Galvaniske celler og batterier — enhet, driftsprinsipp, typer

Lave strømkilder til elektrisk energi

Galvaniske celler og batterier brukes til å drive bærbart elektrisk utstyr og radioutstyr.

Galvaniske celler - dette er kilder til engangshandlinger, akkumulatorer — gjenbrukbare handlingskilder.

Det enkleste galvaniske elementet

Det enkleste elementet kan være laget av to strimler: kobber og sink nedsenket i vann lett surgjort med svovelsyre. Hvis sinken er ren nok til å ikke ha noen lokale reaksjoner, vil ingen merkbar endring skje før kobber og sink er brakt sammen.

Imidlertid har stripene et annet potensial, den ene i forhold til den andre, og når de er koblet sammen med en ledning, vil de vises elektrisitet… Ved denne handlingen vil sinkstrimmelen gradvis oppløses og gassbobler vil dannes nær kobberelektroden som samler seg på overflaten. Denne gassen er hydrogen som genereres av elektrolytten. Elektrisk strøm flyter fra kobberstrimmelen langs ledningen til sinkstripen, og fra den gjennom elektrolytten tilbake til kobberet.

Gradvis erstattes svovelsyren i elektrolytten med sinksulfat dannet fra den oppløste delen av sinkelektroden. Dette reduserer spenningen til cellen. Et enda større spenningsfall er imidlertid forårsaket av dannelsen av gassbobler på kobberet. Begge handlingene forårsaker "polarisering". Slike gjenstander har nesten ingen praktisk verdi.

Viktige parametere for galvaniske celler

Størrelsen på spenningen gitt av galvaniske celler avhenger bare av deres type og enhet, det vil si av materialet til elektrodene og den kjemiske sammensetningen av elektrolytten, men avhenger ikke av formen og størrelsen på cellene.

Strømmen som en galvanisk celle kan gi er begrenset av dens indre motstand.

En svært viktig egenskap ved den galvaniske cellen er elektrisk kapasitet… Elektrisk kapasitet betyr mengden elektrisitet som en galvanisk eller lagringscelle er i stand til å levere gjennom hele driften, det vil si frem til begynnelsen av den endelige utladningen.

Kapasiteten gitt av cellen bestemmes ved å multiplisere styrken til utladningsstrømmen, uttrykt i ampere, med tiden i timer cellen ble utladet til begynnelsen av full utladning. Derfor er kapasitet alltid uttrykt i amperetimer (Ah).

Ved verdien av kapasiteten til cellen er det også mulig å bestemme på forhånd hvor mange timer den vil fungere før full utladning starter. For å gjøre dette må du dele kapasiteten med styrken til utladningsstrømmen som er tillatt for dette elementet.

Kapasiteten er imidlertid ikke strengt tatt konstant. Det varierer innenfor ganske store grenser avhengig av driftsforholdene (modus) til elementet og den endelige utladningsspenningen.

Hvis cellen utlades med maksimal strøm og dessuten uten avbrudd, vil det gi mye lavere kapasitet. Tvert imot, når samme celle utlades med lavere strøm og med hyppige og relativt lange avbrudd, vil cellen gi opp sin fulle kapasitet.

Når det gjelder innflytelsen av den endelige utladningsspenningen på cellekapasiteten, må det huskes at under utladningen av den galvaniske cellen forblir ikke driftsspenningen på samme nivå, men avtar gradvis.

Vanlige typer elektrokjemiske celler

De vanligste galvaniske cellene er mangan-sink, mangan-luft, luft-sink og kvikksølv-sink systemer med salt og alkaliske elektrolytter Tørre mangan-sink celler med salt elektrolytt har en startspenning på 1,4 til 1,55 V, driftsvarigheten ved en omgivelsestemperatur på -20 til -60 ОFra 7 til 340 om morgenen

Tørre sink-mangan- og sink-luftceller med alkalisk elektrolytt har en spenning på 0,75 til 0,9 V og en driftstid på 6 timer til 45 timer.

Tørre kvikksølv-sinkceller har en startspenning på 1,22 til 1,25 V og en driftstid på 24 timer til 55 timer.

Tørre kvikksølv-sinkceller har den lengste garanterte holdbarheten på opptil 30 måneder.

Batterier

Batterier Dette er sekundære elektrokjemiske celler.I motsetning til galvaniske celler skjer det ingen kjemiske prosesser i batteriet umiddelbart etter montering.

For at batteriet skal starte kjemiske reaksjoner assosiert med bevegelse av elektriske ladninger, er det nødvendig å endre den kjemiske sammensetningen av elektrodene (og delvis elektrolytten).Denne endringen i den kjemiske sammensetningen av elektrodene skjer under påvirkning av en elektrisk strøm som går gjennom batteriet.

Derfor, for at et batteri skal produsere elektrisk strøm, må det først "lades" med elektrisk likestrøm fra en ekstern strømkilde.

Batterier skiller seg også fra konvensjonelle galvaniske celler ved at de kan lades etter utlading. Med god forsiktighet og under normale driftsforhold kan batterier vare opptil flere tusen opp- og utladninger.
Batteridrevet enhet

For tiden brukes bly- og kadmium-nikkel-batterier oftest i praksis. I den første løsningen av svovelsyre fungerer som en elektrolytt, og i den andre løsningen av alkali i vann. Bly-syre-batterier kalles også syre-, og nikkel-kadmium-alkaliske batterier.

Prinsippet for drift av batterier er basert på polariseringen av elektrodene under elektrolyse... Det enkleste syrebatteriet er strukturert som følger: det er to blyplater nedsenket i en elektrolytt. Som et resultat av den kjemiske substitusjonsreaksjonen dekkes platene med et tynt belegg av blysulfat PbSO4, som følger av formelen Pb + H2SO4 = PbSO4 + H2.

Syrebatterienhet

Denne tilstanden til platene tilsvarer et utladet batteri. Hvis batteriet nå er slått på for lading, det vil si koblet til en likestrømsgenerator, vil polariseringen av platene begynne i det på grunn av elektrolyse. Som et resultat av lading av batteriet blir platene polarisert, dvs. endrer stoffet på overflaten og fra homogen (PbSO4) til forskjellig (Pb og PbO2).

Batteriet blir strømkilden, med en plate belagt med blydioksid som positiv elektrode og en ren blyplate som negativ elektrode.

Ved slutten av ladingen øker konsentrasjonen av elektrolytten på grunn av utseendet av ytterligere svovelsyremolekyler i den.

Dette er en av egenskapene til blysyrebatteriet: elektrolytten forblir ikke nøytral og deltar selv i kjemiske reaksjoner under batteridrift.

Ved slutten av utladningen er begge platene til batteriet igjen dekket med blysulfat, som et resultat av at batteriet slutter å være en strømkilde. Batteriet bringes aldri til denne tilstanden. På grunn av dannelsen av blysulfat på platene, reduseres konsentrasjonen av elektrolytten ved slutten av utladningen. Hvis batteriet er ladet, kan polarisasjonen forårsakes igjen for å sette det på utlading igjen, etc.

Hvordan lade batteriet

Det er flere måter å lade batteriene på. Det enkleste er normal lading av batteriet, som gjøres som følger. Til å begynne med, i 5 - 6 timer, utføres lading med dobbel normal strøm til spenningen til hvert batteri når 2,4 V.

Den normale ladestrømmen bestemmes av formelen Aztax = Q / 16

hvor Q — nominell kapasitet til batteriet, Ah.

Deretter reduseres ladestrømmen til normal verdi og ladingen fortsetter i 15-18 timer til tegn på slutten av ladingen vises.

Moderne batterier

Nikkel-kadmium eller alkaliske batterier dukket opp mye senere enn blybatterier, og sammenlignet med dem er mer moderne kilder til kjemisk strøm.Hovedfordelen med alkaliske batterier fremfor blybatterier ligger i den kjemiske nøytraliteten til elektrolytten deres i forhold til platenes aktive masse. Derfor er selvutladingen av alkaliske batterier betydelig lavere enn for blybatterier. Prinsippet for drift av alkaliske batterier er også basert på polarisering av elektrodene under elektrolyse.

For å drive radioutstyr produseres forseglede kadmium-nikkel-batterier, som er effektive ved temperaturer fra -30 til +50 ОC og tåler 400 - 600 lade-utladingssykluser. Disse akkumulatorene er laget i form av kompakte parallellepipeder og skiver som veier fra noen få gram til kilo.

Nikkel-hydrogen-batterier er produsert for å drive autonome objekter. Den spesifikke energien til nikkel-hydrogen-batteriet er 50 — 60 Wh kg-1.