Pile și baterii galvanice — dispozitiv, principiu de funcționare, tipuri

Surse de energie electrică cu putere redusă

Celulele și bateriile galvanice sunt folosite pentru alimentarea echipamentelor electrice și radio portabile.

Celulele galvanice - acestea sunt surse de acțiuni unice, acumulatoare — surse de acțiune reutilizabile.

Cel mai simplu element galvanic

Cel mai simplu element poate fi format din două benzi: cupru și zinc scufundate în apă ușor acidulată cu acid sulfuric. Dacă zincul este suficient de pur pentru a nu avea reacții locale, nu va avea loc nicio schimbare vizibilă până când cuprul și zincul sunt reunite.

Cu toate acestea, benzile au un potențial diferit, una față de cealaltă, iar atunci când sunt conectate printr-un fir, vor apărea electricitate… Prin această acțiune banda de zinc se va dizolva treptat și se vor forma bule de gaz lângă electrodul de cupru, adunându-se pe suprafața acestuia. Acest gaz este hidrogen generat de electrolit. Curentul electric curge de la banda de cupru de-a lungul firului la banda de zinc și de la aceasta prin electrolit înapoi la cupru.

Treptat, acidul sulfuric al electrolitului este înlocuit cu sulfat de zinc format din partea dizolvată a electrodului de zinc. Acest lucru reduce tensiunea celulei. Cu toate acestea, o cădere și mai mare de tensiune este cauzată de formarea de bule de gaz pe cupru. Ambele acțiuni provoacă „polarizare”. Astfel de articole nu au aproape nicio valoare practică.

Parametri importanți ai celulelor galvanice

Mărimea tensiunii date de celulele galvanice depinde numai de tipul și dispozitivul acestora, adică de materialul electrozilor și de compoziția chimică a electrolitului, dar nu depinde de forma și dimensiunea celulelor.

Curentul pe care îl poate furniza o celulă galvanică este limitat de rezistența sa internă.

O caracteristică foarte importantă a celulei galvanice este capacitate electrică… Capacitatea electrică înseamnă cantitatea de energie electrică pe care o celulă galvanică sau de stocare este capabilă să o furnizeze pe parcursul funcționării sale, adică până la începutul descărcării finale.

Capacitatea dată de celulă este determinată prin înmulțirea puterii curentului de descărcare, exprimată în amperi, cu timpul în ore în care celula a fost descărcată până la începutul descărcării complete. Prin urmare, capacitatea este întotdeauna exprimată în amperi-ore (Ah).

După valoarea capacității celulei, este, de asemenea, posibil să se determine în avans câte ore va funcționa înainte de începerea descărcării complete. Pentru a face acest lucru, trebuie să împărțiți capacitatea la puterea curentului de descărcare permis pentru acest element.

Cu toate acestea, capacitatea nu este strict constantă. Acesta variază în limite destul de mari în funcție de condițiile de funcționare (modul) elementului și de tensiunea finală de descărcare.

Daca celula este descarcata la curent maxim si, in plus, fara intreruperi, va da o capacitate mult mai mica. Dimpotrivă, atunci când aceeași celulă este descărcată la un curent mai mic și cu întreruperi frecvente și relativ lungi, celula își va renunța la capacitatea maximă.

În ceea ce privește influența tensiunii finale de descărcare asupra capacității celulei, trebuie avut în vedere că în timpul descărcării celulei galvanice, tensiunea de funcționare a acesteia nu rămâne la același nivel, ci scade treptat.

Tipuri comune de celule electrochimice

Cele mai comune celule galvanice sunt sistemele mangan-zinc, mangan-aer, aer-zinc și mercur-zinc cu electroliți de sare și alcalini.Pilele uscate de mangan-zinc cu electrolit de sare au o tensiune inițială de 1,4 până la 1,55 V, durata de funcționare. la o temperatură ambientală de -20 până la -60 ОDe la 7 până la 340 dimineața

Pilele uscate zinc-mangan și zinc-aer cu electrolit alcalin au o tensiune de 0,75 până la 0,9 V și un timp de funcționare de la 6 ore până la 45 de ore.

Celulele uscate cu mercur-zinc au o tensiune de pornire de 1,22 până la 1,25 V și un timp de funcționare de la 24 de ore la 55 de ore.

Celulele uscate cu mercur-zinc au cea mai lungă perioadă de valabilitate garantată, de până la 30 de luni.

baterii

baterii Acestea sunt celule electrochimice secundare Spre deosebire de celulele galvanice, nu au loc procese chimice în baterie imediat după asamblare.

Pentru ca bateria să declanșeze reacții chimice asociate cu mișcarea sarcinilor electrice, este necesar să se schimbe în mod corespunzător compoziția chimică a electrozilor săi (și parțial a electrolitului).Această modificare a compoziției chimice a electrozilor are loc sub acțiunea unui curent electric trecut prin baterie.

Prin urmare, pentru ca o baterie să producă curent electric, trebuie mai întâi să fie „încărcată” cu curent electric direct de la o sursă de curent externă.

Bateriile diferă și de celulele galvanice convenționale prin faptul că, după descărcare, pot fi reîncărcate. Cu grijă deosebită și în condiții normale de funcționare, bateriile pot dura până la câteva mii de încărcări și descărcări.
Dispozitiv alimentat cu baterie

În prezent, bateriile cu plumb și cadmiu-nichel sunt cel mai des folosite în practică. În prima soluție de acid sulfuric servește ca electrolit, iar în a doua soluție de alcali în apă. Bateriile cu plumb-acid sunt numite și baterii cu acid și bateriile nichel-cadmiu-alcaline.

Principiul de funcționare al bateriilor se bazează pe polarizarea electrozilor în timpul electrolizei... Cea mai simplă baterie cu acid este structurată astfel: este vorba de două plăci de plumb scufundate într-un electrolit. Ca rezultat al reacției de substituție chimică, plăcile sunt acoperite cu un strat subțire de sulfat de plumb PbSO4, după cum urmează din formula Pb + H2SO4 = PbSO4 + H2.

Dispozitiv cu baterie acidă

Această stare a plăcilor corespunde unei baterii descărcate. Dacă acum bateria este pornită pentru încărcare, adică conectată la un generator de curent continuu, atunci polarizarea plăcilor va începe în ea datorită electrolizei. Ca urmare a încărcării bateriei, plăcile acesteia sunt polarizate, adică schimbă substanța de pe suprafața lor și de la omogen (PbSO4) la diferit (Pb și PbO2).

Bateria devine sursa de curent, cu o placă acoperită cu dioxid de plumb ca electrod pozitiv și o placă de plumb curată ca electrod negativ.

Până la sfârșitul încărcării, concentrația electrolitului crește datorită apariției unor molecule suplimentare de acid sulfuric în acesta.

Aceasta este una dintre caracteristicile bateriei cu plumb-acid: electrolitul său nu rămâne neutru și el însuși participă la reacții chimice în timpul funcționării bateriei.

Până la sfârșitul descărcării, ambele plăci ale bateriei sunt din nou acoperite cu sulfat de plumb, drept urmare bateria încetează să mai fie o sursă de curent. Bateria nu este niciodată adusă în această stare. Datorită formării sulfatului de plumb pe plăci, concentrația electrolitului scade la sfârșitul descărcării. Dacă bateria este încărcată, atunci polarizarea poate fi cauzată din nou pentru a o pune din nou la descărcare etc.

Cum să încărcați bateria

Există mai multe moduri de a încărca bateriile. Cea mai simplă este încărcarea normală a bateriei, care se face după cum urmează. Inițial, timp de 5-6 ore, încărcarea se efectuează la un curent normal dublu până când tensiunea fiecărei baterii ajunge la 2,4 V.

Curentul normal de încărcare este determinat de formula Aztax = Q / 16

unde Q — capacitatea nominală a bateriei, Ah.

După aceea, curentul de încărcare este redus la o valoare normală și încărcarea continuă timp de 15-18 ore până când apar semne de sfârșit de încărcare.

Baterii moderne

Bateriile nichel-cadmiu sau alcaline au apărut mult mai târziu decât bateriile cu plumb, iar în comparație cu acestea sunt surse mai moderne de curent chimic.Principalul avantaj al bateriilor alcaline față de bateriile cu plumb constă în neutralitatea chimică a electrolitului lor în raport cu masele active ale plăcilor. Prin urmare, auto-descărcarea bateriilor alcaline este semnificativ mai mică decât a bateriilor plumb-acid. Principiul de funcționare al bateriilor alcaline se bazează și pe polarizarea electrozilor în timpul electrolizei.

Pentru a alimenta echipamentele radio, sunt produse baterii sigilate cadmiu-nichel, care sunt eficiente la temperaturi de la -30 la +50 ОC și rezistă la 400 - 600 de cicluri de încărcare-descărcare. Acești acumulatori sunt fabricați sub formă de paralelipipede compacte și discuri cu o greutate de la câteva grame la kilograme.

Bateriile nichel-hidrogen sunt produse pentru a alimenta obiecte autonome. Energia specifică a bateriei cu nichel-hidrogen este de 50 — 60 Wh kg-1.