Аккумуляторный

Встречи с электрохимической частью 9 Используемые сегодня батареи и первичные элементы, при их многочисленных преимуществах, имеют один существенный недостаток: после разрядки их невозможно перезарядить. От них можно избавиться только сейчас. Решением проблемы является, конечно же, использование регенеративных клеток, т. е. аккумуляторов (от лат. accumulare = накапливать). Однако и эти конструкции не являются неразрушимыми, они выдерживают лишь определенное количество циклов заряда и разряда. Но за время своего существования они заменят многие одноразовые элементы, что принесет пользу как окружающей среде, так и нашему карману.

Модель батареи

Гастон Планте (1834-1889) — конструктор свинцовой батареи.

Окислительно-восстановительную ячейку, которую мы построили во время пятой встречи (если нет, то давайте сейчас построим эту систему), батарею сначала надо было создать, т.е. зарядить. Кратко напомню состав системы: графитовые электроды, 5-10% водный раствор бромида цинка ZnBr₂ в качестве электролита (на практике это смесь ZnSO₄ и KBr) и диафрагмы. Использование диафрагмы предотвращает смешение растворов, окружающих электроды, и, следовательно, прямую реакцию между бромом и цинком (без переноса электронов через внешнюю цепь). При электролизе раствора ZnBr₂ Разряд ионов цинка и брома на электродах:

(-)Zn²⁺ + 2e^— → цинк⁰ (графитовый электрод имеет серебристо-серое покрытие)

(+)2Br^— → Бр₂ + 2e^— (раствор вокруг электрода становится желтоватым)

Таким образом, реакция разложения бромида цинка в сумме протекает:

 загрузка: ZnBr₂ → Zn + Br₂

При работе системы происходят следующие процессы (замыкания электродов посредством токосъемника):

(-)Zn⁰ → цинк²⁺ + 2e^— (металлическое покрытие на электроде тускнеет)

(+)Бр₂ + 2e^— → 2Бр^— (цвет раствора вокруг электрода исчезает)

Процесс разрядки бромно-цинковой батареи представляет собой реакцию синтеза бромида цинка из элементов (с переносом электронов по внешней цепи и токоприемнику):

 разряд: Zn + Br₂ → ZnBr₂

Изображенная бромно-цинковая батарея является моделью действительно функционирующего устройства, впервые построенного компанией Exxon (ныне ExxonMobil) в 70-х годах. В нашей конструкции есть важнейшая особенность, которой должен обладать аккумулятор: во время зарядки восстанавливается исходное состояние системы. Разумеется, при зарядке аккумулятора расходуется больше энергии, чем можно получить при его разряде (излишки расходуются в том числе и на преодоление сопротивления электролита). Но благодаря использованию этого типа устройств мы не зависим от доступа к электрической розетке (это главное преимущество аккумуляторов).

Батарея, настоящая на этот раз

Свинцово-кислотные аккумуляторы — основа автомобилестроения.

Наполните химический стакан примерно 30% раствором серной кислоты (VI) H₂SO₄ и положил в него две свинцовые пластины (очищенные от темных налетов), прикрепленные к раме. Подключаем пластины к источнику напряжения 4,5 — 6 В и проводим электролиз. Через несколько минут пластина, подключенная к положительному полюсу батареи, теряет серебристый блеск и покрывается темным налетом из диоксида свинца:

 (+) РЬ + 2Н₂О → Пбо₂ + 4H⁺ + 4e^—

На поверхности второй пластинки интенсивно выделяется газ:

 (-) 2ч⁺ + 2e^— → Н₂ 

После?Позитив? На его поверхности также можно наблюдать обильное газовыделение с темным налетом (признак зарядки аккумулятора):

 (+) 2ч₂О → О₂→ + 4ч⁺ + 4e^—

Поэтому путем электролиза мы создали ячейку со структурой, показанной на схеме (обозначения электродов остаются как при зарядке):

 (-)Pb|30%H₂SO₄|PbO₂|Pb(+)

Измеряем ли мы теперь напряжение между электродами цепи? это около 2?2,2 В. Затем соедините полюса с лампочкой. При работе клетки происходят следующие реакции:

 (+)PbO₂ + H₂SO₄ + 2H⁺ + 2e^— → PbSO₄ + 2H₂O

 (-)Pb+H₂SO₄ → PbSO₄ + 2H⁺ + 2e^—

Оба электрода покрыты налетом практически нерастворимого сульфата свинца (II), который изолирует их от раствора и блокирует прохождение тока. Суммарное уравнение для реакции разряда выглядит следующим образом:

 разряд: Pb + PbO₂ + 2H₂SO₄ → 2PbSO₄ + 2H₂O

Теперь аккумулятор нужно подзарядить. Снова подключаем к нему аккумулятор (сохраняя прежнюю полярность) и проводим электролиз до тех пор, пока не появятся признаки интенсивного?газовыделения? на обоих электродах. Реакции, происходящие при зарядке, противоположны тем, которые происходили при извлечении энергии из системы (в уравнении достаточно поменять местами продукты и субстраты):

 загрузка: 2PbSO₄ + 2H₂О → Pb + PbO₂ + 2H₂SO₄

Система представляет собой свинцово-кислотную батарею, сконструированную в 1859 году французским физиком Гастоном Планте (1834-1889). Несмотря на многие свои недостатки (значительный вес, чувствительность к разряду, необходимость хранения в заряженном состоянии, опасность агрессивной утечки электролита), он до сих пор широко используется: не только как автомобильный аккумулятор, но и как элемент аварийного питания. . Тщательное техническое обслуживание необходимо для правильной работы батареи Planté. Необходимость хранения в заряженном состоянии обусловлена ​​кристаллизацией осадка PbSO.₄ на электродах. Состояние заряда проверяется путем измерения напряжения (падение ЭДС отдельной ячейки ниже 1,8 В может вызвать необратимое повреждение активной массы электродов) или плотности электролита? Серная кислота (VI) расходуется на электродные реакции, поэтому плотность раствора при работе устройства уменьшается. Несмотря на использование токсичного свинца, достоинства аккумулятора с лихвой компенсируют его недостатки. Конструкция характеризуется прежде всего простотой исполнения и низкой себестоимостью, а также высокой энергоэффективностью? отношение энергии, получаемой при работе, к энергии, используемой для зарядки, составляет 75%. Преимуществом свинцового аккумулятора является также возможность отбирать большой ток, что позволяет использовать его в качестве пускового устройства для двигателей внутреннего сгорания. Несмотря на свою 150-летнюю историю, свинцовая батарея до сих пор хорошо себя чувствует и не была заменена другими типами этих устройств. Пока автомобилизация на основе двигателей внутреннего сгорания продолжает развиваться, ее позиции, вероятно, не будут угрожать.

Щелочные батареи

Никель-кадмиевые аккумуляторы.

На рубеже девятнадцатого и двадцатого веков были созданы конструкции, в которых раствор Н не использовался.₂SO₄но щелочные электролиты. В 1899 году шведский изобретатель Эрнст Вальдемар Юнгнер (1869–1924) подал заявку на патент никель-кадмиевой батареи. Система имеет положительный электрод, покрытый оксигидроксидом никеля (III) NiO (OH), и отрицательный электрод? кадмий. Электролит – раствор гидроксида калия KOH. При работе и зарядке происходят следующие реакции (схема элемента и процессы, происходящие на электродах, оставляем для записи читателям):

В 1901 г. Томас Альва Эдисон (1847–1931) модифицировал конструкцию, использовав железо вместо кадмия (электродные реакции в железо-никелевом аккумуляторе аналогичны реакциям, происходящим в системе Юнгнера).

По сравнению с кислотными батареями щелочные батареи намного легче и могут работать при низких температурах; они также не так громоздки в использовании. Однако их производство дороже, а энергоэффективность? ниже.

