alebo druhom smere.“

V jednom zo svojich prvých experimentov Volta ponoril dve platne - zinok a meď - do nádoby s kyselinou a spojil ich drôtom. Potom sa zinková platňa začala rozpúšťať a na medenej oceli sa objavili bubliny plynu. Volta navrhol a dokázal, že drôtom preteká elektrický prúd.

Takto bol vynájdený „prvok Volta“ - prvý galvanický článok. Pre pohodlie mu Volta dala tvar zvislého valca (stĺpca), pozostávajúceho zo vzájomne prepojených krúžkov zinku, medi a látky, namočených v kyseline. Voltický stĺp vysoký pol metra vytvoril napätie, ktoré bolo citlivé na človeka.

Keďže výskum začal Luigi Galvani, meno si vo svojom názve zachovalo spomienku na neho.

Galvanický článok je chemický zdroj elektrického prúdu založený na interakcii dvoch kovov a/alebo ich oxidov v elektrolyte, čo vedie k vzniku elektrického prúdu v uzavretom okruhu. V galvanických článkoch sa teda chemická energia premieňa na elektrickú energiu.

Galvanické články dnes

Galvanické články sa dnes nazývajú batérie. Široko používané sú tri typy batérií: soľné (suché), alkalické (nazývajú sa aj alkalické, „alkalické“ v preklade z angličtiny ako „alkalické“) a lítium. Princíp ich fungovania je rovnaký, ako ho opísal Volta v roku 1800: dva kovy a elektrický prúd vzniká vo vonkajšom uzavretom okruhu.

Napätie batérie závisí od použitých kovov a od počtu prvkov v „batérii“. Batérie, na rozdiel od akumulátorov, nie sú schopné obnoviť svoje vlastnosti, pretože priamo premieňajú chemickú energiu, teda energiu činidiel, ktoré tvoria batériu (redukčné činidlo a oxidačné činidlo), na elektrickú energiu.

Činidlá obsiahnuté v batérii sa počas jej prevádzky spotrebúvajú a prúd postupne klesá, takže účinok zdroja končí po úplnej reakcii činidiel.

Alkalické a soľné články (batérie) sa široko používajú na napájanie rôznych elektronických zariadení, rádiových zariadení, hračiek a lítiové najčastejšie nájdeme v prenosných medicínskych zariadeniach, ako sú glukomery, alebo v digitálnych zariadeniach, ako sú fotoaparáty.

Mangánovo-zinkové články, ktoré sa nazývajú soľné batérie, sú „suché“ galvanické články, ktoré neobsahujú tekutý roztok elektrolytu.

Zinková elektróda (+) je sklenená katóda a anóda je prášková zmes oxidu manganičitého a grafitu. Prúd tečie cez grafitovú tyč. Elektrolyt je pasta z roztoku chloridu amónneho s prídavkom škrobu alebo múky na zahustenie, aby nič neteklo.

Výrobcovia batérií zvyčajne neuvádzajú presné zloženie soľných článkov, soľné batérie sú však najlacnejšie, zvyčajne sa používajú v zariadeniach s extrémne nízkou spotrebou energie: v hodinkách, v diaľkových ovládačoch diaľkové ovládanie, v elektronických teplomeroch atď.

Pojem „nominálna kapacita“ sa zriedka používa na charakterizáciu zinkovo-mangánových batérií, pretože ich kapacita značne závisí od prevádzkových režimov a podmienok. Hlavnou nevýhodou týchto prvkov je výrazná rýchlosť poklesu napätia počas celého vybíjania a výrazný pokles dodávanej kapacity so zvyšujúcim sa vybíjacím prúdom. Konečné vybíjacie napätie sa nastavuje v závislosti od záťaže v rozsahu 0,7-1,0 V.

Dôležitá je nielen veľkosť vybíjacieho prúdu, ale aj časový harmonogram záťaže. Pri prerušovanom vybíjaní pri vysokých a stredných prúdoch sa výkon batérií v porovnaní s nepretržitou prevádzkou citeľne zvyšuje. Pri nízkych vybíjacích prúdoch a niekoľkomesačných prestávkach v prevádzke však môže dôjsť k poklesu ich kapacity v dôsledku samovybíjania.

Vyššie uvedený graf ukazuje vybíjacie krivky pre priemernú soľnú batériu počas 4, 10, 20 a 40 hodín na porovnanie s alkalickou batériou, o ktorej bude reč neskôr.

Alkalická batéria je mangánovo-zinková galvanická batéria, ktorá používa oxid manganičitý ako katódu, práškový zinok ako anódu a alkalický roztok, zvyčajne vo forme pasty hydroxidu draselného, ako elektrolyt.

Tieto batérie majú množstvo výhod (najmä výrazne vyššiu kapacitu, najlepšia práca pri nízkych teplotách a vysokých zaťažovacích prúdoch).

Alkalické batérie v porovnaní so soľnými batériami dokážu poskytnúť väčší prúd na dlhšiu dobu. Vyšší prúd je možný, pretože zinok sa tu nepoužíva vo forme skla, ale vo forme prášku, ktorý má väčšiu plochu kontaktu s elektrolytom. Ako elektrolyt sa používa hydroxid draselný vo forme pasty.

Práve vďaka schopnosti tohto typu galvanických článkov dlhodobo dodávať značný prúd (až 1 A) sú dnes alkalické batérie najrozšírenejšie.

V elektrických hračkách, v prenosných zdravotníckych zariadeniach, v elektronické zariadenia, vo fotoaparátoch – všade sa používajú alkalické batérie. Pri nízkoprúdovom výboji vydržia 1,5-krát dlhšie ako soľné. Graf ukazuje vybíjacie krivky pri rôznych prúdoch pre porovnanie so soľnou batériou (graf bol zobrazený vyššie) počas 4, 10, 20 a 40 hodín.

Lítiové batérie

Ďalším pomerne bežným typom voltaických článkov sú lítiové batérie – jednotlivé nenabíjateľné galvanické články, ktoré ako anódu používajú lítium alebo jeho zlúčeniny. Vďaka použitiu alkalického kovu majú vysoký potenciálny rozdiel.

Katóda a elektrolyt lítiového článku môžu byť veľmi odlišné, takže výraz "lítiový článok" spája skupinu článkov s rovnakým materiálom anódy. Ako katódu možno použiť napríklad oxid manganičitý, fluorid uhoľnatý, pyrit, tionylchlorid atď.

Lítiové batérie sa líšia od ostatných batérií dlhou životnosťou a vysokou cenou. V závislosti od zvolenej veľkosti a použitých chemikálií môže lítiová batéria produkovať napätie od 1,5 V (kompatibilné s alkalickými batériami) do 3,7 V.

Tieto batérie majú najvyššiu kapacitu na jednotku hmotnosti a dlhú životnosť. Lítiové články sú široko používané v moderných prenosných zariadeniach elektronická technológia: na napájanie hodín základné dosky počítače, na napájanie prenosných zdravotníckych zariadení, náramkových hodiniek, kalkulačiek, fotografických zariadení atď.

Vyššie uvedený graf ukazuje vybíjacie krivky pre dve lítiové batérie od dvoch populárnych výrobcov. Počiatočný prúd bol 120 mA (na rezistor asi 24 Ohmov).

Rôzne typy galvanických článkov premieňajú svoju chemickú energiu na elektrický prúd. Svoje meno dostali na počesť talianskeho vedca Galvaniho, ktorý uskutočnil prvé takéto experimenty a výskumy. Elektrina vzniká chemickou reakciou dvoch kovov (zvyčajne zinku a medi) v elektrolyte.

Princíp fungovania

Vedci umiestnili medenú a zinkovú platňu do nádob s kyselinou. Boli spojené vodičom, na prvom sa vytvorili bublinky plynu a na druhom sa začali rozpúšťať. To dokázalo, že vodičom preteká elektrický prúd. Po Galvanim sa Volt pustil do experimentov. Vytvoril cylindrický prvok, podobný zvislému stĺpu. Pozostával zo zinkových, medených a látkových krúžkov, vopred impregnovaných kyselinou. Prvý prvok mal výšku 50 cm a napätie ním generované človek cítil.

Princíp činnosti spočíva v tom, že dva typy kovov v elektrolytickom médiu interagujú, v dôsledku čoho prúd začína pretekať vonkajším obvodom. Moderné galvanické články a batérie sa nazývajú batérie. Ich napätie závisí od použitého kovu. Zariadenie je umiestnené vo valci z mäkkého plechu. Elektródy sú sitá s oxidačným a redukčným naprašovaním.

Premena chemickej energie na elektrickú vylučuje možnosť obnovenia vlastností batérií. Koniec koncov, keď prvok funguje, spotrebúvajú sa činidlá, čo spôsobuje zníženie prúdu. Redukčným činidlom je zvyčajne záporné olovo z lítia alebo zinku. Počas prevádzky stráca elektróny. Pozitívna časť je vyrobená zo solí kovov alebo oxidu horečnatého, vykonáva prácu oxidačného činidla.

Za normálnych podmienok elektrolyt neprepúšťa prúd, rozpadá sa na ióny, až keď je okruh uzavretý. To spôsobuje, že sa objaví vodivosť. Ako elektrolyt sa používa roztok kyseliny, sodné alebo draselné soli.

Odrody prvkov

Batérie sa používajú na napájanie zariadení, zariadení, zariadení a hračiek. Podľa schémy sú všetky galvanické prvky rozdelené do niekoľkých typov:

fyziologický roztok;
alkalický;
lítium

Najobľúbenejšie sú soľné batérie zo zinku a mangánu. Prvok spája spoľahlivosť, kvalitu a rozumnú cenu. Ale v v poslednej dobe Výrobcovia obmedzujú alebo úplne zastavujú ich výrobu, keďže firmy vyrábajúce domáce spotrebiče na ne postupne zvyšujú požiadavky. Hlavné výhody galvanických batérií tohto typu:

univerzálne parametre umožňujúce ich použitie v rôznych oblastiach;
jednoduchá obsluha;
nízke náklady;
jednoduché podmienky výroba;
dostupné a lacné suroviny.

Medzi nevýhody patrí krátka životnosť (nie viac ako dva roky), pokles vlastností v dôsledku nízkych teplôt, pokles kapacity so zvyšujúcim sa prúdom a pokles napätia počas prevádzky. Keď sú soľné batérie vybité, môžu vytekať, pretože kladný objem elektródy vytláča elektrolyt. Vodivosť zvyšuje grafit a sadze, aktívnu zmes tvorí oxid manganičitý. Životnosť priamo závisí od objemu elektrolytu.

Prvé alkalické prvky sa objavili v minulom storočí. Úlohu oxidačného činidla v nich zohráva mangán a redukčným činidlom je zinkový prášok. Telo batérie je amalgamované, aby sa zabránilo korózii. Ale používanie ortuti bolo zakázané, takže boli potiahnuté zmesou zinkového prášku a inhibítorov hrdze.

Účinná látka v zariadení galvanického článku je sú to zinok, indium, olovo a hliník. Aktívna hmota zahŕňa sadze, mangán a grafit. Elektrolyt je vyrobený z draslíka a sodíka. Suchý prášok výrazne zlepšuje výkon batérie. Pri rovnakých rozmeroch ako typy solí majú alkalické väčšiu kapacitu. Naďalej dobre fungujú aj pri silných mrazoch.

Lítiové články sa používajú na napájanie moderných technológií. Vyrábajú sa vo forme batérií a akumulátorov rôznych veľkostí. Prvé obsahujú tuhý elektrolyt, zatiaľ čo iné zariadenia obsahujú tekutý elektrolyt. Táto možnosť je vhodná pre zariadenia, ktoré vyžadujú stabilné napätie a stredný prúd. Lítiové batérie je možné nabíjať niekoľkokrát, batérie sú použité len raz, neotvárajú sa.

Rozsah pôsobnosti

Na výrobu galvanických článkov existuje množstvo požiadaviek. Puzdro batérie musí byť spoľahlivé a utesnené. Elektrolyt nesmie vytekať a do zariadenia sa nesmú dostať cudzie látky. V niektorých prípadoch, keď kvapalina vytečie, vznieti sa. Poškodený tovar nie je možné použiť. Rozmery všetkých batérií sú takmer rovnaké, líšia sa len veľkosti batérií. Prvky môžu mať rôzne tvary: valcové, hranolové alebo kotúčové.

Všetky typy zariadení majú spoločné výhody: sú kompaktné a ľahké, prispôsobené rôznym rozsahom prevádzkových teplôt, majú veľkú kapacitu a fungujú stabilne v rôznych podmienkach. Existujú aj určité nevýhody, ktoré sa však týkajú určitých typov prvkov. Soľné nevydržia dlho, lítiové sú konštruované tak, že pri odtlakovaní sa môžu vznietiť.

Aplikácie batérií sú početné:

digitálna technológia;
detské hračky;
lekárske prístroje;
obranný a letecký priemysel;
vesmírna výroba.

Galvanické články sa ľahko používajú a sú cenovo dostupné. Ale s niektorými typmi je potrebné zaobchádzať opatrne a v prípade poškodenia ich nepoužívať. Pred zakúpením batérií by ste si mali dôkladne preštudovať pokyny k zariadeniu, ktoré budú napájať.

Kyzyl, TSU

ABSTRAKT

Téma: "Galvanické články. Batérie."

Zostavila: Spiridonova V.A.

I ročník, IV gr., FMF

Skontroloval: Kendivan O.D.

2001

I. Úvod

II. Zdroje galvanického prúdu

1. Typy galvanických článkov

III. Batérie

1. Kyslé

2. Alkalický

3. Uzavretý nikel-kadmium

4. Zapečatené

5. Batérie technológie „DRYFIT“.

ÚVOD

Zdroje chemického prúdu (CHS) už mnoho rokov

pevne vstúpil do nášho života. V každodennom živote spotrebiteľ zriedka venuje pozornosť

venujte pozornosť rozdielom medzi použitými HIT. Pre neho sú to batérie a

batérie. Typicky sa používajú v zariadeniach ako napr

baterky, hračky, rádiá či autá.

V prípade, že je spotreba el

je veľká (10Ah), používajú sa batérie, hlavne kyselinové,

ako aj nikel-železo a nikel-kadmium. Používajú sa v

prenosné počítače (laptopy, notebooky, palmtopy), nositeľné zariadenia

komunikácie, núdzové osvetlenie atď.

V posledných rokoch sa takéto batérie široko používajú

Záložné napájacie zdroje pre počítače a elektromechanické

systémy, ktoré uchovávajú energiu pre možné špičkové zaťaženie

a núdzové napájanie životne dôležitých systémov.

GALVANICKÉ PRÚDOVÉ ZDROJE

Jednorazové zdroje galvanického prúdu

predstavujú jednotnú nádobu, v ktorej

obsahuje elektrolyt absorbovaný aktívnym materiálom

separátor, a elektródy (anóda a katóda), preto sa nazývajú

suché prvky. Tento výraz sa používa v súvislosti s

všetky články, ktoré neobsahujú tekutý elektrolyt. K obyčajným

Suché prvky zahŕňajú uhlíkovo-zinkové prvky.

Suché články sa používajú pre nízke prúdy a prerušované

prevádzkové režimy. Preto sú takéto prvky široko používané v

telefónne prístroje, hračky, poplašné systémy atď.

Pôsobenie akéhokoľvek galvanického článku je založené na výskyte redoxnej reakcie v ňom. Vo svojej najjednoduchšej forme pozostáva galvanický článok z dvoch dosiek alebo tyčí vyrobených z rôznych kovov a ponorených do roztoku elektrolytu. Takýto systém umožňuje priestorovo oddeliť redoxnú reakciu: oxidácia prebieha na jednom kove a redukcia na inom. Elektróny sa tak prenášajú z redukčného činidla do oxidačného činidla cez vonkajší okruh.

Uvažujme ako príklad meď-zinkový galvanický článok poháňaný energiou vyššie uvedenej reakcie medzi zinkom a síranom meďnatým. Tento článok (Jacobi-Danielov článok) pozostáva z medenej dosky ponorenej do roztoku síranu meďnatého (medená elektróda) a zinkovej dosky ponorenej do roztoku síranu zinočnatého (zinková elektróda). Oba roztoky sú vo vzájomnom kontakte, ale aby sa zabránilo zmiešaniu, sú oddelené prepážkou z porézneho materiálu.

Keď je prvok v prevádzke, t.j. keď je reťazec uzavretý, zinok sa oxiduje: na povrchu jeho kontaktu s roztokom sa atómy zinku menia na ióny a keď sú hydratované, prechádzajú do roztoku. Elektróny uvoľnené v tomto prípade sa pohybujú pozdĺž vonkajšieho obvodu k medenej elektróde. Celý súbor týchto procesov je schematicky znázornený rovnicou polovičnej reakcie alebo elektrochemickou rovnicou:

Na medenej elektróde dochádza k redukcii iónov medi. Elektróny prichádzajúce sem zo zinkovej elektródy sa spájajú s dehydratujúcimi iónmi medi vychádzajúcimi z roztoku; atómy medi vznikajú a uvoľňujú sa ako kov. Zodpovedajúca elektrochemická rovnica je:

Celková rovnica reakcie prebiehajúcej v prvku sa získa sčítaním rovníc oboch polovičných reakcií. Pri činnosti galvanického článku teda prechádzajú elektróny z redukčného činidla vonkajším okruhom do oxidačného činidla, na elektródach prebiehajú elektrochemické procesy a v roztoku sa pozoruje smerový pohyb iónov.

Elektróda, na ktorej dochádza k oxidácii, sa nazýva anóda (zinok). Elektróda, na ktorej dochádza k redukcii, sa nazýva katóda (meď).

V zásade môže každá redoxná reakcia produkovať elektrickú energiu. Avšak počet reakcií

prakticky využívaná v chemických zdrojoch elektrickej energie je malá. Je to spôsobené tým, že nie každá redoxná reakcia umožňuje vytvoriť galvanický článok s technicky hodnotnými vlastnosťami. Okrem toho mnohé redoxné reakcie vyžadujú spotrebu drahých látok.

Na rozdiel od medeno-zinkového článku všetky moderné galvanické články a batérie nepoužívajú dva, ale jeden elektrolyt; Takéto zdroje prúdu sú oveľa pohodlnejšie na použitie.

TYPY GALVANICKÝCH ČLÁNKOV

Uhlíkovo-zinkové prvky

Uhoľno-zinkové prvky (mangán-zinok) sú

najbežnejšie suché prvky. V uhlie-zinku

prvky využívajú pasívny (uhlíkový) kolektor prúdu v

kontakt s anódou z oxidu manganičitého (MnO2), elektrolyt z

chlorid amónny a zinkovú katódu. Elektrolyt je v

tvorí pastu alebo impregnuje poréznu membránu.

Takýto elektrolyt nie je veľmi pohyblivý a nešíri sa, takže

prvky sa nazývajú suché.

Uhoľno-zinkové prvky sa „obnovujú“ počas

prestávka v práci. Tento jav je spôsobený postupným

zarovnanie lokálnych nehomogenít v kompozícii

elektrolyt vznikajúci počas procesu vybíjania. V dôsledku toho

periodický "odpočinok" životnosť prvku sa predlžuje.

Výhodou uhlíkovo-zinkových prvkov je ich

relatívne nízke náklady. K výrazným nevýhodám

by malo zahŕňať výrazné zníženie napätia počas vybíjania,

nízky špecifický výkon (5...10 W/kg) a krátka životnosť

skladovanie

Nízke teploty znižujú účinnosť

galvanické články, a vnútorné vyhrievanie batérie je

zvyšuje. Zvýšenie teploty spôsobuje chemickú koróziu zinkovej elektródy vodou obsiahnutou v elektrolyte a vysychanie elektrolytu. Tieto faktory možno do istej miery kompenzovať udržiavaním batérie pri zvýšených teplotách a zavedením soľného roztoku do článku cez vopred vyrobený otvor.

Alkalické prvky

Podobne ako uhlíkovo-zinkové články, aj alkalické články využívajú MnO2 anódu a zinkovú katódu s oddeleným elektrolytom.

Rozdiel medzi alkalickými prvkami a prvkami uhlík-zinok je

pri použití alkalického elektrolytu, v dôsledku čoho

Počas vypúšťania prakticky nevznikajú žiadne emisie plynu a môžu byť

byť zapečatené, čo je pre mnohé z nich veľmi dôležité

aplikácie.

Ortuťové prvky

Ortuťové prvky sú veľmi podobné alkalickým prvkom. V nich

Používa sa oxid ortutnatý (HgO). Katóda pozostáva zo zmesi prášku

zinok a ortuť. Anóda a katóda sú oddelené separátorom a membránou,

namočené v 40% alkalickom roztoku.

Keďže ortuť je vzácna a toxická, prvky ortuti nie sú

by sa mali po úplnom použití vyhodiť. Mali by

ísť na recykláciu.

Strieborné prvky

Majú „strieborné“ katódy vyrobené z Ag2O a AgO.

Lítiové články

Používajú lítiové anódy, organický elektrolyt

a katódy vyrobené z rôznych materiálov. Majú veľmi veľké

skladovateľnosť, vysoká energetická hustota a prevádzkyschopnosť

v širokom rozsahu teplôt, pretože neobsahujú vodu.

Keďže lítium má najvyšší negatívny potenciál

vo vzťahu ku všetkým kovom, lítiovým prvkom

charakterizované najvyšším menovitým napätím pri

minimálne rozmery.

Iónová vodivosť je zabezpečená zavedením do

Rozpúšťadlá solí s veľkými aniónmi.

Nevýhody lítiových článkov zahŕňajú ich

relatívne vysoké náklady v dôsledku vysokej ceny

lítium, špeciálne požiadavky na ich výrobu (potreba

inertná atmosféra, čistenie nevodných rozpúšťadiel). Mal by

Berte do úvahy aj to, že niektoré lítiové články, keď sa

pri otvorení sú výbušné.

Lítiové články sú široko používané v záložných zdrojoch pre pamäťové obvody, meracie prístroje a iné high-tech systémy.

BATÉRIE

Batérie sú chemické zdroje

opätovne využiteľná elektrická energia. Pozostávajú z

dve elektródy (kladná a záporná), elektrolyt

a trupy. Akumulácia energie v batérii nastáva, keď

výskyt chemickej oxidačno-redukčnej reakcie

elektródy. Keď je batéria vybitá, nastáva opak

procesy. Napätie batérie je potenciálny rozdiel

medzi pólmi batérie pri pevnom zaťažení.

Na získanie dostatočne veľkých hodnôt napätia resp

nabíjania, jednotlivé batérie sú navzájom spojené

sériovo alebo paralelne s batériami. Existuje číslo

všeobecne akceptované napätia pre batérie: 2; 4; 6;

Obmedzíme sa na zváženie nasledujúcich batérií:

kyselinové batérie vyrobené podľa tradičných

technológie;

stacionárne vedenie a pohon (automobilový a

traktor);

zapečatené bezúdržbové batérie, zapečatené

nikel-kadmium a kyselina "dryfit" A400 a A500 (rôsolovité

elektrolyt).

KYSELNÉ BATÉRIE

Ako príklad zvážte olovenú batériu pripravenú na použitie. Pozostáva z mriežkových olovených platní, z ktorých niektoré sú naplnené oxidom olovnatým a iné kovovým špongiovým olovom. Doštičky sa ponoria do 35-40 % roztoku H2S04; pri tejto koncentrácii je špecifická elektrická vodivosť roztoku kyseliny sírovej maximálna.

Keď je batéria v prevádzke - keď je vybitá - dochádza v nej k oxidačno-redukčnej reakcii, počas ktorej dochádza k oxidácii kovového olova:

Pb + SO4= PbSO4 + 2e-

A oxid olovnatý je znížený:

Pb + S04 + 4H+ + 2e- = PbS04 + 2H20

Elektróny odovzdané atómami kovového olova počas oxidácie sú počas redukcie prijímané atómami olova PbO2; elektróny sa prenášajú z jednej elektródy na druhú cez vonkajší obvod.

Olovený kov teda slúži ako anóda v olovenej batérii a je záporne nabitý a PbO2 slúži ako katóda a je nabitý kladne.

Vo vnútornom okruhu (v roztoku H2SO4) dochádza počas prevádzky batérie k prenosu iónov. Ióny SO42 sa pohybujú smerom k anóde a ióny H+ sa pohybujú smerom ku katóde. Smer tohto pohybu je určený elektrickým poľom vyplývajúcim z výskytu elektródových procesov: anióny sa spotrebúvajú na anóde a katióny sa spotrebúvajú na katóde. Výsledkom je, že roztok zostáva elektricky neutrálny.

Ak spočítame rovnice zodpovedajúce oxidácii olova a redukcii PbO2, dostaneme celkovú reakčnú rovnicu,

vytečenie olovenej batérie počas jej prevádzky (vybíjanie):

Pb + Pb02 + 4H+ + 2SO4 = 2PbSO4 + 2H2O

E.m.f. nabitého oloveného akumulátora je približne 2V. Pri vybíjaní batérie sa spotrebúvajú jej katódové (PbO2) a anódové (Pb) materiály. Konzumuje sa aj kyselina sírová. Súčasne klesá napätie na svorkách batérie. Keď klesne pod hodnotu povolenú prevádzkovými podmienkami, batéria sa znova nabije.

Na nabíjanie (alebo nabíjanie) je batéria pripojená k externému zdroju prúdu (plus na plus a mínus na mínus). V tomto prípade prúd preteká batériou v opačnom smere, než ktorým prechádzal, keď bola batéria vybitá. V dôsledku toho sú elektrochemické procesy na elektródach „obrátené“. Olovená elektróda teraz prechádza procesom redukcie

PbSO4 + 2e- = Pb + SO4

tie. Táto elektróda sa stáva katódou. Oxidačný proces prebieha na PbO2 elektróde

PbSO4 + 2H20 = Pb02 + 4H+ + 2e-

preto je táto elektróda teraz anódou. Ióny v roztoku sa pohybujú v opačných smeroch, než v ktorých sa pohybovali pri prevádzke batérie.

Pridaním posledných dvoch rovníc získame rovnicu pre reakciu, ku ktorej dochádza pri nabíjaní batérie:

2PbSO4 + 2H20 = Pb + Pb02 + 4H+ + 2SO4

Je ľahké vidieť, že tento proces je opačný ako pri prevádzke batérie: keď je batéria nabitá, opäť produkuje látky potrebné na svoju činnosť.

Olovené batérie sa zvyčajne spájajú do batérie, ktorá

umiestnené v monobloku z ebonitu, termoplastu, polypropylénu,

polystyrén, polyetylén, zloženie asfaltovej smoly, keramika

alebo sklo.

Jednou z najdôležitejších vlastností batérie je

životnosť alebo životnosť (počet cyklov). Zhoršenie

parametre batérie a porucha sú spôsobené predovšetkým

fronta korózie mriežky a kĺzania aktívnej hmoty

kladná elektróda. Životnosť batérie je určená

predovšetkým podľa typu pozitívnych platní a podmienok

prevádzka.

Vylepšenia olovených batérií sú na dobrej ceste

výskum nových zliatin pre mriežky (napríklad olovo-vápnik), ľahkých a odolných materiálov krytu

(napríklad na báze kopolyméru propylén-etylén), vylepšenia

kvalita separátorov.

ALKALICKÉ BATÉRIE

Striebro-zinok.

maj sa dobre elektrické charakteristiky, majú nízku hmotnosť a objem. Elektródy v nich sú oxidy striebra Ag2O, AgO (katóda) a špongia zinku (anóda); Elektrolytom je roztok KOH.

Počas prevádzky batérie sa zinok oxiduje, mení sa na ZnO a Zn(OH)2 a oxid strieborný sa redukuje na kov. Celkovú reakciu, ktorá nastane pri vybití batérie, možno približne vyjadriť rovnicou:

AgO + Zn = Ag + ZnO

E.m.f. nabitej strieborno-zinkovej batérie je približne 1,85 V. Keď napätie klesne na 1,25 V, batéria sa nabije. V tomto prípade sú procesy na elektródach „obrátené“: zinok sa redukuje, striebro sa oxiduje - opäť sa získajú látky potrebné na prevádzku batérie.

Kadmium-nikel a železo-nikel.

CN a ZHN sú si navzájom veľmi podobné. Ich hlavným rozdielom je materiál dosiek zápornej elektródy; v batériách KN sú to kadmium a v batériách ZhN sú to železo. KN batérie sú najpoužívanejšie.

Alkalické batérie sa vyrábajú hlavne s lamelovými elektródami. V nich sú aktívne hmoty uzavreté v lamelách - plochých boxoch s otvormi. Aktívna hmota kladných dosiek nabitej batérie pozostáva hlavne z hydratovaného oxidu nikelnatého (Ni) Ni2O3 x H2O alebo NiOOH. Okrem toho obsahuje grafit, ktorý sa pridáva na zvýšenie elektrickej vodivosti. Aktívna hmota záporných dosiek KN batérií pozostáva zo zmesi špongiového kadmia so železným práškom a batérií ZhN - z redukovaného železného prášku. Elektrolyt je roztok hydroxidu draselného obsahujúci malé množstvo LiOH.

Uvažujme o procesoch, ktoré sa vyskytujú počas prevádzky batérie KN. Keď sa batéria vybije, kadmium oxiduje.

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

A NiOOH je obnovený:

2NiOOH + 2H20 + 2e- = 2Ni(OH)2 + 2OH-

V tomto prípade sa elektróny prenášajú z kadmiovej elektródy na niklovú elektródu pozdĺž vonkajšieho obvodu. Kadmiová elektróda slúži ako anóda a je záporne nabitá a niklová elektróda slúži ako katóda a je nabitá kladne.

Celková reakcia prebiehajúca v KN batérii počas jej prevádzky môže byť vyjadrená rovnicou, ktorá sa získa pridaním posledných dvoch elektrochemických rovníc:

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

E.m.f. nabitej nikel-kadmiovej batérie je približne 1,4 V. Keď batéria pracuje (vybíja sa), napätie na jej svorkách klesá. Keď klesne pod 1V, batéria sa nabije.

Pri nabíjaní batérie sú elektrochemické procesy na jej elektródach „obrátené“. Na kadmiovej elektróde dochádza k redukcii kovu

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

Na nikle - oxidácia hydroxidu nikelnatého (P):

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

Celková reakcia počas nabíjania je opakom reakcie počas vybíjania:

2Ni(OH)2 + Cd(OH)2 = 2NiOOH + 2H20 + Cd

UZAVRETENÉ NIKEL-KADMIOVÉ BATÉRIE

Špeciálnou skupinou nikel-kadmiových batérií sú zatavené batérie. Kyslík uvoľnený na konci nabíjania oxiduje kadmium, takže tlak v batérii sa nezvyšuje. Rýchlosť tvorby kyslíka by mala byť nízka, takže batéria sa nabíja relatívne nízkym prúdom.

Uzavreté batérie sú rozdelené na diskové,

valcové a obdĺžnikové.

Utesnené obdĺžnikové nikel-kadmiové batérie

sú vyrábané s negatívnymi necermetovými elektródami z oxidu kadmia alebo s cermetovými elektródami z kadmia.

UZAVRETÉ BATÉRIE

Široko používané kyselinové batérie,

vykonávané podľa klasická technológia, spôsobiť veľa problémov

a majú škodlivý vplyv na ľudí a zariadenia. Sú najviac

lacné, ale vyžadujú dodatočné náklady na ich údržbu,

špeciálne priestory a personál.

BATÉRIE TECHNOLÓGIE „DRYFIT“.

Najpohodlnejšie a najbezpečnejšie kyselinové batérie

sú úplne bezúdržbové uzavreté batérie

VRLA (Valve Regulated Lead Acid) vyrobená technológiou

„dryfit“. Elektrolyt v týchto batériách je v rôsolovitom stave. To zaručuje spoľahlivosť batérií a bezpečnosť ich prevádzky.

REFERENCIE:

1. Deordiev S.S.

Batérie a starostlivosť o ne.

K.: Technika, 1985. 136 s.

2. Elektrotechnická príručka.

V 3 zväzkoch T.2. Elektrické výrobky a zariadenia/pod

celkom vyd. profesori Moskovského energetického inštitútu (šéfredaktor I.N. Orlov) a ďalší 7. vyd. 6kor. a dodatočné

M.: Energoatomizdat, 1986. 712 s.

3. N.L.Glinka.

Všeobecná chémia.

Vydavateľstvo "Chémia" 1977.

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

Zdroje chemického prúdu.

M.: Energoizdat, 1981. 360 s.

Aby bolo možné zostaviť schému galvanického článku, je potrebné pochopiť princíp jeho činnosti a konštrukčné vlastnosti.

Spotrebitelia zriedka venujú pozornosť batériám a nabíjateľným batériám, hoci sú to najobľúbenejšie zdroje energie.

Zdroje chemického prúdu

Čo je galvanický článok? Jeho obvod je založený na elektrolyte. Zariadenie obsahuje malú nádobu obsahujúcu elektrolyt, ktorý je adsorbovaný materiálom separátora. Okrem toho schéma dvoch galvanických článkov predpokladá prítomnosť Ako sa nazýva takýto galvanický článok? Schéma spájajúca dva kovy predpokladá prítomnosť oxidačno-redukčnej reakcie.

Najjednoduchší galvanický článok

Zahŕňa prítomnosť dvoch dosiek alebo tyčí vyrobených z rôznych kovov, ktoré sú ponorené do roztoku silného elektrolytu. Počas prevádzky tohto galvanického článku dochádza na anóde k oxidačnému procesu spojenému s uvoľňovaním elektrónov.

Na katóde - redukcia, sprevádzaná prijatím negatívnych častíc. Elektróny sa prenášajú cez vonkajší okruh do oxidačného činidla z redukčného činidla.

Príklad galvanického článku

S cieľom skladať elektronické obvody galvanických článkov, je potrebné poznať hodnotu ich štandardného elektródového potenciálu. Analyzujme variant meď-zinkového galvanického článku, ktorý funguje na základe energie uvoľnenej pri interakcii síranu meďnatého so zinkom.

Tento galvanický článok, ktorého schéma bude uvedená nižšie, sa nazýva Jacobi-Daniel prvok. Zahŕňa, ktorá je ponorená do roztoku síranu meďnatého (medená elektróda) a tiež pozostáva zo zinkovej dosky umiestnenej v roztoku jej síranu (zinková elektróda). Roztoky prichádzajú do vzájomného kontaktu, ale aby sa zabránilo ich zmiešaniu, prvok používa priečku z porézneho materiálu.

Princíp fungovania

Ako funguje galvanický článok, ktorého obvod je Zn ½ ZnSO4 ½½ CuSO4 ½ Cu? Počas jeho prevádzky, keď je zatvorený elektrický obvod, dochádza k procesu oxidácie kovového zinku.

Na jeho povrchu kontaktu s roztokom soli sa pozoruje premena atómov na katióny Zn2+. Proces je sprevádzaný uvoľňovaním „voľných“ elektrónov, ktoré sa pohybujú po vonkajšom okruhu.

Reakciu prebiehajúcu na zinkovej elektróde možno znázorniť takto:

Redukcia kovových katiónov sa uskutočňuje na medenej elektróde. Negatívne častice, ktoré sem vstupujú zo zinkovej elektródy, sa spájajú s katiónmi medi, čím sa vyzrážajú vo forme kovu. Tento proces má nasledujúci tvar:

Ak spočítame dve vyššie diskutované reakcie, dostaneme súhrnnú rovnicu, ktorá popisuje činnosť zinkovo-medeného galvanického článku.

Zinková elektróda slúži ako anóda a meď slúži ako katóda. Moderné galvanické články a batérie vyžadujú použitie jediného roztoku elektrolytu, čo rozširuje rozsah ich použitia a robí ich obsluhu pohodlnejšou a pohodlnejšou.

Typy galvanických článkov

Najbežnejšie sú uhlíkovo-zinkové prvky. Používajú pasívny uhlíkový zberač prúdu v kontakte s anódou, ktorým je oxid mangánu (4). Elektrolytom je chlorid amónny, ktorý sa používa vo forme pasty.

Nešíri sa, preto sa samotný galvanický článok nazýva suchý. Jeho vlastnosťou je schopnosť „obnoviť sa“ počas prevádzky, čo má pozitívny vplyv na trvanie ich prevádzkového obdobia. Takéto galvanické články majú nízku cenu, ale nízky výkon. Pri poklese teploty znižujú svoju účinnosť a pri zvyšovaní teploty elektrolyt postupne vysychá.

Alkalické články vyžadujú použitie alkalického roztoku, takže majú pomerne málo oblastí použitia.

V lítiových článkoch pôsobí aktívny kov ako anóda, čo má pozitívny vplyv na životnosť. Lítium je záporné, preto pri malých rozmeroch majú takéto prvky maximálne menovité napätie. Medzi nevýhody takýchto systémov patrí vysoká cena. Otváranie lítiových zdrojov energie je výbušné.

Záver

Princíp činnosti akéhokoľvek galvanického článku je založený na redoxných procesoch prebiehajúcich na katóde a anóde. V závislosti od použitého kovu a zvoleného roztoku elektrolytu sa mení životnosť prvku a tiež hodnota menovitého napätia. V súčasnosti sú žiadané lítiové a kadmiové galvanické články, ktoré majú pomerne dlhú životnosť.

Kyzyl, TSU

ABSTRAKT

Téma: "Galvanické články. Batérie."

Zostavila: Spiridonova V.A.

I ročník, IV gr., FMF

Skontroloval: Kendivan O.D.

2001

I. Úvod

II. Zdroje galvanického prúdu

1. Typy galvanických článkov

III. Batérie

1. Kyslé

2. Alkalický

3. Uzavretý nikel-kadmium

4. Zapečatené

5. Batérie technológie „DRYFIT“.

ÚVOD

Zdroje chemického prúdu (CHS) už mnoho rokov

pevne vstúpil do nášho života. V každodennom živote spotrebiteľ zriedka venuje pozornosť

venujte pozornosť rozdielom medzi použitými HIT. Pre neho sú to batérie a

batérie. Typicky sa používajú v zariadeniach ako napr

baterky, hračky, rádiá či autá.

V prípade, že je spotreba el

je veľká (10Ah), používajú sa batérie, hlavne kyselinové,

ako aj nikel-železo a nikel-kadmium. Používajú sa v

prenosné počítače (laptopy, notebooky, palmtopy), nositeľné zariadenia

komunikácie, núdzové osvetlenie a pod.

V posledných rokoch sa takéto batérie široko používajú

Záložné napájacie zdroje pre počítače a elektromechanické

systémy, ktoré uchovávajú energiu pre možné špičkové zaťaženie

a núdzové napájanie životne dôležitých systémov.

GALVANICKÉ PRÚDOVÉ ZDROJE

Jednorazové zdroje galvanického prúdu

predstavujú jednotnú nádobu, v ktorej

obsahuje elektrolyt absorbovaný aktívnym materiálom

separátor, a elektródy (anóda a katóda), preto sa nazývajú

suché prvky. Tento výraz sa používa v súvislosti s

všetky články, ktoré neobsahujú tekutý elektrolyt. K obyčajným

Suché prvky zahŕňajú uhlíkovo-zinkové prvky.

Suché články sa používajú pre nízke prúdy a prerušované

prevádzkové režimy. Preto sú takéto prvky široko používané v

telefóny, hračky, poplašné systémy atď.

Elektróda, na ktorej dochádza k oxidácii, sa nazýva anóda (zinok). Elektróda, na ktorej dochádza k redukcii, sa nazýva katóda (meď).

V zásade môže každá redoxná reakcia produkovať elektrickú energiu. Avšak počet reakcií

Na rozdiel od medeno-zinkového článku všetky moderné galvanické články a batérie nepoužívajú dva, ale jeden elektrolyt; Takéto zdroje prúdu sú oveľa pohodlnejšie na použitie.

TYPY GALVANICKÝCH ČLÁNKOV

Uhlíkovo-zinkové prvky

Uhoľno-zinkové prvky (mangán-zinok) sú

najbežnejšie suché prvky. V uhlie-zinku

prvky využívajú pasívny (uhlíkový) kolektor prúdu v

kontakt s anódou z oxidu manganičitého (MnO2), elektrolyt z

chlorid amónny a zinkovú katódu. Elektrolyt je v

tvorí pastu alebo impregnuje poréznu membránu.

Takýto elektrolyt nie je veľmi pohyblivý a nešíri sa, takže

prvky sa nazývajú suché.

Uhoľno-zinkové prvky sa „obnovujú“ počas

prestávka v práci. Tento jav je spôsobený postupným

zarovnanie lokálnych nehomogenít v kompozícii

elektrolyt vznikajúci počas procesu vybíjania. V dôsledku toho

periodický "odpočinok" životnosť prvku sa predlžuje.

Výhodou uhlíkovo-zinkových prvkov je ich

relatívne nízke náklady. K výrazným nevýhodám

by malo zahŕňať výrazné zníženie napätia počas vybíjania,

nízky špecifický výkon (5...10 W/kg) a krátka životnosť

skladovanie

Nízke teploty znižujú účinnosť

galvanické články, a vnútorné vyhrievanie batérie je

Alkalické prvky

Podobne ako uhlíkovo-zinkové články, aj alkalické články využívajú MnO2 anódu a zinkovú katódu s oddeleným elektrolytom.

Rozdiel medzi alkalickými prvkami a prvkami uhlík-zinok je

pri použití alkalického elektrolytu, v dôsledku čoho

Počas vypúšťania prakticky nevznikajú žiadne emisie plynu a môžu byť

byť zapečatené, čo je pre mnohé z nich veľmi dôležité

aplikácie.

Ortuťové prvky

Ortuťové prvky sú veľmi podobné alkalickým prvkom. V nich

Používa sa oxid ortutnatý (HgO). Katóda pozostáva zo zmesi prášku

zinok a ortuť. Anóda a katóda sú oddelené separátorom a membránou,

namočené v 40% alkalickom roztoku.

Keďže ortuť je vzácna a toxická, prvky ortuti nie sú

by sa mali po úplnom použití vyhodiť. Mali by

ísť na recykláciu.

Strieborné prvky

Majú „strieborné“ katódy vyrobené z Ag2O a AgO.

Lítiové články

Používajú lítiové anódy, organický elektrolyt

a katódy vyrobené z rôznych materiálov. Majú veľmi veľké

skladovateľnosť, vysoká energetická hustota a prevádzkyschopnosť

v širokom rozsahu teplôt, pretože neobsahujú vodu.

Keďže lítium má najvyšší negatívny potenciál

vo vzťahu ku všetkým kovom, lítiovým prvkom

charakterizované najvyšším menovitým napätím pri

minimálne rozmery.

Iónová vodivosť je zabezpečená zavedením do

Rozpúšťadlá solí s veľkými aniónmi.

Nevýhody lítiových článkov zahŕňajú ich

relatívne vysoké náklady v dôsledku vysokej ceny

lítium, špeciálne požiadavky na ich výrobu (potreba

inertná atmosféra, čistenie nevodných rozpúšťadiel). Mal by

Berte do úvahy aj to, že niektoré lítiové články, keď sa

pri otvorení sú výbušné.

Lítiové články sú široko používané v záložných zdrojoch pre pamäťové obvody, meracie prístroje a iné high-tech systémy.

BATÉRIE

Batérie sú chemické zdroje

opätovne využiteľná elektrická energia. Pozostávajú z

dve elektródy (kladná a záporná), elektrolyt

a trupy. Akumulácia energie v batérii nastáva, keď

výskyt chemickej oxidačno-redukčnej reakcie

elektródy. Keď je batéria vybitá, nastáva opak

procesy. Napätie batérie je potenciálny rozdiel

medzi pólmi batérie pri pevnom zaťažení.

Na získanie dostatočne veľkých hodnôt napätia resp

nabíjania, jednotlivé batérie sú navzájom spojené

sériovo alebo paralelne s batériami. Existuje číslo

všeobecne akceptované napätia pre batérie: 2; 4; 6;

Obmedzíme sa na zváženie nasledujúcich batérií:

kyselinové batérie vyrobené podľa tradičných

technológie;

stacionárne vedenie a pohon (automobilový a

traktor);

zapečatené bezúdržbové batérie, zapečatené

nikel-kadmium a kyselina "dryfit" A400 a A500 (rôsolovité

elektrolyt).

KYSELNÉ BATÉRIE

Princíp fungovania

Odrody prvkov

Rozsah pôsobnosti

Zdroje chemického prúdu

Najjednoduchší galvanický článok

Príklad galvanického článku

Princíp fungovania

Typy galvanických článkov

Záver

Voľba editora