Galvaniniai elementai. Galvaniniai elementai: veikimo principas ir tipai

Galvaninis elementas yra cheminis elektros srovės šaltinis, kuriame vyksta tiesioginis cheminės energijos pavertimas elektros energija. Todėl jis yra. Dažniausiai naudojamų baterijų išvaizda parodyta 1 pav.

Yra druskos (sausos), šarminės ir ličio ląstelės. Galvaniniai elementai dažnai vadinami baterijomis, tačiau šis pavadinimas yra neteisingas, nes... Baterija yra kelių vienodų įrenginių jungtis. Pavyzdžiui, nuosekliai sujungus tris galvaninius elementus, gaunama plačiai naudojama 4,5 volto baterija.

Galvaninio elemento veikimo principas pagrįstas dviejų metalų sąveika per elektrolitą, dėl kurios uždaroje grandinėje susidaro elektros srovė. Įtampa priklauso nuo naudojamų metalų. Kai kurie iš šių cheminių srovės šaltinių yra išvardyti 1 lentelėje.

Pagrindiniai parduodami produktai yra mangano-cinko elementai, kurie vadinami druskos elementais. Baterijų gamintojai paprastai nenurodo jų cheminės sudėties. Tai pigiausi įtampos elementai ir gali būti naudojami tik mažo vartojimo įrenginiuose, pavyzdžiui, laikrodžiuose, elektroniniuose termometruose ar nuotolinio valdymo pultuose. 2 paveiksle parodyta druskos akumuliatoriaus išvaizda ir vidinė struktūra.

Šarminės mangano baterijos yra vienodai paplitusios. Parduodant jie vadinami šarminiais, nesivargindami išversti pavadinimo į rusų kalbą. Vidinė šarminės įtampos elemento struktūra parodyta 2 paveiksle.

Šie cheminiai srovės šaltiniai turi didesnę našumą (2...3 A/h) ir jie gali suteikti daugiau srovės ilgą laiką Didesnė srovė galima, nes... cinkas naudojamas ne stiklo, o miltelių pavidalu, kuris turi didesnį kontakto su elektrolitu plotą. Kalio hidroksidas naudojamas kaip elektrolitas. Būtent dėl ​​šio tipo galvaninių elementų gebėjimo ilgą laiką tiekti didelę srovę (iki 1 A) ji šiandien yra labiausiai paplitusi.

Kitas gana paplitęs galvaninių elementų tipas yra ličio baterijos. Dėl šarminio metalo naudojimo jie turi didelį potencialų skirtumą. Ličio elementų įtampa yra 3 V. Tačiau rinkoje yra ir 1,5 V ličio baterijų. Šios baterijos turi didžiausią talpą svorio vienetui ir ilgą galiojimo laiką. Jie daugiausia naudojami kompiuterių pagrindinių plokščių ir fotografijos įrangos laikrodžiams maitinti. Trūkumas yra didelė kaina. Ličio baterijų išvaizda parodyta 4 pav.

Reikėtų pažymėti, kad beveik visi galvaniniai elementai gali būti įkrauti iš maitinimo šaltinių. Išimtis yra ličio baterijas, kurios gali sprogti, jei bandysite jas įkrauti.

Baterijos buvo standartizuotos naudoti įvairiuose įrenginiuose. Dažniausiai pasitaikantys galvaninių elementų korpusų tipai pateikti 2 lentelėje.

Šiuo metu yra paruoštų baterijų skyrelių, skirtų akumuliatoriams montuoti radijo elektroninių prietaisų korpuse. Jų naudojimas gali žymiai supaprastinti radijo elektroninio prietaiso korpuso kūrimą ir sumažinti jo gamybos sąnaudas. Kai kurių iš jų išvaizda parodyta 5 pav.

Pirmasis akumuliatorių pirkėjus nerimaujantis klausimas yra jų veikimo laikas. Tai priklauso nuo galvaninio elemento gamybos technologijos. Tipinės išėjimo įtampos priklausomybės nuo baterijų gamybos technologijos grafikas parodytas 5 pav.

Įvairių įmonių baterijų bandymų, atliktų svetainėje http://www.batteryshowdown.com/, rezultatai pateikti 7 paveiksle.

Ir galiausiai, padarykime išvadas, kur prasminga naudoti kokio tipo baterijas, nes pirkdami baterijas visada stengiamės išgauti maksimalų naudingą efektą minimaliomis sąnaudomis.

1. Nereikėtų pirkti baterijų kioskuose ar turguje. Paprastai jie ten guli gana ilgai, todėl dėl savaiminio išsikrovimo praktiškai praranda savo pajėgumą. Tai gali būti netgi pavojinga įrangai, nes... Naudojant pigius galvaninius elementus (baterijas), iš jų gali nutekėti elektrolitas. Tai sukels įrangos gedimą! Geriau pirkti parduotuvėse su gera prekių apyvarta.
2. Šarminės (šarminės) baterijos turėtų būti naudojamos įrenginiuose, kurie naudoja gana didelę srovę, pavyzdžiui, žibintuvėliuose, grotuvuose ar fotoaparatuose. Mažos galios įrenginiuose jų veikimo laikas nesiskiria nuo druskos baterijų.
3. Druska („paprasti“, anglies-cinko galvaniniai elementai) puikiai veiks laikrodžiuose, IR nuotolinio valdymo pultuose ir kituose įrenginiuose, skirtuose veikti su vienu baterijų komplektu metus ar ilgiau. Tačiau jie negali dirbti šaltyje.
4. Šiandien ekonomiškiausios baterijos yra AA baterijos. Tiek maži (AAA), tiek dideli (R20), vienodos talpos, yra brangesni. Šiuolaikinių R20 baterijų talpa yra beveik tokia pati kaip AA baterijų, ir tai yra tris kartus didesnė!
5. Nekreipkite dėmesio į populiarius prekės ženklus. Galvaniniai elementai iš Duracell ir Energizer kainuoja pusantro ar du kartus brangiau nei kitų kompanijų akumuliatoriai ir tuo pačiu veikia maždaug tiek pat

Jei nėra elektros tinklo, elektros prietaisams maitinti naudojami galvaniniai elementai ir baterijos, kitaip vadinamos cheminiais srovės šaltiniais. Panagrinėkime jų veikimo principą naudodamiesi pirmojo paprasčiausio elemento - Voltos elemento pavyzdžiu (1 pav.). Jį sudaro vario (Cu) ir cinko (Zn) plokštelės, panardintos į sieros rūgšties (H2SO4) tirpalą. Dėl cheminės reakcijos, kuri vyksta tarp cinko ir sieros rūgšties, ant cinko susidaro elektronų perteklius. Cinkas yra neigiamai įkrautas ir yra neigiamas polius. Tirpalas ir į jį panardinta varinė plokštė įkraunamos teigiamai. Dėl to sužadinamas emf, lygus maždaug vienam voltui, kuris išlieka tol, kol grandinė nėra uždaryta.
Jei uždarysite grandinę, tekės srovė ir elemento viduje pradės intensyviai išsiskirti vandenilis, padengdamas plokščių paviršių burbuliukų sluoksniu. Šis sluoksnis sumažina įtampą elemento poliuose. Šis reiškinys vadinamas poliarizacija. Kuo didesnė srovė, tuo stipresnė poliarizacija ir tuo greičiau mažėja elemento įtampa.

1 pav. Paprasčiausias Volta galvaninis elementas.
Siekiant pašalinti poliarizaciją, į elementą įvedamos medžiagos, galinčios sugerti vandenilį ir vadinamos depoliarizatoriais. Kad įtampa poliuose išliktų pastovi, depoliarizatorius turi greitai sugerti elemento veikimo metu susidarantį vandenilį. Sugerdamas vandenilį, depoliarizatorius palaipsniui tampa netinkamas naudoti. Tačiau paprastai prieš tai elektrolitas pablogėja, o cinkas yra korozuojamas veikiant elektrolitui. Apskritai elektros energija ląstelėje gaunama dėl cinko, elektrolito ir depoliarizatoriaus suvartojimo; todėl kiekvienas elementas turi tam tikrą energijos rezervą ir gali veikti tik ribotą laiką.
Galvaninių elementų veikimas paaiškinamas naudojant elektrolitinės disociacijos teoriją, pagal kurią vandenyje ištirpusios medžiagos molekulės suyra (disociuoja) į jonus. Šis reiškinys būdingas visiems elektrolitams, kurie yra rūgščių, šarmų ir druskų tirpalai. Volta ląstelėje sieros rūgšties molekulė (H2SO4) vandeniniame tirpale skyla į neigiamą rūgštinį joną (SO4) ir teigiamą vandenilio joną (H2), kaip parodyta Fig. 2.
Cinko ir sieros rūgšties cheminė reakcija yra ta, kad teigiami cinko jonai patenka į tirpalą, traukiami neigiamų elektrolito jonų. Tokiu atveju pats cinko elektrodas įkraunamas neigiamai. Tarp jo ir elektrolito susidaro potencialų skirtumas, taigi ir elektrinis laukas, kuris neleidžia tolesniam teigiamų cinko jonų perėjimui į tirpalą. Todėl sukuriama tam tikra pusiausvyra su tam tikru potencialų skirtumu tarp cinko ir tirpalo. Kitų metalų ir tirpalų potencialų skirtumo reikšmė skirsis.
Norint panaudoti susidariusį potencialų skirtumą, į elektrolitą įdedamas antras elektrodas, pagamintas iš kitokio metalo. Jei antrasis elektrodas yra cinkas, tai tarp jo ir tirpalų bus toks pat potencialų skirtumas kaip ir pirmojo elektrodo, tačiau jis veiks priešingai, o susidaręs potencialų skirtumas tarp elektrodų bus lygus nuliui. Elementuose paprastai yra neigiamas cinko elektrodas, o teigiamas - dažniausiai varis arba anglis.
Jei elemento elektrodus sujungsite su laidininku, ty sukursite uždarą grandinę, tada, veikiami potencialų skirtumo, elektronai judės iš cinko išilgai išorinės grandinės. Kadangi jie palieka cinko elektrodą, jo neigiamas potencialas pradeda mažėti, o elektrinis laukas tarp jo ir tirpalo silpnėja. Bet tada nauji teigiami cinko jonai patenka į tirpalą. Taip išlaikomas tam tikras neigiamas cinko elektrodo potencialas.

2 pav. Jonai Volta elemento elektrolite.
Kai elementas veikia, cinkas nuolat tirpsta elektrolite, kuris palaipsniui virsta cinko sulfato (ZnSO4) tirpalu. Teigiami cinko jonai, nuolat pereidami į elektrolitą, pritraukia neigiamus rūgšties likučio jonus. Šie jonai elektrolite juda kryptimi nuo vario plokštės iki cinko plokštės. Tačiau teigiamus vandenilio jonus atstumia teigiami cinko jonai ir jie juda priešinga kryptimi, tai yra, iš cinko į varį. Taigi, jei išorinėje grandinėje srovė reiškia elektronų judėjimą (kaip visada metaliniuose laiduose), tai elektrolite srovė reiškia teigiamų ir neigiamų jonų judėjimą priešingomis kryptimis. Vandenilio jonai artėja prie vario plokštės ir paima iš jos elektronus, virsdami neutraliais atomais. Dėl to varinėje plokštėje išlaikomas tam tikras teigiamas potencialas, nepaisant to, kad elektronai į ją patenka iš išorinės grandinės. Tačiau vario plokštė palaipsniui padengiama vandenilio sluoksniu. Tarp šio sluoksnio ir elektrolito atsiranda potencialų skirtumas, veikiantis pagrindinį potencialų skirtumą tarp elektrodų. Tokios priešingos elektrovaros jėgos atsiradimas vadinamas elemento poliarizacija. Dėl poliarizacijos susidaręs potencialų skirtumas mažėja, o elemento poveikis pablogėja.
Galvaniniai elementai pasižymi skirtingais parametrais ir, svarbiausia, elektrovaros jėga, vidine varža, didžiausia leistina iškrovos srove ir talpa.
Elektrovaros jėgą lemia elemento tipas, tai yra jo elektrodų medžiaga, elektrolito medžiaga ir depoliarizatorius. Jis visiškai nepriklauso nuo elemento dydžio (jo elektrodų dydžio), elektrolito kiekio ir depoliarizatoriaus kiekio.
Elemento vidinė varža priklauso ne tik nuo jo tipo, bet ir nuo dydžio, taip pat nuo to, kiek laiko elementas buvo eksploatuojamas. Kuo didesnis elementas, tuo mažesnė jo vidinė varža. Elementui veikiant vidinė varža didėja. Jis ypač smarkiai padidėja išeikvotuose elementuose. Vidinė elementų varža jų veikimo pradžioje dažniausiai svyruoja nuo kelių omų iki dešimtųjų omų. Kai elementas yra prijungtas prie uždaros grandinės, jo gnybtų įtampa visada yra šiek tiek mažesnė už EMF ir mažėja didėjant srovei, nes didėja dalies EML praradimas esant elemento vidinei varžai. Kartais elementų įtampa nurodoma esant didžiausiai iškrovimo srovei elemento veikimo pradžioje (pradinė įtampa).
Kiekvienas elementas gali būti iškrautas srove iki tam tikros vertės. Per didelė srovė sukels pagreitintą poliarizaciją, o įtampa greitai taps nepriimtinai žema. Panašus reiškinys, bet dar didesniu mastu, atsiranda, kai elementas yra trumpai jungtas. Daugumos elementų didžiausia leistina iškrovimo srovė yra ampero dalis. Kuo didesnis elementas, tuo didesnė ši srovė. Per didelė srovė taip pat lemia greitą elemento išeikvojimą.
Elemento talpa yra elektros energijos kiekis, kurį jis gali tiekti, kai iškraunama srove, neviršijančia didžiausios leistinos. Paprastai elementų talpa matuojama ampervalandomis (ah), tai yra iškrovos srovės amperais ir elemento darbo valandų skaičiaus sandauga. Elementas laikomas išsikrovusiu, jei jo įtampa sumažėjo maždaug 50%, palyginti su pradine verte.
Celės veikimo laikas gali būti nustatomas padalijus talpą ampervalandomis iš iškrovos srovės amperais. Šiuo atveju srovė neturi viršyti didžiausios leistinos vertės.
Ląstelių talpa priklauso nuo cinko, elektrolito ir depoliarizatoriaus kiekio. Kuo didesnis elemento dydis, tuo didesnis į jo sudėtį įtrauktų medžiagų kiekis ir didesnė talpa. Be to, talpa priklauso nuo iškrovos srovės, taip pat nuo pertraukų iškrovimo metu ir jų trukmės. Normalus elemento pajėgumas atitinka didžiausią leistiną iškrovimo srovę nuolatinio iškrovimo metu. Jei srovė mažesnė už maksimalią ir iškrovimas vyksta su pertraukomis, tada talpa didėja, o jei srovė viršija maksimalią, galia mažėja, nes dalis depoliarizatoriaus reakcijose nedalyvauja. Talpa taip pat mažėja mažėjant temperatūrai. Todėl elemento veikimo trukmės apskaičiavimas pagal jo vardinę talpą ir iškrovos srovę yra apytikslis.
2. MANGANAS – CINKAS
IR Oksido-GYVsidabrio ELEMENTAI.
Plačiai paplito mangano-cinko (MC) sausieji elementai su mangano dioksido depoliarizatoriumi.
Puodelio tipo sausasis elementas (3 pav.) turi stačiakampį arba cilindrinį cinko indą, kuris yra neigiamas elektrodas. Jo viduje yra teigiamas elektrodas anglies pavidalu.
lazdelės ar lėkštės, kurios yra maišelyje, pripildytame mangano dioksido ir anglies arba grafito miltelių mišinio. Siekiant sumažinti atsparumą, pridedama anglies arba grafito. Anglies strypas ir maišelis su depoliarizuojančia mase vadinami aglomeratu. Pasta, sudaryta iš amoniako (NH4Cl), krakmolo ir kai kurių kitų medžiagų, naudojama kaip elektrolitas. Puodelių elementų centrinis gnybtas yra teigiamas polius.
Sauso elemento darbinė įtampa yra šiek tiek mažesnė už jo emf, lygi 1,5 V ir yra maždaug 1,3 arba 1,4 V. Ilgai išsikraunant, įtampa palaipsniui mažėja, nes depoliarizatorius nespėja sugerti viso išleisto vandenilio, ir iki galo iškrovos greitis pasiekia 0,7 V.

3 pav. Sauso elemento įtaisas.
Kitas sauso elemento dizainas, vadinamasis sausainių tipas, parodytas fig. 4. Jame teigiamas elektrodas yra depoliarizuojanti masė (nėra anglies elektrodo). Sausainių elementai pasižymi žymiai geresnėmis savybėmis nei puodelio elementai.

Ryžiai. 4. Sauso biskvito elemento konstrukcija.
1 – depoliarizatorius – teigiamas elektrodas; 2 – cinkas – neigiamas elektrodas; 3 – popierius;
4 – elektrolitu impregnuotas kartonas; 5 – polivinilchlorido plėvelė.
Kiekviename elemente, kuriame yra elektrolitas, net esant atvirai išorinei grandinei, įvyksta vadinamasis savaiminis išsikrovimas, dėl kurio cinko elektrodas yra korozija, o elektrolitas ir depoliarizatorius išsenka. Todėl sandėliuojant sausas elementas palaipsniui tampa netinkamas naudoti, o jo elektrolitas išdžiūsta.
Kai sausieji elementai visiškai iškraunami, jų aglomeratai vis dar veikia ir gali būti naudojami savadarbiams savaime užpildomiems elementams konstruoti. Tokie elementai turi aglomeratą ir elektrodą, pagamintą iš cinko lakšto amoniako tirpale, esantį stikliniame, keramikiniame ar plastikiniame puodelyje. Jei nėra amoniako, galite naudoti įprastos valgomosios druskos tirpalą su nedideliu cukraus kiekiu, o rezultatai šiek tiek prastesni. Be sausų MC tipo elementų, plačiai naudojami elementai su mangano-oro depoliarizacija (MAD). Jie suprojektuoti panašiai kaip MC elementai, tačiau jų teigiamas elektrodas pagamintas taip, kad išorinis atmosferos oras specialiais kanalais patektų į mangano dioksidą. Oro deguonis kompensuoja depoliarizacijos metu deguonies praradimą mangano dioksidu. Todėl depoliarizacija gali vykti daug ilgiau ir padidėja ląstelių talpa.
Fizikiniai ir cheminiai procesai elementuose su mangano dioksidu vyksta taip. Amoniakas, tai yra amonio chloridas (NH4Cl), vandeniniame tirpale sudaro teigiamus amonio jonus (NH4) ir neigiamus chloro jonus (Cl). Teigiami cinko jonai patenka į tirpalą, o cinkas įgyja neigiamą potencialą. Kai grandinė uždaryta, kai elektronai išorinėje grandinėje juda kryptimi nuo cinko į anglį, cinkas visą laiką tirpsta. Jo jonai pereina į elektrolitą, dėl to išlaikomas neigiamas cinko potencialas. Cinko jonai jungiasi su chloro jonais ir sudaro cinko chlorido (ZnCl2) tirpalą. Tuo pačiu metu NH4 jonai juda link anglies elektrodo, paima iš jo elektronus ir skyla į amoniaką (NH3) ir vandenilį. Tai vyksta pagal lygtį
2NH4 = 2NH3 + H2.
Išsiskyręs vandenilis susijungia su depoliarizatoriumi, ty mangano dioksidu, sudarydamas mangano oksidą ir vandenį:
H2 + MnO2 = MnO2 + H2O.
Pastaraisiais metais buvo gaminami sausi, sandarūs MC elementai su šarminiu elektrolitu (KOH). Jie būna cilindriniai, diskiniai ir sausainiai, jų talpa yra nuo trijų iki penkių kartų didesnė nei elementų su amoniako elektrolitu. Be to, jie leidžia kelis kartus įkrauti srovę, grąžinant 10% talpos. Tokiems elementams centrinis elektrodas yra cinkas ir yra minusas, tai yra, gnybtų poliškumas yra priešingas įprastų MC elementų gnybtų poliškumui. Celės su šarminiu elektrolitu naudojamos ilgalaikiam veikimui, pavyzdžiui, elektroniniuose laikrodžiuose. Tokių elementų žymėjimuose raidė A dedama priešais.
Visų elementų pradinė įtampa yra maždaug 1,3 - 1,5 V, o galutinė - 0,7 - 1 V. Sausų elementų ar baterijų negalima laikyti ilgiau nei nurodyta ant jų prieš naudojant; kitu atveju tolesnis funkcionalumas negarantuojamas. Tačiau, laikant nurodytą laikotarpį, talpa šiek tiek sumažėja, bet ne daugiau kaip trečdaliu.
Pastaruoju metu buvo gaminami nedidelio dydžio oksido-gyvsidabrio (gyvsidabrio-cinko) sandarūs elementai, kurie pasižymi aukštesnėmis savybėmis nei MC tipo elementai. Oksido-gyvsidabrio elementų struktūra parodyta fig. 5. Elementas turi plieninį korpusą, susidedantį iš dviejų pusių, atskirtų viena nuo kitos sandarinančia izoliacine gumine tarpine.
Į vieną kūno pusę įspaudžiama aktyvi gyvsidabrio oksido (HgO) masė su grafitu, kuris yra teigiamas elektrodas. Neigiamas elektrodas yra cinko milteliai, įspausti į kitą korpuso pusę. Šarminis elektrolitas (KOH) impregnuoja porėtą tarpiklį, skiriantį elektrodus. Šie elementai yra įvairių dydžių ir skirtingos talpos (nuo dešimtųjų ampervalandžių iki kelių ampervalandžių).
valandos). Jų EMF yra maždaug 1,35 V. Šių elementų galiojimo laikas yra 2,5 metų. Savaiminis išsikrovimas neviršija 1% per metus. Palyginti su MC elementais, gyvsidabris

Ryžiai. 5. Sandariojo gyvsidabrio oksido elemento konstrukcija;
1 – plieninis korpusas su teigiamu elektrodu; 2 – porėta tarpinė; 3 – guminė sandarinimo tarpinė; 4 – korpuso dangtis su neigiamu elektrodu.
bet - cinko elementai turi didesnę talpą, mažesnę vidinę varžą, bet didesnę savikainą. Jie plačiai naudojami elektroniniuose laikrodžiuose, širdies stimuliatoriuose, foto ekspozicijos matuokliuose ir matavimo prietaisuose. Mažiausių elementų matmenys yra tik keli milimetrai, o masė - dešimtosios gramo.
Svarbi gyvsidabrio oksido elementų savybė yra įtampos stabilumas iškrovimo metu. Tik pačioje iškrovos pabaigoje įtampa smarkiai nukrenta iki nulio.
3. ELEMENTŲ PRIJUNGIMAS PRIE AKUMULIATORIŲ.
Aukščiau buvo pasakyta, kad įprasto cheminio elemento EML yra maždaug 1,5 V. Norint padidinti EML, naudojama baterija su nuosekliu elementų prijungimu. Šiuo atveju vieno elemento „+“ yra prijungtas prie kito elemento „–“ ir tt Pirmojo „minusas“, o paskutinio „pliusas“ yra visos baterijos poliai (6 pav. .).
Jungiant elementus nuosekliai, EMF padidėja tiek kartų, kiek yra prijungtų elementų.

6 pav. Nuoseklus ir lygiagretus elementų prijungimas akumuliatoriuje.
Mažiau paplitęs yra lygiagretus elementų sujungimas, kai visų elementų teigiami poliai yra sujungti kartu, kad susidarytų teigiamas akumuliatoriaus polius, o neigiamas akumuliatoriaus polius gaunamas sujungus neigiamus elementų polius (1 pav.). 6). Lygiagrečiai jungiant elementus akumuliatoriaus emf nepadidėja, tačiau padidėja talpa ir maksimali iškrovimo srovė. Todėl lygiagretusis ryšys naudojamas, kai reikia gauti didesnę iškrovos srovę ir didesnę talpą nei vieno elemento.
Daug dažniau jie naudojasi mišriu ryšiu, kuriame didėja ir EMF, ir talpa, ir maksimali iškrovimo srovė. Šiuo atveju dažniausiai lygiagrečiai jungiamos kelios elementų grupės, o kiekvienoje grupėje nuosekliai sujungiama tiek elementų, kiek reikia, kad būtų gautas reikalingas EMF.

Ryžiai. 7. Mišrus elementų sujungimas į akumuliatorių.
Lygiagrečių grupių skaičius nustatomas pagal reikiamą didžiausią iškrovimo srovę (7 pav.). Apskritai patartina konstruoti baterijas iš nuosekliai sujungtų elementų, turinčių pakankamą iškrovimo srovę. Ir tik tuo atveju, kai reikia gauti didesnę srovę ar padidintą pajėgumą, jie naudojasi mišriu ryšiu. Papildomų elementų įtraukimas pagal mišraus jungimo principą taip pat naudojamas norint padidinti įtampą, jei elementai yra labai išsikrovę.
Kai akumuliatorius neaktyvus, lygiagrečios elementų grupės turi būti atjungtos viena nuo kitos, nes net dėl ​​nedidelio EML skirtumo viena grupė gali išsikrauti į kitą.

Galvaniniai elementai. Galvaniniai elementai yra pirminiai cheminės srovės šaltiniai (CHS), kurie naudojami negrįžtami procesai cheminės energijos pavertimas elektros energija. Jie plačiai naudojami kaip nuolatinės srovės maitinimo šaltiniai mažoms ir nešiojamai radijo įrangai.

Lygiagrečiame jungtyje elementų, akumuliatoriaus talpa yra lygi į jį įtrauktų elementų talpų sumai ir su serijiniu ryšiu– mažiausia į jį įtraukto elemento talpa.

Talpos elementas a – elektros energijos kiekis, kurį elementas išskiria iškrovimo metu ir nustatomas ampervalandėmis.

Plačiai naudojami mangano-cinko ir gyvsidabrio-cinko elementai.

Baterijos. Baterijos, kaip ir galvaniniai elementai, yra įrenginiai, skirti tiesiogiai cheminę energiją paversti elektros energija. Skirtingai nuo galvaninių elementų, baterijos gali atkurti savo funkcionalumą tiekdamos elektros energiją imtuvams, įkraudamos juos iš išorinio elektros energijos šaltinio. Todėl baterija yra daugkartinis prietaisas, galintis kaupti ir kurį laiką kaupti elektros energiją. Tai antrinis cheminis srovės šaltinis. Jame įkraunant iš išorinio šaltinio susidaro cheminės energijos rezervas. Įkraunant akumuliatorių, į jo sudėtį įtrauktos medžiagos paverčiamos tokia būsena, kurioje gali pradėti cheminę reakciją viena su kita, išskirdamos elektros energiją. Taigi baterijos kaupia elektros energiją, kai yra įkraunamos, ir sunaudoja ją išsikrovusios.

Baterijos pasižymi šiais pagrindiniais parametrais.

Akumuliatoriaus EMF E, kuris priklauso nuo plokštelių aktyviosios masės sudėties, nuo temperatūros ir elektrolito koncentracijos (tankio). Akumuliatoriaus EMF matuojamas voltmetru, turinčiu didelę įėjimo varžą (daugiau nei 1000 omų/V). Kadangi įkrauto ir iš dalies išsikrovusio akumuliatoriaus EML gali būti vienodas, neįmanoma įvertinti akumuliatoriaus išsikrovimo laipsnio pagal EML vertę.

Akumuliatoriaus įtampa– potencialų skirtumas tarp teigiamų ir neigiamų plokščių, kai įjungta apkrova. Įtampa įkraunant U Z = E + I Z r 0, o iškraunant U P = E - I P r 0,

kur I З, I Р – įkrovimo ir iškrovimo srovės A; r 0 – vidinė akumuliatoriaus varža, Ohm (jį lemia elektrodų konstrukcija, elektrolito tankis, akumuliatoriaus išsikrovimo laipsnis, aplinkos temperatūra).

Akumuliatoriaus vardinė talpa – tai elektros energijos kiekis Ah, kurį jis gali tiekti esant dešimties valandų iškrovos režimui, pastoviai srovei ir +25 o C elektrolito temperatūrai. 10 valandų iškrovos režimo srovės vertė lygi vardinės talpos (C 10) dalinys, padalytas iš 10 .

Baterijos yra pajėgios savaiminis išsikrovimas, t.y. sumažinti jo talpą, kai apkrovos grandinė yra atvira. Savaiminio išsikrovimo intensyvumas priklauso nuo aplinkos temperatūros, elektrolitų sudėties ir elektrodo medžiagos.

Priklausomai nuo elektrolito sudėties, baterijos yra rūgštinės arba šarminės.

Rūgštinės baterijos. Korpuse (pagamintame iš kietos gumos arba plastiko) yra teigiami ir neigiami elektrodai, sumontuoti blokuose. Teigiamos plokštelės aktyvioji masė yra švino dioksidas (PbO 2), o neigiamos – švinas (Pb). Elektrolitas yra vandeninis sieros rūgšties tirpalas. Rūgštinės akumuliatoriaus vardinė įtampa yra 2,0 V. Įkraunant įtampa padidinama iki 2,6 - 2,8 V. Iškrovimo pradžioje įtampa greitai nukrenta iki 2,2 V. Reikia atsiminti, kad iškrauti neįmanoma rūgšties akumuliatoriaus įtampa mažesnė nei 1,8 V, nes tokiu atveju ant neigiamų plokščių susidaro sunkiai tirpi balta danga (atsiranda akumuliatoriaus sulfatacija). Norint apsaugoti akumuliatorių nuo sulfatavimosi, rekomenduojama jį krauti kas 30 dienų, nepriklausomai nuo likusios talpos.

Rūgštinių akumuliatorių trūkumai: sunkiai prižiūrimi ir mažo patvarumo, padidėjęs jautrumas trumpiesiems jungimams ir perkrovoms, jų negalima dėti į elektroninio valdymo bloko vidų (garavimas gadina dalis).

Pramonė gamina SK tipo rūgštinius akumuliatorius, kurių vardinė talpa nuo 36 iki 5328 Ah, pavyzdžiui, SK-148 (jei šis skaičius 148 padauginamas iš 36, gaunama 5328 Ah nominali talpa).

Šarminės baterijos. Juos lengva prižiūrėti, galima greičiau įkrauti (4 – 7 val., o ne 10 – 12 val. rūgščiams), be žalos galima įdėti į REU. Dažniausiai naudojamos šarminės baterijos yra nikelio-kadmio (NC), nikelio-geležies (NI) ir sidabro-cinko (SC). Kaip elektrolitas naudojamas vandeninis kausto kalio tirpalas.

Šarminių baterijų emf yra 1,5 V (išsikrovusiame akumuliatoriuje E = 1,3 V). Vidutinis elektrolito tankis šarminėse baterijose yra maždaug pastovus įkrovimo ir iškrovimo metu. Todėl jų būklę daugiausia apibūdina EML vertė.

Šarminės baterijos gamykloje gaminamos be elektrolito. Ruošiant elektrolitą reikia būti ypač atsargiems, nes sumaišius kalio hidroksidą su vandeniu išsiskiria daug šilumos. Kietas šarmas suskaidomas į smulkius gabalėlius, uždengiant jį medžiaga, kad skeveldros nepatektų į akis ar odą. Šarmas gabalais panardinamas į vandenį, tirpalą nuolat maišant stikliniu arba plieniniu strypu.

GALVANINĖS LĄSTELĖS, pirminiai elementai, elektros energijos šaltiniai, gaunami tiesiogiai pačiuose įrenginiuose dėl juose esančių medžiagų cheminės energijos, galinčių elektrolitiškai disociuoti. Yra žinomi atvejai (koncentracijos grandinės), kai galima galvaninė elektros energijos gamyba, nesusijusi su cheminėmis transformacijomis; todėl platesnė galvaninės grandinės sąvoka apima ir grynai fizinio pobūdžio reiškinių grupę, kuri vis dėlto nėra naudojama kaip elektros energijos šaltinis specialaus prietaiso pavidalu.

Bet kurio galvaninio elemento vidinę struktūrą sudaro šios dalys: 1) jonizuota terpė, sudaryta iš antros klasės laidininkų (elektrolitų), kurie praktiškai naudojamuose galvaniniuose elementuose (hidroelektriniuose elementuose) yra cheminių junginių vandeniniai tirpalai; 2) elektrodai, pagaminti iš pirmos klasės laidininkų (metalai, oksidai, turintys metalo laidumą ir kt.), besiliečiantys su elektrolitais ir aprūpinti laidais į išorinę grandinę. Pirmiau minėti komponentai d. b. teisingai sudarytas į galvaninę grandinę, kurios simbolis, suformuotas, pavyzdžiui, iš metalų M 1 ir M 2 bei jų druskų tirpalų M 1 X 1 ir M 2 X 2, yra toks:

kur rodyklės rodo vidinės ir išorinės grandinių srovės kryptį, o EML, atsirandantis skirtingų grandinės dalių sąlyčio taškuose, turėtų būti nukreiptas nuo vieno elektrodo į kitą.

Fig. 1 paveiksle parodyta teisingai sukonstruota grandinė: susidaręs EMF nukreipiamas nuo vieno elektrodo į kitą; pav. 2 - neteisingai sukonstruota grandinė: dvi trumpojo jungimo grandinės, kurių EMF nukreipta išilgai elektrodų, o gautasis lygus nuliui. Srovės srauto schema uždaroje galvaninėje grandinėje parodyta fig. 3.

Elektrodui, ant kurio iškraunami neigiamo krūvio jonai (anijonai), elektrochemijoje nustatytas anodo pavadinimas; tam pačiam, ant kurio vyksta teigiamų katijonų jonų iškrova) – katodas. Taigi galvaninio elemento vidinėje grandinėje anodas yra neigiamas elektrodas, o katodas yra teigiamas. Kai srovė perduodama iš išorės, dėl atvirkštinės srovės krypties arba anijonų iškrovos ant teigiamo elektrodo jis taps anodu, o dėl katijonų iškrovos neigiamas elektrodas taps katodu. Cheminiu požiūriu anode vykstantis procesas yra identiškas oksidacijos reakcijai, o atvirkštinis procesas katode yra identiškas redukcijos reakcijai.

I. Galvaninių elementų teorija. Galvaninis elementas, kaip elektros srovės šaltinis, tiriamas: 1) pagal jo elektrines charakteristikas, 2) nuo cheminių transformacijų, susijusių su srovės pratekėjimu, ir 3) pagal veikliųjų medžiagų fizinę būseną ir fizikines bei chemines savybes.

Bendrosios galvaninio elemento charakteristikos. Bet kurio galvaninio elemento būdingi dydžiai yra šie: E - EMF; V = f(I, R, t) - uždaro elemento įtampa, priklausoma nuo srovės I, išorinės varžos R ir iškrovos laiko t; r - vidinė varža, priklausomai nuo elektrodų dydžio ir elektrolito varžos; kartais r = f(t, t"), t.y. r yra iškrovimo laiko t arba saugojimo laiko t funkcija; Poliarizacija emf Ep = f(I, t) kartais derinama su r bendru pavadinimu – vidiniai nuostoliai, kartais Ep išreiškiama kaip % E. Su šiais dydžiais susijusios lygtys yra tokios:

Darant prielaidą, kad poliarizacijos emf yra proporcinga srovės stiprumui, ty Ep = k∙I, kuri yra artima tikrovei, o imant k + r = c, gauname galvaninio elemento išorinių charakteristikų išraišką:

kur c" = c∙V ir srovės stiprumas:

kai n elementų nuosekliai sujungti į akumuliatorių:

lygiagrečiai sujungiant n elementų:

Kitos elementų grupės baterijose šiuo metu beveik nenaudojamos. Elektrovaros jėga:

galia

didžiausia galia, kai R = s

Grafiškai galvaninio elemento, kuriame E = 1 V ir c = 1 Ohm, išorinės charakteristikos parodytos Fig. 4; Akivaizdu, kad galvaniniai elementai iš esmės suprojektuoti veikti esant labai mažai iškrovos galiai, nes maksimali naudingoji galia yra tik 25% to, kas įmanoma esant tam tikrai srovei ir grandinės įtampai = šaltinio emf.

Dabartinis pajėgumas; su I = Const,

kai R = Const,

čia t 0 yra iškrovimo laikotarpis valandomis.

Energijos talpa:

su I = Const,

kai R = Const,

Termodinamikos teorijos. Termodinamikos požiūriu galvaniniuose elementuose vykstantys cheminiai procesai yra laikomi izotermiškai grįžtamaisiais ir, pritaikius jiems laisvosios energijos lygtį, gaunama išraiška, siejanti cheminės reakcijos šiluminį poveikį su elektrovaros jėga. galvaniniai elementai. Helmholtzo lygtis:

čia E yra galvaninio elemento emf V; Q - šiluminis efektas cal; n – jonų, patenkančių į cheminę reakciją, kurios šiluminis efektas yra Q, valenčių skaičius; F – Faradėjus = 96540 C = 26,8 Ah; 0,239 - perskaičiavimo koeficientas J į cal; T – absoliuti cheminio proceso temperatūra; dE/dT - emf temperatūros koeficientas; galvaninių elementų atveju jis paprastai yra mažesnis nei 1 mV per 1° (žr. 1 lentelę).

Tam tikram galvaniniam elementui EML temperatūros koeficientas gali keisti jo reikšmę ir ženklą, priklausomai nuo reaguojančių medžiagų koncentracijos ir T°. Pateikta lentelė 2, kuriame pateikiamos galvaninių elementų emf vertės esant skirtingoms temperatūroms, taip pat galima apskaičiuoti atitinkamas emf temperatūros koeficiento reikšmes ir patikrinti jo kintamumą.

Galvaniniai elementai su mažiausiu temperatūros koeficientu, atsižvelgiant į daugybę kitų sąlygų, yra naudojami kaip EML standartai. Kai dE/dT vertė yra artima nuliui arba lygi nuliui, galvaninių elementų EML apskaičiuoti taikoma paprastesnė formulė (Tomsono taisyklė):

Naudojant aukščiau pateiktas formules, reikia eksperimentiškai nustatyti dE/dT ir tiksliai apskaičiuoti bendrą galvaninių elementų cheminių reakcijų šiluminį efektą, o tai yra sunku ir ne visada įmanoma. Šis sunkumas pašalinamas naudojant 3 termodinamikos dėsnį, kuris leidžia apskaičiuoti galvaninių elementų EML vien iš šiluminių duomenų.

Galvaninių elementų osmosinė teorija. Elektrodo ir elektrolito poros kontaktinis potencialas ε, pagrįstas Nernsto galvaninių elementų osmosine teorija, išreiškiamas tokia formule:

kur n ir T turi aukščiau nurodytas reikšmes; R/F – elektrolitinės dujų konstanta, kurios skaitinė reikšmė yra 0,864x10 –4, jei ε išreiškiamas V; P – elektrodo medžiagos tirpimo elastingumas; p = kC – jonų slėgis tirpale, kur C – jonų koncentracija, išreikšta gramais jonų/l. Nernsto formulė leidžia atskirai tirti reiškinius prie anodo ir katodo. Patogiau naudoti jo išraišką priklausomai nuo jonų koncentracijos elektrolite:

čia ε 0 yra pastovi kiekvieno jono charakteristika, vadinama atitinkamo elektrodo elektrolitiniu potencialu, palyginti su elektrolitu, kuriame yra 1 bandomasis gramas jonų litre (ε 0 yra nurodytas 18° su ženklu, atitinkančiu elektrodą etaloninėse lentelėse normalaus potencialo), (0,058∙ log C)/n yra koncentracijos pokyčių pataisos narys, paimtas su ženklu (+), kai susidaro katijonai Mà M +, ir su ženklu (-) anijonų susidarymo Xà X – . Galvaninės grandinės EML gaunamas kaip atskirų elektrodų potencialų skirtumas:

Tiesiogiai matuojant ε, kaip sąlyginis nulis, dažniausiai normalus, naudojami pagalbiniai elektrodai: vandenilis ε n arba kalomelis ε c, susiję su lygtimi:

Bandomojo elektrodo absoliutus potencialas (ne visuotinai priimta vertė) per pagalbinį nustatomas pagal lygtis:

arba grafiškai – žr. pav. 5 ir lentelė. 3.

Fig. 5 C rodo potencialą kalomelio elektrodo atžvilgiu, H – vandenilio elektrodo atžvilgiu, pH – vandenilio jonų koncentraciją, N – normalų tirpalą.

Reiškiniai uždaroje grandinėje (galvaninio elemento poliarizacija). Kai praeina srovė, elektrodų potencialai, o kartu su jais ir emf, keičia savo pradines vertes atviroje grandinėje, priklausomai nuo srovės tankio ant elektrodų ir galvaninio elemento iškrovos laiko, dėl pasikeitusio pasipriešinimo. elektrolito ir iš dalies elektrodų bei dėl aktyviųjų medžiagų sudėties ir koncentracijos pokyčių laikui bėgant.medžiagos. Šių priežasčių bendras poveikis, išreikštas galvaninio elemento vidinių nuostolių padidėjimu jį iškrovus, vadinamas galvaninio elemento poliarizacija. Poliarizacijos pobūdis ir laipsnis (šia bendra prasme) lemia svarbiausias galvaninio elemento technines savybes. Išskiriami šie galvaninės poliarizacijos tipai (4 lentelė):

Depoliarizacija. Taikant galvaninius elementus, depoliarizacija dažniausiai reiškia tik katodinę depoliarizaciją, atsižvelgiant į tai, kad prieš anodinį elementą dėl jo nereikšmingumo nesiimama jokių priemonių. Vadinasi, pavadinimas depoliarizatorius reiškia ne papildomą medžiagą, o pagrindinę katodą veikiančią medžiagą, kas, žinoma, nėra visiškai teisinga. Dėl techninių ir ekonominių priežasčių didžiausią praktinę reikšmę įgijo galvaniniai elementai, kuriuose kaip anodas naudojamas kietasis metalas, vadinamasis. tirpus elektrodas, o kaip katodas - akytas, netirpus, daugiausia deguonies elektrodas.

Atviros grandinės reiškiniai(galvaninių elementų savaiminis išsikrovimas). Šalutiniai procesai galvaniniuose elementuose yra susiję su antrinėmis reakcijomis, kurios vyksta, kai išorinė grandinė yra atvira. Jie turi didelę reikšmę galvaninių elementų laikymui, sukelia vadinamąjį elementų savaiminį išsikrovimą. Vidinės savaiminio išsikrovimo priežastys (žinoma, išskyrus trumpąjį jungimą, neatsargią gamybą ir kt.) sugrupuotos lentelėje. 5.

Metalų porų (grupė A, a) veikimo laipsnį lemia ne tiek grandinės EMF.

kiek emf iš šios grandinės:

kurią nulemia papildomos įtampos (viršįtampio) kiekis, reikalingas vandeniliui išleisti ant tam tikros medžiagos paviršiaus. Šių papildomų įtempių reikšmės svarbiausioms medžiagoms su lygiu paviršiumi pateiktos 6 lentelėje.

Tai, pavyzdžiui, paaiškina švino buvimo cinko galvaniniuose elementuose nekenksmingumą.

II. Pagrindiniai galvaninių elementų tipai. matosi nuo stalo. 7.

Ši santrauka įrodo, kad anodo problema buvo techniškai patenkinamai išspręsta jau pirmajame Voltos galvaniniame elemente. Cinkas iki šių dienų, išskyrus labai retus atvejus, yra nepakeičiama medžiaga kaip anodas. Visa galvaninių elementų istorija yra susijusi su tinkamiausios medžiagos, kaip katodo apskritai, deguonies elektrodo, ir iš dalies su elektrolito sudėtimi bei apdorojimu, paieška.

Gali būti gaminamas pagal skirtingas charakteristikas. Konstruktyvus skirstymas į elementus su vienu ir elementus su dviem skysčiais šiuo metu yra pasenęs. Didelę reikšmę, kurią patvirtina elementų mokslo istorija, yra katodo medžiagos cheminė sudėtis ir pradinė fizinė būsena (8 lentelė).

Tipiškų skirtingų galvaninių elementų grupių atstovų vaizdai pateikti lentelėje. I, kur nurodyti pagrindiniai cheminiai procesai ir atitinkamos elektrovaros jėgos.

A) Galvaniniai elementai su skysto katodo medžiaga(depoliarizatorius). „a“ grupės galvaniniai elementai - daugeliu atvejų elementai su dviem skysčiais, su pralaidžia pertvara arba be jos, turi ch. arr. istorinis interesas ir akademinė reikšmė (klasikinė Danielio galvaninė grandinė). Meidinger elementai be diafragmos pastebimesni naudojami telegrafo praktikoje. Vėliau šios grupės galvaniniai elementai yra Schuster elementai su diafragma:

ir L. Darimont su pusiau pralaidžia membrana pertvaros porose.

b) Galvaniniai elementai su kieto katodo medžiaga. Šiuo metu didžiausią praktinę reikšmę turi „b“ grupės galvaniniai elementai. Pagal „A“ kategoriją jie apima, be nurodytų lentelėje. I elementas su sidabro chloridu, naudojamas medicinos reikmėms, žinomas kaip normalios elemento įtampos standartai – Clark:

Zn+Hg 2SO 4 =ZnSO 4 + 2Hg , EML 1,433 V esant 15°,

ir Westonas:

Cd + Hg 2 SO 4 = CdSO 4 + 2 Hg , EMF 1,0184 V prie 20°;

Pagal „B“ kategoriją į šią galvaninių elementų grupę, be daugelio žinomų Leclanchet elementų su neutraliu elektrolitu atlikimo formų, įeina kelių tipų elementai su šarminiu elektrolitu (Lalande, Edison, Wedekind ir kt.) , veikia pagal šią schemą:

cheminė reakcija:

Vienas iš šių šiuolaikinių amerikietiškų dizainų parodytas Fig. 6 (kairysis paveikslas yra galvaninis elementas, kuris nebuvo naudojamas, dešinysis paveikslėlis išsikrovęs); bitų grafikas parodytas fig. 7.

Šie elementai naudojami geležinkelių ir kitai signalizacijai ir gaminami 100-600 Ah talpos dydžiais.

Dėl žemos įtampos jų eksploatacija yra brangi; Šie elementai yra jautrūs temperatūros svyravimams. Taip pat žinomi šios grupės elementai su rūgštiniu elektrolitu, veikiantys pagal šią schemą:

cheminė reakcija:

Šio tipo žibintuvėlio elemento forma parodyta fig. 8.

V) Galvaniniai elementai su dujine katodo medžiaga. „B“ grupės galvaniniai elementai pastaraisiais metais pradėjo įgyti pramoninę reikšmę (iki šiol daugiausia Prancūzijoje); yra žinomi kaip elementai su oro depoliarizacija arba, tiksliau, depoliarizacija oro deguonimi. Elementas Feri buvo vienas pirmųjų, sulaukusių platesnio pripažinimo. Dirbdamas su dujų elektrodu Feri ne tik leido išspręsti problemą, kaip žymiai sutaupyti cinko suvartojimo galvaniniuose elementuose, bet ir sėkmingai išvengė sunkumų, susijusių su deguonies perėjimu iš dujų į joninę būseną. kartu eksperimentiškai apšviečiant depoliarizacijos mechanizmą. Šio elemento įrenginio (9 pav.) esmė tokia: indo apačioje yra horizontali cinko plokštė; šalia jo yra specialiai pagamintas vertikalus anglies elektrodas, turintis didelį poringumą ir elektrinį laidumą, išsikišęs virš elektrolito (amonio chlorido tirpalo).

Feri elemento fizikiniai-cheminiai procesai. Teorinė lygtis

ne visai tiksli. Tiesą sakant, procesas suskirstytas į du etapus. Pirmajame etape:

Susidaro ZnCl 2, kaip ir įprastoje Leclanche ląstelėje, bet tada, darbui eidamas, elektrolitas išsiskiria į tris sluoksnius: specifiškai sunkusis ZnCl 2 (silpnai rūgštinė terpė) lieka apačioje ir dengia cinką (10 pav.), apsaugodamas. tai nuo netolygios korozijos; ant anglies susidaręs specifinis lengvesnis NH 4 OH tirpalas plūduriuoja į viršų (silpnai šarminė terpė), o viduryje lieka vyraujantis neutralus nesuvartoto NH 4 Cl tirpalas, artėjant išoriniams sluoksniams ir bendram NH 4 Cl kiekiui. tirpale mažėja, prasideda antrasis proceso etapas:

be to, NH 4 Cl dalinai regeneruojamas, o cinko oksido nuosėdos nukrenta ties išorinių sluoksnių sandūros riba; apatinė anglies elektrodo dalis, nukreipta į cinką, visą laiką išlieka švari ir, svarbiausia, panardinta į ZnCl 2 tirpalą.

Priešingai nukreiptas skysčių poros EML (11 pav.)

apytiksliai lygus 0,25 V, nesumažina pagrindinio EML, nes yra trumpai sujungtas su anglies elektrodu.

Anglies (dujų) elektrodas apatinėje dalyje yra prisotintas adsorbuoto vandenilio, viršutinėje - deguonies. Šio elektrodo depoliarizacijos laipsnį lemia trumpojo jungimo poros veikimas:

su EMF ~ 0,5-1,0 V.

Tai paaiškina elemento veikimo stabilumą, kuris priklauso nuo Ch. arr. apie anglies elektrodo kokybę.

Galvaninių elementų palyginimas su dujų, kieto ir skysto katodo medžiaga. Palyginamasis Fery elemento ir Leclanche elemento išleidimų grafikas parodytas Fig. 12.

Lentelėje parodytas palyginamasis medžiagų sunaudojimas elementuose su skirtingomis katodo medžiagos fizinėmis būsenomis. 9, kai iškraunama esant labai silpnai arba stipresnei srovei su pertrūkiais.

Feri pateikia šias lyginamąsias vieno Ah gamybos sąnaudas:

Be Feri elementų, šiuo metu žinomi elementai su oro depoliarizacija (Le Carbone) ir su šarminiu elektrolitu (Ney, Nyberg ir Jungner). Fig. 13 paveiksle parodytas galvaninių elementų iš Le Carbone, AD 220, iškrovos grafikas, esant pastoviai 5 omų varžai.

Galvaninės ląstelės šlapios ir sausos išsiskiria iš jų elektrolito būsenos: skysto vandeninio tirpalo pavidalu arba paverčiant želė, lipnia mase su kokiu nors tirštikliu (krakmolu), arba galiausiai sėslios ir nepilančios formos. viena, kuriai skystu elektrolitu (medžio pjuvenomis, gipsu, smėliu, kartonu) impregnuojama akyta inertiška užpildo masė.

Leclanche tipo galvaniniai elementai su sausu elektrolitu jau seniai gavo didžiausią praktinį pritaikymą ir pramoninę reikšmę. Šiuo atžvilgiu pastaruoju metu buvo atlikta daug darbo, siekiant nušviesti joje vykstančius fizikinius ir cheminius procesus. Šio elemento galvaninės grandinės schema:

Nustatyta MnO 2 deoksidacija į Mn 2 O 3. Skirtingai nuo Feri elemento (vertikalus elektrodų išdėstymas ir ZnCl 2 buvimas elektrolite), mažo judrumo elektrolito atskyrimas čia vyksta mažesniu mastu. Yra trys cheminių reakcijų etapai:

Be to, NH 4 OH ir ZnCl 2 sąveiką tam tikromis sąlygomis taip pat lydi cinko oksichlorido susidarymas pagal šią lygtį:

Faktinis MnO 2 suvartojimas kartais yra mažesnis nei reikalaujama pagal 1, 2 arba 3 lygtis, o tai paaiškinama atmosferos deguonies dalyvavimu reakcijose, nes užtikrinama prieiga prie pastarojo arba gali būti kita, vis dar menkai suprantama adsorbcija. reiškiniai prie katodo. Elektrodų poliarizaciją daugiausia lemia OH- ir kiek mažiau Zn++ jonų koncentracijos padidėjimas (10 lentelė).

Taip pat vyksta mechaninė poliarizacija (žr. 4 lentelę) ZnCl 2 ∙2NH 3 nuosėdomis; Zn(OH)2 ir Zn(OH)Cl. Paskutiniai du yra ypač kenksmingi, blokuojantys elektrolito patekimą į porėtą katodą (aglomeratą). Sausų elementų savaiminis išsikrovimas lyginant su šlapiais, išskyrus Feri elementą, yra žymiai mažesnis, tačiau labai priklauso nuo gamybos būdo ir kokybės.

Sausų galvaninių elementų klasifikacija. Jei reikia tiekimo keleriems metams, taip pat esant kitoms specifinėms eksploatavimo sąlygoms (pavyzdžiui, atogrąžų šalyse), jie nori naudoti neįkrautus arba nevisiškai įkrautus galvaninius elementus ilgalaikiam saugojimui, kurį reikia atsinešti. prieš naudojant. Tačiau reikia turėti omenyje, kad tokių elementų tarnavimo laikas yra trumpesnis nei įprastų sausų galvaninių elementų.

Atsižvelgiant į didelę sausų galvaninių elementų projektavimo įvairovę, toliau pateikiama jų klasifikacija (11 lentelė) pagal konstrukcijos ypatybes, trumpai nurodant, kiek ir kaip laikomasi ilgalaikio saugojimo sąlygų; be to, lentelėje. II rodo pavyzdines kai kurių iš jų įgyvendinimo formas.

III. Galvaninių elementų taikymas. Elektros energijos iš galvaninių elementų kaina. Teorinis medžiagų, kurias galima naudoti kaip elektrodus, sunaudojimas ir šių medžiagų sąnaudų santykis (prieš 1914–18 m. karą) 1 Wh (12 lentelė) rodo, kad pastarųjų pasirinkimą riboja arba didelė kaina (ypač Cd). , Ag, Ni , Pb) arba techninių sunkumų, pavyzdžiui, Al, H 2).

Be to, įvertinus tai, kad 1 naudingoji Wh iš praktiškai ekonomiškiausiai veikiančio Feri elemento kainuoja apie 80 kapeikų, įvertinus vien medžiagų sąnaudas, paaiškės, kad tiek dėl ekonominių, tiek dėl techninių priežasčių Galvaniniai elementai yra naudojamas tik tais atvejais, kai sunaudojama mažai energijos suvartojančio imtuvo ir ypač mažos iškrovos galios. Be to, daugeliu atvejų galvaninių elementų naudojimą lemia ne tiek jų efektyvumas, kiek jų nepakeičiamumas ir daugybė praktinių patogumų. Pastarasis paaiškina vyraujantį Leclanche tipo elementų, ypač sausųjų, pasiskirstymą.

Elektriškai galvaninių elementų naudojimas gali būti derinamas lentelėje nurodytais režimais. 13.

Palyginus įvairių tipų elementų techninius duomenis, pavyzdžiui, Fery tipo elementus su sausais Leclanchet tipo elementais, paaiškėja, kad su konkrečia apkrova galima gauti tokį patį specifinį panaudojimą apie 50 Wh/l. elementų Leclanchet tipo 0,1-0,25 A/l, Feri tipo elementams tik 0,02-0,05 A/l. Tai paaiškina palyginti nedidelę Feri tipo galvaninių elementų sėkmę, nepaisant jų pranašumo efektyvumo požiūriu. Norint atlikti išsamesnį lyginamąjį vertinimą, taip pat būtina atsižvelgti į leistiną iškrovos įtampos diapazoną ir daugybę kitų sąlygų. Iki šiol sėkmingiausia sistema turėtų būti laikoma Leclanche sistema, kuri lengviau nei kitos pritaikoma įvairiems praktikoje sutinkamiems imtuvų veikimo režimams, o tai paaiškina platų jos paplitimą.

Pramoninė galvaninių elementų gamyba. Didžiausią pramoninę reikšmę turi „1, b“ grupės galvaniniai elementai (13 lentelė), ty išdžiovinti želė pavidalo elektrolitu. Šių galvaninių elementų gamybos mastai matomi lentelėje. 14.

Šiuo metu daugelis šalių normalizavo galvaninių elementų gamybą. Vokietijoje yra standartizuoti 8 tipų sausieji elementai, 2 tipų drėgnieji elementai ir 1 tipo kišeninės baterijos. Amerikoje yra 2 tipų sausųjų elementų, 5 tipų kišeninių baterijų ir 2 tipų anodinių radijo baterijų. Visos Sąjungos cinko-anglies-mangano peroksido galvaninių elementų su fiksuotu elektrolitu standarto projekte (15 lentelė) numatyti 7 sausų ir vandeniu užpildytų galvaninių elementų tipai.

Radijo baterijų (anodo ir kaitinimo siūlų), ypač pirmųjų, gamybai keliami aukščiausi reikalavimai, pavyzdžiui, dėl elementų homogeniškumo. Šiuo metu jų dizainas dar negali būti laikomas galutinai nusistovėjusiu ne tik čia, bet ir užsienyje, nors pastaruoju metu, ypač Amerikoje, jų gamybos technika pasiekė didelį tobulumą.

Fig. 14 rodo periodinio anodo baterijos iškrovimo grafikus, o Fig. 15 paveiksle parodytas vieno iš radijo baterijos elementų vaizdas.

Pagrindinės medžiagos sausų elementų gamybai. Mangano peroksidas arba dioksidas dėl mažo laidumo dažniausiai naudojamas sandariame mišinyje su grafito milteliais, vadinamųjų aglomeratų – poringų (iki 40 proc.) kūnų, supančių anglies laidininko strypą, pavidalu (žr. II lentelę). . Medžiagų kainos likutį daugiausia sudaro (procentais):

Pramoniniai reikalavimai maksimaliam aktyviųjų medžiagų naudojimui galvaniniuose elementuose turėtų būti vertinami iš dviejų pusių: a) iš šių medžiagų atsparumo savaiminiam suvartojimui ir b) iš jų veiklos eksploatacijos metu pusės. Pirmasis reikalavimas visų pirma taikomas anodui, antrasis – katodui. Kalbant apie cinką, nustatyta, kad ne mažesnį (jei ne didesnį) vaidmenį nei cheminė sudėtis vaidina jo paviršiaus ir kristalinės struktūros būklė, t.y. savybės, kurios priklauso nuo šios valcuotos medžiagos apdirbimo. Kaip mangano dioksidas naudojami: a) mangano rūda (piroliusitas), b) dirbtinis (chemiškai gautas) mangano peroksidas, c) abiejų mišinys, pavyzdžiui, 2 masės dalys pirmojo ir 1 masės dalis antra. Pirmasis išsiskiria didesniu atsparumu ir elektriniu laidumu, antrasis – didesniu aktyvumu. Didelę reikšmę turi ir piroliusito mineraloginė kilmė bei polimerizacijos laipsnis. SSRS Chiatura piroliusitas naudojamas beveik išimtinai. MnO 2 panaudojimas aglomerate labai priklauso nuo: a) naudojamo grafito pobūdžio, b) abiejų ingredientų malimo laipsnio (grūdelių dydis apie 0,05 mm), c) jų elektrinio laidumo, d) sudėties. mišinio ir jo paruošimo (slėgis) ir galiausiai e) MnO 2 ir grafito adsorbavimo geba. Vidutiniškai, esant nuolatiniam iškrovimui iki 0,7 V, pirolizito naudojimas sausose ląstelėse yra ne daugiau kaip 20-30% (deoksidacija iki Mn 2 O 3), o dirbtinio mangano peroksido (MnO 2) - 60-70%. Santykis (MnO 2 /grafitas) šiuolaikiniuose elementuose yra 2-4.

Sausų galvaninių elementų elektrolitas. Sausų galvaninių elementų kokybė, ypač gebėjimas laikyti, labai priklauso ne tik nuo elektrolito cheminės sudėties, bet ir nuo fizinių savybių, užpildymo būdo ir kt. Lygiojo metalinio cinko korozijos priklausomybė tirpaluose Įvairių koncentracijų amoniakas parodytas Fig. 16, iš kurio matyti, kad naudojant 20 % grynumo NH 4 Cl tirpalą susidaro minimali korozija (atskirų priemaišų poveikį įvertina Drucker).

Remiantis teorija, pageidautina, kad sausų elementų elektrolite būtų didžiausia NH 4 Cl koncentracija. Vienas naudingas priedas, mažinantis cinko tirpimą, yra cinko chloridas (žr. Nernsto lygtį), kaip matyti iš Fig. 17, tirpalui, kuriame yra 25 g NH 4 Cl 100 cm 3 įvairių koncentracijų ZnCl 2 tirpalo.

Iš šio grafiko taip pat aišku, kad cinko amalgamacijos poveikis korozijai reikšmingai įtakoja tik nesant ZnCl 2, taip pat kad ZnCl 2 kiekio padidėjimas daugiau nei 25 % (savitasis sunkis 1,24) koroziją veikia daug mažiau, be to, kaip Iš teorijos išplaukia, yra nepalankus greitam Zn(OH) 2 susidarymui. Įdomu pastebėti, kad akivaizdžiai optimali ZnCl 2 koncentracija atitinka ZnCl 2 ∙2NH 4 Cl kompleksą. Be kitų elektrolito savybių, reikšmingas yra jo klampumas. Pasak Druckerio, 5 % NH 4 Cl tirpalo pasta turi mažesnį poveikį cinkui nei 10 % pasta. Yra žinomi du elektrolito želatininimo būdai: 1) elementas užpildomas skystu elektrolitu ir kaitinamas tol, kol susidarys pasta (įprastas būdas) 2) želatinizacija atliekama įprastoje temperatūroje naudojant cinko chloridą. Kaip tirštiklis dažniausiai naudojamas mišinys iš dviejų masės dalių krakmolo ir vienos masės dalies miltų. Nustatyta, kad sausiems elementams tinkamiausia yra klampi gelsva masė, kuri gaunama esant trumpiausio želatinizacijos laiko kompozicijai. ZnCl 2 koncentracijos poveikis tirpalų želatinizacijos greičiui matomas fig. 18.

Gauti santykiai leidžia naudoti dvi atskirai netirpstančias kompozicijas (16 lentelė), kurios, sumaišytos kambario temperatūroje, suteikia daug reikiamų savybių, be to, per iš anksto apskaičiuotą laiką.

Ši vertinga ZnCl 2 kokybė, kartu su aukščiau nurodytomis savybėmis, taip pat dėl ​​higroskopinių ir konservuojančių savybių, paaiškina iš pažiūros nesuprantamą medžiagos įvedimą į šviežią galvaninį elementą, kuris susidaro kaip elemento veikimo produktas. , ir tie pranašumai talpos ir galiojimo laiko atžvilgiu, kuriuos turi gamykloje pagaminti sausieji elementai prieš skystus ir kitas jų formas, nenaudojant ZnCl 2. Neseniai buvo išvengta dvigubų junginių su NH3 susidarymo naudojant elektrolitą be NH 4 Cl, ty magnio chloridą, pridedant mangano chlorido. Aglomerato prisotinimo elektrolitu ir elemento užpildymo būdas turėtų būti vertinamas atsižvelgiant į jo išsaugojimą, kaip apsaugoti Zn nuo atmosferos deguonies poveikio. Būtinas tinkamam veikimui ir nekenksmingas cinkui, esančiam apačioje Feri tipo elementuose, oro deguonis sausuose galvaniniuose elementuose, priešingai, stipriai naikina cinką, ypač kartu su koncentracijos pora (19 pav.) veikiantis išilgai elektrodo, kai jis yra vertikalioje padėtyje.

Technologiniai galvaninių elementų gamybos metodai. Gamyklinė galvaninių elementų gamyba skirstoma į šias pagrindines operacijas: a) cinko polių gamyba, b) katodų (aglomeratų) paruošimas, c) elektrolito paruošimas ir d) šių komponentų surinkimas. Pirmoji operacija susideda iš įprastinių mechaninių metodų: cinko lakštų pjovimo, rašto lenkimo ir litavimo; Taip pat naudojamas cinko polių štampavimas ir elektrinis suvirinimas. Aglomeratų ruošimas iš grafito ir pirolizito, išsijoto iki tam tikro grūdelio ir sumaišytų tam tikra proporcija, susideda iš reikiamo dydžio presavimo briketų. Žinomi du presavimo būdai: 1) spaudimas tiesiai ant anglies ir 2) spaudimas ant šabloninio strypo, kuris vėliau pašalinamas, o po to anglis įkišama į suformuotą kanalą. Pirmojo metodo pranašumas yra sumažinti atsparumą sukepintos anglies sąlyčiui; antrasis yra galimybė naudoti aukštą slėgį spaudimo metu. Pastaruoju metu plačiai paplito automatinis presavimas. Presuotas aglomeratas, dedamas ant anglies, dedamas į medžiaginį arba popierinį dangtelį, dažniausiai suveržiamas spirale plonu virvele, kad būtų didesnis mechaninis stiprumas ir apsaugotų masę nuo atskilimo. Ši technika vadinama surišimu su sukepimu ir dažniausiai atliekama rankiniu būdu. Amerikoje praktikuojama pažangesnė technika - aglomerato kartoninis apvalkalas be varginančio surišimo, o kartoninis apvalkalas, užpildantis visą erdvę tarp aglomerato ir cinko, tuo pačiu metu tarnauja kaip separatorius ir taip pat atlieka elektrolito užpildo vaidmenį. . Vienas iš galimų mažų mėginių surišimo mechanizavimo būdų parodytas fig. 20, pagal kurią aglomeratai su ant jų uždėtais dangčiais su nedidele trintimi spaudžiami per šaltos arba įkaitintos matricos angą, o atitinkamai išdėstytas perforatorius užsandarina dugnus.

Pusiau automatinės mašinos taip pat naudojamos uždėti spaustukus - žalvarinius dangtelius. Vieno iš jų įrenginys parodytas fig. 21.

Techniniai duomenys: svoris 96 kg, energijos sąnaudos 1/2 l. s., našumas 1500 vnt. valandomis Panašiai ir masinėje gamyboje b. arba buvo mechanizuoti kiti galvaninių elementų surinkimo būdai.

Galvaninių elementų bandymai. Elektrinės savybės tikrinamos dviem būdais: 1) pastovi srovė I = Const ir 2) pastovi varža R = Const. Dėl paprastumo antrasis metodas yra labiau paplitęs. Bandymai skirstomi į šiuos tipus: 1) Išorinės charakteristikos arba vidinės varžos bandymas; norint gauti tiesinę priklausomybę V = f(I), V rodmuo turi būti paimtas esant pastovios būsenos vertei. 2) Talpos tikrinimas nuolatiniu iškrovimu V = f(t), kai I = Const arba R = Const. 3) saugojimo galimybių testas; patikimas metodas dar nėra sukurtas; netiesiogiai ir toli gražu nėra tiksliai vertinamas pagal EML pokytį ar vidinių nuostolių padidėjimą per tam tikrą galvaninių elementų laikymo laikotarpį. 4) Maksimalios galios bandymas sąlygomis b. arba m., artimas faktinėms galvaninių elementų veikimo sąlygoms (periodinis iškrovimas pagal Amerikos standartus). SSRS sk. arr. pirmieji du testų tipai; Šiuo metu bandoma naudoti trečiąjį tipą; Dažniausiai galvaninių elementų iškrova yra 10 omų varža.

Nustatyta, kad funkcijos V = f(t) forma esant R = Const galvaniniams elementams su MnO 2 labai tiksliai išreiškiama lygtimi:

kur V H. yra pradinė įtampa, b yra elemento konstanta, t yra laikas. Šis ryšys leidžia analitiškai nustatyti vidutinę įtampą V vid. iki bet kokios galutinės įtampos V K . iš Eq.

ir, atitinkamai, atitinkamą galvaninio elemento talpą

čia t 0 yra iškrovimo laikotarpis valandomis. Pirmoji iš lygčių taikytina iki V K . = 0,7 V ir žemiau esant iškrovos režimams iki 500 valandų.

Ilgesniems režimams (dažniausiai nenaudojamiems praktikoje) galimas pastebėtas kreivės nuokrypis (ne visiems galvaniniams elementams) nuo pradinės parabolinės formos (22 ir 23 pav. - kreivės, paimtos tokio paties dydžio galvaniniams elementams ir mažesniems). tomis pačiomis sąlygomis).

Tokiais atvejais taikant lygtį

ribojamas didesnės galutinės įtampos. Rusijos gaminių galvaninių elementų talpos kitimo pobūdis skirtingais režimais R = Const kelių dydžių elementams parodytas diagramoje „Iškrovimo laikas-talpa“ (24 pav.).

Iš diagramos matyti, kad taškai, atitinkantys tuos pačius režimus skirtingų dydžių galvaniniams elementams, yra tiesėse linijose, nubrėžtose iš koordinačių pradžios (atsparumo spindulių), kaip matyti iš lygties.

kadangi, esant labai nežymiems V H. svyravimams, V kp. = Const, taigi ir I vid. reikšmė. , kuris lemia pasipriešinimo pluošto polinkį į koordinačių ašis, taip pat = Const, kitaip tariant, vidutinė iškrovimo srovė praktiškai gali būti laikoma nepriklausoma nuo galvaninių elementų dydžio ir formos ir yra nustatoma tik pagal laidumą išorinė grandinė (atsparumas iškrovimui). Gauti paprasti ryšiai leidžia lengvai nustatyti talpą nuo iškrovos laiko grafiko iki galutinės įtampos, kuriai diagrama sudaryta. Kalbant apie galvaninių elementų talpos keitimą iškrovos režimu, daugybė neseniai pasirodžiusių formulių leidžia pakankamai tiksliai atlikti reikiamus skaičiavimus praktikai. Naudojant šias formules reikia ne tik pamiršti, kad jos yra empirinės ir todėl, griežtai tariant, taikomos tik produktams ir tomis sąlygomis, kuriomis šios formulės buvo išvestos. Iškrovoms esant I = Const, sausiesiems elementams taikoma Peukert formulė (žr. Elektriniai akumuliatoriai):

čia t 0 yra iškrovimo laikotarpis valandomis; rusiškų gaminių rodiklio n reikšmė iki V K. = 0,7 V buvo lygi 1,3. Amerikietiškiems gaminiams taip pat nustatytas Peukert formulės galiojimas, o iki V K. = 0,75 V vienam iš sausųjų elementų tipų reikšmė n = 2; konstanta k priklauso nuo elemento dydžio. Iškrovoms esant R = Const formulė yra tokia:

kur n lygus 1,5 VK. = 0,75 V amerikietiškiems gaminiams ir 1,3 iki V K. = 0,70 V rusiškiems gaminiams. Apskritai, kalbant apie konstantas n ir k, reikia turėti omenyje, kad jos abi priklauso nuo V K. ir, be to, k lemia depoliarizuojančios masės kiekis ir jos panaudojimo laipsnis, o n – elemento forma ir daugiausia depoliarizatoriaus aktyvaus sluoksnio storis.

Sausų elementų iškrovos įtampos priklausomybė nuo temperatūros ir iškrovos varžos matoma fig. 25, kuris rodo, kad –22° yra kritinė išleidimo temperatūra b. arba m reikšminga srovė.

Galvaninių elementų tikrinimo įranga susideda iš: 1) iškrovos plokštės su varžų rinkiniu ir voltmetro jungikliu (26 pav.);

2) instaliacijos, skirtos pertraukiamam bandymui pagal amerikietiškus standartus, kuriose relės C, valdomos laikrodžio mechanizmu A, tikrinamos uždaros ir atviros grandinės E (27 pav.);

3) įrenginiai, skirti periodiškai 2 valandas per dieną kūrenamų baterijų iškrovimui tikrinti (28 pav.).

1. Galvaninis elementas

Galvaninis elementas yra cheminis elektros srovės šaltinis, pavadintas Luigi Galvani vardu. Galvaninio elemento veikimo principas pagrįstas dviejų metalų sąveika per elektrolitą, dėl kurios uždaroje grandinėje susidaro elektros srovė. Galvaninio elemento emf priklauso nuo elektrodų medžiagos ir elektrolito sudėties. Tai pirminiai CIT, kurie dėl juose vykstančių reakcijų negrįžtamumo negali būti įkrauti.

Galvaniniai elementai yra vienkartiniai elektros energijos šaltiniai. Reagentai (oksidatorius ir reduktorius) yra tiesiogiai įtraukti į galvaninio elemento sudėtį ir sunaudojami jo veikimo metu. Galvaninis elementas pasižymi emf, įtampa, galia, talpa ir energija, perduodama į išorinę grandinę, taip pat saugojimu ir aplinkos sauga.

EML lemia galvaniniame elemente vykstančių procesų pobūdis. Galvaninio elemento U įtampa visada yra mažesnė už jo EMF dėl elektrodų poliarizacijos ir varžos nuostolių:

U = Eе – I(r1–r2) – ΔE,

kur Ee yra elemento EML; I – srovės stipris elemento darbo režime; r1 ir r2 – pirmos ir antros rūšies laidininkų varža galvaninio elemento viduje; ΔE yra galvaninio elemento poliarizacija, susidedanti iš jo elektrodų (anodo ir katodo) poliarizacijų. Poliarizacija didėja didėjant srovės tankiui (i), nustatoma pagal formulę i = I/S, kur S yra elektrodo skerspjūvio plotas, ir didėjant sistemos varžai.

Veikiant galvaniniam elementui, jo EMF ir atitinkamai įtampa palaipsniui mažėja, nes sumažėja reagentų koncentracija ir padidėja redokso procesų produktų koncentracija ant elektrodų (prisiminkime Nernsto lygtį). Tačiau kuo lėčiau mažėja įtampa galvaninio elemento iškrovos metu, tuo didesnės jos panaudojimo praktiškai galimybės. Elemento talpa yra bendras elektros kiekis Q, kurį galvaninis elementas gali tiekti veikimo metu (iškrovos metu). Talpa nustatoma pagal galvaniniame elemente laikomų reagentų masę ir jų virsmo laipsnį. Didėjant iškrovos srovei ir mažėjant elemento darbinei temperatūrai, ypač žemiau 00C, mažėja reagentų konversijos laipsnis ir elemento talpa.

Galvaninio elemento energija lygi jo talpos ir įtampos sandaugai: ΔН = Q.U. Elementai, turintys didelę EML vertę, mažą masę ir aukštą reagentų konversijos laipsnį, turi didžiausią energiją.

Sandėliavimas – tai elemento saugojimo laikotarpio trukmė, per kurią jo charakteristikos išlieka nurodytų parametrų ribose. Didėjant elemento laikymo ir veikimo temperatūrai, mažėja jo galiojimo laikas.

Galvaninio elemento sudėtis: reduktoriai (anodai) nešiojamuose galvaniniuose elementuose, kaip taisyklė, yra cinkas Zn, ličio ličio, magnio Mg; oksidatoriai (katodai) - mangano MnO2, vario CuO, sidabro Ag2O, sieros SO2 oksidai, taip pat druskos CuCl2, PbCl2, FeS ir deguonies O2.

Pasaulyje labiausiai paplitusi gamyba išlieka mangano-cinko elementų Mn-Zn gamyba, plačiai naudojama radijo įrangai, ryšio įrenginiams, magnetofonams, žibintuvėms ir kt. Tokio galvaninio elemento konstrukcija parodyta paveikslėlyje.

Srovę generuojančios reakcijos šiame elemente yra šios:

Prie anodo (–): Zn – 2ē → Zn2+ (praktikoje elemento kūno cinko apvalkalas palaipsniui tirpsta);

Prie katodo (+): 2MnO2 + 2NH4+ + 2ē → Mn2O3 + 2NH3 + H2O.

Elektrolitinėje erdvėje taip pat vyksta šie procesai:

Prie anodo Zn2+ + 2NH3 →2+;

Prie katodo Mn2O3 + H2O → arba 2.

Molekuline forma galvaninio elemento veikimo cheminė pusė gali būti pavaizduota bendra reakcija:

Zn + 2MnO2 + 2NH4Cl → Cl2 + 2.

Galvaninių elementų diagrama:

(–) Zn|Zn(NH3)2]2+|||MnO2 (C) (+).

Tokios sistemos EMF yra E = 1,25 ÷ 1,50 V.

Galvaniniai elementai su panašia reagentų sudėtimi šarminiame elektrolite (KOH) pasižymi geresnėmis išėjimo charakteristikomis, tačiau jie netinka nešiojamuose įrenginiuose dėl pavojaus aplinkai. Ag-Zn sidabro-cinko elementai turi dar geresnes charakteristikas, tačiau jie yra labai brangūs ir todėl nėra ekonomiški. Šiuo metu žinoma daugiau nei 40 skirtingų nešiojamųjų galvaninių elementų tipų, paprastai vadinamų „sausosiomis baterijomis“.

2. Elektros baterijos

Elektrinės baterijos (antrinis HIT) yra įkraunami galvaniniai elementai, kuriuos galima įkrauti naudojant išorinį srovės šaltinį (įkroviklį).

Akumuliatoriai – tai įrenginiai, kuriuose veikiant išoriniam srovės šaltiniui sistemoje kaupiama cheminė energija (baterijos įkrovimo procesas), o vėliau prietaiso veikimo metu (išsikrovimo) cheminė energija vėl paverčiama elektros energija. energijos. Taigi, įkraunant, akumuliatorius veikia kaip elektrolizatorius, o išsikraunant – kaip galvaninis elementas.

Supaprastinta forma akumuliatorių sudaro du elektrodai (anodas ir katodas) ir tarp jų esantis joninis laidininkas - elektrolitas. Anode vyksta oksidacijos reakcijos tiek iškrovimo, tiek įkrovimo metu, o redukcijos – katode.

Dar visai neseniai Rusijoje ir net Padniestrėje buvo labiausiai paplitusios rūgštinio švino ir šarminės nikelio-kadmio bei nikelio-geležies baterijos.

Jame esantys elektrodai yra švino tinkleliai, kurių vienas porose užpildytas švino oksido IV milteliais – PbO2. Elektrodai prijungiami prie elektrolito per porėtą separatorių. Visa baterija dedama į baką, pagamintą iš ebonito arba polipropileno.

Kai toks prietaisas veikia, jame vyksta šie elektrodų procesai:

A). Akumuliatoriaus, kaip elektros energijos šaltinio, išsikrovimas arba veikimas.

Prie anodo: (–) Pb – 2ē → Pb2+;

prie katodo: (+) PbO2 + 4H+ + 2ē → Pb2+ + 2H2O.

Ant elektrodų susidarę švino katijonai sąveikauja su elektrolito anijonais, išskirdami baltas švino sulfato nuosėdas

Pb2+ + SO42– = ↓PbSO4.

Bendra akumuliatoriaus iškrovimo proceso srovės generavimo reakcija:

Pb + PbO2 + 2H2SO4 = 2PbSO4↓ + 2H2O,

o veikiančio akumuliatoriaus, kaip galvaninio elemento, grandinė turi formą (–) Pb|PbSO4||PbO2 (+).

Įtampa veikiančio akumuliatoriaus gnybtuose siekia 2,0÷2,5 V. Prietaiso veikimo metu elektrolitas sunaudojamas, o sistemoje kaupiasi nuosėdos. Kai aktyviųjų vandenilio jonų koncentracija [H+] tampa kritinė reakcijai prie katodo, baterija nustoja veikti.

B). Akumuliatoriaus cheminio potencialo įkrovimas arba atkūrimas, kad vėliau jis būtų paverstas elektros energija. Norėdami tai padaryti, akumuliatorius yra prijungtas prie išorinio srovės šaltinio taip, kad neigiamas polius būtų tiekiamas į "anodo" gnybtą, o teigiamas - į "katodo" gnybtą. Tokiu atveju veikiant išorinei įtampai elektroduose vyksta atvirkštiniai procesai, atkuriant juos į pradinę būseną.

Metalinis švinas atkuria elektrodo paviršių (–): PbSO4 + 2ē → Pb + SO42;

Susidaręs švino oksidas IV užpildo švino gardelės poras (+): PbSO4 + 2H2O – 2ē → ↓PbO2 + 4H+ + SO42.

Bendra redukcijos reakcija: 2PbSO4 + 2H2O = Pb + PbO2 + 2H2SO4.

Galite nustatyti, kada akumuliatoriaus įkrovimo procesas baigtas, pagal dujų burbuliukų atsiradimą virš jo gnybtų („verda“). Taip yra dėl šalutinių vandenilio katijonų redukcijos procesų ir vandens oksidacijos, didėjant įtampai, redukuojant elektrolitus:

2Н+ + 2ē → Н2; 2H2O – 4ē → O2 + 2H2.

Akumuliatoriaus efektyvumas siekia 80%, o darbinė įtampa išlaiko savo vertę ilgą laiką.

Akumuliatoriaus emf gali būti apskaičiuojamas naudojant lygtį:

RT α4(H+) α2(SO42–)

EE = EE0 + –––– ℓn –––––––––––––– (kietos fazės komp.

2F α2(H2O)).

Pažymėtina, kad akumuliatoriuje negalima naudoti koncentruotos sieros rūgšties (ω(H2SO4) > 30%), nes tuo pačiu mažėja jo elektrinis laidumas ir padidėja metalinio švino tirpumas. Švino rūgšties akumuliatoriai plačiai naudojami visų tipų motorinėse transporto priemonėse, telefonuose ir elektrinėse. Tačiau dėl didelio švino ir jo gaminių toksiškumo švino baterijoms reikalinga hermetiška pakuotė ir visiškas jų veikimo procesų automatizavimas.

A) Šarminėse baterijose teigiamas elektrodas pagamintas iš nikelio tinklelio, impregnuoto gelio pavidalo nikelio hidroksidu II Ni(OH)2; o neigiamas – iš kadmio ar geležies. Joninis laidininkas yra 20% kalio hidroksido KOH tirpalas. Bendros srovės formavimo ir generavimo reakcijos tokiose baterijose yra tokios formos:

2NiOOH + Cd + 2H2O ◄====== 2Ni(OH)2 + Cd(OH)2; EE0 = 1,45 V.

2NiOOH + Fe + 2H2O ◄====== 2Ni(OH)2 + Fe(OH)2; EE0 = 1,48 V.

Šių baterijų privalumai – ilgas tarnavimo laikas (iki 10 metų) ir didelis mechaninis stiprumas, o trūkumai – mažas efektyvumas ir darbinė įtampa. Šarminės baterijos naudojamos elektromobiliams, krautuvams, kasybos elektriniams lokomotyvams, ryšių ir elektroninei įrangai, radijo imtuvams maitinti. Taip pat prisiminkime, kad kadmis yra labai toksiškas metalas, todėl utilizuojant naudotus prietaisus būtina laikytis saugos taisyklių.

EMF ir srovė. Reikia atsiminti, kad akumuliatoriuje turi būti elementų, turinčių tas pačias charakteristikas. Darbo planas Nubraižyti lygiavertes grandines: Reostato pajungimo grandinės Potenciometro prijungimo grandinės Galvaninių elementų sujungimo grandinės. Išvada Remiantis sukonstruotomis grandinėmis ir sąlygomis, kiekviena grandinė turi savo EML reikšmę, kiekvienoje grandinėje ji nustatoma skirtingai. Atsakymai į...

Galvaninio dengimo technologijos raida XIX – XX a. iš esmės lieka atvira. Atrodo, kad tai gali būti išspręsta remiantis galvaninės gamybos kūrimo proceso rekonstrukcija; atsekti, kurias mokslo ir technologijų sritis, konkrečius jų pasiekimus ji turi formuoti; atsižvelgti į socialines ir ekonomines prielaidas galvanizavimo technologijai atsirasti ir vystytis. ...

Srovė mažesnė nei galvanostegijoje; geležinėse galvanoplastinėse voniose jis neviršija 10-30 a/m2, o geležinio dengimo (galvanizavimo) metu srovės tankis siekia 2000-4000 a/m2. Galvaninės dangos turi būti smulkios kristalinės struktūros ir vienodo storio skirtingose ​​dengtų gaminių vietose – iškyšose ir įdubose. Šis reikalavimas ypač svarbus galvanizuojant...