Батарейки в нашем доме

Популярные элементы Лекланше и щелочные элементы все чаще заменяются батареями. Чтобы избежать хлопот, связанных с их вставкой в ​​устройство с питанием, перезаряжаемые элементы имеют одноразовые размеры. Несмотря на более высокую цену и необходимость купить правильное зарядное устройство, являются ли они выгодным вложением? особенно для любителей музыки и фотографии.

Никель-кадмиевые аккумуляторы (обозначаемые как Ni-Cd) имеют рабочее напряжение 1,2 В (меньше, чем напряжение одноразовых элементов, что, впрочем, не мешает большинству применений). Ni-Cd элементы отличаются высоким выходом по току, диапазоном работы в широком диапазоне температур и относительно низкой ценой (по сравнению с другими, аналогичными типами элементов). Они очень долговечны, но при неправильном использовании возникает тягостный «эффект памяти». При частой перезарядке частично разряженных Ni-Cd аккумуляторов элемент ведет себя так, как если бы его емкость была равна только заряду, пополняемому при перезарядке. В некоторых типах зарядных устройств действует «эффект памяти». можно уменьшить, загрузив ячейки в специальном режиме «обновления». Поэтому NiCd аккумуляторы следует заряжать по полному циклу: сначала полностью разряжать, потом заряжать. Частая перезарядка сокращает расчетный срок службы батареи на 1000–1500 циклов.

Никель-металлогидридные аккумуляторы.

Из-за использования токсичного кадмия никель-кадмиевые элементы заменены никель-металлогидридными батареями (обозначение Ni-MH). Их структура аналогична никель-кадмиевым системам, но вместо кадмия используется пористый металлический сплав, обладающий способностью поглощать водород. Рабочее напряжение элементов Ni-MH также составляет 1,2 В, что делает их взаимозаменяемыми с элементами Ni-Cd. Емкость никель-металлгидридных аккумуляторов больше соответствующих размеров никель-кадмиевых аккумуляторов, и, кроме того, они не проявляют «эффекта памяти». (частично истощенный можно перезарядить). Однако они менее долговечны, чем NiCd аккумуляторы, быстрее саморазряжаются и, к сожалению, стоят дороже.

В современной электронной технике, телефонах и ноутбуках чаще всего используются литий-ионные (Li-Ion) или литий-полимерные (Li-Poly) аккумуляторы. Анод ячейки графитовый, катод? смесь оксидов или сульфидов переходных металлов (например, титана, марганца, кобальта). Электролит представляет собой раствор соли лития в органическом растворителе, а в случае литий-полимерных аккумуляторов? проводящий полимер в твердом состоянии. Из-за низкой плотности и атомного веса лития литиевые батареи имеют очень выгодное соотношение емкости и веса системы.

Литий-ионный аккумулятор для ноутбука.

По сравнению с одноразовыми элементами аккумуляторы имеют практически такие же преимущества (минус, конечно же, цена). Конструкции этого типа постоянно развиваются, так как появляется все больше устройств в портативном варианте, независимом от кабелей, подключаемых к настенной розетке. Кроме того, работа над созданием электромобиля, который мог бы конкурировать по цене и производительности с двигателями внутреннего сгорания, предвещала быстрое развитие и появление новых типов аккумуляторов.

Маркировка батареи используемые в наших домах, аналогичны маркировке элементов Лекланше и щелочных элементов (из-за одинаковых размеров). Код никель-кадмиевых аккумуляторов начинается с буквы K (например, KR6 — размер популярного пальца AA), а код никель-металлогидридных аккумуляторов начинается с буквы H (например, HR03 мизинец размера AAA).

Емкость аккумулятора она указывается в ампер-часах·Ач (в случае аккумуляторов, используемых для питания небольших электроприборов, в миллиампер-часах·мА·ч). Например: емкость аккумулятора 40 Ач означает, что это устройство может потреблять ток 4 А в течение 10 часов, 2 А в течение 20 часов и т. д. Емкостью аккумулятора является содержащийся в нем заряд в кулонах:

1 Ач = 1 A3600 с = 3600 C

Перезаряжаемый литий-ионный аккумулятор.