Galvanické články a batérie — zariadenie, princíp činnosti, typy

Nízkoenergetické zdroje elektrickej energie

Galvanické články a batérie sa používajú na napájanie prenosných elektrických a rádiových zariadení.

Galvanické články - to sú zdroje jednorazových účinkov, akumulátory — opätovne použiteľné zdroje akcií.

Najjednoduchší galvanický prvok

Najjednoduchší prvok môže byť vyrobený z dvoch pásikov: medi a zinku ponorených do vody mierne okyslenej kyselinou sírovou. Ak je zinok dostatočne čistý na to, aby nemal žiadne lokálne reakcie, nenastane žiadna výrazná zmena, kým sa meď a zinok nespoja.

Pásy však majú iný potenciál, jeden vzhľadom na druhý, a keď sú spojené drôtom, objavia sa elektriny… Týmto úkonom sa zinkový pásik postupne rozpustí a v blízkosti medenej elektródy sa vytvoria bublinky plynu, ktoré sa zhromažďujú na jej povrchu. Tento plyn je vodík generovaný elektrolytom. Elektrický prúd tečie z medeného pásika pozdĺž drôtu do zinkového pásika a z neho cez elektrolyt späť do medi.

Postupne je kyselina sírová elektrolytu nahradená síranom zinočnatým vytvoreným z rozpustenej časti zinkovej elektródy. Tým sa zníži napätie článku. Ešte väčší pokles napätia je však spôsobený tvorbou bubliniek plynu na medi. Obidve akcie spôsobujú „polarizáciu“. Takéto predmety nemajú takmer žiadnu praktickú hodnotu.

Dôležité parametre galvanických článkov

Veľkosť napätia daného galvanickými článkami závisí len od ich typu a zariadenia, teda od materiálu elektród a chemického zloženia elektrolytu, nezávisí však od tvaru a veľkosti článkov.

Prúd, ktorý môže poskytnúť galvanický článok, je obmedzený jeho vnútorným odporom.

Veľmi dôležitou charakteristikou galvanického článku je elektrická kapacita… Elektrická kapacita znamená množstvo elektriny, ktoré je galvanický alebo akumulačný článok schopný dodať počas svojej prevádzky, teda až do začiatku konečného vybitia.

Kapacita daná článkom sa určí vynásobením sily vybíjacieho prúdu, vyjadrenej v ampéroch, časom v hodinách, počas ktorého bol článok vybitý do začiatku úplného vybitia. Preto je kapacita vždy vyjadrená v ampérhodinách (Ah).

Podľa hodnoty kapacity článku je možné vopred určiť aj to, koľko hodín bude pracovať pred začiatkom úplného vybitia. Aby ste to dosiahli, musíte rozdeliť kapacitu podľa sily vybíjacieho prúdu prípustného pre tento prvok.

Kapacita však nie je striktne konštantná. Pohybuje sa v pomerne veľkých medziach v závislosti od prevádzkových podmienok (režimu) prvku a konečného vybíjacieho napätia.

Ak sa článok vybíja maximálnym prúdom a navyše bez prerušenia, dá oveľa nižšiu kapacitu. Naopak, keď sa ten istý článok vybije nižším prúdom a s častými a relatívne dlhými prerušeniami, článok sa vzdá svojej plnej kapacity.

Čo sa týka vplyvu konečného vybíjacieho napätia na kapacitu článku, treba si uvedomiť, že pri vybíjaní galvanického článku nezostáva jeho prevádzkové napätie na rovnakej úrovni, ale postupne klesá.

Bežné typy elektrochemických článkov

Najbežnejšie galvanické články sú systémy mangán-zinok, mangán-vzduch, vzduch-zinok a ortuť-zinok so soľnými a alkalickými elektrolytmi Suché mangánovo-zinkové články so soľným elektrolytom majú počiatočné napätie 1,4 až 1,55 V, doba prevádzky pri teplote okolia -20 až -60 ОOd 7 do 340 ráno

Suché zinkovo-mangánové a zinko-vzduchové články s alkalickým elektrolytom majú napätie 0,75 až 0,9 V a dobu prevádzky 6 hodín až 45 hodín.

Suché ortuťovo-zinkové články majú štartovacie napätie 1,22 až 1,25 V a dobu prevádzky 24 hodín až 55 hodín.

Suché ortuťovo-zinkové články majú najdlhšiu garantovanú trvanlivosť až 30 mesiacov.

Batérie

Batérie Ide o sekundárne elektrochemické články.Na rozdiel od galvanických článkov neprebiehajú v batérii ihneď po zložení žiadne chemické procesy.

Aby batéria spustila chemické reakcie spojené s pohybom elektrických nábojov, je potrebné vhodne zmeniť chemické zloženie jej elektród (a čiastočne aj elektrolytu).Táto zmena v chemickom zložení elektród nastáva pôsobením elektrického prúdu prechádzajúceho cez batériu.

Preto, aby batéria produkovala elektrický prúd, musí sa najprv „nabiť“ jednosmerným elektrickým prúdom z nejakého externého zdroja prúdu.

Batérie sa od bežných galvanických článkov líšia aj tým, že po vybití je možné ich znovu nabiť. Pri dobrej starostlivosti a pri bežných prevádzkových podmienkach vydržia batérie až niekoľko tisíc nabití a vybití.
Zariadenie napájané z batérie

V súčasnosti sa v praxi najčastejšie využívajú olovené a kadmium-niklové batérie. V prvom roztoku kyselina sírová slúži ako elektrolyt a v druhom roztoku alkálie vo vode. Olovené batérie sa tiež nazývajú kyseliny a nikel-kadmium-alkalické batérie.

Princíp činnosti batérií je založený na polarizácii elektród počas elektrolýzy... Najjednoduchšia kyselinová batéria má nasledovnú štruktúru: sú to dve olovené platne ponorené do elektrolytu. V dôsledku chemickej substitučnej reakcie sú platne pokryté tenkým povlakom síranu olovnatého PbSO4, ako vyplýva zo vzorca Pb + H2SO4 = PbSO4 + H2.

Zariadenie na kyslú batériu

Tento stav platní zodpovedá vybitej batérii. Ak je teraz batéria zapnutá na nabíjanie, teda pripojená k generátoru jednosmerného prúdu, začne sa v nej polarizácia dosiek v dôsledku elektrolýzy. V dôsledku nabíjania batérie sa jej platne polarizujú, teda menia látku na svojom povrchu z homogénnej (PbSO4) na odlišnú (Pb a PbO2).

Batéria sa stáva zdrojom prúdu s platňou pokrytou oxidom olovnatým ako kladnou elektródou a čistou olovenou doskou ako zápornou elektródou.

Na konci nabíjania sa koncentrácia elektrolytu zvyšuje v dôsledku objavenia sa ďalších molekúl kyseliny sírovej v ňom.

Toto je jedna z charakteristík olovenej batérie: jej elektrolyt nezostáva neutrálny a sám sa zúčastňuje chemických reakcií počas prevádzky batérie.

Na konci vybitia sú obe dosky batérie opäť pokryté síranom olovnatým, v dôsledku čoho batéria prestáva byť zdrojom prúdu. Batéria nie je nikdy uvedená do tohto stavu. V dôsledku tvorby síranu olovnatého na platniach sa koncentrácia elektrolytu na konci výboja znižuje. Ak je batéria nabitá, polarizácia môže spôsobiť opätovné vybitie atď.

Ako nabíjať batériu

Existuje niekoľko spôsobov, ako nabíjať batérie. Najjednoduchšie je bežné nabíjanie batérie, ktoré prebieha nasledovne. Spočiatku, 5-6 hodín, sa nabíjanie vykonáva dvojnásobným normálnym prúdom, kým napätie každej batérie nedosiahne 2,4 V.

Normálny nabíjací prúd je určený vzorcom Aztax = Q / 16

kde Q — nominálna kapacita batérie, Ah.

Potom sa nabíjací prúd zníži na normálnu hodnotu a nabíjanie pokračuje 15-18 hodín, kým sa neobjavia známky ukončenia nabíjania.

Moderné batérie

Nikel-kadmiové alebo alkalické batérie sa objavili oveľa neskôr ako olovené batérie a v porovnaní s nimi sú modernejšími zdrojmi chemického prúdu.Hlavná výhoda alkalických batérií oproti oloveným batériám spočíva v chemickej neutralite ich elektrolytu vo vzťahu k aktívnym hmotám platní. Preto je samovybíjanie alkalických batérií výrazne nižšie ako u olovených batérií. Princíp činnosti alkalických batérií je tiež založený na polarizácii elektród pri elektrolýze.

Na napájanie rádiových zariadení sa vyrábajú uzavreté kadmium-niklové batérie, ktoré sú účinné pri teplotách od -30 do +50 °C a vydržia 400 – 600 cyklov nabitia a vybitia. Tieto akumulátory sú vyrobené vo forme kompaktných hranolov a diskov s hmotnosťou od niekoľkých gramov do kilogramov.

Nikel-vodíkové batérie sa vyrábajú na napájanie autonómnych objektov. Merná energia nikel-vodíkovej batérie je 50 — 60 Wh kg-1.