Svet baterij - 3. del

Zgodovina sodobnih baterij se začne v devetnajstem stoletju, iz tega stoletja izvira večina modelov, ki se danes uporabljajo. To stanje priča na eni strani o odličnih idejah znanstvenikov tistega časa, na drugi strani pa o težavah, ki se pojavljajo pri razvoju novih modelov.

Malo stvari je tako dobrih, da jih ni mogoče izboljšati. To pravilo velja tudi za baterije - modeli iz XNUMX. stoletja so bili večkrat izpopolnjeni, dokler niso prevzeli sedanje oblike. To velja tudi za Leclancheove celice.

Povezava za izboljšanje

Zasnova francoskega kemika je bila spremenjena Carl Gasner v res uporaben model: poceni za izdelavo in varen za uporabo. Vendar pa so bile še vedno težave - cinkova prevleka elementa je korodirala ob stiku s kislim elektrolitom, ki je napolnil posodo, in brizganje agresivne vsebine bi lahko onemogočilo napajano napravo. Odločitev je postala združevanje notranja površina cinkovega telesa (živosrebrna prevleka).

Cinkov amalgam praktično ne reagira s kislinami, vendar ohranja vse elektrokemijske lastnosti čiste kovine. Zaradi okoljskih predpisov pa se ta način podaljšanja življenjske dobe celic vse manj uporablja (na celicah brez živega srebra najdeš napis ali) (1).

2. Postavitev alkalne celice: 1) ohišje (katodni svinec), 2) katoda, ki vsebuje manganov dioksid, 3) separator elektrod, 4) anoda, ki vsebuje KOH in cinkov prah, 5) anodni terminal, 6) tesnilo celice (izolator elektrode). .

Drug način za povečanje življenjske dobe in življenja celic je dodajanje cinkov klorid ZnCl₂ za pasto za polnjenje skodelic. Celice te zasnove se pogosto imenujejo Heavy Duty in (kot že ime pove) so zasnovane za napajanje bolj energetsko intenzivnih naprav.

Preboj na področju baterij za enkratno uporabo je bila gradnja leta 1955 alkalna celica. Izum kanadskega inženirja Lewis Urry, ki ga uporablja trenutno podjetje Energizer, ima strukturo nekoliko drugačno od strukture celice Leclanchet.

Prvič, tam ne boste našli grafitne katode ali cinkove skodelice. Obe elektrodi sta izdelani v obliki mokrih, ločenih past (zgoščevalci in reagenti: katoda je sestavljena iz mešanice manganovega dioksida in grafita, anoda iz cinkovega prahu s primesjo kalijevega hidroksida), njuni terminali pa iz kovine ( 2). Vendar so reakcije, ki se pojavijo med delovanjem, zelo podobne tistim, ki se pojavijo v celici Leclanchet.

Izziv. Izvedite "kemično obdukcijo" alkalne celice, da ugotovite, da je vsebina res alkalna (3). Ne pozabite, da enaki previdnostni ukrepi veljajo za razstavljanje Leclanchetove celice. Glejte polje Battery Code, kako prepoznati alkalno celico.

3. "Odsek" alkalne celice potrjuje vsebnost alkalij.

Domače baterije

4. Domače Ni-MH in Ni-Cd baterije.

Celice, ki jih je mogoče napolniti po uporabi, so bili cilj oblikovalcev že od samega začetka razvoja znanosti o elektriki, od tod tudi številne njihove vrste.

Trenutno je eden od modelov, ki se uporabljajo za napajanje malih gospodinjskih aparatov nikelj-kadmijeve baterije. Njihov prototip se je pojavil leta 1899, ko je to naredil švedski izumitelj. Ernst Jungner prijavil patent za nikelj-kadmijevo baterijo, ki bi lahko konkurirala baterijam, ki se že široko uporabljajo v avtomobilski industriji. svinčena baterija.

Anoda celice je kadmij, katoda je trivalentna nikljeva spojina, elektrolit je raztopina kalijevega hidroksida (v sodobnih "suhih" izvedbah mokra pasta zgoščevalcev, nasičenih z raztopino KOH). Ni-Cd baterije (to je njihova oznaka) imajo delovno napetost približno 1,2 V - to je manj kot celice za enkratno uporabo, kar pa za večino aplikacij ne predstavlja težav. Velika prednost je zmožnost porabe znatnega toka (tudi nekaj amperov) in širok razpon delovnih temperatur.

5. Pred polnjenjem preverite zahteve za različne vrste baterij.

Pomanjkljivost nikelj-kadmijevih baterij je obremenjujoč "učinek spomina". To se zgodi pri pogostem polnjenju delno izpraznjenih Ni-Cd baterij: sistem se obnaša, kot da je njegova zmogljivost enaka samo polnjenju, ki se napolni s ponovnim polnjenjem. Pri nekaterih vrstah polnilnikov je mogoče "učinek spomina" zmanjšati s polnjenjem celic v posebnem načinu.

Zato je treba izpraznjene nikelj-kadmijeve baterije polniti v celotnem ciklu: najprej popolnoma izprazniti (z uporabo ustrezne funkcije polnilnika) in nato ponovno napolniti. Pogosto polnjenje tudi zmanjša ocenjeno življenjsko dobo 1000-1500 ciklov (da bo veliko celic za enkratno uporabo v svoji življenjski dobi zamenjala ena baterija, zato se bodo višji stroški nakupa večkrat povrnili, da ne omenjam veliko manjše obremenitve baterije ). okolje s proizvodnjo in odstranjevanjem celic).

Ni-Cd elementi, ki vsebujejo strupen kadmij, so bili zamenjani nikelj-metal hidridne baterije (oznaka Ni-MH). Njihova struktura je podobna Ni-Cd baterijam, vendar je namesto kadmija uporabljena porozna kovinska zlitina (Ti, V, Cr, Fe, Ni, Zr, redke zemeljske kovine) s sposobnostjo absorbiranja vodika (4). Delovna napetost Ni-MH celice je tudi približno 1,2 V, kar omogoča njihovo zamenljivo uporabo z NiCd baterijami. Zmogljivost nikelj-metal-hidridnih celic je večja od zmogljivosti nikelj-kadmijevih celic enake velikosti. Vendar se sistemi NiMH hitreje samopraznijo. Že obstajajo sodobni modeli, ki nimajo te pomanjkljivosti, vendar stanejo veliko več kot standardni modeli.

Nikelj-metal hidridne baterije ne kažejo "učinka spomina" (delno izpraznjene celice je mogoče ponovno napolniti). Vendar pa morate vedno preveriti zahteve glede polnjenja posamezne vrste v navodilih za polnilnik (5).

V primeru Ni-Cd in Ni-MH baterij ne priporočamo, da jih razstavite. Prvič, v njih ne bomo našli nič koristnega. Drugič, nikelj in kadmij nista varna elementa. Ne tvegajte po nepotrebnem in prepustite to usposobljenim strokovnjakom.

Kralj akumulatorjev, to je ...

6. "Kralj baterij" na delu.

… Svinčeno-kislinska baterija, ki ga je leta 1859 zgradil francoski fizik Gaston Plantego (ja, ja, naprava bo letos stara 161 let!). Elektrolit baterije je približno 37 % raztopina žveplove kisline (VI), elektrode pa so svinčene (anoda) in svinčene, prevlečene s plastjo svinčevega dioksida PbO.₂ (katoda). Med delovanjem se na elektrodah tvori oborina svinčevega(II)(II)PbSO sulfata₄. Pri polnjenju ima ena celica napetost več kot 2 volta.

svinčena baterija dejansko ima vse pomanjkljivosti: veliko težo, občutljivost na praznjenje in nizke temperature, potrebo po skladiščenju v napolnjenem stanju, nevarnost agresivnega puščanja elektrolita in uporabo strupene kovine. Poleg tega zahteva skrbno ravnanje: preverjanje gostote elektrolita, dodajanje vode v komore (uporabljajte samo destilirano ali deionizirano), nadzor napetosti (padec napetosti pod 1,8 V v eni komori lahko poškoduje elektrode) in poseben način polnjenja.

Zakaj je torej starodavna struktura še vedno v uporabi? "Kralj akumulatorjev" ima tisto, kar je atribut pravega vladarja - moč. Visoka poraba toka in visoka energetska učinkovitost do 75 % (to količino energije, porabljene za polnjenje, je mogoče obnoviti med delovanjem), pa tudi preprosta zasnova in nizki stroški proizvodnje pomenijo, da svinčena baterija Uporablja se ne le za zagon motorjev z notranjim zgorevanjem, temveč tudi kot element zasilnega napajanja. Svinčeni akumulator kljub 160-letni zgodovini še vedno dobro deluje in ga druge vrste teh naprav niso izpodrinile (in s tem tudi sam svinec, ki je po zaslugi baterije ena izmed kovin, ki se proizvajajo v največjih količinah) . Dokler se bo motorizacija, ki temelji na motorjih z notranjim zgorevanjem, razvijala, njen položaj verjetno ne bo ogrožen (6).

Izumitelji niso prenehali poskušati ustvariti zamenjave za svinčeno-kislinsko baterijo. Nekateri modeli so postali priljubljeni in se še danes uporabljajo v avtomobilski industriji. Na prelomu iz devetnajstega v dvajseto stoletje so nastali modeli, v katerih raztopina H ni bila uporabljena.₂SO₄ampak alkalni elektroliti. Primer je zgoraj prikazana nikelj-kadmijeva baterija Ernsta Jungnerja. Leta 1901 Thomas Alva Edison spremenila zasnovo, da bi namesto kadmija uporabljala železo. V primerjavi s kislinskimi baterijami so alkalne baterije veliko lažje, lahko delujejo pri nizkih temperaturah in z njimi ni tako težko rokovati. Vendar je njihova proizvodnja dražja, energetska učinkovitost pa nižja.

Torej, kaj je naslednje?

Seveda članki o baterijah ne izčrpajo vprašanj. Ne obravnavajo na primer litijevih celic, ki se pogosto uporabljajo tudi za napajanje gospodinjskih aparatov, kot so kalkulatorji ali matične plošče računalnikov. Več o njih lahko izveste v januarskem članku o lanski Nobelovi nagradi za kemijo, o praktičnem delu pa čez mesec dni (vključno z rušenjem in izkušnjami).

Obstajajo dobri obeti za celice, zlasti baterije. Svet postaja vse bolj mobilen, kar pomeni potrebo po neodvisnosti od napajalnih kablov. Velik izziv je tudi zagotavljanje učinkovite oskrbe z energijo za električna vozila. - da se lahko kosajo z avtomobili z motorjem z notranjim zgorevanjem tudi po učinkovitosti.

akumulatorska baterija

Za lažjo identifikacijo tipa celice je bila uvedena posebna alfanumerična koda. Za vrste, ki jih v naših domovih najpogosteje najdemo za majhne aparate, ima obliko številka-črka-črka-številka.

in ja:

- prva številka je število celic; ignorirano za posamezne celice;

– prva črka označuje tip celice. Ko manjka, imate opravka s povezavo Leclanche. Druge vrste celic so označene na naslednji način:

C – litijeva celica (najpogostejši tip),

H – Ni-MH baterija,

K – nikelj-kadmijeva baterija,

L – alkalna celica;

- naslednja črka označuje obliko povezave:

F – krožnik,

R - valjaste,

P - splošna oznaka povezav, ki imajo obliko, ki ni cilindrična;

– končna številka ali številke označujejo velikost povezave (kataloške vrednosti ali neposredne navedbe dimenzij) (7).

7. Dimenzije priljubljenih celic in baterij.

Primeri označevanja:

R03
- cink-grafitna celica velikosti mezinca. Druga oznaka je AAA oz.

LR6 - alkalna celica v velikosti prsta. Druga oznaka je AA oz.

HR14 – Ni-MH baterija; črka C se uporablja tudi za označevanje velikosti.

KR20 – Ni-Cd baterija, katere velikost je prav tako označena s črko D.

3LR12 – ploščata baterija z napetostjo 4,5 V, sestavljena iz treh cilindričnih alkalnih celic.

6F22 - 9-voltna baterija, sestavljena iz šestih ploščatih celic Leclanchet.

CR2032 – litijeva celica s premerom 20 mm in debelino 3,2 mm.

Glej tudi: