U prvim eksperimentima, naučnici su spustili dvije metalne ploče u posudu s kiselinom: bakrom i cinkom. Ploče su spojene provodnikom, nakon čega su se na bakrenoj ploči pojavili mjehurići plina, a cink ploča je počela da se otapa. Dokazano je da električna struja teče kroz provodnik. Ovo istraživanje započeo je italijanski naučnik Galvani, od koga je i dobio naziv galvanske ćelije.

Nakon toga, naučnik Volta razvio je cilindrični oblik ovog elementa u obliku vertikalnog stupa, koji uključuje skup prstenova od bakra, cinka i tkanine, međusobno povezanih i impregniranih kiselinom. Vertikalni element visok pola metra koji je dizajnirao Volt proizvodi napon koji je osoba mogla osjetiti.

Galvanske ćelije su izvori električne energije koji stvaraju električnu struju kemijskom interakcijom dva metala u elektrolitu. Hemijska energija u galvanskim ćelijama pretvara se u električnu struju.

Vrste i karakteristike uređaja

Baterije se široko koriste za napajanje raznih elektronskih uređaja, uređaja, digitalne opreme i dijele se u tri glavna tipa:

1. Sol.
2. Alkalna.
3. Lithium.

Solne galvanske ćelije

Takve baterije spadaju u mangan-cink baterije i trenutno se najviše koriste.

Prednosti slanih baterija su:

• Prihvatljivi električni parametri za mnoge primjene.
• Jednostavnost upotrebe.
• Niska cijena zbog niskih troškova proizvodnje.
• Jednostavna tehnologija proizvodnje.
• Jeftine i dostupne sirovine.

Već duže vrijeme ova vrsta baterija je najpopularnija, zbog omjera kvalitete i cijene. Međutim, posljednjih godina proizvođači su smanjili proizvodnju slanih galvanskih ćelija, pa čak i odbijaju puštanje, jer su zahtjevi za napajanjem povećani od strane proizvođača elektroničke opreme.

Nedostaci slanih baterija su:

• Kratak rok trajanja, ne više od 2 godine.
• Oštar pad svojstava sa padom temperature.
• Oštar pad kapaciteta s povećanjem radne struje do operativnih vrijednosti modernih potrošača.
• Brzi pad napona tokom rada.

Solne galvanske ćelije mogu iscuriti na kraju svog pražnjenja, što je povezano s curenjem elektrolita zbog povećanja volumena pozitivne elektrode, koja istiskuje elektrolit. Aktivna masa pozitivne elektrode sastoji se od mangan dioksida i elektrolita. Čađa i grafit dodani u aktivnu smjesu povećavaju električnu provodljivost aktivne smjese. Njihov udio je od 8 do 20%, ovisno o marki baterije. Da bi se produžio vijek trajanja oksidatora, aktivna smjesa je zasićena elektrolitom.

Negativna elektroda je izrađena od pročišćenog cinka koji je otporan na koroziju. Sadrži mali udio kadmijuma ili olova, koji je inhibitor korozije. U prošlosti su baterije koristile amonijum hlorid kao elektrolit. Učestvuje u reakciji formiranja struje, stvara propusnost jona. Ali takav elektrolit nije pokazao dobre rezultate i zamijenjen je cink kloridom s nečistoćama kalcijum klorida. Elementi mangana traju duže i pokazuju bolje rezultate na nižim temperaturama.

U slanim galvanskim ćelijama negativni pol je cink kućište 7. Pozitivna elektroda 6 je napravljena od aktivne presovane mase impregnirane elektrolitom. U središtu ove mase nalazi se karbonska šipka 5 tretirana parafinom da zadrži vlagu u elektrolitu. Gornji dio štapa je zatvoren metalnim poklopcem. Separator 4 sadrži gust elektrolit. Gasovi koji nastaju tokom rada baterije ulaze u gasnu komoru 1. Odozgo je baterija zatvorena brtvom 3. Cijela galvanska ćelija je zatvorena u kutiju 2 od kartona ili folije.

Alkalne baterije

Alkalne baterije pojavile su se sredinom prošlog veka. U njima mangan dioksid djeluje kao oksidacijsko sredstvo, a cink u prahu djeluje kao redukcijsko sredstvo. To omogućava povećanje površine. U prošlosti se amalgamacija koristila za sprječavanje korozije. Ali nakon zabrane žive, rafinirani cink prahovi se koriste uz dodatak drugih metala i inhibitora korozije.

Aktivna tvar anode alkalne (alkalne) baterije je pročišćeni cink u obliku praha uz dodatak aluminija, indija ili olova. Katodna aktivna smjesa uključuje mangan dioksid, acetilensku čađu ili grafit. Elektrolit alkalnih baterija sastoji se od kaustične sode ili kalija s dodatkom cink oksida.

Praškasta anoda omogućava značajno povećanje upotrebe aktivne mješavine, za razliku od slanih baterija. Alkalne baterije imaju mnogo veći kapacitet od fizioloških baterija, jednakih ukupnih dimenzija. Odlično su se ponašali po hladnom vremenu.

Karakteristika uređaja alkalnih elemenata je cink prah, stoga se umjesto cink čaše koristi čelično kućište za pozitivan izlaz. Aktivna mješavina pozitivne elektrode nalazi se blizu unutrašnjeg zida čeličnog kućišta. U alkalnoj bateriji moguće je smjestiti više aktivne mješavine pozitivne elektrode, za razliku od fiziološke.

U aktivnu smjesu se ubacuje celofanski separator navlažen elektrolitom. Mesingana negativna elektroda prolazi kroz sredinu baterije. Ostatak volumena između separatora i kolektora negativne struje ispunjen je anodnom pastom u obliku cinkovog praha impregniranog gustim elektrolitom. Obično se kao elektrolit koristi alkalija zasićena posebnim spojevima cinka. To omogućava sprječavanje potrošnje alkalija na početku rada elementa i smanjenje korozije. Masa alkalnih baterija je veća od fizioloških baterija zbog čeličnog kućišta i veće gustine aktivne smjese.

Po mnogim osnovnim parametrima alkalne galvanske ćelije su superiornije od slanih ćelija. Stoga se proizvodnja alkalnih baterija trenutno povećava.

Litijumske baterije

Litijum galvanske ćelije se koriste u raznim modernim uređajima. Dostupne su u različitim veličinama i vrstama.

Postoje litijumske baterije i one imaju velike razlike među sobom. Baterije imaju čvrsti organski elektrolit, za razliku od drugih tipova ćelija. Litijumske ćelije se koriste na mestima gde su potrebne srednje i niske struje pražnjenja, stabilan radni napon. Litijumska baterija se može puniti određeni broj puta, ali baterije nisu predviđene za to i koriste se samo jednom. Ne smiju se otvarati ili ponovo puniti.

Osnovni zahtjevi proizvodnje

• Pouzdano brtvljenje kućišta. Ne smije se dozvoliti ulazak curenja elektrolita i drugih tvari iz vanjskog okruženja. Povreda nepropusnosti dovodi do njihovog paljenja, budući da je litijum vrlo aktivan element. Galvanske ćelije sa oštećenom nepropusnošću nisu pogodne za rad.
• Proizvodnja se mora odvijati u zatvorenim prostorijama sa atmosferom argona i kontrolom vlažnosti.

Oblik litijumskih baterija je cilindričan, disk ili prizmatičan. Dimenzije se praktički ne razlikuju od ostalih vrsta baterija.

Opseg upotrebe

Litijum galvanske ćelije imaju duži životni vek od ostalih ćelija. Opseg je veoma širok:

• Svemirska industrija.
• Vazduhoplovna proizvodnja.
• Odbrambena industrija.
• Dječije igračke.
• Medicinska oprema.
• Kompjuteri.
• Foto i video kamere.

Prednosti

• Širok raspon radnih temperatura.
• Kompaktna veličina i težina.
• Dug rad.
• Stabilni parametri u raznim uslovima.
• Veliki kapacitet.

Nedostaci

• Mogućnost iznenadnog požara u slučaju nepoštivanja pravila upotrebe.
• Visoka cijena u odnosu na druge vrste baterija.

Princip rada

Djelovanje galvanskih ćelija temelji se na činjenici da dva različita metala u okruženju elektrolita međusobno djeluju, zbog čega se u vanjskom kolu formira električna struja.

Takvi hemijski elementi se danas nazivaju baterijama. Količina napona baterije ovisi o vrsti metala koji se koristi i broju elemenata u njoj. Cijeli baterijski uređaj smješten je u metalnom cilindru. Elektrode su metalne rešetke obložene redukcijskim i oksidacijskim sredstvom.

Baterije ne mogu vratiti izgubljena svojstva, jer direktno pretvaraju hemijsku energiju oksidacionog agensa i redukcionog sredstva u električnu energiju. Hemijski reagensi tokom rada baterije postupno se troše, a električna struja se smanjuje.

Negativni terminal baterije je napravljen od cinka ili litija, gubi elektrone i redukciono je sredstvo. Još jedan pozitivan zaključak igra ulogu oksidacijskog sredstva, napravljen je od magnezijevog oksida ili soli metala. Sastav elektrolita u normalnim uvjetima ne propušta kroz sebe električnu struju. Kada se električni krug zatvori, počinje raspadanje elektrolita na ione, što uzrokuje pojavu njegove električne vodljivosti. Elektrolit se obično sastoji od kiselog rastvora ili soli natrijuma i kalija.

Preduvjeti za nastanak galvanskih ćelija. Malo istorije. Godine 1786. talijanski profesor medicine, fiziolog Luigi Aloisio Galvani otkrio je zanimljiv fenomen: mišići stražnjih nogu svježe otvorenog žabljeg leša okačenog na bakrene kuke su se skupili kada ih je naučnik dodirnuo čeličnim skalpelom. Galvani je odmah zaključio da se radi o manifestaciji "životinjskog elektriciteta".

Nakon Galvanijeve smrti, njegov savremenik Alessandro Volta, kao hemičar i fizičar, će opisati i javno demonstrirati realističniji mehanizam za stvaranje električne struje kada različiti metali dođu u kontakt.

Volta će, nakon niza eksperimenata, doći do nedvosmislenog zaključka da se struja pojavljuje u strujnom kolu zbog prisustva u njemu dva provodnika napravljena od različitih metala smještenih u tekućini, a to uopće nije "životinjski elektricitet", kako je Galvani mislio. Trzanje žabljih nogu bilo je posljedica djelovanja struje koja nastaje kada različiti metali dođu u kontakt (bakrene kuke i čelični skalpel).

Volta će pokazati iste pojave koje je Galvani demonstrirao na mrtvoj žabi, ali na potpuno neživom domaćem elektrometru, a 1800. će dati tačno objašnjenje za nastanak struje: „provodnik druge klase (tečnost) je u sredina i u kontaktu je sa dva vodiča prve klase od dva različita metala... Kao rezultat, nastaje električna struja jednog ili drugog smjera.

U jednom od prvih eksperimenata, Volta je spustio dvije ploče od cinka i bakra u teglu kiseline i povezao ih žicom. Nakon toga, cink ploča je počela da se otapa, a na bakrenom čeliku su se pojavili mjehurići plina. Volta je predložio i dokazao da električna struja teče kroz žicu.

Tako je izmišljen "Volta element" - prva galvanska ćelija. Radi praktičnosti, Volta mu je dao oblik vertikalnog cilindra (stupa), koji se sastoji od međusobno povezanih prstenova od cinka, bakra i tkanine, impregniranih kiselinom. Naponski stub visok pola metra stvarao je napon koji je bio osjetljiv na ljude.

Budući da je početak istraživanja položio Luigi Galvani, ime je zadržalo uspomenu na njega u svom imenu.

Galvanska ćelija je hemijski izvor električne struje zasnovan na interakciji dva metala i/ili njihovih oksida u elektrolitu, što dovodi do pojave električne struje u zatvorenom kolu. Tako se u galvanskim ćelijama hemijska energija pretvara u električnu energiju.

Galvanske ćelije danas

Danas se galvanske ćelije nazivaju baterijama. Rasprostranjene su tri vrste baterija: slane (suhe), alkalne (nazivaju se i alkalne, "alkalne" na engleskom - "alkalne") i litijumske. Princip njihovog rada je i dalje isti, opisao ga je Volta 1800: dva metala, a električna struja nastaje u vanjskom zatvorenom kolu.

Napon baterije zavisi i od metala koji se koriste i od broja ćelija u "bateriji". Baterije, za razliku od baterija, nisu sposobne da povrate svoja svojstva, jer direktno pretvaraju hemijsku energiju, odnosno energiju reagensa (reducenta i oksidatora) koji čine bateriju, u električnu energiju.

Reagensi koji se nalaze u bateriji troše se tokom njenog rada, dok se struja postepeno smanjuje, tako da izvor prestaje nakon što reagensi potpuno reaguju.

Alkalne i slane ćelije (baterije) se široko koriste za napajanje raznih elektronskih uređaja, radio opreme, igračaka, a litijumske baterije se najčešće nalaze u prenosivim medicinskim uređajima kao što su glukometri ili u digitalnoj tehnologiji kao što su kamere.

Mangan-cink ćelije, koje se nazivaju slane baterije, su "suhe" galvanske ćelije, unutar kojih nema tečnog rastvora elektrolita.

Cinkova elektroda (+) je katoda u obliku čaše, a anoda je praškasta mješavina mangan dioksida i grafita. Struja teče kroz grafitnu šipku. Elektrolit koji se koristi je pasta od rastvora amonijum hlorida sa dodatkom skroba ili brašna da se zgusne tako da ništa ne teče.

Obično proizvođači baterija ne navode tačan sastav slanih ćelija, međutim, slane baterije su najjeftinije, obično se koriste u uređajima gdje je potrošnja energije izuzetno niska: u satovima, u daljinskim upravljačima, u elektronskim termometrima itd.

Koncept "nominalnog kapaciteta" rijetko se koristi za karakterizaciju mangan-cink baterija, budući da njihov kapacitet u velikoj mjeri ovisi o režimima i uvjetima rada. Glavni nedostaci ovih elemenata su značajna brzina pada napona tokom pražnjenja i značajno smanjenje izlaznog kapaciteta sa povećanjem struje pražnjenja. Konačni napon pražnjenja se postavlja ovisno o opterećenju u rasponu od 0,7-1,0 V.

Nije važna samo veličina struje pražnjenja, već i vremenski raspored opterećenja. Sa povremenim pražnjenjem sa visokim i srednjim strujama, performanse baterija se značajno povećavaju u poređenju sa kontinuiranim radom. Međutim, pri niskim strujama pražnjenja i višemjesečnim prekidima u radu, njihov kapacitet se može smanjiti kao rezultat samopražnjenja.

Gornji grafikon prikazuje krivulje pražnjenja za prosječnu solnu bateriju za 4, 10, 20 i 40 sati u poređenju sa alkalnom baterijom, o čemu će biti riječi kasnije.

Alkalna baterija je elektrohemijska ćelija mangan-cink koja koristi mangan dioksid kao katodu, cink u prahu kao anodu i alkalni rastvor, obično u obliku paste kalijum hidroksida, kao elektrolit.

Ove baterije imaju niz prednosti (posebno značajno veći kapacitet, bolje performanse na niskim temperaturama i pri visokim strujama opterećenja).

Alkalne baterije, u poređenju sa fiziološkim baterijama, mogu dugo vremena da obezbede veću struju. Veća struja postaje moguća, jer se cink ovdje ne koristi u obliku stakla, već u obliku praha, koji ima veću površinu kontakta s elektrolitom. Kalijum hidroksid se koristi kao elektrolit u obliku paste.

Upravo zbog sposobnosti ove vrste galvanskih ćelija da isporučuju značajnu struju (do 1 A) dugo vremena, alkalne baterije su trenutno najčešće.

U električnim igračkama, u prenosivoj medicinskoj opremi, u elektronskim uređajima, u kamerama - svuda se koriste alkalne baterije. Služe 1,5 puta duže od slanih ako je pražnjenje slabe struje. Grafikon prikazuje krivulje pražnjenja pri različitim strujama za poređenje sa slanom baterijom (grafikon je dat iznad) za 4, 10, 20 i 40 sati.

Litijumske baterije

Drugi prilično čest tip galvanskih ćelija su litijumske baterije - pojedinačne nepunjive galvanske ćelije u kojima se litijum ili njegovi spojevi koriste kao anoda. Zbog upotrebe alkalnog metala, imaju veliku potencijalnu razliku.

Katoda i elektrolit litijumske ćelije mogu biti veoma različiti, tako da izraz "litijumska ćelija" grupiše grupu ćelija sa istim anodnim materijalom. Na primjer, mangan dioksid, ugljen monofluorid, pirit, tionil hlorid itd. mogu se koristiti kao katoda.

Litijumske baterije se razlikuju od ostalih baterija po dugom veku i visokoj ceni. Ovisno o odabranoj veličini i korištenim kemijskim materijalima, litijumska baterija može proizvoditi napon od 1,5 V (kompatibilno s alkalnim baterijama) do 3,7 V.

Ove baterije imaju najveći kapacitet po jedinici težine i dugi vijek trajanja. Litijumske ćelije se široko koriste u modernoj prenosivoj elektronskoj opremi: za napajanje satova na matičnim pločama računara, za napajanje prenosivih medicinskih uređaja, satova, kalkulatora, u fotografskoj opremi itd.

Gornji grafikon prikazuje krivulje pražnjenja za dvije litijumske baterije dva popularna proizvođača. Početna struja je bila 120 mA (za otpornik od oko 24 oma).

Galvanska ćelija je hemijski izvor električne struje u kojem se odvija direktna konverzija hemijske energije u električnu energiju. Dakle, on jeste. Izgled najčešćih baterija prikazan je na slici 1.

Postoje soli (suhi), alkalni i litijumski elementi. Galvanske ćelije se često nazivaju baterijama, ali ovaj naziv je netačan, jer. baterija je spoj nekoliko identičnih uređaja. Na primjer, kada su tri galvanske ćelije spojene u seriju, formira se široko korištena baterija od 4,5 volta.

Princip rada galvanske ćelije zasniva se na interakciji dva metala kroz elektrolit, što dovodi do pojave električne struje u zatvorenom kolu. Napon zavisi od metala koji se koristi. Neki od ovih izvora hemijske struje prikazani su u tabeli 1.

U prodaji su uglavnom mangan-cink elementi, koji se nazivaju so. Proizvođači baterija obično ne navode njihov hemijski sastav. Ovo su najjeftinije elektrohemijske ćelije koje se mogu koristiti samo u uređajima male potrošnje kao što su satovi, elektronski termometri ili daljinski upravljači. Slika 2 prikazuje izgled i unutrašnju strukturu slane baterije.

Jednako uobičajena baterija su alkalne manganske baterije. U prodaji se zovu alkalni, bez truda da prevedem ime na ruski. Unutrašnja struktura alkalne galvanske ćelije prikazana je na slici 2.

Ovi hemijski izvori napajanja imaju veći kapacitet (2...3 A/h) i mogu da obezbede veću struju duže vreme. cink se ne koristi u obliku čaše, već u obliku praha s većom površinom kontakta s elektrolitom. Kao elektrolit koristi se kalijum hidroksid. To je zbog sposobnosti ove vrste galvanskih ćelija dugo vremena da daju značajnu struju (do 1 A), koja je trenutno najčešća.

Još jedna prilično česta vrsta galvanskih ćelija su litijumske šipke. Zbog upotrebe alkalnog metala, imaju veliku potencijalnu razliku. Napon litijumskih ćelija je 3 V. Međutim, na tržištu postoje i litijumske baterije od 1,5 V. Ove baterije imaju najveći kapacitet po jedinici težine i dugi vijek trajanja. Uglavnom se koriste za napajanje satova na matičnim pločama kompjutera i fotografskoj opremi. Nedostatak je visoka cijena. Izgled litijumskih baterija prikazan je na slici 4.

Treba napomenuti da se gotovo sve galvanske ćelije mogu puniti iz mrežnih izvora napajanja. Izuzetak je Litijumske baterije koje mogu eksplodirati ako pokušate da napunite.

Baterije su standardizirane za korištenje u raznim uređajima. Najčešći tipovi kućišta za galvanske ćelije prikazani su u tabeli 2.

Za pričvršćivanje baterija unutar kućišta elektronskih uređaja trenutno se nude gotovi pretinci za baterije. Njihova upotreba omogućava značajno pojednostavljenje izrade kućišta radioelektronskog uređaja i smanjenje troškova njegove proizvodnje. Izgled nekih od njih prikazan je na slici 5.

Prvo pitanje koje zabrinjava kupce baterija je njihov vijek trajanja. Zavisi od tehnologije proizvodnje galvanske ćelije. Grafikon tipične zavisnosti izlaznog napona o tehnologiji proizvodnje baterije prikazan je na slici 5.

Rezultati ispitivanja baterija različitih kompanija, sprovedenih na web stranici http://www.batteryshowdown.com/ prikazani su na slici 7.

I na kraju, da izvučemo zaključke gdje ima smisla koristiti koju vrstu baterija, jer pri kupovini baterija uvijek nastojimo dobiti maksimalno koristan učinak uz najnižu cijenu.

1. Baterije ne treba kupovati na kioscima ili na pijaci. Obično tamo leže dugo i stoga zbog samopražnjenja praktički gube kapacitet. To čak može biti opasno za opremu, jer. kada se koriste jeftine galvanske ćelije (baterije), elektrolit može curiti iz njih. Ovo će oštetiti opremu! Bolje je kupovati u prodavnicama sa dobrim prometom robe.
2. alkalne (alkalne) baterije treba koristiti u uređajima koji troše dovoljno veliku struju, kao što su baterijske lampe, plejeri ili kamere. U uređajima male snage njihov se vijek trajanja ne razlikuje od slanih baterija.
3. Sol ("obične", ugljično-cink galvanske ćelije) savršeno će raditi u satovima, IC daljinskim upravljačima i drugim uređajima dizajniranim da rade s jednim kompletom baterija godinu dana ili više. Međutim, ne mogu raditi na hladnoći.
4. Najisplativije baterije za danas su AA baterije. I mali prsti (AAA) i veliki (R20) istog kapaciteta su skuplji. Kapacitet modernih baterija R20 je skoro isti kao i kod AA baterija, a to je tri puta veće!
5. Ne obraćajte pažnju na neuvrnute marke. Galvanske ćelije iz Duracell-a i Energizer-a su jedan i po do dva puta skuplje od baterija drugih kompanija i istovremeno rade otprilike isto

Kyzyl, TSU

ESSAY

Tema: "Galvanske ćelije. Akumulatori."

Sastavila: Spiridonova V.A.

I kurs, IV grupa, FMF

Provjerio: Kendivan O.D.

2001

I. UVOD

II. Galvanski izvori struje

1. Vrste galvanskih ćelija

III. Baterije

1. Kiselina

2. Alkalna

3. Zapečaćeni nikl-kadmijum

4. Zapečaćeno

5. Akumulatori "DRYFIT" tehnologije

UVOD

Hemijski izvori struje (CPS) dugi niz godina

čvrsto ušao u naše živote. U svakodnevnom životu potrošač rijetko plaća

obratiti pažnju na razlike u korištenom HIT-u. Za njega su to baterije i

akumulatori. Obično se koriste u uređajima kao što su

baterijske lampe, igračke, radio ili automobile.

Kada je potrošnja energije u odnosu na

velike (10Ah), koriste se baterije, uglavnom kisele,

kao i nikl-gvožđe i nikl-kadmijum. Primjenjuju se u

prenosivi računari (Laptop, Notebook, Palmtop), nosivi uređaji

komunikacije, rasvjeta za hitne slučajeve itd.

Posljednjih godina takve su baterije naširoko korištene u

rezervna napajanja za kompjutere i elektromehanička

sistemi koji skladište energiju za moguća vršna opterećenja

i hitno napajanje vitalnih sistema.

IZVORI GALVANSKE STRUJE

Izvori galvanske struje jednostrukog djelovanja

su objedinjeni kontejner u kome

postoji elektrolit koji apsorbuje aktivni materijal

separator, i elektrode (anoda i katoda), tako se zovu

suve stvari. Ovaj izraz se koristi u vezi sa

sve ćelije koje ne sadrže tečni elektrolit. na uobičajeno

suvi elementi uključuju ugljenik-cink elemente.

Suhe ćelije se koriste pri malim strujama i povremenim

režimi rada. Stoga se ovi elementi široko koriste u

telefoni, igračke, alarmni sistemi itd.

Djelovanje bilo koje galvanske ćelije temelji se na pojavi redoks reakcije u njoj. U najjednostavnijem slučaju, galvanska ćelija se sastoji od dvije ploče ili šipke izrađene od različitih metala i uronjene u otopinu elektrolita. Takav sistem omogućava prostorno odvajanje redoks reakcije: oksidacija se odvija na jednom metalu, a redukcija na drugom. Dakle, elektroni se prenose od redukcionog sredstva do oksidacionog sredstva duž vanjskog kruga.

Razmotrimo, kao primjer, bakar-cink galvansku ćeliju napajanu energijom gornje reakcije između cinka i bakar sulfata. Ovaj element (Jacobi-Daniel element) sastoji se od bakarne ploče uronjene u rastvor bakar sulfata (bakarna elektroda) i cinkove ploče uronjene u rastvor cink sulfata (cinkova elektroda). Obje otopine su u kontaktu jedna s drugom, ali da bi se spriječilo miješanje, razdvojene su pregradom od poroznog materijala.

