Батарейный мир – часть 3

История современных батарей начинается в девятнадцатом веке, из этого века берет свое начало большая часть конструкций, используемых сегодня. Такое положение свидетельствует, с одной стороны, о прекрасных идеях ученых того времени, а с другой — о трудностях, возникающих при разработке новых моделей.

Немногие вещи настолько хороши, что их нельзя улучшить. Это правило распространяется и на аккумуляторы — модели XNUMX века много раз дорабатывались, пока не приняли нынешний вид. Это также относится к клетки Лекланше.

Ссылка для улучшения

Дизайн французского химика был изменен Карла Гаснера в действительно полезную модель: дешевую в производстве и безопасную в эксплуатации. Однако проблемы все же были – цинковое покрытие элемента разъедало при контакте с кислым электролитом, заполняющим чашу, и выплескивание агрессивного содержимого могло вывести из строя питаемое устройство. Решение стало амальгамование внутренняя поверхность цинкового корпуса (ртутное покрытие).

Амальгама цинка практически не реагирует с кислотами, но сохраняет все электрохимические свойства чистого металла. Однако из-за правовых норм по охране окружающей среды этот метод продления срока службы элементов используется все реже и реже (на безртутных элементах вы можете найти надпись или) (1).

2. Схема щелочной ячейки: 1) корпус (катодный свинец), 2) катод, содержащий диоксид марганца, 3) электродный сепаратор, 4) анод, содержащий КОН и цинковую пыль, 5) анодный вывод, 6) герметизация ячейки (электродный изолятор). .

Еще один способ увеличить долговечность и срок службы ячейки — добавить хлорид цинка ZnCl₂ для пасты для наполнения чашек. Ячейки этой конструкции часто называют Heavy Duty и (как следует из названия) предназначены для питания более энергоемких устройств.

Прорывом в области одноразовых батареек стало строительство в 1955 г. щелочная ячейка. Изобретение канадского инженера Льюис Урри, используемый нынешней компанией Energizer, имеет структуру, немного отличающуюся от структуры ячейки Лекланше.

Во-первых, вы не найдете там ни графитового катода, ни цинковой чашки. Оба электрода выполнены в виде влажных, разделенных паст (загустители плюс реагенты: катод состоит из смеси диоксида марганца и графита, анод из цинковой пыли с примесью гидроксида калия), а их выводы выполнены из металла (2). Однако реакции, происходящие во время работы, очень похожи на те, что происходят в ячейке Лекланше.

Задача. Выполните «химическое вскрытие» щелочной ячейки, чтобы выяснить, что содержимое действительно щелочное (3). Помните, что такие же меры предосторожности относятся и к демонтажу ячейки Лекланше. Как определить щелочной элемент, см. в поле «Код батареи».

3. «Разрез» щелочной ячейки подтверждает содержание щелочи.

Аккумуляторы самодельные

4. Отечественные Ni-MH и Ni-Cd аккумуляторы.

Ячейки, которые можно подзаряжать после использования, были целью конструкторов с самого начала развития науки об электричестве, отсюда и множество их видов.

В настоящее время одной из моделей, используемых для питания мелкой бытовой техники, являются никель-кадмиевые аккумуляторы. Их прототип появился в 1899 году, когда это сделал шведский изобретатель. Эрнст Юнгнер подала заявку на патент на никель-кадмиевую батарею, которая могла бы конкурировать с уже широко используемыми в автомобильной промышленности батареями. свинцово-кислотная батарея.

Анод ячейки – кадмий, катод – соединение трехвалентного никеля, электролит – раствор гидроксида калия (в современных “сухих” конструкциях – влажная паста из загустителей, насыщенная раствором КОН). У Ni-Cd аккумуляторов (такое их обозначение) рабочее напряжение составляет примерно 1,2 В – это меньше, чем у одноразовых элементов, что, впрочем, не является проблемой для большинства применений. Большим преимуществом является возможность потреблять ток значительной силы (даже несколько ампер) и широкий диапазон рабочих температур.

5. Перед зарядкой проверьте требования к различным типам элементов питания.

Недостатком никель-кадмиевых аккумуляторов является обременительный «эффект памяти». Это происходит при частой перезарядке частично разряженных Ni-Cd аккумуляторов: система ведет себя так, как будто ее емкость равна только заряду, пополняемому при перезарядке. В некоторых типах зарядных устройств «эффект памяти» можно уменьшить, заряжая элементы в специальном режиме.

Поэтому разряженные никель-кадмиевые аккумуляторы следует заряжать по полному циклу: сначала полностью разрядить (используя соответствующую функцию зарядного устройства), а затем зарядить. Частая перезарядка также снижает расчетный срок службы в 1000-1500 циклов (такое количество одноразовых элементов будет заменено одним аккумулятором в течение срока службы, поэтому более высокая стоимость покупки окупит себя во много раз, не говоря уже о гораздо меньшей нагрузке на аккумулятор). окружающей среды с производством и утилизацией клеток).

Ni-Cd элементы, содержащие токсичный кадмий, заменены никель-металлогидридные аккумуляторы (обозначение Ni-MH). Их структура аналогична Ni-Cd аккумуляторам, но вместо кадмия используется пористый металлический сплав (Ti, V, Cr, Fe, Ni, Zr, редкоземельные металлы) со способностью поглощать водород (4). Рабочее напряжение Ni-MH элемента также составляет около 1,2 В, что позволяет использовать их взаимозаменяемо с NiCd аккумуляторами. Емкость никель-металлогидридных элементов больше, чем у никель-кадмиевых элементов того же размера. Однако системы NiMH саморазряжаются быстрее. Уже есть современные конструкции, лишенные этого недостатка, но стоят они значительно дороже стандартных моделей.

Никель-металлогидридные аккумуляторы не проявляют «эффекта памяти» (частично разряженные элементы можно перезаряжать). Однако всегда необходимо проверять требования к зарядке каждого типа в инструкции к зарядному устройству (5).

В случае Ni-Cd и Ni-MH аккумуляторов мы не рекомендуем их разбирать. Во-первых, мы не найдем в них ничего полезного. Во-вторых, никель и кадмий не являются безопасными элементами. Не рискуйте без необходимости и предоставьте утилизацию подготовленным к этому специалистам.

Король аккумуляторов, то есть…

6. «Король аккумуляторов» за работой.

… Свинцово-кислотный аккумулятор, построенный в 1859 году французским физиком Гастона Плантего (да-да – аппарату в этом году “стукнет” 161 год!). Электролит батареи представляет собой около 37% раствор серной кислоты (VI), а электроды – свинец (анод) и свинец, покрытый слоем диоксида свинца PbO.₂ (катод). При работе на электродах образуется осадок сульфата свинца(II)(II)PbSO₄. При зарядке одна ячейка имеет напряжение более 2 вольт.

Свинцовая батарея у него фактически есть все недостатки: значительный вес, чувствительность к разряду и низким температурам, необходимость хранения в заряженном состоянии, риск агрессивной утечки электролита и использование токсичного металла. Кроме того, требует бережного обращения: проверки плотности электролита, доливки воды в камеры (используйте только дистиллированную или деионизированную), контроль напряжения (падение ниже 1,8 В в одной камере может привести к повреждению электродов) и специальный режим зарядки.

Так почему же древняя структура все еще используется? “Король аккумуляторов” обладает тем, что является атрибутом настоящего правителя – властью. Потребление тока большой силы и высокая энергоэффективность до 75% (такое количество энергии, используемой для зарядки, может быть рекуперировано в процессе эксплуатации), а также простота конструкции и низкая себестоимость производства означают, что свинцовая батарея используется не только для запуска двигателей внутреннего сгорания, но и как элемент аварийного электроснабжения. Несмотря на 160-летнюю историю, свинцовая батарея до сих пор хорошо себя чувствует и не вытеснена другими типами этих устройств (а вместе с ней и сам свинец, который благодаря батарее является одним из металлов, производимых в крупнейших количества). Пока моторизация на основе двигателей внутреннего сгорания продолжает развиваться, ее позиции, вероятно, не будут угрожать (6).

Изобретатели не прекращали попыток создать замену свинцово-кислотному аккумулятору. Некоторые из моделей стали популярными и до сих пор используются в автомобильной промышленности. На рубеже девятнадцатого и двадцатого веков были созданы конструкции, в которых раствор Н не использовался.₂SO₄но щелочные электролиты. Примером может служить никель-кадмиевая батарея Эрнста Юнгнера, представленная выше. В 1901 году Томас Алва Эдисон изменили конструкцию, чтобы использовать железо вместо кадмия. По сравнению с кислотными аккумуляторами щелочные модели намного легче, могут работать при низких температурах и не так сложны в обращении. Однако их производство дороже, а энергоэффективность ниже.

И что дальше?

Конечно, статьи, посвященные батареям, не исчерпывают вопросы. Они не обсуждают, например, вопросы литиевых элементов, также часто используемых для питания бытовой техники, такой как калькуляторы или компьютерные материнские платы. Подробнее о них можно узнать в январской статье о прошлогодней Нобелевской премии по химии, а по практической части – через месяц (включая снос и опыт).

Есть хорошие перспективы для элементов, особенно аккумуляторов. Мир становится все более мобильным, а это означает необходимость стать независимым от силовых кабелей. Также большой проблемой является обеспечение эффективного энергоснабжения электромобилей. – чтобы они могли конкурировать с автомобилями с двигателем внутреннего сгорания еще и по экономичности.

аккумуляторная батарея

Для облегчения идентификации типа клеток введен специальный буквенно-цифровой код. Для типов, наиболее часто встречающихся в наших домах для мелкой бытовой техники, он имеет вид число-буква-буква-номер.

И да:

– первая цифра – количество ячеек; игнорируется для одиночных ячеек;

– первая буква обозначает тип ячейки. Когда он отсутствует, вы имеете дело со звеном Лекланше. Другие типы ячеек маркируются следующим образом:

C – литиевый элемент (наиболее распространенный тип),

H – Ni-MH аккумулятор,

K – никель-кадмиевая батарея,

L – щелочная ячейка;

– следующая буква указывает на форму звена:

F – пластина,

R – цилиндрический,

P – общее обозначение звеньев, имеющих форму, отличную от цилиндрической;

– конечная цифра или цифры обозначают размер звена (каталожные значения или прямо указывающие размеры) (7).

7. Размеры популярных элементов и аккумуляторов.

Примеры маркировки:

R03
– цинк-графитовая ячейка размером с мизинец. Другое обозначение – ААА или .

LR6 – щелочная ячейка размером с палец. Другое обозначение — АА или .

HR14 – Ni-MH аккумулятор; буква C также используется для обозначения размера.

KR20 – Ni-Cd аккумулятор, размер которого также обозначен буквой D.

3LR12 – плоская батарея напряжением 4,5 В, состоящая из трех цилиндрических щелочных элементов.

6F22 – 9-вольтовая батарея, состоящая из шести плоских элементов Лекланше.

CR2032 – литиевая ячейка диаметром 20 мм и толщиной 3,2 мм.

Смотрите также: