Baterijų pasaulis – 3 dalis

Šiuolaikinių baterijų istorija prasideda XIX amžiuje, o dauguma šiandien naudojamų dizainų yra kilę iš šio amžiaus. Ši situacija, viena vertus, liudija nuostabias to meto mokslininkų idėjas, kita vertus, sunkumus, kylančius kuriant naujus modelius.

Nedaug dalykų yra tokie geri, kad jų neįmanoma pagerinti. Ši taisyklė galioja ir baterijoms – XNUMX amžiaus modeliai buvo daug kartų modifikuoti, kol įgavo dabartinę formą. Tai taip pat taikoma Leclanche ląstelės.

Tobulinimo nuoroda

Prancūzų chemiko dizainas buvo pakeistas Carlas Gassneris tikrai naudingas modelis: pigus gaminti ir saugus naudoti. Tačiau problemų vis tiek buvo – elemento cinko danga susilietus su dubenį užpildžiusiu rūgštiniu elektrolitu surūdydavo, o išsitaškęs agresyvus turinys galėjo pažeisti maitinamą įrenginį. Sprendimas tapo susijungimas vidinis cinko korpuso paviršius (gyvsidabrio danga).

Cinko amalgama praktiškai nereaguoja su rūgštimis, tačiau išlaiko visas gryno metalo elektrochemines savybes. Tačiau dėl aplinkosaugos taisyklių šis ląstelių naudojimo trukmės pailginimo metodas naudojamas vis rečiau (galite rasti elementų, kuriuose nėra gyvsidabrio) (1).

2. Šarminio elemento schema: 1) korpusas (švino katodas), 2) katodas, kuriame yra mangano dioksido, 3) elektrodų separatorius, 4) anodas, kuriame yra KOH ir cinko dulkių, 5) anodo gnybtas, 6) elementų sandarinimas (elektrodo izoliatorius) . .

Kitas būdas padidinti ląstelių patvarumą ir gyvenimo trukmę yra pridėti cinko chloridas ZnCl₂ pasta užpildyti puodelius. Tokios konstrukcijos elementai dažnai vadinami Heavy Duty ir (kaip rodo pavadinimas) yra skirti maitinti labiau energijos reikalaujančius įrenginius.

Proveržis vienkartinių baterijų srityje įvyko 1955 m. šarminė ląstelė. Kanados inžinieriaus išradimas Lewisas Urry, kurį naudoja dabartinė Energizer kompanija, turi šiek tiek kitokią struktūrą nei Leclanche ląstelių struktūra.

Visų pirma, ten nerasite nei grafito katodo, nei cinko taurelės. Abu elektrodai pagaminti šlapių, atskirtų pastų pavidalu (tirštikliai ir reagentai: katodas susideda iš mangano dioksido ir grafito mišinio, anodas pagamintas iš cinko dulkių su kalio hidroksido priemaiša), o jų gnybtai iš metalas (2). Tačiau reakcijos, atsirandančios veikimo metu, yra labai panašios į tas, kurios vyksta Leclanche ląstelėje.

Užduotis. Atlikite šarminės ląstelės „cheminę skrodimą“, kad nustatytumėte, ar jos turinys tikrai šarminis (3). Atminkite, kad tos pačios atsargumo priemonės taikomos išmontuojant Leclanche kamerą. Norėdami nustatyti šarminį elementą, žr. lauką Baterijos kodas.

3. Šarminės ląstelės "pjūvis" patvirtina šarmų kiekį.

Naminės baterijos

4. Buitinės Ni-MH ir Ni-Cd baterijos.

Celės, kurias galima įkrauti panaudojus, buvo dizainerių tikslas nuo elektros mokslo aušros, taigi ir daugybė jų tipų.

Šiuo metu vienas iš modelių, naudojamų smulkiems buitiniams prietaisams maitinti, yra nikelio-kadmio baterijos. Jų prototipas pasirodė 1899 m., kai tai padarė švedų išradėjas. Ernstas Jungneris pateikė patentą nikelio-kadmio baterijai, kuri galėtų konkuruoti su automobilių pramonėje jau plačiai naudojamais akumuliatoriais. švino rūgšties akumuliatorius.

Elemento anodas yra kadmis, katodas - trivalentis nikelio junginys, elektrolitas - kalio hidroksido tirpalas (šiuolaikinėse „sausose“ konstrukcijose – drėgna tirštiklio pasta, prisotinta KOH tirpalu). Ni-Cd baterijų (tai yra jų žymėjimas) darbinė įtampa yra maždaug 1,2 V - tai mažesnė nei vienkartinių elementų, tačiau tai nėra daugelio programų problema. Didelis privalumas – galimybė sunaudoti didelę srovę (net kelis amperus) ir platus darbinių temperatūrų diapazonas.

5. Prieš įkraudami patikrinkite skirtingų tipų akumuliatorių reikalavimus.

Nikelio-kadmio baterijų trūkumas yra varginantis „atminties efektas“. Taip nutinka, kai iš dalies išsikrovusios Ni-Cd baterijos dažnai įkraunamos: sistema elgiasi taip, lyg jos talpa būtų lygi tik įkrovimui, papildytam įkrovimo metu. Kai kurių tipų įkrovikliuose „atminties efektą“ galima sumažinti įkraunant elementus specialiu režimu.

Todėl išsikrovusias nikelio-kadmio baterijas reikia įkrauti per visą ciklą: iš pradžių visiškai iškrauti (naudojant atitinkamą įkroviklio funkciją) ir tada įkrauti. Dažnas įkrovimas taip pat sumažina konstrukcinį 1000–1500 ciklų eksploatavimo laiką (tiek vienkartinių elementų bus pakeista viena baterija per jos eksploatavimo laiką, todėl didesnė pirkimo kaina atsipirks daug kartų, jau nekalbant apie tai, kad bus daug mažesnė apkrova baterija). aplinka su ląstelių gamyba ir šalinimu).

Ni-Cd ląstelės, kuriose yra toksiško kadmio, buvo pakeistos nikelio metalo hidrido baterijos (pavadinimas Ni-MH). Jų struktūra panaši į Ni-Cd akumuliatorių, tačiau vietoj kadmio naudojamas akytas metalų lydinys (Ti, V, Cr, Fe, Ni, Zr, retųjų žemių metalai), turintis galimybę sugerti vandenilį (4). Ni-MH elemento darbinė įtampa taip pat yra apie 1,2 V, todėl juos galima naudoti pakaitomis su NiCd baterijomis. Nikelio-metalo hidrido elementų talpa yra didesnė nei tokio pat dydžio nikelio-kadmio elementų. Tačiau NiMH sistemos išsikrauna greičiau. Jau yra modernių dizainų, kurie neturi šio trūkumo, tačiau jie yra daug brangesni nei standartiniai modeliai.

Nikelio-metalo hidrido akumuliatoriai neturi „atminties efekto“ (iš dalies išsikrovusius elementus galima įkrauti). Tačiau visada turėtumėte patikrinti kiekvieno tipo įkrovimo reikalavimus įkroviklio instrukcijose (5).

Ni-Cd ir Ni-MH akumuliatorių atveju nerekomenduojame jų išardyti. Pirma, juose nerasime nieko naudingo. Antra, nikelis ir kadmis nėra saugūs elementai. Nerizikuokite be reikalo ir palikite išmesti apmokytiems specialistams.

Baterijų karalius, tai yra...

6. „Baterijų karalius“ darbe.

...Švino-rūgšties akumuliatorius1859 m., pastatytas prancūzų fiziko Gastona Plantego (taip, įrenginiui šiemet sukaks 161 metai!). Akumuliatoriaus elektrolitas yra apie 37% sieros rūgšties (VI) tirpalo, o elektrodai yra švino (anodo) ir švino, padengti švino dioksido PbO sluoksniu.₂ (katodas). Eksploatacijos metu ant elektrodų susidaro švino(II)(II)PbSO sulfato nuosėdos₄. Įkraunant vieno elemento įtampa yra didesnė nei 2 voltai.

Švino baterija iš tikrųjų turi visus trūkumus: didelį svorį, jautrumą iškrovimui ir žemai temperatūrai, būtinybę laikyti įkrautoje būsenoje, agresyvaus elektrolito nutekėjimo riziką ir toksiško metalo naudojimą. Be to, jį reikia atidžiai tvarkyti: patikrinti elektrolito tankį, įpilti vandens į kameras (naudokite tik distiliuotą arba dejonizuotą vandenį), įtampos valdymas (vienoje kameroje nukritus žemiau 1,8 V, gali būti pažeisti elektrodai) ir specialus įkrovimo režimas.

Taigi kodėl senovės struktūra vis dar naudojama? „Baterijų karalius“ turi tikro valdovo atributą – galią. Didelės srovės sąnaudos ir aukštas iki 75% energijos efektyvumas (tokį įkrovimui sunaudotos energijos kiekį galima susigrąžinti eksploatacijos metu), taip pat dizaino paprastumas ir mažos gamybos sąnaudos reiškia, kad švino baterija naudojamas ne tik vidaus degimo varikliams paleisti, bet ir kaip avarinio maitinimo elementas. Nepaisant 160 metų istorijos, švino baterija vis dar puikiai veikia ir nebuvo pakeista kitų tipų šiais prietaisais (o kartu su juo ir pats švinas, kuris dėl akumuliatoriaus yra vienas iš metalų, gaminamų didžiausioje kiekiai). Kol vidaus degimo varikliu pagrįsta motorizacija ir toliau vystysis, tikėtina, kad jos padėčiai nekils pavojus (6).

Išradėjai niekada nenustojo bandyti sukurti švino rūgšties akumuliatoriaus pakaitalą. Kai kurie modeliai išpopuliarėjo ir vis dar naudojami automobilių pramonėje. Devynioliktojo ir dvidešimtojo amžių sandūroje buvo sukurti projektai, kuriuose H tirpalas nebuvo naudojamas.₂SO₄bet šarminiai elektrolitai. Pavyzdys yra aukščiau parodyta Ernst Jungner nikelio-kadmio baterija. 1901 metais Tomas Alva Edisonas pakeitė dizainą, kad vietoj kadmio būtų naudojama geležis. Palyginti su rūgštinėmis baterijomis, šarminiai modeliai yra daug lengvesni, gali veikti žemoje temperatūroje ir nėra taip sunkiai valdomi. Tačiau jų gamyba yra brangesnė, o energijos vartojimo efektyvumas mažesnis.

Taigi, kas toliau?

Žinoma, straipsniai apie baterijas neišsemia klausimų. Jie neaptaria, pavyzdžiui, ličio elementų, taip pat dažnai naudojamų buitiniams prietaisams, tokiems kaip skaičiuotuvai ar kompiuterių pagrindinės plokštės, maitinimui. Daugiau apie juos galite sužinoti sausio straipsnyje apie praėjusių metų Nobelio chemijos premiją, o apie praktinę dalį – po mėnesio (įskaitant griovimą ir patirtį).

Yra geros perspektyvos elementams, ypač akumuliatoriams. Pasaulis tampa vis mobilesnis, o tai reiškia, kad reikia tapti nepriklausomam nuo maitinimo kabelių. Taip pat didelis iššūkis yra užtikrinti efektyvų elektros energijos tiekimą elektromobiliams. – kad efektyvumu galėtų konkuruoti su automobiliais su vidaus degimo varikliais.

akumuliatoriaus baterija

Siekiant palengvinti ląstelių tipo identifikavimą, buvo įvestas specialus raidinis ir skaitmeninis kodas. Mūsų namuose dažniausiai sutinkamiems mažiems prietaisams skirtiems tipams ji turi formą skaičius-raidė-raidė-skaičius.

Ir tai:

– pirmasis skaitmuo – langelių skaičius; nepaisoma pavienių langelių;

– pirmoji raidė nurodo langelio tipą. Kai jo nėra, turite reikalą su Leclanche nuoroda. Kiti ląstelių tipai žymimi taip:

C - ličio elementai (labiausiai paplitęs tipas),

H - Ni-MH baterija,

K - nikelio-kadmio baterija,

L – šarminė ląstelė;

- ši raidė nurodo nuorodos formą:

F - lėkštė,

R - cilindro formos,

P – bendras kitokios nei cilindrinės formos jungčių žymėjimas;

– galutinis skaičius ar skaičiai nurodo nuorodos dydį (katalogo reikšmes arba tiesiogiai nurodančius matmenis) (7).

7. Populiarių elementų ir baterijų matmenys.

Žymėjimo pavyzdžiai:

R03
– mažojo piršto dydžio cinko-grafito ląstelė. Kitas žymėjimas yra AAA arba.

LR6 – piršto dydžio šarminė ląstelė. Kitas žymėjimas yra AA arba.

HR14 – Ni-MH baterija; raidė C taip pat naudojama dydžiui nurodyti.

KR20 – Ni-Cd baterija, kurios dydis taip pat pažymėtas D raide.

3LR12 – išsikrovusi 4,5 V įtampos baterija, susidedanti iš trijų cilindrinių šarminių elementų.

6F22 – 9 voltų baterija, susidedanti iš šešių plokščių Leclanche elementų.

CR2032 – 20 mm skersmens ir 3,2 mm storio ličio elementas.

Taip pat žiūrėkite: