Świat baterii - część 3

Historia nowoczesnych baterii zaczyna się w XIX wieku iz tego stulecia wywodzi się większość stosowanych obecnie konstrukcji. Sytuacja ta świadczy z jednej strony o doskonałych pomysłach ówczesnych naukowców, z drugiej zaś o trudnościach, jakie pojawiają się przy opracowywaniu nowych modeli.

Niewiele rzeczy jest tak dobrych, że nie można ich ulepszyć. Zasada ta dotyczy również baterii – modele z XIX wieku były wielokrotnie udoskonalane, aż przybrały obecną formę. Dotyczy to również Komórki Leclanche'a.

Link do poprawy

Projekt francuskiego chemika został zmieniony Carla Gasnera w naprawdę użyteczny model: tani w produkcji i bezpieczny w użytkowaniu. Problemów jednak nie brakowało – powłoka cynkowa elementu skorodowała w kontakcie z kwaśnym elektrolitem wypełniającym miskę, a wytrysk agresywnej zawartości mógł uszkodzić zasilane urządzenie. Decyzja stała się połączenie wewnętrzna powierzchnia korpusu cynku (powłoka rtęciowa).

Amalgamat cynku praktycznie nie reaguje z kwasami, ale zachowuje wszystkie właściwości elektrochemiczne czystego metalu. Jednak ze względu na przepisy dotyczące ochrony środowiska ta metoda przedłużania żywotności ogniw jest coraz rzadziej stosowana (na ogniwach bezrtęciowych można znaleźć napis lub) (1).

2. Układ ogniwa alkalicznego: 1) obudowa (przewód katodowy), 2) katoda zawierająca dwutlenek manganu, 3) separator elektrod, 4) anoda zawierająca KOH i pył cynkowy, 5) końcówka anodowa, 6) uszczelnienie ogniwa (izolator elektrody). .

Innym sposobem na zwiększenie długowieczności i życia komórek jest dodanie chlorek cynku ZnCl₂ do pasty do napełniania kubków. Ogniwa tej konstrukcji są często określane jako Heavy Duty i (jak sama nazwa wskazuje) przeznaczone są do zasilania urządzeń bardziej energochłonnych.

Przełomem w dziedzinie baterii jednorazowych była budowa w 1955 r komórka alkaliczna. Wynalazek kanadyjskiego inżyniera Lewisa Urry'ego, używany przez obecną firmę Energizer, ma nieco inną budowę niż ogniwo Leclancheta.

Po pierwsze, nie znajdziemy tam ani grafitowej katody, ani kubka cynkowego. Obie elektrody wykonane są w postaci wilgotnych, rozdzielonych past (zagęstniki plus reagenty: katoda składa się z mieszaniny dwutlenku manganu i grafitu, anoda z pyłu cynkowego z domieszką wodorotlenku potasu), a ich końcówki wykonane są z metalu ( 2). Jednak reakcje zachodzące podczas pracy są bardzo podobne do tych, które zachodzą w komórce Leclancheta.

Zadanie. Wykonaj „chemiczną sekcję zwłok” na ogniwie alkalicznym, aby dowiedzieć się, czy zawartość jest rzeczywiście zasadowa (3). Pamiętaj, że te same środki ostrożności dotyczą demontażu ogniwa Leclancheta. Zobacz pole Kod baterii, aby dowiedzieć się, jak zidentyfikować ogniwo alkaliczne.

3. „Przekrój” ogniwa alkalicznego potwierdza zawartość alkaliów.

Baterie domowej roboty

4. Domowe akumulatory Ni-MH i Ni-Cd.

Ogniwa, które można ponownie naładować po zużyciu były celem projektantów od samego początku rozwoju nauki o elektryczności, stąd ich różnorodność.

Obecnie jednymi z modeli służących do zasilania drobnego sprzętu AGD są akumulatory niklowo-kadmowe. Ich prototyp pojawił się w 1899 roku, kiedy zrobił to szwedzki wynalazca. Ernsta Jungnera wystąpiła o patent na akumulator niklowo-kadmowy, który mógłby konkurować z akumulatorami już powszechnie stosowanymi w motoryzacji. akumulator kwasowo-ołowiowy.

Anodą ogniwa jest kadm, katodą trójwartościowy związek niklu, elektrolitem roztwór wodorotlenku potasu (w nowoczesnych „suchych” konstrukcjach mokra pasta zagęszczaczy nasycona roztworem KOH). Akumulatory Ni-Cd (tak jest ich oznaczenie) mają napięcie robocze około 1,2 V - to mniej niż ogniw jednorazowych, co jednak nie stanowi problemu dla większości zastosowań. Dużą zaletą jest możliwość poboru znacznego prądu (nawet kilku amperów) oraz szeroki zakres temperatur pracy.

5. Przed ładowaniem sprawdź wymagania dla różnych typów akumulatorów.

Wadą akumulatorów niklowo-kadmowych jest uciążliwy „efekt pamięci”. Dzieje się tak przy częstym ładowaniu częściowo rozładowanych akumulatorów Ni-Cd: system zachowuje się tak, jakby jego pojemność była równa tylko ładunkowi uzupełnionemu przez ponowne ładowanie. W niektórych typach ładowarek „efekt pamięci” można ograniczyć ładując ogniwa w specjalnym trybie.

Dlatego rozładowane akumulatory niklowo-kadmowe należy ładować w pełnym cyklu: najpierw całkowicie rozładowane (za pomocą odpowiedniej funkcji ładowarki), a następnie ponownie naładowane. Częste ładowanie zmniejsza również szacowaną żywotność o 1000-1500 cykli (tyle jednorazowych ogniw zostanie zastąpionych przez jedną baterię w ciągu jej życia, więc wyższy koszt zakupu zwróci się wielokrotnie, nie wspominając już o znacznie mniejszym obciążeniu baterii ). środowisko z produkcją i usuwaniem komórek).

Elementy Ni-Cd zawierające toksyczny kadm zostały wymienione akumulatory niklowo-wodorkowe (oznaczenie NiMH). Ich budowa jest zbliżona do akumulatorów Ni-Cd, ale zamiast kadmu zastosowano porowaty stop metali (Ti, V, Cr, Fe, Ni, Zr, metale ziem rzadkich) posiadający zdolność pochłaniania wodoru (4). Napięcie pracy ogniwa Ni-MH również wynosi około 1,2 V, co pozwala na stosowanie ich zamiennie z akumulatorami NiCd. Pojemność ogniw niklowo-wodorkowych jest większa niż ogniw niklowo-kadmowych o tej samej wielkości. Jednak systemy NiMH szybciej się rozładowują. Istnieją już nowoczesne projekty, które nie mają tej wady, ale kosztują znacznie więcej niż standardowe modele.

Akumulatory niklowo-wodorkowe nie wykazują „efektu pamięci” (częściowo rozładowane ogniwa można ponownie naładować). Zawsze jednak należy sprawdzić wymagania dotyczące ładowania każdego typu w instrukcji ładowarki (5).

W przypadku akumulatorów Ni-Cd i Ni-MH nie zalecamy ich demontażu. Po pierwsze, nie znajdziemy w nich niczego przydatnego. Po drugie, nikiel i kadm nie są pierwiastkami bezpiecznymi. Nie podejmuj niepotrzebnie ryzyka i pozostaw do dyspozycji przeszkolonych specjalistów.

Król akumulatorów, czyli...

6. „Król baterii” w akcji.

… Akumulator kwasowo-ołowiowy, zbudowany w 1859 roku przez francuskiego fizyka Gastona Plantego (tak, tak, urządzenie w tym roku skończy 161 lat!). Elektrolit akumulatora to około 37% roztwór kwasu siarkowego (VI), a elektrody to ołów (anoda) i ołów pokryty warstwą dwutlenku ołowiu PbO.₂ (katoda). Podczas pracy na elektrodach tworzy się osad siarczanu ołowiu(II)(II)PbSO₄. Podczas ładowania jedno ogniwo ma napięcie większe niż 2 wolty.

akumulator ołowiowy ma właściwie wszystkie wady: znaczną wagę, wrażliwość na wyładowania i niskie temperatury, konieczność przechowywania w stanie naładowanym, ryzyko wycieku agresywnego elektrolitu oraz użycie toksycznego metalu. Ponadto wymaga ostrożnego obchodzenia się: sprawdzenia gęstości elektrolitu, dolania wody do komór (stosować tylko destylowaną lub dejonizowaną), kontrola napięcia (spadek poniżej 1,8 V w jednej komorze może spowodować uszkodzenie elektrod) oraz specjalny tryb ładowania.

Dlaczego więc starożytna struktura jest nadal w użyciu? „Król akumulatorów” ma to, co jest atrybutem prawdziwego władcy – władzę. Wysoki pobór prądu i wysoka sprawność energetyczna dochodząca do 75% (taką ilość energii zużytej do ładowania można odzyskać podczas pracy), a także prosta konstrukcja i niski koszt produkcji sprawiają, że akumulator ołowiowy Służy nie tylko do uruchamiania silników spalinowych, ale również jako element zasilania awaryjnego. Pomimo 160 lat historii bateria ołowiowa nadal ma się dobrze i nie została wyparta przez inne typy tych urządzeń (a wraz z nią sam ołów, który dzięki baterii jest jednym z metali produkowanych w największych ilościach) . Dopóki motoryzacja oparta na silnikach spalinowych będzie się rozwijać, jej pozycja nie będzie zagrożona (6).

Wynalazcy nie ustawali w próbach stworzenia zamiennika dla akumulatora kwasowo-ołowiowego. Niektóre z modeli stały się popularne i są nadal używane w przemyśle motoryzacyjnym. Na przełomie XIX i XX wieku powstały projekty, w których nie stosowano rozwiązania H.₂SO₄ale elektrolity alkaliczne. Przykładem jest pokazana powyżej bateria niklowo-kadmowa Ernsta Jungnera. w 1901 roku Thomas Alva Edison zmienił projekt, aby użyć żelaza zamiast kadmu. W porównaniu z bateriami kwasowymi, baterie alkaliczne są znacznie lżejsze, mogą pracować w niskich temperaturach i nie są tak trudne w obsłudze. Ich produkcja jest jednak droższa, a efektywność energetyczna niższa.

Więc co dalej?

Oczywiście artykuły o bateriach nie wyczerpują pytań. Nie omawiają np. ogniw litowych, powszechnie stosowanych również do zasilania urządzeń gospodarstwa domowego, takich jak kalkulatory czy płyty główne komputerów. Więcej o nich dowiecie się w styczniowym artykule o ubiegłorocznej Noblu z chemii, a o części praktycznej - za miesiąc (m.in. rozbiórka i doświadczenie).

Dobre perspektywy mają ogniwa, zwłaszcza baterie. Świat staje się coraz bardziej mobilny, co oznacza konieczność uniezależnienia się od kabli zasilających. Dużym problemem jest również zapewnienie sprawnego zasilania pojazdów elektrycznych. - aby mogły konkurować z samochodami z silnikiem spalinowym również pod względem ekonomicznym.

akumulator

Dla ułatwienia identyfikacji typu komórki wprowadzono specjalny kod alfanumeryczny. W typach najczęściej spotykanych w naszych domach małych urządzeń ma postać cyfra-litera-litera-cyfra.

I tak:

- pierwsza cyfra to liczba komórek; ignorowane dla pojedynczych komórek;

– pierwsza litera oznacza typ komórki. Gdy go brakuje, masz do czynienia z łączem Leclanche. Inne typy komórek są oznaczone w następujący sposób:

C – ogniwo litowe (najczęściej spotykany typ),

H – akumulator NiMH,

K – akumulator niklowo-kadmowy,

L – ogniwo alkaliczne;

- następująca litera wskazuje kształt linku:

F - płyta,

R - cylindryczny,

P - ogólne oznaczenie ogniw o kształcie innym niż cylindryczny;

– końcowa cyfra lub cyfry wskazują rozmiar ogniwa (wartości katalogowe lub bezpośrednio wskazujące wymiary) (7).

7. Wymiary popularnych ogniw i akumulatorów.

Przykłady znakowania:

R03
- ogniwo cynkowo-grafitowe wielkości małego palca. Innym oznaczeniem jest AAA lub.

LR6 - ogniwo alkaliczne wielkości palca. Innym oznaczeniem jest AA lub.

HR14 – akumulator NiMH; litera C jest również używana do wskazania rozmiaru.

KR20 – Akumulator Ni-Cd, którego rozmiar jest również oznaczony literą D.

3LR12 – płaska bateria o napięciu 4,5 V, składająca się z trzech cylindrycznych ogniw alkalicznych.

6F22 - 9-woltowy akumulator, składający się z sześciu płaskich ogniw Leclanchet.

CR2032 – ogniwo litowe o średnicy 20 mm i grubości 3,2 mm.

Zobacz także: