Меню

Источники питания гальванические элементы



Гальванические элементы и аккумуляторы — устройство, принцип работы, виды

Маломощные источники электрической энергии

Для питания переносной электро- и радиоаппаратуры применяют гальванические элементы и аккумуляторы.

Гальванические элементы — это источники одноразового действия, аккумуляторы — источники многоразового действия.

Гальванические элементы и аккумуляторы

Простейший гальванические элемент

Простейший элемент может быть изготовлен из двух полосок: медной и цинковой, погруженных в воду, слегка подкисленную серной кислотой. Если цинк достаточно чист, чтобы быть свободным от местных реакций, никаких заметных изменений не произойдет до тех пор, пока медь и цинк не будут соединены проводом.

Однако полоски имеют разные потенциалы одна по отношению к другой, и когда они будут соединены проводом, в нем появится электрический ток. По мере этого действия цинковая полоска будет постепенно растворяться, а близ медного электрода будут образовываться пузырьки газа, собирающиеся на его поверхности. Этот газ — водород, образующийся из электролита. Электрический ток идет от медной полоски по проводу к цинковой полоске, а от нее через электролит обратно к меди.

Простейший гальванический элемент

Постепенно серная кислота электролита замещается сульфатом цинка, образующимся из растворенной части цинкового электрода. Благодаря этому напряжение элемента уменьшается. Однако еще более сильное падение напряжения вызывается образованием газовых пузырьков на меди. Оба эти действия производят «поляризацию». Подобные элементы не имеют почти никакого практического значения.

Важные параметры гальванических элементов

Величина напряжения, даваемого гальваническими элементами, зависит только от их типа и устройства, т. е. от материала электродов и химического состава электролита, но не зависит от формы и размеров элементов.

Сила тока, которую может давать гальванический элемент, ограничивается его внутренним сопротивлением.

Очень важной характеристикой гальванического элемента является электрическая емкость. Под электрической емкостью подразумевается то количество электричества, которое гальванический или аккумуляторный элемент способен отдать в течение всего времени своей работы, т. е. до наступления окончательного разряда.

Отданная элементом емкость определяется умножением силы разрядного тока, выраженной в амперах, на время в часах, в течение которого разряжался элемент вплоть до наступления полного разряда. Поэтому электрическая емкость выражается всегда в ампер-часах (А х ч).

Пальчиковые батарейки

По величине емкости элемента можно также заранее определить, сколько примерно часов он будет работать до наступления полного разряда. Для этого нужно емкость разделить на допустимую для этого элемента силу разрядного тока.

Однако электрическая емкость не является величиной строго постоянной. Она изменяется в довольно больших пределах в зависимости от условий (режима) работы элемента и конечною разрядного напряжения.

Если элемент разряжать предельной силой тока и притом без перерывов, то он отдаст значительно меньшую емкость. Наоборот, при разряде того же элемента током меньшей силы и с частыми и сравнительно продолжительными перерывами элемент отдаст полную емкость.

Что же касается влияния на емкость элемента конечного разрядного напряжения, то нужно иметь в виду, что в процессе разряда гальванического элемента его рабочее напряжение не остается на одном уровне, а постепенно понижается.

Виды гальванических элементов

Распространенные виды гальванических элементов

Наиболее распространены гальванические элементы марганцево-цинковой, марганцево-воздушной, воздушно-цинковой и ртутно-цинковой систем с солевым и щелочным электролитами. Сухие марганцево-цинковые элементы с солевым электролитом имеют начальное напряжение от 1,4 до 1,55 В, продолжительность работы при температуре окружающей среды от -20 до -60 о С от 7 ч до 340 ч.

Сухие марганцево-цинковые и воздушно-цинковые элементы со щелочным электролитом имеют напряжение от 0,75 до 0,9 В и продолжительность работы от 6 ч до 45 ч.

Сухие ртутно-цинковые элементы имеют начальное напряжение от 1,22 до 1,25 В и продолжительность работы от 24 ч до 55 ч.

Наибольший гарантийный срок хранения, достигающий 30 месяцев, имеют сухие ртутно-цинковые элементы.

Устройство гальванического элемента

Аккумуляторы — это вторичные гальванические элементы. В отличие от гальванических элементов в аккумуляторе же сразу после сборки никакие химические процессы не возникают.

Чтобы в аккумуляторе начались химические реакции, связанные с движением электрических зарядов, нужно соответствующим образом изменить химический состав его электродов (а частью и электролита). Это изменение химического состава электродов происходит под действием пропускаемого через аккумулятор электрического тока.

Поэтому, чтобы аккумулятор мог давать электрический ток, его предварительно нужно «зарядить» постоянным электрическим током от какого-нибудь постороннего источника тока.

От обычных гальванических элементов аккумуляторы выгодно отличаются также тем, что после разряда они опять могут быть заряжены. При хорошем уходе за ними и при нормальных условиях эксплуатации аккумуляторы выдерживают до нескольких тысяч зарядов и разрядок. Аккумуляторы Устройство аккумулятора

В настоящее время наиболее часто на практике применяют свинцовые и кадмиево-никелевые аккумуляторы. У первых электролитом служит раствор серной кислоты, а у вторых — раствор щелочей в воде. Свинцовые аккумуляторы называют также кислотными, а кадмиево-никелевые — щелочными.

Принцип работы аккумуляторов основан на поляризации электродов при электролизе. Простейший кислотный аккумулятор устроен следующим образом: это две свинцовые пластины, опущенные в электролит. В результате химической реакции замещения пластины покрываются слабым налетом сернокислого свинца PbSO4, как это следует из формулы Pb + H2SO4 = PbSO4 + Н2.

Устройство кислотного аккумулятора

Такое состояние пластин соответствует разряженному аккумулятору. Если теперь аккумулятор включить на заряд, т. е. подсоединить его к генератору постоянного тока, то в нем вследствие электролиза начнется поляризация пластин. В результате заряда аккумулятора его пластины поляризуются, т. е. изменяют вещество своей поверхности, и из однородных (PbSO4) превращаются в разнородные (Pb и Р b О 2 ).

Аккумулятор становится источником тока, причем положительным электродом у него служит пластина, покрытая двуокисью свинца, а отрицательным — чистая свинцовая пластина.

К концу заряда концентрация электролита повышается вследствие появления в нем дополнительных молекул серной кислоты.

В этом одна из особенностей свинцового аккумулятора: его электролит не остается нейтральным и сам участвует в химических реакциях при работе аккумулятора.

Зарядка аккумуляторов

Как зарядить аккумулятор

Существует несколько способов заряда аккумуляторов. Наиболее простой — нормальный заряд аккумулятора, который происходит следующим образом. Вначале на протяжении 5 — 6 ч заряд ведут двойным нормальным током, пока напряжение на каждой аккумуляторной банке не достигнет 2,4 В.

Нормальный зарядный ток определяют по формуле I зар = Q/16

где Q — номинальная емкость аккумулятора, Ач.

После этого зарядный ток уменьшают до нормального значения и продолжают заряд и течение 15 — 18 ч, до появления признаков конца заряда.

Никель-кадмиевые аккумуляторы

Кадмиево-никелевые, или щелочные аккумуляторы, появились значительно позже свинцовых и по сравнению с ними представляют собой более совершенные химические источники тока. Главное преимущество щелочных аккумуляторов перед свинцовыми заключается в химической нейтральности их электролита по отношению к активным массам пластин. Благодаря этому саморазряд у щелочных аккумуляторов получается значительно меньше, чем у свинцовых. Принцип действия щелочных аккумуляторов также основан на поляризации электродов при электролизе.

Для питания радиоаппаратуры выпускают герметичные кадмиево-никелевые аккумуляторы, которые работоспособны при температурах от -30 до +50 о С и выдерживают 400 — 600 циклов заряд-разряд. Эти аккумуляторы выполняют в форме компактных параллелепипедов и дисков с массой от нескольких граммов до килограммов.

Читайте также:  Аккумуляторы для Kia Picanto II 2011 2015 1 3 85 л с

Выпускают никель-водородные аккумуляторы для энергоснабжения автономных объектов. Удельная энергия никель-водородного аккумулятора составляет 50 — 60 Вт ч кг -1 .

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Гальванические элементы

Гальванический элемент — это химический источник электрического тока, в котором происходит непосредственное преобразование химической энергии в электрическую. Поэтому он является первичным источником питания. Внешний вид наиболее распространенных элементов питания приведен на рисунке 1.

Внешний вид батареек
Рисунок 1. Внешний вид пальчиковых гальванических элементов

Существуют солевые (сухие), щелочные и литиевые элементы. Гальванические элементы часто называют батарейками, однако это название неверно, т.к. батареей является соединение нескольких одинаковых устройств. Например, при последовательном соединении трех гальванических элементов образуется широко используемая 4,5 вольтовая батарейка.

Принцип действия гальванического элемента основан на взаимодействии двух металлов через электролит, приводящем к возникновению в замкнутой цепи электрического тока. Напряжение зависит от использованных металлов. Некоторые из этих химических источников тока приведены в таблице 1.

Тип источников тока Катод Электролит Анод Напряжение,
В
Марганцево-цинковый MnO2 KOH Zn 1,56
Марганцево-оловянный MnO2 KOH Sn 1,65
Марганцево-магниевый MnO2 MgBr2 Mg 2,00
Свинцово-цинковый PbO2 H2SO4 Zn 2,55
Свинцово-кадмиевый PbO2 H2SO4 Cd 2,42
Свинцово-хлорный PbO2 HClO4 Pb 1,92
Ртутно-цинковый HgO KOH Zn 1,36
Ртутно-кадмиевый HgO2 KOH Cd 1,92
Окисно-ртутно-оловянный HgO2 KOH Sn 1,30
Хром-цинковый K2Cr2O7 H2SO4 Zn 1,8—1,9

В продаже в основном представлены Марганцево-цинковые элементы, которые называют солевыми. Производители батареек обычно не указывают их химический состав. Это самые дешевые гальванические элементы, которые можно применять только в устройствах с низким потреблением, таких как часы, электронные термометры или пульты дистанционного управления. На рисунке 2 приведены внешний вид и внутреннее устройство солевого элемента питания.

Внутреннее устройство солевого источника питания
Рисунок 2. Внешний вид и устройство «сухого» гальванического элемента

Не менее распространенным элементом питания являются щелочные марганцевые батарейки. В продаже их называют алкалиновыми, не утруждая себя переводом названия на русский язык. Внутреннее устройство алкалинового гальванического элемента показано на рисунке 2.

Внутреннее устройство щелочного элемента питания
Рисунок 3. Внутреннее и устройство щелочного гальванического элемента

Эти химические источники тока обладают большей емкостью (2. 3 A/ч) и они могут обеспечивать больший ток в течение длительного времени.Больший ток стал возможным, т.к. цинк используется не в виде стакана, а в виде порошка, обладающего большей площадью соприкосновения с электролитом. В качестве электролита применяется гидрооксид калия. Именно благодаря способности данного вида гальванических элементов в течение длительного времени отдавать значительный ток (до 1 A), наиболее распространен в настоящее время.

Еще одним достаточно распространенным видом гальванических элементов являются литиевые барарейки. Благодаря использованию щелочного металла они обладают высокой разностью потенциалов. Напряжение литиевых элементов равно 3 В. Однако на рынке представлены и 1,5 В литиевые батарейки. Эти элементы питания обладают наивысшей емкостью на единицу массы и длительным временем хранения. Применяются в основном для питания часов на материнских платах компьютеров и фототехнике. В качестве недостатка можно назвать высокую стоимость. Внешний вид литиевых батареек приведен на рисунке 4.

Внешний вид литиевых гальванических элементов
Рисунок 4. Внешний вид литиевых элементов питания

Следует отметить, что практически все гальванические элементы способны подзаряжаться от сетевых источников питания. Исключение составляют литиевые батарейки, которые при попытке подзаряда могут взорваться.

Для применения в различных устройствах батарейки были стандартизированы. Наиболее распространенные виды корпусов гальванических элементов приведены в таблице 2.

Тип Номенклатура IEC JIS Советское Размеры, мм Напряжение, В Обиходное название
AAA R03 286 44,5 × Ø10,5 1,2—1,6 «мизинчиковая», «микропальчиковая»
AA R6 316 50,5 × Ø14,5 1,2—1,6 «пальчиковая»
С R14 343 50,0 × Ø26,2 1,2—1,6 «средняя»
D R20 373 61,5 × Ø34,2 1,2—1,6 «большая»
6F22 Крона 48,5 × 26,5 × 17,5 9 «крона»
3R12 3336 67 × 62 × 22 4,5 «плоская»

Для крепления батареек внутри корпуса радиоэлектронных устройств в настоящее время предлагаются готовые батарейные отсеки. Применение их позволяет значительно упростить разработку корпуса радиоэлектронного устройства и удешевить его производство. Внешний вид некоторых из них приведен на рисунке 5.

Внешний вид батарейных отсеков
Рисунок 5. Внешний вид отсеков для крепления гальванических элементов питания

Первый вопрос, который волнует покупателей батареек — это время их работы. Оно зависит от технологии производства гальванического элемента. График типовой зависимости выходного напряжения от технологии производства элемента питания приведен на рисунке 5.

Рисунок 6. График времени работы элемента питания в зависимости от технологии производства при токе разряда 1 А

Результаты тестов батареек различных фирм, проведенные на сайте http://www.batteryshowdown.com/ приведены на рисунке 7.

Время работы батареек различных фирм
Рисунок 7. График времени работы батареек различных фирм при токе разряда 1 А

И, наконец, давайте сделаем выводы где какой тип батареек имеет смысл применять, так как при приобретении батареек мы всегда стараемся получить максимум полезного эффекта при минимуме затрат.

  1. Не стоит покупать батарейки в киосках или на рынке. Обычно они там достаточно долго лежат и поэтому за счет саморазряда практически теряют свою емкость. Это может быть даже опасно для аппаратуры, т.к. при использовании дешевых гальванических элементов (батареек) из них может протечь электролит. Это приведет к выходу аппаратуры из строя! Покупать лучше в магазинах с хорошим оборотом товара.
  2. щелочные (алкалиновые) батарейки следует применять в устройствах, потребляющих достаточно большой ток, таких как фонарики, плееры или фотоаппараты. В малопотребляющих устройствах их срок работы не отличается от солевых батареек.
  3. Солевые («обычные», угольно-цинковые гальванические элементы), будут отлично работать в часах, ИК пультах и прочих устройствах, рассчитанных на работу от одного комплекта батарей в течении года и более. При этом они не могут работать на морозе.
  4. Самые экономически выгодные батарейки на сегодня — пальчиковые АА. Как мизинчиковые (АAА), так и большие (R20), при одной и той же емкости стоят дороже. Ёмкость современных батареек R20 почти такая же как и пальчиковых батареек АА, и это при в три раза больших размерах!
  5. Не стоит обращать внимание на раскрученные бренды. Гальванические элементы фирм Duracell и Energizer стоят в полтора-два раза дороже батареек остальных фирм и при этом работают примерно столько-же

Дата последнего обновления файла 15.12.2017

Понравился материал? Поделись с друзьями!

  1. Черный пластмассовый держатель для аккумуляторов
  2. Методика тестирования аккумуляторов и батареек
  3. Тестирование батареек формата АА
  4. Обзор Батарея GP Super Alkaline 24A LR03
  5. Батарейки, работающие на воде

Вместе со статьей «Гальванические элементы» читают:

Источник

Источники питания, гальванические элементы

Алессандро Вольт

В этой статье будет рассмотрены понятия: источник питания, а точнее источник питания постоянного тока. К ним отнесем гальванический элемент, который изобрел Вольт, свинцовый аккумулятор, который до наших дней устанавливается в автомобили, устаревающий кадмиево-никелевый аккумулятор, который все еще выпускается и служит источником питания для многих устройств.

Читайте также:  Гелиосистема для нагрева воды что это такое своими руками и для отопления дома

Гальванический элемент

Простейшим источником питания является первичный (гальванический) элемент Вольта. Источник электрического тока (первичный элемент) состоит из двух электродов — пластин: цинковой и медной, опущенных в водный раствор серной кислоты. Схема гальванического элемента:
схема гальванического элемента
Под действием воды, часть молекул серной кислоты распадается на положительные (2Н) и отрицательные (S0 4 ) ионы. Цинковая пластина, опущенная в электролит под действием химических сил растворяется в электролите. Положительные ионы цинка переходят в раствор и соединяются с отрицательными ионам кислотного остатка (S0 4 ), образуя нейтральные молекулы цинкового купороса (ZnSO 4 ). Оставшиеся от молекулы цинка свободные электроны создают избыточный отрицательный заряд на цинковой пластине а в электролите, наоборот, возникает избыточный положительный заряд — положительные ионы водорода (ввиду нейтрализации части отрицательных ионов).

В результате этого процесса в пограничном слое соприкосновения цинковой пластинки с электролитом возникает электрическое поле, направленное от положительного заряженного электролита к отрицательно заряженной цинковой пластинке, и появляется разность потенциалов. Силы электрического поля противодействуют переходу положительных ионов цинка в электролит. Растворение цинка прекращается, когда силы электрического поля уравновесят химические.

Медный электрод, опущенный в электролит, почти не растворяется. Между электролитом и медным электродом почти отсутствует электрическое поле и, следовательно, возникает ничтожная разность потенциалов. Таким образом, потенциал электрода из меди практически равен потенциалу электролита.
В электротехнике при изучении электрических цепей не рассматривают каждый раз явлений, происходящих внутри первичного элемента или другого источника питания, а характеризуют его электродвижущей силой (обозначение Е). Величина электродвижущей силы равна напряжению на зажимах разомкнутого первичного элемента, т. е. когда внешний участок цепи в виде нагрузки не присоединен или, как говорят, источник не нагружен.

Электродвижущая сила (ЭДС) является одной из главных характеристик источника питания.

ЭДС гальванического элемента, как и ток, имеет определенное направление. Направление ЭДС в источнике питания принимается от отрицательного зажима к положительному, т. е., совпадающее с направлением тока внутри источника. Стандартная ЭДС гальванического элемента (первичного элемента Вольта) составляет около 1,1 в.

Работа гальванического элемента под нагрузкой

Присоединим к зажимам гальванического элемента потребитель электрической энергии, получим, простейшую электрическую цепь.

Под действием э. д. с. во внешнем участке цепи возникает ток, т. е. движение электронов от отрицательного зажима к положительному зажиму, в связи с чем уменьшаются по величине избыточные заряды на электродах источника питания, при этом нарушается равновесие электрических и химических сил и под влиянием последних ионы цинка снова переходят в раствор, а положительные ионы водорода приближаются к медному электроду, отнимают от него свободные электроны и превращаются в нейтральные молекулы водорода.

Медный электрод оказывается отделенным от электролита непроводящим слоем водорода. Это явление носит название поляризации. Чтобы избежать поляризации, в состав элемента вводятся вещества (деполяризаторы), легко отдающие кислород, например перекись марганца. Превращая водород в воду, деполяризаторы освобождают электрод от непроводящего слоя водорода.

Сухой гальванический элемент

В настоящее время на электротехнических заводах выпускаются первичные элементы, называемые сухими элементами. Внешний вид сухого элемента показан рисунке.

Положительным электродом элемента служит угольный стержень, расположенный внутри цинковой цилиндрической коробочки, которая является отрицательным электродом. Вокруг угольного электрода помещен деполяризатор, состоящий из мелких частиц перекиси марганца, графита и сажи. Цинковая коробочка наполнена электролитом из раствора нашатыря, сгущенного пшеничной пли картофельной мукой. ЭДС гальванического элемента составляет около 1,5 в.

Наибольший ток, который можно допустить в элементе, называется номинальным разрядным током, а количество электричества, которое можно получить от элемента за время его работы, называется его емкостью и измеряется в ампер — часах (ач):
1 ач = 3600 а сек = 3600 к.

Процессы, происходящие в первичных элементах, являются необратимыми, но существуют другие гальванические элементы, в которых при пропускании по ним электрического тока от постороннего генератора (как говорят, при зарядке) запасается химическая энергия. Такие гальванические элементы называются аккумуляторами.

До настоящего времени применялись два вида аккумуляторов — свинцовые и кадмие-никелевые или щелочные. В настоящее время разновидности аккумуляторов увеличились.

Работа гальванического элемента видео:

Свинцовые аккумуляторы

Свинцовый аккумулятор состоит из двух блоков свинцовых пластин, опущенных в сосуд с водным раствором серной кислоты (рисунок ниже).

Устройство свинцового аккумулятора

Положительные пластины, спаянные между собой при помощи свинцовой полосы, располагаются между отрицательными пластинами, также спаянными между собой. Каждая пластина состоит из свинцового каркаса, в который впрессована активная масса. Пластины после изготовления подвергаются специальной электролитической обработке — формированию.

У готового заряженного аккумулятора активная масса положительной пластины — анода состоит из перекиси свинца (PbO 2 ), а отрицательной — катода из губчатого свинца (Pb). Электролитом служит 25—34-процентный раствор серном кислоты (H2SO 4 ).

Электродвижущая сила заряженного аккумулятора составляет около 2,2 в.

Аккумулятор, замкнутый на нагрузку, является источником питания; такой режим работы аккумулятора называется разрядом аккумулятора.

При разряде напряжение свинцового аккумулятора быстро падает с 2,2в до 2,0в, а затем медленно до 1,8 в. При дальнейшем падении напряжения разряд следует прекращать, так как иначе аккумулятор можно повредить. Происходит сульфатация пластин.
При зарядке через аккумулятор пропускается ток от постороннего источника питания (как правило, зарядное устройство), причем анод аккумулятора присоединяется к плюсу источника, а катод — к минусу.

Зарядка свинцового аккумулятора происходит от специального зарядного устройства. При заряде напряжение быстро поднимается до 2,2 в, а затем медленно до 2,3 в. Когда процесс заряда закончится, начинается выделение водорода, который в виде пузырьков поднимается на поверхность раствора (кипение аккумулятора). В это время напряжение повышается до 2,6—2,7 в и заряд следует прекратить.

Наибольшее количество электричества Q, которое можно получить от заряженного аккумулятора, как и у первичного элемента, называется его емкостью и измеряется в ампер-часах (а ч).

Отношение отданного при разряде количества электричества к полученному при зарядке называется коэффициентом отдачи:
Коэффициент отдачи аккумулятора

Коэффициент отдачи свинцового аккумулятора составляет 0,9—0,95.

Отношение полученной от аккумулятора при разряде энергии (обозначение Wp) к затраченной при зарядке (Wз) называется коэффициентом полезного действия (КПД):

Коэффициент полезного действия свинцового аккумулятора составляет 0,75—0,8.

Свинцовые аккумуляторы быстро теряют емкость или даже приходят в полную негодность при неправильной эксплуатации. Батарея аккумуляторов должна быть всегда чистой, а вводные зажимы для предохранения от окисления покрыты тонким слоем технического вазелина.

Через каждые 6—10 дней нужно проверять уровень электролита и степень заряженности аккумуляторов.

Свинцовые аккумуляторы должны периодически заряжаться. Зарядка свинцового аккумулятора осуществляется с помощью зарядного устройства при соблюдении определенного зарядного тока, который зависит от емкости свинцового аккумулятора. Хранение незаряженных аккумуляторов недопустимо.

Основное повреждение (сульфатация) свинцового аккумулятора заключается в переходе мелкокристаллического сульфата свинца в нерастворимые химические соединения, которые при заряде не переходят в перекись свинца (РЬО 2 ) и свинец (РЬ).

Читайте также:  Зарядка аккумулятора автомобиля 75ач

Главные причины сульфатации аккумуляторов:
1) неправильное включение аккумуляторов на заряд;
2) систематический недозаряд аккумулятора;
3) длительное хранение незаряженного аккумулятора;
4) слишком высокая плотность электролита (больше 1,32);
5) понижение уровня электролита.

Как устроен и как работает свинцово-кислотный аккумулятор видео:

Кадмиево-никелевый аккумулятор

Электроды щелочного аккумулятора выполнены в виде железных решеток с карманами, заполненными активной массой. Активная масса у положительной пластины состоит из гидрата окиси никеля Ni(OH) 3 , а у отрицательной — из губчатого кадмия Cd.
Никель-кадмиевые аккумуляторы
Электролитом служит 21-процентный водный раствор едкого кали (КОН).

Устройство никель-кадмиевого аккумулятора

При зарядке, как и при разрядке, концентрация электролита не изменяется. ЭДС никель кадмиевого аккумулятора составляет 1,4 в (каждой секции).
При разрядке напряжение с 1,4 в падает сначала быстро до 1,3 в, а затем медленно — до напряжения 1,15 в, при котором следует прекратить разрядку. При зарядке напряжение с 1,15 в, быстро поднявшись до 1,75 в, несколько падает, а затем медленно поднимается до 1,85 в.

Внутреннее сопротивление щелочных аккумуляторов значительно выше, чем у кислотных, поэтому, с одной стороны, они обладают более низким КПД (0,5—0,6), а с другой стороны, менее чувствительны к коротким замыканиям.
Щелочные аккумуляторы обладают большей механической прочностью, меньшим весом, чем свинцовые аккумуляторы и менее требовательны к уходу.

Источник

Гальванический элемент батарейка как источник энергии

Гальванический элемент батарейка -это энергетическое устройство, которое преобразует накопленную химическую энергию непосредственно в электрическую с помощью электрохимического процесса, включающего реакции окисления.

Каковы основные компоненты батареи как генератора энергии?

Гальванический элемент может состоять из многих электрохимических элементов, называемых батарейными элементами. Элементы или ячейки могут быть соединены и расположены последовательно или параллельно в соответствии с требуемым выходным напряжением и током, образуя емкость батареи.

Гальванический элемент батарейка состоит из трех основных компонентов:

  1. Анод (отрицательный электрод). Это восстановительный электрод, который отдает электроны во внешнюю электрическую цепь и окисляется в ходе электрохимической реакции. Таким образом, анодные электроды также называют “топливным электродом”.
  2. Катод (положительный электрод). Катод-это окислительный электрод, который принимает электроны от внешней цепи и восстанавливается в ходе электрохимической реакции.
  3. Электролит (электродная среда). Электролит представляет собой среду или сепаратор между анодом и катодом, который служит ионным проводником для переноса ионов или зарядов между двумя электродами. Обычно это жидкость с кислотами или щелочами для придания ионной проводимости.

Необходимо отметить, что некоторые батареи используют твердые электролиты, поэтому мы обычно называли их “сухими ячейками” или “сухими батареями”.
Первые компоненты типичного сухого элемента в качестве анода использовали цинк, а в качестве катода-графитовый (углеродный) стержень, окруженный влажным электролитом (химическая смесь).

Другие более современные распространенные сухие гальванические элементы батарейки включают цинк-хлоридные, ртутные, оксид серебра, цинк-воздушные батареи и т. д.

Классификация источников питания

Как правило, батареи можно разделить на первичные, вторичные и топливный элемент.
Первичные батареи не могут быть заряжены, в то время как вторичные являются перезаряжаемыми или аккумуляторами.

В отличие от первичных и вторичных батарей, топливные элементы, с другой стороны, относятся к классу которые работают с непрерывной внешней подачей топлива.
Поэтому количество энергии для первичной батареи ограничено имеющимися в ней реагентами; вторичная может работать в прерывистом режиме, т. е. она может быть перезаряжена при достижении низкого уровня заряда.

Топливный элемент, по существу, имеет наибольшее количество энергии, так как топливо, обычно водород, может непрерывно подаваться в “топливный” элемент.

Марганцево-цинковый сухой элемент или угольно-цинковая батарейка

Гальванический элемент батарейка

Гальванический элемент батарейка электролитом которого является сухой или в форме пасты/геля был изобретен французский инженером Жоржем Лекланшем в 1866 году.
Стаканчик из цинка – минусовой электрод, электролитом служил диоксид марганца, графитовый электрод в качестве плюсового электрода.
Электрохимическая реакция Zn + 2MnO2 + 2NH4Cl → 2MnO(OH) + [Zn(NH3)2]Cl2
Применяются солевые батарейки в приборах со средним и низким энергопотреблением.

Щелочная (алкалиновая) батарейка

Гальванический элемент батарейка

Щелочной диоксид цинка-марганца или ”щелочной” гальванический элемент батарейка обеспечивает гораздо более высокую плотность энергии и, следовательно, емкость, чем углерод-цинковый или марганцево-цинковый-хлоридный тип. Она также способна к более высокому разрядному току.

Диоксид марганца (MnO2) и углерод образуют положительный электрод, в то время как цинк находится в порошкообразной форме, как отрицательный электрод (анод), который фактически смешивается с образованием геля/пасты с гидроксидом калия (KOH) с цинковым порошком в качестве электролита. Несмотря на то, что щелочная батарея дороже и несколько тяжелее, она превосходит углерод-цинковые или хлоридные типы. Кроме того, щелочные батареи, как известно, долговечны из-за их способности избегать коррозионного воздействия из-за кислого иона аммония на цинк. Щелочные гальванические элементы батарейки особенно подходят для применений, которые включают в себя сравнительно высокие уровни тока разряда.

Литиевая батарейка

Литий-марганцевая диоксид батарейка -это относительно недавняя разработка, использующая преимущества высокого электродного потенциала и плотности энергии металлического лития. Она предлагает значительно большую плотность энергии и емкость, чем “щелочная” и угольная, при относительно небольшом увеличении стоимости.

Литий находится в форме очень тонкой фольги и запрессован внутри банки из нержавеющей стали, чтобы сформировать отрицательный электрод.

Положительный электрод – диоксид марганца, смешанный с углеродом для улучшения его проводимости, а электролит-перхлорат лития растворен в пропиленкарбонате.

литиевая батарейка

Номинальное напряжение на клеммах литиевого элемента составляет 3,0 в, что в два раза больше, чем у “щелочных” и других гальванических элементов. Он также имеет очень низкую скорость саморазряда, что дает ему очень длительный срок хранения. Внутреннее сопротивление также довольно низкое и остается таким в течение всего срока службы.

Литиевая батарея хорошо работает при низких температурах, даже ниже -60 °C, и передовые разработки используют их в спутниках связи, космических аппаратах, военных и медицинских приложениях. Медицинские приложения, требующие длительного срока службы критически важных устройств, таких как искусственные кардиостимуляторы и другие имплантируемые электронные медицинские устройства, используют специализированные литий-ионные батареи, которые могут работать в течение многих лет.

Литиевые гальванические элементы батарейки подходят для менее важных применений для работы с игрушками, часами и камерами. Хотя литиевые батареи стоят дороже, они обеспечивают более длительный срок службы, чем “щелочные” батареи, и сводят к минимуму их замену.

На практике, однако, напряжение на клеммах уменьшается по мере уменьшения заряда. Именно по этой причине, в отличие от вторичных батарей, первичные, как правило, не получают спецификации емкости ни в ампер-часах, ни в миллиампер-часах от большинства производителей вместо этого обычно задается только максимальный ток разряда.
Литиевые гальванические элементы обладают значительно большей плотностью энергии и емкостью, чем “щелочные” и другие первичные батареи; они обеспечивают более высокое (примерно в два раза) напряжение на клеммах по сравнению с другими первичными элементами, и напряжение на клеммах остается почти постоянным в течение всего срока службы.

Источник