Светът на батериите - част 3

Историята на съвременните батерии започва през деветнадесети век и повечето от дизайните, които се използват днес, произхождат от този век. Тази ситуация свидетелства, от една страна, за отличните идеи на учените от онова време, а от друга страна, за трудностите, които възникват при разработването на нови модели.

Малко неща са толкова добри, че не могат да бъдат подобрени. Това правило важи и за батериите - моделите от XNUMX век са били усъвършенствани многократно, докато придобият сегашната си форма. Това се отнася и за Клетки на Лекланше.

Връзка за подобряване

Дизайнът на френския химик е променен Карл Гаснер в наистина полезен модел: евтин за производство и безопасен за използване. Въпреки това все още имаше проблеми - цинковото покритие на елемента корозираше при контакт с киселинния електролит, който изпълваше купата, и изпръскването на агресивно съдържание можеше да извади от строя захранваното устройство. Решението стана обединяване вътрешната повърхност на цинковото тяло (живачно покритие).

Цинковата амалгама практически не реагира с киселини, но запазва всички електрохимични свойства на чистия метал. Въпреки това, поради екологичните разпоредби, този метод за удължаване на живота на клетките се използва все по-рядко (на клетките без живак можете да намерите надписа или) (1).

2. Разположение на алкална клетка: 1) корпус (катоден проводник), 2) катод, съдържащ манганов диоксид, 3) електроден сепаратор, 4) анод, съдържащ КОН и цинков прах, 5) аноден терминал, 6) уплътнение на клетката (електроден изолатор). .

Друг начин за увеличаване на дълголетието и живота на клетките е добавянето цинков хлорид ZnCl₂ за паста за пълнене на чаши. Клетките с този дизайн често се наричат ​​​​Heavy Duty и (както подсказва името) са проектирани да захранват по-енергийно интензивни устройства.

Пробив в областта на батериите за еднократна употреба е изграждането през 1955 г алкална клетка. Изобретението на канадски инженер Луис Ъри, използван от настоящата компания Energizer, има структура, малко по-различна от тази на клетката Leclanchet.

Първо, там няма да намерите графитен катод или цинкова чаша. И двата електрода са направени под формата на мокри, разделени пасти (сгъстители плюс реактиви: катодът се състои от смес от манганов диоксид и графит, анодът от цинков прах с примес на калиев хидроксид), а техните изводи са направени от метал ( 2). Въпреки това, реакциите, които се случват по време на работа, са много подобни на тези, които се случват в клетката Leclanchet.

проблем. Извършете "химическа аутопсия" на алкална клетка, за да разберете, че съдържанието наистина е алкално (3). Не забравяйте, че същите предпазни мерки важат за демонтирането на клетката Leclanchet. Вижте полето Код на батерията за това как да идентифицирате алкална клетка.

3. "Секция" на алкалната клетка потвърждава алкалното съдържание.

Самоделни батерии

4. Домашни Ni-MH и Ni-Cd батерии.

Клетките, които могат да се зареждат след употреба, са били цел на дизайнерите от самото начало на развитието на науката за електричеството, оттук и многото им видове.

В момента един от моделите, използвани за захранване на малки домакински уреди са никел-кадмиеви батерии. Техният прототип се появява през 1899 г., когато го прави шведски изобретател. Ернст Юнгнер кандидатства за патент за никел-кадмиева батерия, която може да се конкурира с батериите, които вече се използват широко в автомобилната индустрия. оловно-киселинна батерия.

Анодът на клетката е кадмий, катодът е тривалентно никелово съединение, електролитът е разтвор на калиев хидроксид (в съвременните „сухи“ конструкции, мокра паста от сгъстители, наситена с разтвор на KOH). Ni-Cd батериите (това е тяхното обозначение) имат работно напрежение от приблизително 1,2 V - това е по-малко от това на клетките за еднократна употреба, което обаче не е проблем за повечето приложения. Голямото предимство е възможността за консумиране на значителен ток (дори няколко ампера) и широк диапазон от работни температури.

5. Проверете изискванията за различните видове батерии преди зареждане.

Недостатъкът на никел-кадмиевите батерии е тежкият "ефект на паметта". Това се случва при често презареждане на частично разредени Ni-Cd батерии: системата се държи така, сякаш нейният капацитет е равен само на заряда, попълнен чрез презареждане. При някои видове зарядни устройства "ефектът на паметта" може да бъде намален чрез зареждане на клетките в специален режим.

Следователно, разредените никел-кадмиеви батерии трябва да се зареждат в пълен цикъл: първо напълно разредени (използвайки подходящата функция за зарядно устройство) и след това презаредени. Честото презареждане също намалява очаквания живот с 1000-1500 цикъла (че много клетки за еднократна употреба ще бъдат заменени от една батерия по време на живота й, така че по-високите разходи за закупуване ще се изплатят многократно, да не говорим за много по-малко натоварване на батерията ). среда с производството и изхвърлянето на клетки).

Ni-Cd елементите, съдържащи токсичен кадмий, са заменени никел-метал хидридни батерии (Ni-MH обозначение). Структурата им е подобна на Ni-Cd батериите, но вместо кадмий се използва пореста метална сплав (Ti, V, Cr, Fe, Ni, Zr, редкоземни метали) със способността да абсорбира водород (4). Работното напрежение на Ni-MH клетката също е около 1,2 V, което им позволява да се използват взаимозаменяемо с NiCd батерии. Капацитетът на никел-метал-хидридните клетки е по-голям от този на никел-кадмиевите клетки със същия размер. Въпреки това NiMH системите се саморазреждат по-бързо. Вече има модерни дизайни, които нямат този недостатък, но струват много повече от стандартните модели.

Никел-метал хидридните батерии не проявяват "ефект на паметта" (частично разредените клетки могат да се презареждат). Винаги обаче е необходимо да проверявате изискванията за зареждане на всеки тип в инструкциите за зарядното устройство (5).

В случай на Ni-Cd и Ni-MH батерии не препоръчваме да ги разглобявате. Първо, няма да намерим нищо полезно в тях. Второ, никелът и кадмият не са безопасни елементи. Не поемайте ненужни рискове и оставете изхвърлянето на обучени специалисти.

Кралят на акумулаторите, т.е.

6. "Кралят на батериите" на работа.

… Оловно-киселинна батерия, построен през 1859 г. от френски физик Гастона Плантего (да, да, тази година устройството ще навърши 161 години!). Електролитът на батерията е около 37% разтвор на сярна киселина (VI), а електродите са олово (анод) и олово, покрити със слой от оловен диоксид PbO.₂ (катод). По време на работа върху електродите се образува утайка от оловен(II)(II)PbSO сулфат₄. При зареждане една клетка има напрежение над 2 волта.

оловна батерия всъщност има всички недостатъци: значително тегло, чувствителност към разреждане и ниски температури, необходимост от съхранение в заредено състояние, риск от агресивно изтичане на електролит и използване на токсичен метал. Освен това изисква внимателно боравене: проверка на плътността на електролита, добавяне на вода към камерите (използвайте само дестилирана или дейонизирана), контрол на напрежението (падане под 1,8 V в една камера може да повреди електродите) и специален режим на зареждане.

Така че защо древната структура все още се използва? „Кралят на акумулаторите“ има това, което е атрибут на истински владетел - власт. Високата консумация на ток и високата енергийна ефективност до 75% (това количество енергия, използвано за зареждане, може да се възстанови по време на работа), както и опростеният дизайн и ниската цена на производство означават, че оловна батерия Използва се не само за стартиране на двигатели с вътрешно горене, но и като елемент на аварийно захранване. Въпреки 160-годишната история, оловната батерия все още се справя добре и не е изместена от други видове устройства (а с това и самото олово, което благодарение на батерията е един от металите, произвеждани в най-големи количества) . Докато моторизацията, базирана на двигатели с вътрешно горене, продължава да се развива, нейната позиция вероятно няма да бъде застрашена (6).

Изобретателите не спират да се опитват да създадат заместител на оловно-киселинната батерия. Някои от моделите станаха популярни и все още се използват в автомобилната индустрия днес. В началото на деветнадесети и двадесети век бяха създадени дизайни, в които не се използва разтвор на H.₂SO₄но алкални електролити. Пример е показаната по-горе никел-кадмиева батерия на Ernst Jungner. През 1901г Томас Алва Едисън промени дизайна, за да използва желязо вместо кадмий. В сравнение с киселинните батерии, алкалните батерии са много по-леки, могат да работят при ниски температури и не са толкова трудни за работа. Производството им обаче е по-скъпо, а енергийната ефективност е по-ниска.

И така, какво следва?

Разбира се, статиите за батериите не изчерпват въпросите. Те не обсъждат например литиевите клетки, също често използвани за захранване на домакински уреди като калкулатори или компютърни дънни платки. Повече за тях можете да научите в януарската статия за миналогодишната Нобелова награда за химия, а за практическата част – след месец (включително събаряне и опит).

Има добри перспективи за клетките, особено батериите. Светът става все по-мобилен, което означава необходимостта да станем независими от захранващите кабели. Голям проблем е и осигуряването на ефективно енергоснабдяване на електрическите превозни средства. - за да могат да се мерят с автомобилите с двигател с вътрешно горене и по ефективност.

акумулаторна батерия

За да се улесни идентифицирането на типа клетка, е въведен специален буквено-цифров код. За видовете, които най-често се срещат в нашите домове за малки уреди, той има формата число-буква-буква-номер.

И това:

- първата цифра е броят на клетките; игнорира се за единични клетки;

– първата буква показва типа клетка. Когато липсва, имате работа с връзката Leclanche. Други типове клетки са етикетирани по следния начин:

C – литиева клетка (най-често срещаният тип),

H – Ni-MH батерия,

K – никел-кадмиева батерия,

L – алкална клетка;

- следната буква показва формата на връзката:

F - плоча,

R - цилиндрични,

P - общото обозначение на връзки с форма, различна от цилиндрична;

– крайната цифра или цифри показват размера на връзката (каталожни стойности или директно указващи размери) (7).

7. Размери на популярни клетки и батерии.

Примери за маркиране:

R03
- цинково-графитна клетка с размер на малък пръст. Друго обозначение е AAA или.

LR6 - алкална клетка с размер на пръст. Друго обозначение е AA или.

HR14 – Ni-MH батерия; буквата C също се използва за обозначаване на размера.

KR20 – Ni-Cd батерия, чийто размер също е отбелязан с буквата D.

3LR12 – плоска батерия с напрежение 4,5 V, състояща се от три цилиндрични алкални клетки.

6F22 - 9-волтова батерия, състояща се от шест плоски клетки Leclanchet.

CR2032 – литиева клетка с диаметър 20 мм и дебелина 3,2 мм.

Вижте също: