Galvaniska celler och batterier — enhet, funktionsprincip, typer

Låga kraftkällor för elektrisk energi

Galvaniska celler och batterier används för att driva bärbar el- och radioutrustning.

Galvaniska celler - dessa är källor till engångsåtgärder, ackumulatorer — Återanvändbara åtgärdskällor.

Det enklaste galvaniska elementet

Det enklaste elementet kan göras av två remsor: koppar och zink nedsänkt i vatten lätt surgjort med svavelsyra. Om zinken är tillräckligt ren för att inte ha några lokala reaktioner kommer ingen märkbar förändring att ske förrän koppar och zink förs samman.

Men remsorna har en annan potential, den ena i förhållande till den andra, och när de är anslutna med en tråd, kommer de att visas elektricitet… Genom denna verkan kommer zinkremsan gradvis att lösas upp och gasbubblor bildas nära kopparelektroden som samlas på dess yta. Denna gas är väte som genereras av elektrolyten. Elektrisk ström flyter från kopparremsan längs tråden till zinkremsan och från den genom elektrolyten tillbaka till kopparn.

Gradvis ersätts elektrolytens svavelsyra med zinksulfat som bildas från den lösta delen av zinkelektroden. Detta minskar spänningen i cellen. Ett ännu större spänningsfall orsakas dock av bildandet av gasbubblor på kopparn. Båda åtgärderna orsakar "polarisering". Sådana föremål har nästan inget praktiskt värde.

Viktiga parametrar för galvaniska celler

Storleken på spänningen som ges av galvaniska celler beror endast på deras typ och anordning, det vill säga på elektrodernas material och elektrolytens kemiska sammansättning, men beror inte på formen och storleken på cellerna.

Strömmen som en galvanisk cell kan ge begränsas av dess inre motstånd.

En mycket viktig egenskap hos den galvaniska cellen är elektrisk kapacitet… Elektrisk kapacitet betyder den mängd elektricitet som en galvanisk eller lagringscell kan leverera under hela sin drift, det vill säga fram till början av den slutliga urladdningen.

Kapaciteten som ges av cellen bestäms genom att multiplicera styrkan av urladdningsströmmen, uttryckt i ampere, med tiden i timmar under vilken cellen urladdades fram till början av full urladdning. Därför uttrycks kapacitet alltid i amperetimmar (Ah).

Med värdet av cellens kapacitet är det också möjligt att i förväg bestämma hur många timmar den kommer att arbeta innan full urladdning påbörjas. För att göra detta måste du dela kapaciteten med styrkan på urladdningsströmmen som är tillåten för detta element.

Kapaciteten är dock inte strikt konstant. Det varierar inom ganska stora gränser beroende på elementets driftsförhållanden (läge) och den slutliga urladdningsspänningen.

Om cellen laddas ur med maximal ström och dessutom utan avbrott ger det en mycket lägre kapacitet. Tvärtom, när samma cell urladdas med lägre ström och med frekventa och relativt långa avbrott kommer cellen att ge upp sin fulla kapacitet.

När det gäller inverkan av den slutliga urladdningsspänningen på cellkapaciteten, bör man komma ihåg att under urladdningen av den galvaniska cellen förblir dess driftsspänning inte på samma nivå, utan minskar gradvis.

Vanliga typer av elektrokemiska celler

De vanligaste galvaniska cellerna är mangan-zink, mangan-luft, luft-zink och kvicksilver-zink system med salt och alkaliska elektrolyter Torra mangan-zink celler med salt elektrolyt har en initial spänning på 1,4 till 1,55 V, varaktigheten av drift vid en omgivningstemperatur på -20 till -60 ОFrån 7 till 340 på morgonen

Torra zink-mangan- och zink-luftceller med alkalisk elektrolyt har en spänning på 0,75 till 0,9 V och en drifttid på 6 timmar till 45 timmar.

Torra kvicksilver-zinkceller har en startspänning på 1,22 till 1,25 V och en drifttid på 24 timmar till 55 timmar.

Torra kvicksilver-zinkceller har den längsta garanterade hållbarheten på upp till 30 månader.

Batterier

Batterier Dessa är sekundära elektrokemiska celler Till skillnad från galvaniska celler sker inga kemiska processer i batteriet direkt efter montering.

För att batteriet ska starta kemiska reaktioner i samband med rörelsen av elektriska laddningar, är det nödvändigt att på lämpligt sätt ändra den kemiska sammansättningen av dess elektroder (och delvis av elektrolyten).Denna förändring i elektrodernas kemiska sammansättning sker under inverkan av en elektrisk ström som passerar genom batteriet.

För att ett batteri ska producera elektrisk ström måste det därför först "laddas" med elektrisk likström från någon extern strömkälla.

Batterier skiljer sig också från konventionella galvaniska celler genom att de kan laddas efter urladdning. Med god omsorg och under normala driftsförhållanden kan batterier hålla upp till flera tusen laddningar och urladdningar.
Batteridriven enhet

För närvarande används bly- och kadmium-nickel-batterier oftast i praktiken. I den första lösningen av svavelsyra fungerar som en elektrolyt, och i den andra lösningen av alkali i vatten. Blybatterier kallas även syrabatterier och nickel-kadmium-alkaliska batterier.

Funktionsprincipen för batterier är baserad på polariseringen av elektroderna under elektrolys... Det enklaste syrabatteriet är uppbyggt enligt följande: det är två blyplattor nedsänkta i en elektrolyt. Som ett resultat av den kemiska substitutionsreaktionen täcks plattorna med en tunn beläggning av blysulfat PbSO4, enligt formeln Pb + H2SO4 = PbSO4 + H2.

Syrabatterienhet

Detta tillstånd hos plattorna motsvarar ett urladdat batteri. Om batteriet nu är påslaget för laddning, det vill säga anslutet till en likströmsgenerator, kommer polariseringen av plattorna att börja i den på grund av elektrolys. Som ett resultat av laddning av batteriet polariseras dess plattor, det vill säga ändrar substansen på ytan och från homogen (PbSO4) till olika (Pb och PbO2).

Batteriet blir strömkällan, med en platta belagd med blydioxid som positiv elektrod och en ren blyplatta som negativ elektrod.

I slutet av laddningen ökar koncentrationen av elektrolyten på grund av uppkomsten av ytterligare svavelsyramolekyler i den.

Detta är en av egenskaperna hos blysyrabatteriet: dess elektrolyt förblir inte neutral och deltar själv i kemiska reaktioner under batteridrift.

I slutet av urladdningen täcks batteriets båda plattor igen med blysulfat, vilket resulterar i att batteriet upphör att vara en strömkälla. Batteriet förs aldrig till detta tillstånd. På grund av bildandet av blysulfat på plattorna minskar koncentrationen av elektrolyten i slutet av urladdningen. Om batteriet är laddat kan polariseringen orsakas igen för att sätta det på urladdning igen, etc.

Hur man laddar batteriet

Det finns flera sätt att ladda batterierna. Det enklaste är den normala laddningen av batteriet, som görs enligt följande. Initialt, under 5-6 timmar, utförs laddningen med dubbel normal ström tills spänningen för varje batteri når 2,4 V.

Den normala laddningsströmmen bestäms av formeln Aztax = Q / 16

där Q — batteriets nominella kapacitet, Ah.

Därefter reduceras laddningsströmmen till ett normalt värde och laddningen fortsätter i 15-18 timmar tills tecken på att laddningen är slut visas.

Moderna batterier

Nickel-kadmium eller alkaliska batterier dök upp mycket senare än blybatterier, och jämfört med dem är mer moderna källor till kemisk ström.Den största fördelen med alkaliska batterier jämfört med blybatterier ligger i den kemiska neutraliteten hos deras elektrolyt i förhållande till plattornas aktiva massor. Därför är självurladdningen av alkaliska batterier betydligt lägre än för blybatterier. Funktionsprincipen för alkaliska batterier är också baserad på polariseringen av elektroderna under elektrolys.

För att driva radioutrustning tillverkas förseglade kadmium-nickel-batterier, som är effektiva vid temperaturer från -30 till +50 ОC och klarar 400 - 600 laddnings-urladdningscykler. Dessa ackumulatorer är gjorda i form av kompakta parallellepipeder och skivor som väger från några gram till kilogram.

Nickel-vätebatterier tillverkas för att driva autonoma objekt. Den specifika energin för nickel-vätebatteriet är 50 — 60 Wh kg-1.