Gdzie stosuje się ogniwo galwaniczne? Ogniwa galwaniczne
Ogniwo galwaniczne- jest źródłem prądu chemicznego, w którym energia uwolniona w wyniku reakcji redoks na elektrodach jest bezpośrednio przekształcana w energię elektryczną .
Ryż. 9.2. Schemat ogniwa galwanicznego Daniela-Jacobiego
Oto szklanka zawierająca roztwór ZnSO 4 w wodzie z zanurzoną w niej płytką cynkową; II - szkło zawierające roztwór CuSO 4 w wodzie z zanurzoną w nim płytką miedzianą; III - mostek solny (klucz elektrolityczny), który zapewnia przepływ kationów i anionów pomiędzy roztworami; IV - woltomierz (potrzebny do pomiaru pola elektromagnetycznego, ale nie wchodzi w skład ogniwa galwanicznego).
Standardowy potencjał elektrody cynkowej . Standardowy potencjał elektrody miedzianej
. Ponieważ
, wówczas atomy cynku ulegną utlenieniu:
Elektrodę, na której zachodzi reakcja redukcji lub która przyjmuje kationy z elektrolitu, nazywa się elektrodą katoda.
Poprzez przełącznik elektrolityczny następuje ruch jonów w roztworze: aniony SO 4 2- do anody, kationy Zn 2+ do katody. Ruch jonów w roztworze zamyka obwód elektryczny ogniwa galwanicznego.
Reakcje (a) i (b) nazywane są reakcjami elektrodowymi.
Sumując równania procesów zachodzących na elektrodach, otrzymujemy całkowite równanie reakcji redoks zachodzącej w ogniwie galwanicznym:
Ogólnie ogólne równanie reakcji redoks zachodzącej w dowolnym ogniwie galwanicznym można przedstawić jako:
Obwód ogniwa galwanicznego Daniela-Jacobiego wygląda następująco:
Zn | ZnSO4 || CuSO4| Cu
Nazywa się maksymalną różnicę potencjałów między elektrodami, jaką można uzyskać podczas pracy ogniwa galwanicznego siła elektromotoryczna element (emf). mi. Oblicza się to według wzoru;
Gdzie N- liczba elektronów w elementarnym zdarzeniu redoks, F- Liczba Faradaya.
Wielkość zmiany potencjału izobarycznego i izotermicznego reakcji tworzącej prąd w standardowych warunkach? G 0 jest związane ze stałą równowagi tej reakcji DO równa się stosunkowi
(9.6) |
Ogniwa galwaniczne są pierwotnymi (jednorazowego użytku) źródłami prądu chemicznego (CHS). Wtórnymi (wielokrotnego użytku) HIT-ami są baterie. Procesy zachodzące podczas rozładowywania i ładowania akumulatorów są wzajemne.
Nazywa się ogniwa galwaniczne, w których elektrody są wykonane z tego samego metalu i zanurzone w roztworach ich soli o różnym stężeniu stężenie. Funkcję anody w takich elementach pełni metal zanurzony w roztworze soli o niższym stężeniu, na przykład:
Przykład 1. Narysuj schemat ogniwa galwanicznego w oparciu o reakcję: Mg + ZnSO 4 = MgSO 4 + Zn. Jaka jest katoda i anoda w tym ogniwie? Napisz równania procesów zachodzących na tych elektrodach. Oblicz pole elektromagnetyczne elementu w standardowych warunkach. Oblicz stałą równowagi reakcji generującej prąd.
BATERIE GALWANICZNE – grupy ogniw galwanicznych połączonych ze sobą elektrycznie, które wytwarzają energię elektryczną dzięki działaniu substancji chemicznych. reakcje zachodzące pomiędzy materiałami aktywnymi elektrod. W bateriach galwanicznych najczęściej stosuje się ogniwa galwaniczne, w których elektroda dodatnia wykonana jest z mieszaniny dwutlenku manganu i grafitu, a elektroda ujemna wykonana jest z cynku. Jako elektrolit zwykle stosuje się roztwór chlorku amonu (amoniak) i innych soli chlorkowych. Takie pierwiastki nazywane są manganem-cynkiem.
Ryż. 1. Ogniwo kubkowe suche: 1 - elektroda ujemna (cynk), 2 - opakowanie kartonowe, 3 - przewody prądowe, 4 - nasadka, 5 - elektroda dodatnia, 6 - warstwa elektrolitu (pasta), 7 - żywica, 8 - karton podkładka, 9 - uszczelka izolacyjna, 10 - rurka szklana (wylot gazu)
Czasami oprócz dwutlenku manganu i grafitu do elektrody dodatniej dodaje się węgiel aktywny, który pochłania tlen z otaczającej atmosfery, co pozwala na wykorzystanie go w zastosowaniach chemicznych. reakcje. Takie pierwiastki nazywane są manganowo-powietrzno-cynkowym. Mają większą pojemność i niższy koszt. Do celów specjalnych stosuje się elementy masowe typu węgiel-cynk i żelazo-węgiel, które mają stałą wysoką napięcie. Ze względu na niedogodności związane ze stosowaniem ogniw masowych z ciekłym elektrolitem, ten ostatni za pomocą mąki, skrobi, tektury lub innych wypełniaczy przekształca się w stan lepki, przez co traci płynność i w żadnym wypadku nie wylewa się z ogniwa pozycja. Takie elementy nazywane są suchymi.
Istnieją dwa główne rodzaje suchych elementów: kubek i ciastko. Element kielichowy (rys. 1) posiada elektrodę ujemną (biegun cynkowy) w postaci cylindrycznej, bezszwowej lub posiadającej szew podłużny (lutowanej, spawanej, walcowanej) prostokątnej miseczki. Elektroda dodatnia to cylinder lub pryzmat dociśnięty do pręta węglowego, który służy jako przewodnik prądu. Elektrodę dodatnią umieszcza się wewnątrz elektrody ujemnej, a przestrzeń pomiędzy nimi wypełnia się skondensowanym elektrolitem. W elemencie biszkoptowym (rys. 2) elektrody mają postać płytek, które są oddzielone tekturową membraną impregnowaną elektrolitem. Wszystkie części są dokręcone elastyczną obręczą (pierścieniem) z chlorku winylu. Przewodnikiem prądu jest warstwa masy przewodzącej prąd elektryczny, nieprzepuszczalna dla elektrolitu, nałożona na zewnętrzną stronę elektrody cynkowej. Elementy manganowo-powietrzno-cynkowe produkowane są wyłącznie w wykonaniu kubkowym.
Ryż. 2. Ogniwo suche typu biszkoptowe: 1 - elektroda ujemna (cynkowa) z warstwą przewodzącą elektrycznie, 2 - elektroda dodatnia, 3 - przepony tekturowe impregnowane elektrolitem, 4 - papier do owijania elektrody dodatniej, 5 - pierścień z chlorku winylu
Głównymi wskaźnikami elementu są jego siła elektromotoryczna (emf) i napięcie, którego wartość mierzy się za pomocą woltomierza (patrz), w pierwszym przypadku - przy braku rezystancji obciążenia, w drugim - podczas podłączania rezystancji obciążenia określone przez normę. E.m.f. pierwiastki manganu – cynku w zakresie od 1,5 do 1,8 V, np. ds. pierwiastki manganowo-powietrzno-cynkowe wynosi 1,4 V. Wartość napięcia elementu jest zawsze mniejsza niż e. d.s. różnica między nimi wzrasta wraz ze spadkiem rezystancji obciążenia. Do najważniejszych parametrów baterii galwanicznych zalicza się także ilość dostarczanego przez nie prądu oraz możliwość jego długiego magazynowania (bezpieczeństwo). Ilość wydzielonej energii mierzy się albo czasem pracy elementu w godzinach, albo jego pojemnością elektryczną w ciągu godziny. Ponieważ napięcie elementu spada podczas rozładowywania, to w technice. dokumentacja zawsze określa dolną granicę napięcia (napięcie końcowe), która wyznacza dolną granicę jego wydajności. Przy danym napięciu końcowym pojemność elektryczna elementu, a co za tym idzie czas jego pracy, zależy także od temperatury i wartości rezystancji obciążenia (patrz tabela 1), a także częstotliwości wyładowań.
Pojemność baterii galwanicznych wzrasta wraz ze wzrostem rezystancji obciążenia i wzrostem temperatury. Najniższa temperatura, w jakiej mogą pracować elementy: dla manganu-cynku -20°, dla manganu-powietrza-cynku -5°. Częstotliwość wyładowań charakteryzuje się naprzemiennością i czasem trwania okresów wyładowań i odpoczynku elementu. Z reguły ogniwa manganowo-cynkowe z wyładowaniem przerywanym dają większą pojemność niż przy wyładowaniu ciągłym, natomiast ogniwa manganowo-powietrzno-cynkowe dają mniej.
Bezpieczeństwo baterii (ogniw) galwanicznych to okres od momentu wyprodukowania do rozpoczęcia eksploatacji, podczas którego wyrób zachowuje swoją funkcjonalność. Ilość pozostałej pojemności (lub czasu pracy) jest określona normą i zwykle wynosi 60-75% pierwotnej.
Okres trwałości wskazany na etykiecie jest minimalny i prawie zawsze baterie są galwaniczne, a ogniwa mogą być używane przez pewien czas. O ich przydatności w tym przypadku decyduje napięcie.
Łączenie elementów baterii galwanicznych może być szeregowe, równoległe i mieszane. W przypadku połączenia szeregowego biegun dodatni jednego elementu łączy się z biegunem ujemnym następnego elementu itp. (Rys. 3).
