Ogniwa i baterie galwaniczne — urządzenie, zasada działania, rodzaje

Źródła energii elektrycznej małej mocy

Ogniwa i baterie galwaniczne służą do zasilania przenośnych urządzeń elektrycznych i radiowych.

Ogniwa galwaniczne — są to źródła działań jednorazowych, akumulatory — źródła akcji wielokrotnego użytku.

Najprostszy element galwaniczny

Najprostszy element można wykonać z dwóch listew: miedzianej i cynkowej zanurzonych w wodzie lekko zakwaszonej kwasem siarkowym. Jeśli cynk jest wystarczająco czysty, aby nie wywoływać lokalnych reakcji, nie nastąpią żadne zauważalne zmiany, dopóki miedź i cynk nie zostaną połączone.

Jednak paski mają inny potencjał, jeden względem drugiego, a po połączeniu przewodem pojawią się Elektryczność…Dzięki temu taśma cynkowa będzie się stopniowo rozpuszczać, aw pobliżu elektrody miedzianej powstaną pęcherzyki gazu, które zbierają się na jej powierzchni. Gazem tym jest wodór wytwarzany przez elektrolit. Prąd elektryczny płynie z taśmy miedzianej wzdłuż drutu do taśmy cynkowej, a z niej przez elektrolit z powrotem do miedzi.

Stopniowo kwas siarkowy elektrolitu jest zastępowany przez siarczan cynku utworzony z rozpuszczonej części elektrody cynkowej. Zmniejsza to napięcie ogniwa. Jednak jeszcze większy spadek napięcia jest spowodowany tworzeniem się pęcherzyków gazu na miedzi. Oba działania powodują „polaryzację”. Takie przedmioty nie mają prawie żadnej wartości praktycznej.

Ważne parametry ogniw galwanicznych

Wielkość napięcia podawanego przez ogniwa galwaniczne zależy tylko od ich typu i urządzenia, czyli od materiału elektrod i składu chemicznego elektrolitu, ale nie zależy od kształtu i wielkości ogniw.

Prąd, który może dostarczyć ogniwo galwaniczne, jest ograniczony przez jego rezystancję wewnętrzną.

Bardzo ważną cechą ogniwa galwanicznego jest pojemność elektryczna… Pojemność elektryczna oznacza ilość energii elektrycznej, którą ogniwo galwaniczne lub akumulatorowe jest w stanie dostarczyć w trakcie swojej pracy, tj. do rozpoczęcia końcowego rozładowania.

Pojemność podaną przez ogniwo określa się mnożąc natężenie prądu rozładowania wyrażonego w amperach przez czas w godzinach, w którym ogniwo było rozładowywane do początku pełnego rozładowania. Dlatego pojemność zawsze wyrażana jest w amperogodzinach (Ah).

Na podstawie wartości pojemności ogniwa można również z góry określić, ile godzin będzie ono pracować przed rozpoczęciem pełnego rozładowania. Aby to zrobić, musisz podzielić pojemność przez siłę prądu rozładowania dopuszczalnego dla tego elementu.

Jednak pojemność nie jest ściśle stała. Zmienia się w dość dużych granicach w zależności od warunków pracy (trybu) elementu i końcowego napięcia rozładowania.

Jeśli ogniwo będzie rozładowywane maksymalnym prądem i to w dodatku bez przerw, da dużo niższą pojemność. Wręcz przeciwnie, gdy to samo ogniwo będzie rozładowywane mniejszym prądem oraz z częstymi i stosunkowo długimi przerwami, ogniwo odda swoją pełną pojemność.

Jeśli chodzi o wpływ końcowego napięcia rozładowania na pojemność ogniwa, należy pamiętać, że podczas rozładowywania ogniwa galwanicznego jego napięcie robocze nie pozostaje na tym samym poziomie, ale stopniowo maleje.

Typowe typy ogniw elektrochemicznych

Najpopularniejsze ogniwa galwaniczne to układy manganowo-cynkowe, manganowo-powietrzne, powietrzno-cynkowe i rtęciowo-cynkowe z elektrolitami solnymi i alkalicznymi.Ogniwa manganowo-cynkowe suche z elektrolitem solnym mają napięcie początkowe od 1,4 do 1,55 V, czas pracy przy temperaturze otoczenia od -20 do -60 ОOd 7 do 340 rano

Suche ogniwa cynkowo-manganowe i cynkowo-powietrzne z alkalicznym elektrolitem mają napięcie od 0,75 do 0,9 V i czas pracy od 6 do 45 godzin.

Suche ogniwa rtęciowo-cynkowe mają napięcie rozruchowe od 1,22 do 1,25 V i czas pracy od 24 do 55 godzin.

Ogniwa suche rtęciowo-cynkowe mają najdłuższy gwarantowany okres trwałości do 30 miesięcy.

Baterie

Baterie Są to wtórne ogniwa elektrochemiczne.W przeciwieństwie do ogniw galwanicznych, w akumulatorze bezpośrednio po zmontowaniu nie zachodzą żadne procesy chemiczne.

Aby akumulator mógł zapoczątkować reakcje chemiczne związane z ruchem ładunków elektrycznych, konieczna jest odpowiednia zmiana składu chemicznego jego elektrod (i częściowo elektrolitu).Ta zmiana składu chemicznego elektrod następuje pod wpływem prądu elektrycznego przepływającego przez akumulator.

Dlatego, aby bateria mogła wytwarzać prąd elektryczny, musi najpierw zostać „naładowana” stałym prądem elektrycznym z jakiegoś zewnętrznego źródła prądu.

Baterie różnią się także od konwencjonalnych ogniw galwanicznych tym, że po rozładowaniu można je ponownie naładować. Przy odpowiedniej pielęgnacji iw normalnych warunkach eksploatacji akumulatory mogą wytrzymać do kilku tysięcy ładowań i rozładowań.
Urządzenie zasilane bateryjnie

Obecnie w praktyce najczęściej stosowane są akumulatory ołowiowe i kadmowo-niklowe. W pierwszym roztworze kwas siarkowy służy jako elektrolit, aw drugim roztworze zasady w wodzie. Baterie kwasowo-ołowiowe nazywane są również kwasowymi, a niklowo-kadmowo-alkaliczne.

Zasada działania akumulatorów opiera się na polaryzacji elektrod podczas elektrolizy... Najprostszy akumulator kwasowy ma następującą budowę: to dwie ołowiane płytki zanurzone w elektrolicie. W wyniku reakcji podstawienia chemicznego płytki pokrywane są cienką warstwą siarczanu ołowiu PbSO4, co wynika ze wzoru Pb + H2SO4 = PbSO4 + H2.

Urządzenie z akumulatorem kwasowym

Ten stan płytek odpowiada rozładowanemu akumulatorowi. Jeśli akumulator jest teraz włączony do ładowania, to znaczy podłączony do generatora prądu stałego, wówczas polaryzacja płytek rozpocznie się w nim z powodu elektrolizy. W wyniku ładowania akumulatora jego płytki polaryzują się, czyli zmieniają substancję na swojej powierzchni z jednorodnej (PbSO4) na różną (Pb i PbO2).

Akumulator staje się źródłem prądu, z płytą pokrytą dwutlenkiem ołowiu jako elektrodą dodatnią i czystą płytą ołowianą jako elektrodą ujemną.

Pod koniec ładowania stężenie elektrolitu wzrasta z powodu pojawienia się w nim dodatkowych cząsteczek kwasu siarkowego.

Jest to jedna z cech akumulatora kwasowo-ołowiowego: jego elektrolit nie pozostaje obojętny i sam uczestniczy w reakcjach chemicznych podczas pracy akumulatora.

Pod koniec rozładowania obie płyty akumulatora są ponownie pokrywane siarczanem ołowiu, w wyniku czego akumulator przestaje być źródłem prądu. Akumulator nigdy nie jest doprowadzany do tego stanu. Z powodu tworzenia się siarczanu ołowiu na płytkach, stężenie elektrolitu zmniejsza się pod koniec wyładowania. Jeśli akumulator jest naładowany, polaryzacja może zostać ponownie spowodowana, aby ponownie go rozładować itp.

Jak naładować baterię

Istnieje kilka sposobów ładowania akumulatorów. Najprostsze jest normalne ładowanie akumulatora, które odbywa się w następujący sposób. Początkowo przez 5-6 godzin ładowanie odbywa się z podwójnym normalnym prądem, aż napięcie każdego akumulatora osiągnie 2,4 V.

Normalny prąd ładowania określa wzór Aztax = Q/16

gdzie Q — nominalna pojemność akumulatora, Ah.

Następnie prąd ładowania zostaje zredukowany do normalnej wartości i ładowanie trwa 15-18 godzin, aż pojawią się oznaki końca ładowania.

Nowoczesne baterie

Baterie niklowo-kadmowe czy alkaliczne pojawiły się znacznie później niż baterie ołowiowe iw porównaniu z nimi są nowocześniejszymi źródłami prądu chemicznego.Główną przewagą baterii alkalicznych nad bateriami ołowiowymi jest chemiczna neutralność ich elektrolitu w stosunku do masy czynnej płytek. Dlatego samorozładowanie baterii alkalicznych jest znacznie niższe niż w przypadku akumulatorów kwasowo-ołowiowych. Zasada działania baterii alkalicznych opiera się również na polaryzacji elektrod podczas elektrolizy.

Do zasilania urządzeń radiowych produkowane są szczelne akumulatory kadmowo-niklowe, które są skuteczne w temperaturach od -30 do +50 ОC i wytrzymują 400 — 600 cykli ładowania-rozładowania. Akumulatory te wykonane są w postaci zwartych równoległościanów i dysków o wadze od kilku gramów do kilogramów.

Baterie niklowo-wodorowe są produkowane do zasilania autonomicznych obiektów. Energia właściwa akumulatora niklowo-wodorowego wynosi 50 — 60 Wh kg-1.