Svet batérie - 3. časť

História moderných batérií sa začína v devätnástom storočí, z tohto storočia pochádza väčšina návrhov, ktoré sa dnes používajú. Tento stav svedčí na jednej strane o výborných nápadoch vtedajších vedcov a na druhej strane o ťažkostiach, ktoré vznikajú pri vývoji nových modelov.

Len málo vecí je tak dobrých, aby sa nedali vylepšiť. Toto pravidlo platí aj pre batérie – modely XNUMX storočia boli mnohokrát zdokonaľované, až kým nenadobudli súčasnú podobu. To platí aj pre Leclanche bunky.

Odkaz na zlepšenie

Dizajn francúzskeho chemika bol zmenený Carl Gasner do skutočne užitočného modelu: lacný na výrobu a bezpečný na používanie. Stále však existovali problémy - zinkový povlak prvku korodoval pri kontakte s kyslým elektrolytom, ktorý naplnil misku, a vystreknutie agresívneho obsahu mohlo znefunkčniť napájané zariadenie. Rozhodnutie sa stalo amalgamácia vnútorný povrch zinkového telesa (ortuťový povlak).

Zinkový amalgám prakticky nereaguje s kyselinami, ale zachováva si všetky elektrochemické vlastnosti čistého kovu. Vzhľadom na environmentálne predpisy sa však tento spôsob predlžovania životnosti článkov využíva čoraz menej (na bezortuťových článkoch nájdete nápis alebo) (1).

2. Usporiadanie alkalického článku: 1) puzdro (katódové vedenie), 2) katóda obsahujúca oxid manganičitý, 3) separátor elektród, 4) anóda obsahujúca KOH a zinkový prach, 5) anódový vývod, 6) tesnenie článku (izolátor elektródy) . .

Ďalším spôsobom, ako zvýšiť životnosť a životnosť buniek, je pridať chlorid zinočnatý ZnCl₂ na pastu na plnenie pohárov. Články tohto dizajnu sú často označované ako Heavy Duty a (ako už názov napovedá) sú určené na napájanie energeticky náročnejších zariadení.

Prelomom v oblasti jednorazových batérií bola výstavba v roku 1955 alkalický článok. Vynález kanadského inžiniera Lewis Urry, ktorý používa súčasná spoločnosť Energizer, má štruktúru mierne odlišnú od bunky Leclanchet.

Po prvé, nenájdete tam grafitovú katódu ani zinkový pohár. Obe elektródy sú vyrobené vo forme mokrých oddelených pást (zahusťovadlá plus činidlá: katóda pozostáva zo zmesi oxidu manganičitého a grafitu, anóda zo zinkového prachu s prímesou hydroxidu draselného) a ich koncovky sú vyrobené z kovu ( 2). Reakcie, ktoré sa vyskytujú počas prevádzky, sú však veľmi podobné tým, ktoré sa vyskytujú v Leclanchetovej bunke.

Úloha. Vykonajte „chemickú pitvu“ alkalického článku, aby ste zistili, že obsah je skutočne zásaditý (3). Pamätajte, že rovnaké opatrenia platia aj pre demontáž Leclanchetovej bunky. Ako identifikovať alkalický článok nájdete v poli Kód batérie.

3. "Sekcia" alkalického článku potvrdzuje obsah alkálií.

Domáce batérie

4. Domáce batérie Ni-MH a Ni-Cd.

Články, ktoré sa dajú po použití dobiť, boli cieľom konštruktérov od samého počiatku rozvoja vedy o elektrine, preto ich existuje veľa druhov.

V súčasnosti sú jedným z modelov používaných na napájanie malých domácich spotrebičov nikel-kadmiové batérie. Ich prototyp sa objavil v roku 1899, keď to urobil švédsky vynálezca. Ernst Jungner požiadal o patent na nikel-kadmiovú batériu, ktorá by mohla konkurovať batériám, ktoré sa už bežne používajú v automobilovom priemysle. olovená batéria.

Anóda článku je kadmium, katóda je zlúčenina trojmocného niklu, elektrolyt je roztok hydroxidu draselného (v moderných „suchých“ prevedeniach mokrá pasta zahusťovadiel nasýtená roztokom KOH). Ni-Cd batérie (takto je ich označenie) majú prevádzkové napätie približne 1,2 V – to je menej ako pri jednorazových článkoch, čo však pre väčšinu aplikácií nie je problém. Veľkou výhodou je možnosť odberu značného prúdu (aj niekoľko ampérov) a široký rozsah prevádzkových teplôt.

5. Pred nabíjaním skontrolujte požiadavky na rôzne typy batérií.

Nevýhodou nikel-kadmiových batérií je zaťažujúci „pamäťový efekt“. K tomu dochádza pri častom dobíjaní čiastočne vybitých Ni-Cd akumulátorov: systém sa správa tak, ako keby sa jeho kapacita rovnala iba nabitiu doplnenému dobíjaním. V niektorých typoch nabíjačiek možno „pamäťový efekt“ znížiť nabíjaním článkov v špeciálnom režime.

Preto by sa vybité nikel-kadmiové batérie mali nabíjať v úplnom cykle: najskôr úplne vybité (pomocou príslušnej funkcie nabíjačky) a potom znova nabiť. Časté dobíjanie tiež znižuje odhadovanú životnosť 1000-1500 cyklov (že veľa jednorazových článkov sa počas životnosti nahradí jednou batériou, takže vyššia obstarávacia cena sa mnohonásobne vráti, nehovoriac o oveľa menšom zaťažení batérie ). prostredie s produkciou a likvidáciou buniek).

Ni-Cd prvky obsahujúce toxické kadmium boli nahradené nikel-metal hydridové batérie (označenie Ni-MH). Ich štruktúra je podobná Ni-Cd batériám, ale namiesto kadmia je použitá porézna kovová zliatina (Ti, V, Cr, Fe, Ni, Zr, kovy vzácnych zemín) so schopnosťou absorbovať vodík (4). Prevádzkové napätie Ni-MH článku je tiež asi 1,2 V, čo umožňuje ich zameniteľné použitie s NiCd batériami. Kapacita niklovo-metalhydridových článkov je väčšia ako kapacita nikel-kadmiových článkov rovnakej veľkosti. Systémy NiMH sa však samovoľne vybíjajú rýchlejšie. Už existujú moderné návrhy, ktoré túto nevýhodu nemajú, ale stoja oveľa viac ako štandardné modely.

Nikel-metal hydridové batérie nevykazujú "pamäťový efekt" (čiastočne vybité články je možné dobiť). Vždy je však potrebné skontrolovať požiadavky na nabíjanie každého typu v návode k nabíjačke (5).

V prípade Ni-Cd a Ni-MH akumulátorov ich neodporúčame rozoberať. Po prvé, nenájdeme v nich nič užitočné. Po druhé, nikel a kadmium nie sú bezpečné prvky. Zbytočne neriskujte a nechajte likvidáciu na vyškolených odborníkov.

Kráľ akumulátorov, teda...

6. "Kráľ batérií" v práci.

… olovená batéria, ktorú v roku 1859 postavil francúzsky fyzik Gaston Plantego (áno, áno, tento rok bude mať zariadenie 161 rokov!). Elektrolytom batérie je asi 37 % roztok kyseliny sírovej (VI) a elektródy sú olovené (anóda) a olovo potiahnuté vrstvou oxidu olovnatého PbO.₂ (katóda). Počas prevádzky sa na elektródach vytvára zrazenina síranu olovnatého (II) PbSO₄. Pri nabíjaní má jeden článok napätie viac ako 2 volty.

olovená batéria má vlastne všetky nevýhody: značnú hmotnosť, citlivosť na vybitie a nízke teploty, nutnosť skladovania v nabitom stave, riziko agresívneho úniku elektrolytu a použitie toxického kovu. Okrem toho si vyžaduje starostlivé zaobchádzanie: kontrola hustoty elektrolytu, pridávanie vody do komôr (používať iba destilovanú alebo deionizovanú), ovládanie napätia (pokles pod 1,8 V v jednej komore môže poškodiť elektródy) a špeciálny režim nabíjania.

Prečo sa teda stará stavba stále používa? „Kráľ akumulátorov“ má to, čo je atribútom skutočného vládcu – moc. Vysoká spotreba prúdu a vysoká energetická účinnosť až 75 % (toto množstvo energie použitej na nabíjanie je možné počas prevádzky získať späť), ako aj jednoduchý dizajn a nízke výrobné náklady znamenajú, že olovená batéria Používa sa nielen na štartovanie spaľovacích motorov, ale aj ako prvok núdzového napájania. Napriek 160-ročnej histórii sa olovenej batérii stále darí a nebola vytlačená inými typmi týchto zariadení (a s ňou aj samotné olovo, ktoré vďaka batérii patrí medzi kovy vyrábané v najväčšom množstve) . Pokiaľ sa bude motorizácia založená na spaľovacích motoroch naďalej vyvíjať, jej postavenie pravdepodobne nebude ohrozené (6).

Vynálezcovia sa neprestali snažiť vytvoriť náhradu za olovenú batériu. Niektoré z modelov sa stali populárnymi a v automobilovom priemysle sa používajú dodnes. Na prelome XNUMX. a XNUMX. storočia vznikli návrhy, v ktorých sa H riešenie nepoužívalo.₂SO₄ale alkalické elektrolyty. Príkladom je nikel-kadmiová batéria Ernsta Jungnera zobrazená vyššie. V roku 1901 Thomas Alva Edison zmenil dizajn na použitie železa namiesto kadmia. V porovnaní s kyselinovými batériami sú alkalické batérie oveľa ľahšie, môžu pracovať pri nízkych teplotách a manipulácia s nimi nie je taká náročná. Ich výroba je však drahšia a energetická efektívnosť nižšia.

Takže, čo bude ďalej?

Samozrejme, články o batériách nevyčerpávajú otázky. Nehovoria napríklad o lítiových článkoch, bežne používaných aj na napájanie domácich spotrebičov, ako sú kalkulačky alebo základné dosky počítačov. Viac sa o nich dozviete v januárovom článku o minuloročnej Nobelovej cene za chémiu a v praktickej časti - o mesiac (vrátane búrania a skúseností).

Dobré vyhliadky majú články, najmä batérie. Svet sa stáva čoraz mobilnejším, čo znamená potrebu osamostatniť sa od napájacích káblov. Veľkou výzvou je aj zabezpečenie efektívnych dodávok energie pre elektrické vozidlá. - aby mohli konkurovať autám so spaľovacím motorom aj v účinnosti.

akumulátorová batéria

Na uľahčenie identifikácie typu bunky bol zavedený špeciálny alfanumerický kód. Pre typy, ktoré sa v našich domácnostiach najčastejšie vyskytujú pri malých spotrebičoch, má tvar číslo-písmeno-písmeno-číslo.

A to:

- prvá číslica je počet buniek; ignorované pre jednotlivé bunky;

– prvé písmeno označuje typ bunky. Keď chýba, máte do činenia s odkazom Leclanche. Ostatné typy buniek sú označené nasledovne:

C – lítiový článok (najbežnejší typ),

H - Ni-MH batéria,

K - nikel-kadmiová batéria,

L – alkalický článok;

- nasledujúce písmeno označuje tvar odkazu:

F - tanier,

R - cylindrický,

P - všeobecné označenie článkov, ktoré majú iný ako valcový tvar;

– posledný obrázok alebo čísla označujú veľkosť odkazu (katalógové hodnoty alebo priamo označujúce rozmery) (7).

7. Rozmery populárnych článkov a batérií.

Príklady označenia:

R03
- zinkovo-grafitová bunka veľkosti malíčka. Ďalšie označenie je AAA resp.

LR6 - alkalický článok veľkosti prsta. Ďalšie označenie je AA resp.

HR14 - Ni-MH batéria; písmeno C sa používa aj na označenie veľkosti.

KR20 – Ni-Cd batéria, ktorej veľkosť je tiež označená písmenom D.

3LR12 - plochá batéria s napätím 4,5 V, pozostávajúca z troch valcových alkalických článkov.

6F22 - 9-voltová batéria, pozostávajúca zo šiestich plochých článkov Leclanchet.

CR2032 – lítiový článok s priemerom 20 mm a hrúbkou 3,2 mm.

Pozri tiež: