Galvaniske celler og batterier — enhed, funktionsprincip, typer

Lave strømkilder til elektrisk energi

Galvaniske celler og batterier bruges til at drive bærbart elektrisk og radioudstyr.

Galvaniske celler - disse er kilder til engangshandlinger, akkumulatorer — genanvendelige handlingskilder.

Det enkleste galvaniske element

Det enkleste element kan være lavet af to strimler: kobber og zink nedsænket i vand let forsuret med svovlsyre. Hvis zinken er ren nok til ikke at have nogen lokale reaktioner, sker der ingen mærkbar ændring, før kobber og zink er bragt sammen.

Strimlerne har dog et andet potentiale, det ene i forhold til det andet, og når de er forbundet med en ledning, vil de fremkomme elektricitet… Ved denne handling vil zinkstrimlen gradvist opløses, og der dannes gasbobler nær kobberelektroden, som samler sig på dens overflade. Denne gas er brint genereret af elektrolytten. Elektrisk strøm løber fra kobberstrimlen langs ledningen til zinkstrimlen og fra den gennem elektrolytten tilbage til kobberet.

Gradvist erstattes svovlsyren i elektrolytten med zinksulfat dannet fra den opløste del af zinkelektroden. Dette reducerer cellens spænding. Et endnu større spændingsfald skyldes dog dannelsen af ​​gasbobler på kobberet. Begge handlinger forårsager 'polarisering'. Sådanne genstande har næsten ingen praktisk værdi.

Vigtige parametre for galvaniske celler

Størrelsen af ​​spændingen givet af galvaniske celler afhænger kun af deres type og enhed, det vil sige på materialet af elektroderne og den kemiske sammensætning af elektrolytten, men afhænger ikke af cellernes form og størrelse.

Den strøm, som en galvanisk celle kan levere, er begrænset af dens indre modstand.

En meget vigtig egenskab ved den galvaniske celle er elektrisk kapacitet… Elektrisk kapacitet betyder den mængde elektricitet, som en galvanisk eller lagercelle er i stand til at levere under hele sin drift, det vil sige indtil begyndelsen af ​​den endelige afladning.

Kapaciteten givet af cellen bestemmes ved at gange styrken af ​​afladningsstrømmen, udtrykt i ampere, med den tid i timer, hvor cellen var afladet, indtil begyndelsen af ​​fuld afladning. Derfor er kapacitet altid udtrykt i ampere-timer (Ah).

Ved værdien af ​​cellens kapacitet er det også muligt på forhånd at bestemme, hvor mange timer den vil arbejde før starten af ​​fuld afladning. For at gøre dette skal du dividere kapaciteten med styrken af ​​den tilladte afladningsstrøm for dette element.

Kapaciteten er dog ikke strengt konstant. Det varierer inden for ret store grænser afhængigt af elementets driftsbetingelser (tilstand) og den endelige afladningsspænding.

Hvis cellen aflades med maksimal strøm og i øvrigt uden afbrydelser, vil det give en meget lavere kapacitet. Tværtimod, når den samme celle aflades med lavere strøm og med hyppige og relativt lange afbrydelser, vil cellen opgive sin fulde kapacitet.

Hvad angår indflydelsen af ​​den endelige afladningsspænding på cellekapaciteten, skal det huskes, at under afladningen af ​​den galvaniske celle forbliver dens driftsspænding ikke på samme niveau, men falder gradvist.

Almindelige typer af elektrokemiske celler

De mest almindelige galvaniske celler er mangan-zink, mangan-luft, luft-zink og kviksølv-zink systemer med salt og alkaliske elektrolytter Tørre mangan-zink celler med salt elektrolyt har en startspænding på 1,4 til 1,55 V, driftsvarigheden ved en omgivende temperatur på -20 til -60 ОFra 7 til 340 om morgenen

Tørre zink-mangan- og zink-luftceller med alkalisk elektrolyt har en spænding på 0,75 til 0,9 V og en driftstid på 6 timer til 45 timer.

Tørre kviksølv-zinkceller har en startspænding på 1,22 til 1,25 V og en driftstid på 24 timer til 55 timer.

Tørre kviksølv-zinkceller har den længste garanterede holdbarhed på op til 30 måneder.

Batterier

Batterier Det er sekundære elektrokemiske celler.I modsætning til galvaniske celler sker der ingen kemiske processer i batteriet umiddelbart efter montering.

For at batteriet kan starte kemiske reaktioner forbundet med bevægelse af elektriske ladninger, er det nødvendigt at ændre den kemiske sammensætning af dets elektroder (og delvist af elektrolytten).Denne ændring i den kemiske sammensætning af elektroderne sker under påvirkning af en elektrisk strøm, der passerer gennem batteriet.

For at et batteri kan producere elektrisk strøm, skal det derfor først "lades" med jævnstrøm fra en ekstern strømkilde.

Batterier adskiller sig også fra konventionelle galvaniske celler ved, at de efter afladning kan genoplades. Med god omhu og under normale driftsforhold kan batterier holde op til flere tusinde op- og afladninger.
Batteridrevet enhed

I øjeblikket bruges bly- og cadmium-nikkel-batterier oftest i praksis. I den første opløsning af svovlsyre tjener som en elektrolyt, og i den anden opløsning af alkali i vand. Bly-syre-batterier kaldes også syre, og nikkel-cadmium-alkaliske batterier.

Princippet for drift af batterier er baseret på polariseringen af ​​elektroderne under elektrolyse... Det enkleste syrebatteri er opbygget som følger: det er to blyplader nedsænket i en elektrolyt. Som et resultat af den kemiske substitutionsreaktion dækkes pladerne med en tynd belægning af blysulfat PbSO4, som følger af formlen Pb + H2SO4 = PbSO4 + H2.

Syrebatteri enhed

Denne tilstand af pladerne svarer til et afladet batteri. Hvis batteriet nu er tændt til opladning, det vil sige forbundet til en jævnstrømsgenerator, vil polariseringen af ​​pladerne begynde i det på grund af elektrolyse. Som et resultat af opladning af batteriet polariseres dets plader, dvs. skifter stoffet på deres overflade og fra homogent (PbSO4) til forskelligt (Pb og PbO2).

Batteriet bliver strømkilden, med en plade belagt med blydioxid som den positive elektrode og en ren blyplade som den negative elektrode.

Ved afslutningen af ​​opladningen stiger koncentrationen af ​​elektrolytten på grund af udseendet af yderligere svovlsyremolekyler i den.

Dette er en af ​​karakteristikaene ved bly-syrebatteriet: dets elektrolyt forbliver ikke neutral og deltager selv i kemiske reaktioner under batteridrift.

Ved afslutningen af ​​afladningen er begge batteriets plader igen dækket med blysulfat, som et resultat af hvilket batteriet ophører med at være en strømkilde. Batteriet bringes aldrig til denne tilstand. På grund af dannelsen af ​​blysulfat på pladerne falder koncentrationen af ​​elektrolytten i slutningen af ​​udledningen. Hvis batteriet er opladet, så kan polariseringen få det til igen at sætte det på afladning igen osv.

Sådan oplader du batteriet

Der er flere måder at oplade batterierne på. Det enkleste er den normale opladning af batteriet, som foregår på følgende måde. Indledningsvis, i 5 - 6 timer, udføres opladningen ved dobbelt normal strøm, indtil spændingen på hvert batteri når 2,4 V.

Den normale ladestrøm bestemmes af formlen Aztax = Q / 16

hvor Q — batteriets nominelle kapacitet, Ah.

Derefter reduceres ladestrømmen til en normal værdi, og opladningen fortsætter i 15-18 timer, indtil tegn på, at opladningen er slut.

Moderne batterier

Nikkel-cadmium eller alkaliske batterier dukkede op meget senere end blybatterier, og sammenlignet med dem er mere moderne kilder til kemisk strøm.Den største fordel ved alkaliske batterier i forhold til blybatterier ligger i den kemiske neutralitet af deres elektrolyt i forhold til pladernes aktive masser. Derfor er selvafladningen af ​​alkaliske batterier væsentligt lavere end for bly-syre batterier. Princippet for drift af alkaliske batterier er også baseret på polariseringen af ​​elektroderne under elektrolyse.

Til at drive radioudstyr fremstilles forseglede cadmium-nikkel-batterier, som er effektive ved temperaturer fra -30 til +50 ОC og modstår 400 - 600 opladnings-afladningscyklusser. Disse akkumulatorer er lavet i form af kompakte parallelepipeder og skiver, der vejer fra et par gram til kilogram.

Nikkel-hydrogen-batterier er produceret til at drive autonome objekter. Den specifikke energi for nikkel-brint-batteriet er 50 — 60 Wh kg-1.