Sel dan bateri galvanik — peranti, prinsip operasi, jenis

Sumber tenaga elektrik yang rendah

Sel galvanik dan bateri digunakan untuk menggerakkan peralatan elektrik dan radio mudah alih.

Sel galvanik - ini adalah sumber tindakan sekali sahaja, akumulator — sumber tindakan boleh guna semula.

Unsur galvanik yang paling mudah

Unsur paling mudah boleh dibuat daripada dua jalur: kuprum dan zink yang direndam dalam air yang sedikit berasid dengan asid sulfurik. Jika zink cukup tulen untuk tidak mempunyai tindak balas tempatan, tiada perubahan ketara akan berlaku sehingga kuprum dan zink disatukan.

Walau bagaimanapun, jalur mempunyai potensi yang berbeza, satu berkenaan dengan yang lain, dan apabila disambungkan dengan wayar, akan muncul elektrik… Dengan tindakan ini jalur zink akan secara beransur-ansur larut dan gelembung gas akan terbentuk berhampiran elektrod kuprum, berkumpul di permukaannya. Gas ini adalah hidrogen yang dihasilkan oleh elektrolit. Arus elektrik mengalir dari jalur kuprum di sepanjang wayar ke jalur zink, dan daripadanya melalui elektrolit kembali ke kuprum.

Secara beransur-ansur, asid sulfurik elektrolit digantikan oleh zink sulfat yang terbentuk daripada bahagian terlarut elektrod zink. Ini mengurangkan voltan sel. Walau bagaimanapun, penurunan voltan yang lebih besar disebabkan oleh pembentukan gelembung gas pada kuprum. Kedua-dua tindakan menyebabkan 'polarisasi'. Barangan sedemikian hampir tidak mempunyai nilai praktikal.

Parameter penting sel galvanik

Magnitud voltan yang diberikan oleh sel galvanik hanya bergantung pada jenis dan perantinya, iaitu, pada bahan elektrod dan komposisi kimia elektrolit, tetapi tidak bergantung pada bentuk dan saiz sel.

Arus yang boleh diberikan oleh sel galvanik adalah terhad oleh rintangan dalamannya.

Ciri yang sangat penting bagi sel galvanik ialah kapasiti elektrik… Kapasiti elektrik bermaksud jumlah elektrik yang mampu dihantar oleh sel galvanik atau penyimpanan sepanjang operasinya, iaitu, sehingga permulaan nyahcas akhir.

Kapasiti yang diberikan oleh sel ditentukan dengan mendarabkan kekuatan arus nyahcas, dinyatakan dalam ampere, dengan masa dalam jam semasa sel dinyahcas sehingga permulaan nyahcas penuh. Oleh itu, kapasiti sentiasa dinyatakan dalam jam ampere (Ah).

Dengan nilai kapasiti sel, ia juga mungkin untuk menentukan terlebih dahulu berapa jam ia akan berfungsi sebelum permulaan pelepasan penuh. Untuk melakukan ini, anda perlu membahagikan kapasiti dengan kekuatan arus pelepasan yang dibenarkan untuk elemen ini.

Walau bagaimanapun, kapasiti tidak tetap. Ia berbeza dalam had yang agak besar bergantung pada keadaan operasi (mod) elemen dan voltan nyahcas akhir.

Jika sel dilepaskan pada arus maksimum dan, lebih-lebih lagi, tanpa gangguan, ia akan memberikan kapasiti yang jauh lebih rendah. Sebaliknya, apabila sel yang sama dinyahcas pada arus yang lebih rendah dan dengan gangguan yang kerap dan agak lama, sel akan melepaskan kapasiti penuhnya.

Bagi pengaruh voltan pelepasan akhir pada kapasiti sel, perlu diingat bahawa semasa pelepasan sel galvanik, voltan operasinya tidak kekal pada tahap yang sama, tetapi secara beransur-ansur berkurangan.

Jenis biasa sel elektrokimia

Sel galvanik yang paling biasa ialah sistem mangan-zink, mangan-udara, udara-zink dan merkuri-zink dengan garam dan elektrolit alkali.Sel mangan-zink kering dengan elektrolit garam mempunyai voltan awal 1.4 hingga 1.55 V, tempoh operasi pada suhu ambien -20 hingga -60 ОDari 7 hingga 340 pagi

Sel zink-mangan dan zink-udara kering dengan elektrolit alkali mempunyai voltan 0.75 hingga 0.9 V dan masa operasi 6 jam hingga 45 jam.

Sel merkuri-zink kering mempunyai voltan permulaan 1.22 hingga 1.25 V dan masa operasi 24 jam hingga 55 jam.

Sel merkuri-zink kering mempunyai jangka hayat terjamin paling lama sehingga 30 bulan.

Bateri

Bateri Ini adalah sel elektrokimia sekunder. Tidak seperti sel galvanik, tiada proses kimia berlaku dalam bateri sejurus selepas pemasangan.

Untuk membolehkan bateri memulakan tindak balas kimia yang berkaitan dengan pergerakan cas elektrik, adalah perlu untuk menukar komposisi kimia elektrodnya dengan sewajarnya (dan sebahagian daripada elektrolit).Perubahan dalam komposisi kimia elektrod ini berlaku di bawah tindakan arus elektrik yang melalui bateri.

Oleh itu, untuk membolehkan bateri menghasilkan arus elektrik, ia mesti terlebih dahulu "dicas" dengan arus elektrik terus dari beberapa sumber arus luaran.

Bateri juga berbeza daripada sel galvanik konvensional kerana, selepas dilepaskan, ia boleh dicas semula. Dengan penjagaan yang baik dan dalam keadaan operasi biasa, bateri boleh bertahan sehingga beberapa ribu cas dan nyahcas.
Peranti berkuasa bateri

Pada masa ini, bateri plumbum dan kadmium-nikel paling kerap digunakan dalam amalan. Dalam larutan pertama asid sulfurik berfungsi sebagai elektrolit, dan dalam larutan kedua alkali dalam air. Bateri asid plumbum juga dipanggil asid, dan bateri nikel-kadmium-alkali.

Prinsip operasi bateri adalah berdasarkan polarisasi elektrod semasa elektrolisis... Bateri asid paling ringkas berstruktur seperti berikut: ia adalah dua plat plumbum yang direndam dalam elektrolit. Hasil daripada tindak balas penggantian kimia, plat ditutup dengan salutan nipis plumbum sulfat PbSO4, seperti berikut dari formula Pb + H2SO4 = PbSO4 + H2.

Peranti bateri asid

Keadaan plat ini sepadan dengan bateri yang dinyahcas. Jika bateri kini dihidupkan untuk mengecas, iaitu, disambungkan ke penjana arus terus, maka polarisasi plat akan bermula di dalamnya kerana elektrolisis. Hasil daripada mengecas bateri, platnya terkutub, iaitu menukar bahan pada permukaannya dan daripada homogen (PbSO4) kepada berbeza (Pb dan PbO2).

Bateri menjadi sumber arus, dengan plat bersalut dengan plumbum dioksida sebagai elektrod positif dan plat plumbum bersih sebagai elektrod negatif.

Menjelang akhir pengecasan, kepekatan elektrolit meningkat disebabkan oleh kemunculan molekul asid sulfurik tambahan di dalamnya.

Ini adalah salah satu ciri bateri asid plumbum: elektrolitnya tidak kekal neutral dan ia mengambil bahagian dalam tindak balas kimia semasa operasi bateri.

Menjelang akhir nyahcas, kedua-dua plat bateri sekali lagi ditutup dengan plumbum sulfat, akibatnya bateri tidak lagi menjadi sumber arus. Bateri tidak pernah dibawa ke keadaan ini. Oleh kerana pembentukan plumbum sulfat pada plat, kepekatan elektrolit berkurangan pada akhir pelepasan. Jika bateri dicas, maka polarisasi boleh disebabkan sekali lagi untuk meletakkannya pada nyahcas semula, dsb.

Cara mengecas bateri

Terdapat beberapa cara untuk mengecas bateri. Yang paling mudah ialah pengecasan biasa bateri, yang dilakukan seperti berikut. Pada mulanya, selama 5 — 6 jam, pengecasan dijalankan pada arus normal berganda sehingga voltan setiap bateri mencapai 2.4 V.

Arus pengecasan biasa ditentukan oleh formula Aztax = Q / 16

di mana Q — kapasiti nominal bateri, Ah.

Selepas itu, arus pengecasan dikurangkan kepada nilai normal dan pengecasan berterusan selama 15-18 jam sehingga tanda-tanda tamat pengecasan muncul.

Bateri moden

Bateri nikel-kadmium atau alkali muncul lebih lewat daripada bateri plumbum, dan berbanding dengannya adalah sumber arus kimia yang lebih moden.Kelebihan utama bateri alkali berbanding bateri plumbum terletak pada neutraliti kimia elektrolitnya berhubung dengan jisim aktif plat. Oleh itu, nyahcas sendiri bateri alkali adalah jauh lebih rendah daripada bateri asid plumbum. Prinsip operasi bateri alkali juga berdasarkan polarisasi elektrod semasa elektrolisis.

Untuk membekalkan peralatan radio, bateri kadmium-nikel bertutup dihasilkan, yang berkesan pada suhu dari -30 hingga +50 ОC dan menahan 400 — 600 kitaran nyahcas cas. Penumpuk ini dibuat dalam bentuk parallelepiped padat dan cakera dengan berat dari beberapa gram hingga kilogram.

Bateri nikel-hidrogen dihasilkan untuk menggerakkan objek autonomi. Tenaga tentu bateri nikel-hidrogen ialah 50 — 60 Wh kg-1.