Galvanski členi in baterije — naprava, princip delovanja, vrste

Viri električne energije majhne moči

Galvanski členi in baterije se uporabljajo za napajanje prenosne električne in radijske opreme.

Galvanski členi - to so viri enkratnih dejanj, akumulatorji — akcijski viri za večkratno uporabo.

Najenostavnejši galvanski element

Najenostavnejši element je lahko izdelan iz dveh trakov: bakra in cinka, potopljenih v vodo, rahlo nakisano z žveplovo kislino. Če je cink dovolj čist, da ni lokalnih reakcij, ne bo prišlo do opaznih sprememb, dokler se baker in cink ne združita.

Vendar pa imajo trakovi drugačen potencial, drug glede na drugega in ko so povezani z žico, se bodo pojavili elektrika… S tem dejanjem se bo cinkov trak postopoma raztopil in v bližini bakrene elektrode se bodo oblikovali plinski mehurčki, ki se bodo zbirali na njeni površini. Ta plin je vodik, ki ga proizvaja elektrolit. Električni tok teče od bakrenega traku po žici do cinkovega traku in od njega skozi elektrolit nazaj do bakra.

Postopoma se žveplova kislina elektrolita nadomesti s cinkovim sulfatom, ki nastane iz raztopljenega dela cinkove elektrode. To zmanjša napetost celice. Še večji padec napetosti pa povzroči nastanek plinskih mehurčkov na bakru. Obe dejanji povzročata 'polarizacijo'. Takšni predmeti nimajo skoraj nobene praktične vrednosti.

Pomembni parametri galvanskih celic

Velikost napetosti, ki jo oddajajo galvanski členi, je odvisna le od njihove vrste in naprave, to je od materiala elektrod in kemične sestave elektrolita, ni pa odvisna od oblike in velikosti členov.

Tok, ki ga lahko zagotovi galvanski člen, je omejen z njegovim notranjim uporom.

Zelo pomembna značilnost galvanskega člena je električna zmogljivost… Električna kapaciteta pomeni količino električne energije, ki jo je galvanski ali hranilni člen sposoben oddajati ves čas svojega delovanja, to je do začetka končnega praznjenja.

Zmogljivost, ki jo daje celica, se določi tako, da se jakost praznjenja, izražena v amperih, pomnoži s časom v urah, v katerem je bila celica izpraznjena do začetka popolne izpraznitve. Zato je zmogljivost vedno izražena v amper-urah (Ah).

Z vrednostjo kapacitete celice je mogoče tudi vnaprej določiti, koliko ur bo delovala pred začetkom polnega praznjenja. Če želite to narediti, morate zmogljivost razdeliti z močjo toka praznjenja, ki je dovoljen za ta element.

Vendar zmogljivost ni strogo konstantna. Spreminja se v precej velikih mejah, odvisno od delovnih pogojev (načina) elementa in končne izpustne napetosti.

Če se celica izprazni z največjim tokom in poleg tega brez prekinitev, bo dala veliko manjšo zmogljivost. Nasprotno, ko se ista celica prazni z nižjim tokom in s pogostimi in relativno dolgimi prekinitvami, bo celica izgubila svojo polno zmogljivost.

Kar zadeva vpliv končne napetosti praznjenja na kapaciteto celice, je treba upoštevati, da med praznjenjem galvanskega členka njegova delovna napetost ne ostane na enaki ravni, ampak postopoma pada.

Pogosti tipi elektrokemičnih celic

Najpogostejši galvanski členi so sistemi mangan-cink, mangan-zrak, zrak-cink in živo srebro-cink s solnimi in alkalnim elektrolitom.Suhi manganovo-cinkovi členi s solnim elektrolitom imajo začetno napetost od 1,4 do 1,55 V, čas delovanja pri temperaturi okolja od -20 do -60 О Od 7 do 340 zjutraj

Suhe cink-manganove in cink-zračne celice z alkalnim elektrolitom imajo napetost od 0,75 do 0,9 V in čas delovanja od 6 ur do 45 ur.

Suhe živosrebrno-cinkove celice imajo začetno napetost od 1,22 do 1,25 V in čas delovanja od 24 do 55 ur.

Suhe živosrebro-cinkove celice imajo najdaljši zajamčeni rok trajanja do 30 mesecev.

Baterije

Baterije To so sekundarni elektrokemični členi, za razliko od galvanskih členov v bateriji takoj po montaži ne potekajo nobeni kemični procesi.

Da bi baterija sprožila kemične reakcije, povezane s premikanjem električnih nabojev, je treba ustrezno spremeniti kemično sestavo njenih elektrod (in deloma elektrolita).Ta sprememba kemične sestave elektrod se pojavi pod vplivom električnega toka, ki teče skozi baterijo.

Da torej baterija proizvaja električni tok, jo je treba najprej »napolniti« z enosmernim električnim tokom iz nekega zunanjega vira toka.

Baterije se od običajnih galvanskih členov razlikujejo tudi po tem, da jih je po izpraznitvi mogoče ponovno napolniti. Ob dobri negi in v normalnih pogojih delovanja lahko baterije zdržijo do več tisoč polnjenj in praznjenj.
Naprava na baterije

Trenutno se v praksi najpogosteje uporabljajo svinčeve in kadmij-nikljeve baterije. V prvi raztopini žveplove kisline služi kot elektrolit, v drugi pa raztopina alkalije v vodi. Svinčeve baterije imenujemo tudi kislinske, nikelj-kadmijeve-alkalne baterije.

Načelo delovanja baterij temelji na polarizaciji elektrod med elektrolizo... Najenostavnejša kislinska baterija je strukturirana na naslednji način: to sta dve svinčeni plošči, potopljeni v elektrolit. Zaradi kemične substitucijske reakcije so plošče prekrite s tanko plastjo svinčevega sulfata PbSO4, kot izhaja iz formule Pb + H2SO4 = PbSO4 + H2.

Naprava za kislinsko baterijo

To stanje plošč ustreza izpraznjeni bateriji. Če je baterija zdaj vklopljena za polnjenje, to je priključena na generator enosmernega toka, se bo v njej zaradi elektrolize začela polarizacija plošč. Zaradi polnjenja baterije se njene plošče polarizirajo, tj. spremenijo snov na svoji površini in iz homogene (PbSO4) postanejo različne (Pb in PbO2).

Baterija postane vir toka s ploščo, prevlečeno s svinčevim dioksidom kot pozitivno elektrodo, in čisto svinčeno ploščo kot negativno elektrodo.

Do konca polnjenja se koncentracija elektrolita poveča zaradi pojava dodatnih molekul žveplove kisline v njem.

To je ena od značilnosti svinčenega akumulatorja: njegov elektrolit ne ostane nevtralen in sam sodeluje v kemičnih reakcijah med delovanjem akumulatorja.

Do konca praznjenja sta obe plošči baterije ponovno prekriti s svinčevim sulfatom, zaradi česar baterija preneha biti vir toka. Baterije nikoli ne pripeljemo v to stanje. Zaradi tvorbe svinčevega sulfata na ploščah se koncentracija elektrolita ob koncu praznjenja zmanjša. Če je baterija napolnjena, se lahko ponovno povzroči polarizacija, da se ponovno izprazni itd.

Kako napolniti baterijo

Obstaja več načinov za polnjenje baterij. Najenostavnejše je običajno polnjenje akumulatorja, ki poteka na naslednji način. Na začetku, 5-6 ur, se polnjenje izvaja z dvojnim običajnim tokom, dokler napetost vsake baterije ne doseže 2,4 V.

Normalni polnilni tok je določen s formulo Aztax = Q / 16

kjer je Q nazivna zmogljivost baterije, Ah.

Po tem se polnilni tok zmanjša na normalno vrednost in polnjenje se nadaljuje 15-18 ur, dokler se ne pojavijo znaki konca polnjenja.

Moderne baterije

Nikelj-kadmijeve ali alkalne baterije so se pojavile veliko kasneje kot svinčene baterije in so v primerjavi z njimi sodobnejši viri kemičnega toka.Glavna prednost alkalnih baterij pred svinčevimi je v kemični nevtralnosti njihovega elektrolita glede na aktivne mase plošč. Zato je samopraznjenje alkalnih baterij bistveno manjše kot pri svinčenih baterijah. Tudi princip delovanja alkalnih baterij temelji na polarizaciji elektrod med elektrolizo.

Za napajanje radijske opreme se proizvajajo zaprte kadmij-nikljeve baterije, ki so učinkovite pri temperaturah od -30 do +50 °C in prenesejo 400-600 ciklov polnjenja in praznjenja. Ti akumulatorji so izdelani v obliki kompaktnih paralelopipedov in diskov, ki tehtajo od nekaj gramov do kilogramov.

Nikelj-vodikove baterije se proizvajajo za napajanje avtonomnih objektov. Specifična energija nikelj-vodikove baterije je 50-60 Wh kg-1.