Батарея гальванических элементов

г. Кызыл, ТГУ

РЕФЕРАТ

Тема:»Гальванические элементы. Аккумуляторы.»

Составила: Спиридонова В.А.

I курс, IV гр., ФМФ

Проверила: Кендиван О.Д.

2001 г.

I. Введение

II. Гальванические источники тока

1. Типы гальванических элементов

III. Аккумуляторы

1. Кислотные

2. Щелочные

3. Герметичные никель-кадмиевые

4. Герметичные

Аккумуляторы технологии «DRYFIT»

ВВЕДЕНИЕ

Химические источники тока (ХИТ) в течении многих лет

прочно вошли в нашу жизнь. В быту потребитель редко обращает

внимание на отличия используемых ХИТ. Для него это батарейки и

аккумуляторы. Обычно они используются в устройствах таких, как

карманные фонари, игрушки, радиоприемники или автомобили.

В том случае, когда потребляемая мощность относительно

велика (10Ач), используются аккумуляторы, в основном кислотные,

а также никель-железные и никель-кадмиевые. Они применяются в

портативных ЭВМ (Laptop, Notebook, Palmtop), носимых средствах

связи, аварийном освещении и пр.

В последние годы такие аккумуляторы широко применяются в

резервных источниках питания ЭВМ и электромеханических

системах, накапливающих энергию для возможных пиковых нагрузок

и аварийного питания электроэнергией жизненно-важных систем.

ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА

Гальванические источники тока одноразового действия

представляют собой унифицированный контейнер, в котором

находятся электролит, абсорбируемый активным материалом

сепаратора, и электроды (анод и катод), поэтому они называются

сухими элементами. Этот термин используется применительно ко

всем элементам, не содержащим жидкого электролита. К обычным

сухим элементам относятся углеродно-цинковые элементы.

Сухие элементы применяются при малых токах и прерывистых

режимах работы. Поэтому такие элементы широко используются в

телефонных аппаратах, игрушках, системах сигнализации и др.

Действие любого гальванического элемента основано на протекании в нем окислительно-восстановительной реакции. В простейшем случае гальванический элемент состоит из двух пластин или стержней, изготовленных из различных металлов и погруженных в раствор электролита. Такая система делает возможным пространственное разделение окислительно-восстановительной реакции: окисление протекает на одном металле, а восстановление — на другом. Таким образом, электроны передаются от восстановителя к окислителю по внешней цепи.

Рассмотрим в качестве примера медно-цинковый гальванический элемент, работающий за счет энергии приведенной выше реакции между цинком и сульфатом меди. Этот элемент (элемент Якоби-Даниэля) состоит из медной пластины, погруженной в раствор сульфата меди (медный электрод), и цинковой пластины, погруженной в раствор сульфата цинка (цинковый электрод). Оба раствора соприкасаются друг с другом, но для предупреждения смешивания они разделены перегородкой, изготовленной из пористого материала.

При работе элемента, т.е. при замкнутой цепи, цинк окисляется: на поверхности его соприкосновения с раствором атомы цинка превращаются в ионы и, гидратируясь, переходят в раствор. Высвобождающиеся при этом электроны движутся по внешней цепи к медному электроду. Вся совокупность этих процессов схематически изображается уравнением полуреакции, или электрохимическим уравнением:

Zn = Zn2+ + 2e-

На медном электроде протекает восстановление ионов меди. Электроны, приходящие сюда от цинкового электрода, соединяются с выходящими из раствора дегидратирующимися ионами меди; образуются атомы меди, выделяющиеся в виде металла. Соответствующее электрохимическое уравнение имеет вид:

Cu2+ + 2e- = Cu

Суммарное уравнение реакции, протекающей в элементе, получится при сложении уравнений обеих полуреакций. Таким образом, при работе гальванического элемента, электроны от восстановителя переходят к окислителю по внешней цепи, на электродах идут электрохимические процессы, в растворе наблюдается направленное движение ионов.

Электрод, на котором протекает окисление, называется анодом(цинк). Электрод, на котором протекает восстановление, называется катодом (медь).

В принципе электрическую энергию может дать любая окислительно-восстановительная реакция. Однако, число реакций,

практически используемых в химических источниках электрической энергии, невелико. Это связано с тем, что не всякая окислительно-восстановительная реакция позволяет создать гальванический элемент, обладающий технически ценными свойствами. Кроме того, многие окислительно-восстановительные реакции требуют расхода дорогостоящих веществ.

В отличие от медно-цинкового элемента, во всех современных гальванических элементах и аккумуляторах используют не два, а один электролит; такие источники тока значительно удобнее в эксплуатации.

ТИПЫ ГАЛЬВАНИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Угольно-цинковые элементы

Угольно-цинковые элементы (марганец-цинковые) являются

самыми распространенными сухими элементами. В угольно-цинковых

элементах используется пассивный (угольный) коллектор тока в

контакте с анодом из двуокиси марганца (MnO2), электролит из

хлорида аммония и катодом из цинка. Электролит находится в

пастообразном состоянии или пропитывает пористую диафрагму.

Такой электролит мало подвижен и не растекается, поэтому

элементы называются сухими.

Угольно-цинковые элементы «восстанавливаются» в течении

перерыва в работе. Это явление обусловлено постепенным

выравниванием локальных неоднородностей в композиции

электролита, возникающих в процессе разряда. В результате

периодического «отдыха» срок службы элемента продлевается.

Достоинством угольно-цинковых элементов является их

относительно низкая стоимость. К существенным недостаткам

следует отнести значительное снижение напряжения при разряде,

невысокую удельную мощность (5…10 Вт/кг) и малый срок

хранения.

Низкие температуры снижают эффективность использования

гальванических элементов, а внутренний разогрев батареи его

повышает. Повышение температуры вызываетхимическую коррозию цинкового электрода водой, содержащейся вэлектролите, и высыхание электролита. Эти факторы удаетсянесколько компенсировать выдержкой батареи при повышеннойтемпературе и введением внутрь элемента, через предварительнопроделанное отверстие, солевого раствора.

Щелочные элементы

Как и в угольно-цинковых, в щелочных элементах используется анод из MnO2 и цинковый катод с разделенным электролитом.

Отличие щелочных элементов от угольно-цинковых заключается

в применении щелочного электролита, вследствие чего

газовыделение при разряде фактически отсутствует, и их можно

выполнять герметичными, что очень важно для целого ряда их

применений.

Ртутные элементы

Ртутные элементы очень похожи на щелочные элементы. В них

используется оксид ртути (HgO). Катод состоит из смеси порошка

цинка и ртути. Анод и катод разделены сепаратором и диафрагмой,

пропитанной 40% раствором щелочи.

Так как ртуть дефицитна и токсична, ртутные элементы не

следует выбрасывать после их полного использования. Они должны

поступать на вторичную переработку.

Серебряные элементы

Они имеют «серебряные» катоды из Ag2O и AgO.

Литиевые элементы

В них применяются литиевые аноды, органический электролит

и катоды из различных материалов. Они обладают очень большими

сроками хранения, высокими плотностями энергии и работоспособны

в широком интервале температур, поскольку не содержат воды.

Так как литий обладает наивысшим отрицательным потенциалом

по отношению ко всем металлам, литиевые элементы

характеризуются наибольшим номинальным напряжением при

минимальных габаритах.

Ионная проводимость обеспечивается введением в

растворители солей, имеющих анионы больших размеров.

К недостаткам литиевых элементов следует отнести их

относительно высокую стоимость, обусловленную высокой ценой

лития, особыми требованиями к их производству (необходимость

инертной атмосферы, очистка неводных растворителей). Следует

также учитывать, что некоторые литиевые элементы при их

вскрытии взрывоопасны.

Литиевые элементы широко применяются в резервных источниках питания схем памяти, измерительных приборах и прочих высокотехнологичных системах.

АККУМУЛЯТОРЫ

Аккумуляторы являются химическими источниками

электрической энергии многоразового действия. Они состоят из

двух электродов (положительного и отрицательного), электролита

и корпуса. Накопление энергии в аккумуляторе происходит при

протекании химической реакции окисления-восстановления

электродов. При разряде аккумулятора происходят обратные

процессы. Напряжение аккумулятора — это разность потенциалов

между полюсами аккумулятора при фиксированной нагрузке.

Для получения достаточно больших значений напряжений или

заряда отдельные аккумуляторы соединяются между собой

последовательно или параллельно в батареи. Существует ряд

общепринятых напряжений для аккумуляторных батарей: 2; 4; 6;

Гальваническая батарея

Cтраница 1

Гальваническая батарея, электрическая дуга Петрова и вольтов столб А.  

Гальванические батареи применяются в тех случаях, когда необходимо более высокое напряжение или большая емкость по сравнению с напряжением и емкостью одного элемента. Для удобства в эксплуатации промышленность выпускает готовые батареи, удовлетворяющие типовым условиям. Так, например, выпускаются батареи высокого напряжения при малой емкости или низкого напряжения и сравнительно большой емкости.  

Гальванические батареи большой емкости используются обычно для создания электрических полей в земле в методах электроразведки.  

Широко применяются гальванические батареи для питания репортерских магнитофонов.  

Источником питания служит гальваническая батарея для карманного фонаря.

Перед измерением устанавливают показывающий прибор ( микроамперметр) на нулевую отметку с помощью переменного сопротивления в цепи питания.  

Для операции нужна гальваническая батарея по крайней мере 22 5 V. Положительный полюс прикладывают к коже больного. Активный — отрицательный — электрод представляет собой платиновую иглу диаметром 0 18 мм и длиной 1 5 — 2 мм. Наиболее удовлетворительные результаты дает ток 5 гпА, действующий в продолжение 5 секунд.  

По типу электролита гальванические батареи делятся на сухие, наливные и с твердым электролитом.  

В заключение, сравнивая гальванические батареи и аккумуляторы, следует подчеркнуть, что преимуществом использования батарей является полная независимость от посторонних источников энергии, что особенно важно при работе в полевых условиях. Основной недостаток их заключается в том, что они имеют малый срок службы, а также большое и непостоянное внутреннее сопротивление, возрастающее по мере разряда батареи.  

Источником питания служат две гальванические батареи КБС-Л-05 или шесть элементов — Марс, 316, 373, обеспечивающие начальное напряжение 9 в. При минимальной громкости приемник потребляет ток 8 — 10 ма, при максимальной мощности — до 25 — 30 ма.  

Затем электроды отъединяются от гальванической батареи и соединяются с гальванометром, для того чтобы наблюдать, идет ли через гальванометр обратный ток, вызванный поляризацией электродов. Такой ток, вызванный накоплением разных веществ на двух электродах, служит доказательством того, что исследуемое вещество было разложено электролитически при прохождении первичного тока от батареи.  

Диагональ питания состоит из гальванической батареи Би ( 1 5 в) и двух реостатов Rp и Rf, которые регулируют рабочий ток измерительной схемы.  

Для питания двигателя была использована гальваническая батарея.  

Следует также учитывать, что гальванические батареи имеют значительное внутреннее сопротивление, особенно когда разряжены. При работе импульсного стабилизатора ток, текущий от батареи, модулируется из-за падения напряжения на ее внутреннем сопротивлении, что ведет к уменьшению КПД преобразователя. Конденсатор С1, включенный на входе преобразователя, сглаживает колебания питающего напряжения, несколько повышая КПД. На рис. 2 показана зависимость КПД преобразователя от выходной мощности и напряжения источника питания.  

Земляная электрическая батарея

Самодельный «земляной» гальванический (электролитический) элемент делается из имеющихся материалов, с выбором по максимальной разности их электродных потенциалов (напряжение, в режиме холостого хода, между медной и цинковой пластиной – порядка 1 вольта, см. таблицу 1). Это могут быть старые железные трубы и листы оцинкованного железа, угольная куча или древесная зола, моток алюминиевого провода и т.д. Сгодится любой металлолом – жестянки, металлические конструкции и т.д. Работать такая батарея может долго – месяцы (до зимних холодов, когда верхний слой почвы леденеет и становится почти диэлектриком). Быстрее корродирует (разрушается растворяясь) – минусовой электрод.
Мощность зависит от конструкции, геометрических линейных размеров, физико-химических свойств грунта и применяемого материала. Наивысший К.П.Д. одного небольшого элемента, под нагрузкой – достигается при токе 1 — 5 миллиампер, при напряжении в десятые доли вольта.

Таблица 1
«Ряд напряжений металлов» (электрохимический ряд стандартных
окислительно-восстановительных потенциалов), вольт:
K (Калий) = -2,9
Na (Натрий) = -2,71
Mg (Магний) = -2,36
Al (Алюминий) = -1,66
Mn (Марганец) = -1,2
Zn (Цинк) = -0,76
Fe (Железо, сталь) ~= -0,4
Ni (Никель) = -0,25
Sn (Олово) = -0,14
Pb (Свинец) = -0,13
Бронза ~= 0
Cu (Медь) = +0,34
С (Графит, каменный уголь, древесная зола) ~= +0,4 (?)
Ag (Серебро) = +0,8
Au (Золото) = +1,50
// Графит — имеет, как и металлы, электронную проводимость. Его электродный потенциал довольно высок, имея значение, приблизительно +0,4 вольт (эта величина зависит от многих физико-химических факторов). Если нет электротехнического чистого графита, приблизительным эквивалентом, заменой ему – будет обычный каменный уголь, применяемый в печном отоплении или металлургический кокс. Электродом послужит и обычная угольная куча (или печная зола, пепел), с вылитой на неё водой (сухой, молотый в крошку уголь – очень плохо проводит электричество). В качестве токоотводов — медные листы или трубы, моток ненужной стальной или алюминиевой проволоки и прочего лома металла.
От земляной батареи можно запитать, при подключении через преобразователь – например, радиоприемник.
Оба электрода помещают (забивают трубу / штырь или закапывают пластину и прочее) во влажный грунт (в качестве электролита гальванического элемента) на глубину 1-2 м (то есть, ниже глубины промерзания почвы в зимнее время, для данного района, если делаете всесезонный девайс), на расстоянии от полуметра до нескольких метров, друг от друга. Для уменьшения электрического сопротивления в межэлектродном пространстве (это увеличит ток) – его надо полить водой. На минусовой, цинковый электрод – вылить раствор поваренной соли (NaCl) или щёлочь (К или Na).
Подходящие гальванические пары: медь и/или уголь – будут положительным электродом земляного элемента, а цинк, алюминий или железо (в том числе, оцинкованное) – отрицательным (его вывод (алюминиевый провод) надо изолировать от земли). Места соединений – герметизируются (покрыть защитной водостойкой краской или лаком).
Поверхность алюмишки быстро окисляется, поэтому алюминиевый стержень, периодически, подбивается кувалдой (при этом – абразивные частицы грунта, частично, сдирают окисную плёнку). Если верхушки электродов расположены над землёй – к ним подключаются (надёжной скруткой или на винтовое соединение) любым изолированным проводом или проволокой, зачистив, предварительно, контактные поверхности отводов.
Для получения электрического напряжения, в несколько раз больше 1 вольта – собираются батареи из нескольких элементов, соединённых последовательно. Для увеличения силы тока – их соединяют параллельно, увеличивают рабочую площадь электродов и поливают водой (с растворённой солью или с разведённой печной золой) землю между электродами. Концентрированный (большой плотности) электролит – нельзя выливать на землю (иначе, там ничего не будет расти).
Положительный электрод (медный/угольный, должен быть глубже, чем южный) – на северной точке (если линия ориентирована вдоль магнитного меридиана), отрицательный – находится южнее.

К цинковой пластине – приложить слой войлока.
// Удельное электрическое сопротивление обычной питьевой воды, довольно мало – до первых десятков Ом•м. В солончаках – на один-два порядка меньше (из-за высокой степени ионной проводимости). Влажная почва – действует как электролит в гальваническом элементе.
Обычно, на практике — применяют комбинированный, последовательнопараллельный способ соединения. Этого бывает достаточно для питания радио, приёмника.
Гальванический элемент можно собрать и в миниатюре – в стеклянную банку, с электролитом в виде 20%-го раствора поваренной соли (или 5%-й уксус), помещаются две пластины из электротехнической меди и цынка (или железа). Под нагрузкой, на положительных пластинах выделяются газовые пузырьки (водород), отчего, во время работы, и уменьшается ток. Дря решения этой проблемы – плюсовой электрод окружают деполяризатором, состоящим из равных частей порошка (помещается в холщовый мешок) графита и пиролюзита.

Добавить комментарий

Закрыть меню