Lumea bateriei - partea 3

Istoria bateriilor moderne începe în secolul al XIX-lea, din acest secol provin majoritatea modelelor utilizate astăzi. Această situație mărturisește, pe de o parte, ideile excelente ale oamenilor de știință din acea vreme și, pe de altă parte, dificultățile care apar în dezvoltarea de noi modele.

Puține lucruri sunt atât de bune încât să nu poată fi îmbunătățite. Această regulă se aplică și bateriilor - modelele din secolul al XNUMX-lea au fost rafinate de multe ori până și-au luat forma actuală. Acest lucru este valabil și pentru celulele Leclanche.

Link pentru îmbunătățire

Designul chimistului francez a fost schimbat Carl Gasner într-un model cu adevărat util: ieftin de produs și sigur de utilizat. Cu toate acestea, au existat încă probleme - stratul de zinc al elementului s-a corodat la contactul cu electrolitul acid care a umplut vasul, iar stropirea conținutului agresiv ar putea dezactiva dispozitivul alimentat. Decizia a devenit amalgamare suprafața interioară a corpului de zinc (acoperire cu mercur).

Amalgamul de zinc practic nu reacționează cu acizii, dar păstrează toate proprietățile electrochimice ale metalului pur. Cu toate acestea, din cauza reglementărilor de mediu, această metodă de prelungire a duratei de viață a celulelor este utilizată din ce în ce mai puțin (la celulele fără mercur, puteți găsi inscripția sau) (1).

2. Dispunerea celulei alcaline: 1) carcasă (plumb catod), 2) catod care conține dioxid de mangan, 3) separator de electrod, 4) anod care conține KOH și praf de zinc, 5) terminal anod, 6) etanșare celule (izolator de electrod). .

O altă modalitate de a crește longevitatea și viața celulară este să adăugați clorură de zinc ZnCl₂ pentru pastă de umplut cupe. Celulele cu acest design sunt adesea denumite Heavy Duty și (după cum sugerează și numele) sunt proiectate pentru a alimenta dispozitive care consumă mai multă energie.

O descoperire în domeniul bateriilor de unică folosință a fost construcția în 1955 a celula alcalina. Invenție a inginerului canadian Lewis Urry, folosit de actuala firma Energizer, are o structura usor diferita de cea a celulei Leclanchet.

În primul rând, nu veți găsi acolo un catod de grafit sau o cupă de zinc. Ambii electrozi sunt fabricați sub formă de paste umede, separate (îngroșați plus reactivi: catodul constă dintr-un amestec de dioxid de mangan și grafit, anodul de praf de zinc cu un amestec de hidroxid de potasiu), iar terminalele lor sunt din metal ( 2). Cu toate acestea, reacțiile care apar în timpul funcționării sunt foarte asemănătoare cu cele care apar în celula Leclanchet.

Sarcină. Efectuați o „autopsie chimică” pe o celulă alcalină pentru a afla că conținutul este într-adevăr alcalin (3). Amintiți-vă că aceleași precauții se aplică la demontarea celulei Leclanchet. Consultați câmpul Cod baterie pentru a afla cum să identificați o celulă alcalină.

3. „Secțiunea” celulei alcaline confirmă conținutul de alcali.

Baterii de casă

4. Baterii domestice Ni-MH și Ni-Cd.

Celulele care pot fi reîncărcate după utilizare au fost scopul designerilor încă de la începutul dezvoltării științei electricității, de unde și numeroasele tipuri de ele.

În prezent, unul dintre modelele folosite pentru alimentarea aparatelor electrocasnice mici sunt baterii nichel-cadmiu. Prototipul lor a apărut în 1899 când un inventator suedez a făcut-o. Ernst Jungner a solicitat un brevet pentru o baterie cu nichel-cadmiu care ar putea concura cu bateriile deja utilizate pe scară largă în industria auto. baterie plumb acid.

Anodul celulei este cadmiu, catodul este un compus trivalent de nichel, electrolitul este o soluție de hidroxid de potasiu (în modelele moderne „uscate”, o pastă umedă de agenți de îngroșare saturată cu o soluție de KOH). Bateriile Ni-Cd (aceasta este denumirea lor) au o tensiune de funcționare de aproximativ 1,2 V - aceasta este mai mică decât cea a celulelor de unică folosință, ceea ce, totuși, nu este o problemă pentru majoritatea aplicațiilor. Marele avantaj este capacitatea de a consuma curent semnificativ (chiar și câțiva amperi) și o gamă largă de temperaturi de funcționare.

5. Verificați cerințele pentru diferite tipuri de baterii înainte de încărcare.

Dezavantajul bateriilor cu nichel-cadmiu este un „efect de memorie” împovărător. Acest lucru se întâmplă la reîncărcarea frecventă a bateriilor Ni-Cd parțial descărcate: sistemul se comportă ca și cum capacitatea sa este doar egală cu încărcarea reîncărcată prin reîncărcare. La unele tipuri de încărcătoare, „efectul de memorie” poate fi redus prin încărcarea celulelor într-un mod special.

Prin urmare, bateriile nichel-cadmiu descărcate trebuie încărcate într-un ciclu complet: mai întâi complet descărcate (folosind funcția de încărcare corespunzătoare) și apoi reîncărcate. Reîncărcarea frecventă reduce, de asemenea, durata de viață estimată de 1000-1500 de cicluri (că multe celule de unică folosință vor fi înlocuite cu o singură baterie pe parcursul duratei sale, astfel încât costul de achiziție mai mare se va amortiza de mai multe ori, ca să nu mai vorbim de o presiune mult mai mică asupra bateriei ). mediu cu producerea și eliminarea celulelor).

Elementele Ni-Cd care conțin cadmiu toxic au fost înlocuite baterii nichel-hidrură metalică (denumirea Ni-MH). Structura lor este similară bateriilor Ni-Cd, dar în loc de cadmiu se folosește un aliaj metalic poros (Ti, V, Cr, Fe, Ni, Zr, metale cu pământuri rare) cu capacitatea de a absorbi hidrogen (4). Tensiunea de funcționare a celulei Ni-MH este, de asemenea, de aproximativ 1,2 V, ceea ce le permite să fie folosite interschimbabil cu bateriile NiCd. Capacitatea celulelor cu hidrură metalică de nichel este mai mare decât cea a celulelor cu nichel cadmiu de aceeași dimensiune. Cu toate acestea, sistemele NiMH se descarcă mai rapid. Există deja modele moderne care nu au acest dezavantaj, dar costă mult mai mult decât modelele standard.

Bateriile nichel-hidrură metalică nu prezintă un „efect de memorie” (celulele parțial descărcate pot fi reîncărcate). Cu toate acestea, este întotdeauna necesar să verificați cerințele de încărcare ale fiecărui tip în instrucțiunile pentru încărcător (5).

În cazul bateriilor Ni-Cd și Ni-MH, nu recomandăm dezasamblarea acestora. În primul rând, nu vom găsi nimic util în ele. În al doilea rând, nichelul și cadmiul nu sunt elemente sigure. Nu vă asumați riscuri inutil și lăsați eliminarea pe seama unor profesioniști instruiți.

Regele acumulatorilor, adică...

6. „Regele bateriilor” la serviciu.

… Baterie plumb-acid, construit în 1859 de un fizician francez Gaston Plantego (da, da, dispozitivul va împlini 161 de ani anul acesta!). Electrolitul bateriei este aproximativ 37% soluție de acid sulfuric (VI), iar electrozii sunt plumb (anod) și plumb acoperiți cu un strat de dioxid de plumb PbO.₂ (catod). În timpul funcționării, pe electrozi se formează un precipitat de sulfat de plumb(II)(II)PbSO₄. La încărcare, o celulă are o tensiune mai mare de 2 volți.

baterie cu plumb are de fapt toate dezavantajele: greutate semnificativă, sensibilitate la descărcare și temperaturi scăzute, necesitatea depozitării în stare de încărcare, riscul de scurgere agresivă a electrolitului și utilizarea metalului toxic. În plus, necesită o manipulare atentă: verificarea densității electrolitului, adăugarea de apă în camere (utilizați numai distilat sau deionizat), controlul tensiunii (scăderea sub 1,8 V într-o cameră poate deteriora electrozii) și un mod special de încărcare.

Deci, de ce structura antică este încă în uz? „Regele acumulatorilor” are ceea ce este un atribut al unui conducător real - puterea. Consumul ridicat de curent și eficiența energetică ridicată de până la 75% (această cantitate de energie utilizată pentru încărcare poate fi recuperată în timpul funcționării), precum și designul simplu și costul redus de producție, înseamnă că baterie cu plumb Este folosit nu numai pentru pornirea motoarelor cu ardere internă, ci și ca element de alimentare de urgență. În ciuda a 160 de ani de istorie, bateria cu plumb încă merge bine și nu a fost înlocuită de alte tipuri de aceste dispozitive (și odată cu el, plumbul în sine, care, datorită bateriei, este unul dintre metalele produse în cele mai mari cantități) . Atâta timp cât motorizarea bazată pe motoare cu ardere internă continuă să se dezvolte, poziția sa nu este susceptibilă să fie amenințată (6).

Inventatorii nu au încetat să încerce să creeze un înlocuitor pentru bateria plumb-acid. Unele dintre modele au devenit populare și sunt încă folosite în industria auto și astăzi. La începutul secolelor al XIX-lea și al XX-lea, au fost create modele în care soluția H nu a fost folosită.₂SO₄dar electroliţi alcalini. Un exemplu este bateria nichel-cadmiu a lui Ernst Jungner prezentată mai sus. În 1901 Thomas Alva Edison a schimbat designul pentru a folosi fier în loc de cadmiu. În comparație cu bateriile acide, bateriile alcaline sunt mult mai ușoare, pot funcționa la temperaturi scăzute și nu sunt la fel de greu de manevrat. Cu toate acestea, producția lor este mai scumpă, iar eficiența energetică este mai mică.

Deci, ce urmează?

Desigur, articolele despre baterii nu epuizează întrebările. Acestea nu discută, de exemplu, celulele cu litiu, folosite în mod obișnuit pentru alimentarea aparatelor de uz casnic, cum ar fi calculatoarele sau plăcile de bază ale computerelor. Puteți afla mai multe despre ele în articolul din ianuarie despre Premiul Nobel pentru Chimie de anul trecut, iar partea practică - într-o lună (inclusiv demolare și experiență).

Există perspective bune pentru celule, în special pentru baterii. Lumea devine din ce în ce mai mobilă, ceea ce înseamnă nevoia de a deveni independent de cablurile de alimentare. Asigurarea aprovizionării eficiente cu energie pentru vehiculele electrice este, de asemenea, o mare problemă. - astfel încât să poată concura cu mașinile cu motor cu ardere internă și din punct de vedere al eficienței.

acumulator

Pentru a facilita identificarea tipului de celule, a fost introdus un cod alfanumeric special. Pentru tipurile cel mai frecvent întâlnite în casele noastre pentru electrocasnice mici, are forma număr-litera-litera-număr.

Și asta:

- prima cifră este numărul de celule; ignorat pentru celulele individuale;

– prima literă indică tipul de celulă. Când lipsește, ai de-a face cu legătura Leclanche. Alte tipuri de celule sunt etichetate după cum urmează:

C – celulă cu litiu (cel mai comun tip),

H - baterie Ni-MH,

K – baterie nichel-cadmiu,

L – celula alcalina;

- următoarea literă indică forma legăturii:

F - farfurie,

R - cilindric,

P - denumirea generală a legăturilor cu altă formă decât cilindrică;

– cifra sau cifrele finale indică dimensiunea legăturii (valori de catalog sau dimensiuni care indică direct) (7).

7. Dimensiunile celulelor și bateriilor populare.

Exemple de marcare:

R03
- o celulă de zinc-grafit de mărimea unui deget mic. O altă denumire este AAA sau.

LR6 - o celulă alcalină de mărimea unui deget. O altă denumire este AA sau.

HR14 – baterie Ni-MH; litera C este folosită și pentru a indica mărimea.

KR20 – baterie Ni-Cd, a cărei dimensiune este de asemenea marcată cu litera D.

3LR12 – o baterie descarcata cu o tensiune de 4,5 V, formata din trei celule alcaline cilindrice.

6F22 - baterie de 9 volți, formată din șase celule plate Leclanchet.

CR2032 – celulă cu litiu cu diametrul de 20 mm și grosimea de 3,2 mm.

A se vedea, de asemenea: