Галванични клетки и батерии — устройство, принцип на действие, видове

Източници на електрическа енергия с ниска мощност

За захранване на преносимо електрическо и радио оборудване се използват галванични клетки и батерии.

Галванични клетки — това са източници на еднократни действия, акумулатори — източници на действия за многократна употреба.

Най -простият галваничен елемент

Най -простият елемент може да бъде направен от две ленти: мед и цинк, потопени във вода, леко подкиселена със сярна киселина. Ако цинкът е достатъчно чист, за да няма локални реакции, няма да настъпи забележима промяна, докато медта и цинкът не бъдат свързани заедно.

Лентите обаче имат различен потенциал, един по отношение на другия и когато са свързани с проводник, ще се появи електричество… С това действие цинковата лента постепенно ще се разтвори и газови мехурчета ще се образуват близо до медния електрод, събирайки се на повърхността му. Този газ е водород, генериран от електролита. Електрическият ток протича от медната лента по жицата към цинковата лента, а от нея през електролита обратно към медта.

Постепенно сярната киселина на електролита се заменя с цинков сулфат, образуван от разтворената част на цинковия електрод. Това намалява напрежението на клетката. Още по -голям спад на напрежението обаче е причинен от образуването на газови мехурчета върху медта. И двете действия предизвикват „поляризация“. Такива елементи нямат почти никаква практическа стойност.

Важни параметри на галваничните елементи

Величината на напрежението, дадено от галваничните клетки, зависи само от техния тип и устройство, тоест от материала на електродите и химичния състав на електролита, но не зависи от формата и размера на клетките.

Силата на тока, която една галванична клетка може да осигури, е ограничена от нейното вътрешно съпротивление.

Много важна характеристика на галваничната клетка е електрически капацитет… Електрически капацитет означава количеството електроенергия, което галванична или акумулаторна клетка е в състояние да достави през цялото време на своята работа, тоест до началото на окончателното разреждане.

Капацитетът, даден от елемента, се определя чрез умножаване на силата на разрядния ток, изразена в ампери, с времето в часове, през което елементът се е разреждал до началото на пълно разреждане. Следователно, капацитетът винаги се изразява в ампер-часове (Ah).

По стойността на капацитета на клетката също е възможно предварително да се определи колко часа ще работи преди началото на пълно разреждане. За да направите това, трябва да разделите капацитета на силата на разрядния ток, допустима за този елемент.

Капацитетът обаче не е строго постоянен. Той варира в доста големи граници в зависимост от условията на работа (режим) на елемента и крайното разрядно напрежение.

Ако клетката се разрежда с максимална сила на тока и освен това без прекъсвания, тя ще даде много по -нисък капацитет. Напротив, когато един и същ елемент се разрежда с по -нисък ток и с чести и относително дълги прекъсвания, елементът ще се откаже от пълния си капацитет.

Що се отнася до влиянието на крайното разреждащо напрежение върху капацитета на клетката, трябва да се има предвид, че по време на разреждането на галваничната клетка, нейното работно напрежение не остава на същото ниво, а постепенно намалява.

Често срещани видове електрохимични клетки

Най-често срещаните галванични клетки са манган-цинкови, манган-въздушни, въздушно-цинкови и живачно-цинкови системи със сол и алкални електролити.Сухите манган -цинкови клетки със солен електролит имат начално напрежение от 1,4 до 1,55 V, продължителността на работа при температура на околната среда от -20 до -60 ООт 7 до 340 сутринта

Сухите цинково-манганови и цинково-въздушни клетки с алкален електролит имат напрежение от 0,75 до 0,9 V и време на работа от 6 часа до 45 часа.

Сухите живачно-цинкови клетки имат начално напрежение от 1,22 до 1,25 V и време на работа от 24 часа до 55 часа.

Сухите живачно-цинкови клетки имат най-дълъг гарантиран срок на годност, достигащ 30 месеца.

Батерии

Батерии Това са вторични електрохимични клетки.За разлика от галваничните елементи, в батерията веднага след сглобяването не протичат химически процеси.

За да може батерията да започне химични реакции, свързани с движението на електрически заряди, е необходимо по подходящ начин да се промени химическият състав на нейните електроди (и отчасти на електролита). Тази промяна в химичния състав на електродите се случва под действието на електрически ток, преминал през батерията.

Следователно, за да може батерията да дава електрически ток, първо трябва да бъде «заредена» с постоянен електрически ток от някакъв външен източник на ток.

Батериите също се различават от конвенционалните галванични елементи по факта, че след разреждане те могат да се зареждат отново. При добри грижи и при нормални условия на работа батериите могат да издържат до няколко хиляди зареждания и разреждания.
Батерийно устройство

В момента най-често на практика се използват оловни и кадмиево-никелови батерии. В първия разтвор на сярна киселина служи като електролит, а във втория разтвор на алкали във вода. Оловните батерии се наричат ​​още киселинни, а никел-кадмиевите-алкални.

Принципът на действие на батериите се основава на поляризацията на електродите по време на електролиза… Най -простата киселинна батерия е структурирана по следния начин: това са две оловни плочи, потопени в електролит. В резултат на реакцията на химическо заместване плочите са покрити със слабо покритие от оловен сулфат PbSO4, както следва от формулата Pb + H2ТАКА4 = PbSO4 + H2.

Устройство с киселинна батерия

Това състояние на плочите съответства на разредена батерия. Ако сега батерията е включена за зареждане, тоест свързана с генератор на постоянен ток, тогава поляризацията на плочите ще започне в нея поради електролиза. В резултат на зареждането на батерията, нейните плочи се поляризират, т.е.променят веществото на повърхността си и от хомогенни (PbSO4) се превръщат в различни (Pb и PбО2).

Батерията става източник на ток, с плоча, покрита с оловен диоксид като положителен електрод, и чиста оловна плоча като отрицателен електрод.

До края на зареждането концентрацията на електролита се увеличава поради появата на допълнителни молекули сярна киселина в него.

Това е една от характеристиките на оловно-киселинната батерия: нейният електролит не остава неутрален и сам участва в химични реакции по време на работа на батерията.

До края на разреждането и двете плочи на батерията отново се покриват с оловен сулфат, в резултат на което батерията престава да бъде източник на ток. Батерията никога не се довежда до това състояние. Поради образуването на оловен сулфат върху плочите, концентрацията на електролита намалява в края на разреждането. Ако батерията е заредена, тогава поляризацията може да бъде причинена отново, за да се постави отново на разреждане и т.н.

Как да зареждате батерията

Има няколко начина за зареждане на батериите. Най -простият е нормалното зареждане на батерията, което става както следва. Първоначално в продължение на 5 — 6 часа зареждането се извършва с двоен нормален ток, докато напрежението на всяка батерия достигне 2,4 V.

Нормалният ток на зареждане се определя по формулата Азтакса = Q / 16

където Q — номинален капацитет на батерията, Ah.

След това токът на зареждане се намалява до нормална стойност и зареждането продължава 15-18 часа, докато се появят признаци за края на зареждането.

Съвременни батерии

Никел-кадмиевите или алкални батерии се появяват много по-късно от оловните и в сравнение с тях са по-модерни източници на химически ток. Основното предимство на алкалните батерии пред оловните се крие в химическата неутралност на техния електролит спрямо активните маси на плочите. Поради това саморазреждането на алкалните батерии е значително по-ниско от това на оловно-киселинните. Принципът на действие на алкалните батерии също се основава на поляризацията на електродите по време на електролиза.

За захранване на радиооборудване се произвеждат запечатани кадмиево -никелови батерии, които са ефективни при температури от -30 до +50 ОC и издържат 400 — 600 цикъла на зареждане -разреждане. Тези акумулатори са направени под формата на компактни паралелепипеди и дискове с тегло от няколко грама до килограми.

Никел-водородните акумулатори се произвеждат за захранване на автономни обекти. Специфичната енергия на никеловодородната батерия е 50 — 60 Wh kg-1.