Kada je element pokrenut, tj. sa zatvorenim lancem, cink se oksidira: na površini njegovog kontakta s otopinom, atomi cinka se pretvaraju u ione i, hidratizirani, prelaze u otopinu. Elektroni oslobođeni u ovom procesu kreću se duž vanjskog kola do bakrene elektrode. Čitav skup ovih procesa shematski je predstavljen jednadžbom polu-reakcije, ili elektrohemijskom jednačinom:

Ioni bakra se reduciraju na bakrenoj elektrodi. Elektroni koji dolaze ovamo iz cinkove elektrode kombinuju se sa dehidrirajućim ionima bakra koji napuštaju rastvor; formiraju se atomi bakra koji se oslobađaju u obliku metala. Odgovarajuća elektrohemijska jednačina ima oblik:

Ukupna jednačina reakcije koja se odvija u elementu dobija se zbrajanjem jednadžbi obe polureakcije. Dakle, tokom rada galvanske ćelije, elektroni iz redukcionog agensa prolaze do oksidacijskog sredstva duž vanjskog kruga, na elektrodama se odvijaju elektrokemijski procesi, a u otopini se opaža usmjereno kretanje iona.

Elektroda na kojoj dolazi do oksidacije naziva se anoda (cink). Elektroda na kojoj se vrši redukcija naziva se katoda (bakar).

U principu, svaka redoks reakcija može proizvesti električnu energiju. Međutim, broj reakcija

praktično koristi u hemijskim izvorima električne energije je mala. To je zbog činjenice da svaka redoks reakcija ne omogućava stvaranje galvanske ćelije s tehnički vrijednim svojstvima. Osim toga, mnoge redoks reakcije zahtijevaju potrošnju skupih supstanci.

Za razliku od bakarno-cink ćelije, sve moderne galvanske ćelije i baterije koriste ne dva, već jedan elektrolit; takvi izvori struje su mnogo pogodniji za rad.

VRSTE GALVANSKIH ĆELIJA

Ugljično-cink elementi

Ugljiko-cink elementi (mangan-cink) su

najčešći suvi elementi. U ugljenik-cink

elementi koriste pasivni (ugljenični) kolektor struje u

kontakt sa anodom mangan-dioksida (MnO2), elektrolitom

amonijum hlorid i cink katoda. Elektrolit je unutra

pastozno stanje ili impregnira poroznu dijafragmu.

Takav elektrolit je malo pokretan i stoga se ne širi

elementi se nazivaju suvi.

Ugljično-cink elementi se "oporavljaju" tokom

pauza na poslu. Ova pojava je posljedica postupnosti

usklađivanje lokalnih heterogenosti u kompoziciji

elektrolita koji nastaje tokom procesa pražnjenja. Kao rezultat

periodični vek trajanja elementa "mirovanja" je produžen.

Prednost ugljenik-cink elemenata je njihova

relativno niska cijena. Na značajne nedostatke

treba pripisati značajnom smanjenju napona tokom pražnjenja,

mala specifična snaga (5...10 W/kg) i kratkotrajna

skladištenje.

Niske temperature smanjuju efikasnost

galvanske ćelije i unutrašnje grijanje baterije

podiže. Povećanje temperature uzrokuje hemijsku koroziju cinkove elektrode vodom koja se nalazi u elektrolitu i sušenje elektrolita. Ovi faktori se mogu donekle nadoknaditi držanjem baterije na povišenoj temperaturi i unošenjem fiziološkog rastvora u ćeliju kroz unapred napravljenu rupu.

Alkalni elementi

Kao i cink-ugljik, alkalne ćelije koriste MnO2 anodu i cink katodu sa odvojenim elektrolitom.

Razlika između alkalnih elemenata i onih ugljično-cink je

u upotrebi alkalnog elektrolita, kao rezultat toga

praktično nema evolucije gasa tokom pražnjenja, a može biti

obavljaju hermetičnost, što je za mnoge od njih veoma važno

aplikacije.

elementi žive

Elementi žive su veoma slični alkalnim elementima. U njima

koristi se živin oksid (HgO). Katoda se sastoji od mješavine praha

cink i živa. Anoda i katoda su odvojene separatorom i dijafragmom,

impregniran 40% alkalnom otopinom.

Pošto je živa oskudna i toksična, elementi žive nisu

treba baciti nakon što se u potpunosti iskoriste. Oni moraju

idite na reciklažu.

srebrni elementi

Imaju "srebrne" katode napravljene od Ag2O i AgO.

Litijumske ćelije

Koriste litijumske anode, organski elektrolit

i katode od raznih materijala. Imaju veoma velike

rok trajanja, visoka gustoća energije i efikasan

u širokom temperaturnom rasponu jer ne sadrže vodu.

Budući da litijum ima najveći negativni potencijal

protiv svih metala, litijumskih ćelija

karakteriziraju najveći nazivni napon na

minimalne dimenzije.

Jonska provodljivost se osigurava uvođenjem

rastvarači soli sa velikim anjonima.

Nedostaci litijumskih ćelija uključuju njihovu

relativno visoka cijena zbog visoke cijene

litijuma, posebni zahtjevi za njihovu proizvodnju (potreba

inertna atmosfera, prečišćavanje nevodenih rastvarača). Trebalo bi

takođe uzeti u obzir da neke litijumske ćelije, kada su

otvore su eksplozivne.

Litijumske ćelije se široko koriste u rezervnim izvorima napajanja za memorijska kola, merne instrumente i druge visokotehnološke sisteme.

BATERIJE

Baterije su hemijski izvori

višekratnu električnu energiju. Oni se sastoje od

dvije elektrode (pozitivna i negativna), elektrolit

i korpus. Do akumulacije energije u bateriji dolazi kada

tok hemijske oksidaciono-redukcione reakcije

elektrode. Kada se baterija isprazni, krenite unazad

procesi. Napon baterije je razlika potencijala

između polova baterije pri fiksnom opterećenju.

Da bi se dobile dovoljno velike vrijednosti napona ili

punjenje pojedinačnih baterija su međusobno povezane

serijski ili paralelno sa baterijama. Postoji broj

opšteprihvaćeni naponi za baterije: 2; četiri; 6;

Ograničavamo se na sljedeće baterije:

kiselinske baterije, izrađene po tradiciji

tehnologija;

stacionarni vodi i pogon (automobilski i

traktor);

zapečaćene baterije bez održavanja, zapečaćene

nikl-kadmijum i kiselina "dryfit" A400 i A500 (žele

elektrolit).

AKID BATERIJE

Kao primjer, razmotrite olovno-kiselinsku bateriju spremnu za upotrebu. Sastoji se od rešetkastih olovnih ploča, od kojih su neke punjene olovnim dioksidom, a druge spužvastim olovnim metalom. Ploče su uronjene u 35-40% rastvor H2SO4; pri ovoj koncentraciji električna provodljivost otopine sumporne kiseline je maksimalna.

Tokom rada baterije - kada se isprazni - u njoj se javlja redoks reakcija tokom koje se oksidira metalno olovo:

Pb + SO4= PbSO4 + 2e-

I olovni dioksid se obnavlja:

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

Elektrone koje daruju atomi olova metala tokom oksidacije prihvataju atomi olova PbO2 tokom redukcije; elektroni se prenose s jedne elektrode na drugu preko vanjskog kola.

Dakle, metalno olovo služi kao anoda u olovnoj bateriji i negativno je nabijeno, dok PbO2 služi kao katoda i pozitivno je nabijen.

U unutrašnjem kolu (u rastvoru H2SO4), kada baterija radi, dolazi do transporta jona. Joni SO42 se kreću prema anodi, a H+ joni se kreću prema katodi. Smjer ovog kretanja određen je električnim poljem koje nastaje uslijed pojave elektrodnih procesa: anjoni se troše na anodi, a kationi na katodi. Kao rezultat, rješenje ostaje električno neutralno.

Ako dodamo jednadžbe koje odgovaraju oksidaciji olova i redukciji PbO2, onda ćemo dobiti ukupnu reakcijsku jednačinu,

teče u olovnoj bateriji tokom njenog rada (pražnjenja):

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

emf napunjena olovna baterija je približno 2V. Kako se baterija prazni, njeni katodni (PbO2) i anodni (Pb) materijali se troše. Takođe se konzumira i sumporna kiselina. U tom slučaju napon na terminalima akumulatora opada. Kada postane manja od vrijednosti koju dozvoljavaju radni uvjeti, baterija se ponovo puni.

Za punjenje (ili punjenje), baterija je povezana na vanjski izvor struje (plus na plus i minus na minus). U tom slučaju struja teče kroz bateriju u suprotnom smjeru od onog u kojem je prošla kada je baterija bila prazna. Kao rezultat, elektrohemijski procesi na elektrodama su "obrnuti". Olovna elektroda je sada u procesu redukcije

PbSO4 + 2e- = Pb + SO4

one. ova elektroda postaje katoda. Oksidacija se odvija na PbO2 elektrodi

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

stoga je ova elektroda sada anoda. Joni u otopini kreću se u suprotnim smjerovima od onih u kojima su se kretali tokom rada baterije.

Zbrajanjem posljednje dvije jednačine dobijamo jednačinu za reakciju koja se javlja kada se baterija napuni:

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

Lako je uočiti da je ovaj proces suprotan onome koji se dešava tokom rada baterije: kada se baterija napuni, u njoj se ponovo dobijaju supstance neophodne za njen rad.

Olovne baterije se obično kombinuju u bateriju, koja

postavljen u monoblok od ebonita, termoplasta, polipropilena,

polistiren, polietilen, asfaltni sastav, keramika

ili staklo.

Jedna od najvažnijih karakteristika baterije je

vijek trajanja ili vrijeme rada resursa (broj ciklusa). Pogoršanje

parametri baterije i kvar su prvenstveno uzrokovani

korozija u redu mreže i puzanje aktivne mase

pozitivna elektroda. Trajanje baterije je određeno

prvenstveno po vrsti pozitivnih ploča i uslovima

operacija.

Poboljšanje olovnih baterija je na putu

istraživanje novih legura za rešetke (na primjer, olovo-kalcij), laganih i izdržljivih materijala za tijelo

(na primjer, na bazi kopolimera propilena i etilena), poboljšanja

kvaliteta separatora.

ALKALNE BATERIJE

Srebro-cink.

Imaju dobre električne karakteristike, imaju malu masu i zapreminu. U njima kao elektrode služe srebrni oksidi Ag2O, AgO (katoda) i spužvasti cink (anoda); Elektrolit je rastvor KOH.

Tokom rada baterije, cink se oksidira, pretvarajući se u ZnO i Zn (OH) 2, a srebrni oksid se reducira u metal. Ukupna reakcija koja se javlja kada se baterija isprazni može se približno izraziti jednadžbom:

AgO + Zn = Ag + ZnO

emf napunjena srebrno-cink baterija je približno jednaka 1,85 V. Kada napon padne na 1,25 V, baterija se puni. Istovremeno, procesi na elektrodama su "obrnuti": cink se reducira, srebro se oksidira - ponovo se dobivaju tvari potrebne za rad baterije.

Kadmijum-nikl i gvožđe-nikl.

KN i ZN su veoma slični jedni drugima. Njihova glavna razlika je u materijalu ploča negativnih elektroda; u KN baterijama su kadmijum, a u ZhN baterijama su gvožđe. KN baterije su najčešće korištene.

Alkalne baterije se uglavnom proizvode sa lamelarnim elektrodama. U njima su aktivne mase zatvorene u lamele - ravne kutije s rupama. Aktivna masa pozitivnih ploča napunjene baterije uglavnom se sastoji od hidratiziranog nikl oksida (N) Ni2O3 x H2O ili NiOOH. Osim toga, sadrži grafit koji se dodaje za povećanje električne provodljivosti. Aktivna masa negativnih ploča KN akumulatora sastoji se od mješavine spužvastog kadmijuma sa željeznim prahom, a akumulatora ZhN - od reduciranog željeznog praha. Elektrolit je rastvor kalijum hidroksida koji sadrži malu količinu LiOH.

Razmotrite procese koji se dešavaju tokom rada KN baterije. Kada se baterija isprazni, kadmijum oksidira.

Cd + 2OH- \u003d Cd (OH) 2 + 2e-

I NiOOH se oporavlja:

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

U ovom slučaju, elektroni se prenose sa kadmijumske elektrode na niklovanu elektrodu duž spoljašnjeg kola. Kadmijumska elektroda služi kao anoda i negativno je nabijena, dok niklova elektroda služi kao katoda i pozitivno je nabijena.

Ukupna reakcija koja se odvija u KN bateriji tokom njenog rada može se izraziti jednačinom koja će se dobiti dodavanjem posljednje dvije elektrohemijske jednačine:

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

emf napunjene nikl-kadmijum baterije je približno 1,4 V. Kako baterija radi (prazni se), napon na njenim terminalima opada. Kada padne ispod 1V, baterija se puni.

Kada se baterija puni, elektrohemijski procesi na njenim elektrodama su "obrnuti". Na kadmijumskoj elektrodi dolazi do redukcije metala

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

O niklu - oksidacija nikal hidroksida (P):

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

Ukupna reakcija tokom punjenja je suprotna reakciji koja se dešava tokom pražnjenja:

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

ZAPETVENE NIKL KADMIJUM BATERIJE

Posebna grupa nikl-kadmijumskih baterija su zapečaćene baterije. Kiseonik koji se oslobađa na kraju punjenja oksidira kadmijum, tako da se pritisak u bateriji ne povećava. Brzina stvaranja kisika trebala bi biti niska, tako da se baterija puni relativno malom strujom.

Zapečaćene baterije se dele na diskove,

cilindrične i pravougaone.

Zapečaćene pravougaone nikl-kadmijumske baterije

proizvode se s negativnim nesinteriranim elektrodama od kadmij oksida ili sa sinteriranim kadmij elektrodama.

ZAŠTITNE BATERIJE

Često korištene kiselinske baterije,

izrađene po klasičnoj tehnologiji, uzrokuju mnogo problema

i imaju štetan uticaj na ljude i opremu. Oni su najviše

jeftini, ali zahtijevaju dodatne troškove za njihovo održavanje,

posebne prostorije i osoblje.

DRYFIT TECHNOLOGY BATERIJE

Najprikladniji i najsigurniji od kiselih baterija

su potpuno zatvorene baterije koje ne zahtijevaju održavanje

VRLA (Valve Regulated Lead Acid) proizveden po tehnologiji

suvo pristajanje. Elektrolit u ovim baterijama je u želeastom stanju. To osigurava pouzdanost baterija i sigurnost njihovog rada.

BIBLIOGRAFIJA:

1. Deordiev S.S.

Baterije i njihova briga.

K.: Tehnika, 1985. 136 str.

2. Elektrotehnički priručnik.

U 3 toma V.2. Električni proizvodi i uređaji/pod

ukupno ed. Profesori MPEI (glavni urednik I. N. Orlov) i dr. 7. izd. 6corr. i dodatne

M.: Energoatomizdat, 1986. 712 str.

3. N.L. Glinka.

Opća hemija.

Izdavačka kuća "Hemija" 1977.

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

Hemijski izvori struje.

M.: Energoizdat, 1981. 360 str.