Ryż. 3. Schemat połączenia szeregowego elementów
Ryż. 4. Schemat równoległego połączenia elementów akumulatora
Ryż. 5. Mieszane połączenie ogniw akumulatora
To połączenie elementów służy do wytworzenia wyższego napięcia baterii galwanicznej, które w tym przypadku jest wprost proporcjonalne do liczby elementów połączonych szeregowo. Pojemność baterii galwanicznej nie ulega zmianie i jest równa pojemności pojedynczego elementu. Połączenie równoległe polega na połączeniu ze sobą z jednej strony wszystkich biegunów dodatnich elementów, a z drugiej - ujemnych (ryc. 4). Jednocześnie wzrasta pojemność baterii galwanicznej, a jej napięcie pozostaje równe napięciu pojedynczego elementu. W przypadku połączenia mieszanego stosuje się obie powyższe metody: kilka identycznych grup łączy się za pomocą szeregowego połączenia elementów połączonych ze sobą równolegle (ryc. 5). Jednocześnie odpowiednio wzrasta zarówno napięcie, jak i pojemność.
W zależności od przeznaczenia baterie galwaniczne dzielą się na anodowe, siatkowe, żarowe i latarniowe.
Baterie z anodą galwaniczną (rys. 6) przeznaczone są do zasilania obwodów anodowych odbiorników radiowych.
Ryż. 6. Bateria BS-G-70
Ich napięcie jest stosunkowo wysokie - od 60 do 120 V. Stosowane są do niskiego prądu - od 3 do 12 mA. Zazwyczaj te akumulatory galwaniczne posiadają dodatkowe przewody prądowe w postaci gniazda w panelu lub miękkich przewodów, które pozwalają w pierwszej kolejności wykorzystać część akumulatora galwanicznego i podłączyć resztę w miarę spadku napięcia. Ten tryb nazywa się wyładowaniem sekcyjnym i pozwala, w pewnych granicach, zwiększyć żywotność baterii galwanicznej.
Baterie sieciowe galwaniczne mają na celu wytworzenie napięcia polaryzacji na siatkach lamp radiowych.
Ryż. 7. Bateria BSG-60-S-8
Używają połączenia szeregowego. Napięcie od 4,5 do 12,0 V. Pobór prądu nie przekracza 3 mA. Montowane są w tej samej obudowie co baterie anodowe galwaniczne (rys. 7) i składają się z identycznych elementów.
Baterie żarnikowe galwaniczne (Rys. 8) przeznaczone są do zasilania żarników lamp radiowych.
Ryż. 8. Bateria BNS-MVD-500
W przypadku radiotelefonów stacjonarnych (Rodina, Iskra itp.) akumulatory z żarnikiem galwanicznym, w celu uzyskania większej pojemności, składają się z czterech dużych elementów manganowo-powietrzno-cynkowych połączonych równolegle. Ich napięcie jest równe napięciu jednego elementu, a pobór prądu wynosi od 0,3 do 0,5 A. W bateriach żarnikowych przenośnych radiotelefonów akumulatorowych stosuje się równoległe i mieszane połączenia małych elementów. W przypadku radia akumulatorowego Tula przemysł produkuje zestaw zasilający w specjalnej obudowie, składający się z anody i żarzącej się baterii galwanicznej (ryc. 9).
Ryż. 9. Zestaw - zasilacz do radia "Tula"
Baterie galwaniczne do latarni Przeznaczony do zasilania żarówek latarek. Charakteryzują się dużym poborem prądu (od 150 do 280 A) przy niskim napięciu (3,0-4,5 V) i małymi wymiarami. Najczęściej stosowane są baterie galwaniczne typu KBS-L-0,50 (rys. 10), składające się z trzech elementów połączonych szeregowo. W przypadku okrągłych latarni i przyrządów pomiarowych (omomierze, awometry itp.) przemysł produkuje elementy cylindryczne typu FBS, których połączenie szeregowe w razie potrzeby wykonuje się bezpośrednio po ich włożeniu do korpusu latarni (urządzenie ).
Ryż. 10. Bateria do latarki KBS-L-0,50
Legendy elementów zazwyczaj składają się z czterech części. Początkowa liczba wskazuje wymiary (w mm): nr 2 - 40x40x100, nr 3-55x55x130, nr 6 - 80x80x175; litery - C - suche, L - letnie, X - mrozoodporne; poniższe liczby wskazują pojemność elementu. Zatem 3S-L-30 oznacza: element nr 3, suchy, letni, o wydajności 30 na godzinę. Nazwa baterii galwanicznych rozpoczynająca się od oznaczeń literowych składa się z 4-5 części o następujących znaczeniach: B - bateria, A - anoda, N - żarowa, C - sucha, G - ciastka, F - latarnia, K - kieszeń. Liczba po literach w przypadku akumulatorów anodowych galwanicznych oznacza napięcie, w przypadku akumulatorów żarowych - pojemność. Czasami jednak w oznaczeniu baterii galwanicznych anodowych pomija się literę A, a na końcu oznaczenia dodaje się drugi wskaźnik numeryczny - pojemność baterii galwanicznej. Nazwy akumulatorów galwanicznych rozpoczynające się od cyfr mają następujące znaczenie: liczba początkowa oznacza napięcie, liczba końcowa wskazuje pojemność, litery: MC - układ cynkowo-manganowy, B - oznacza wykorzystanie tlenu atmosferycznego, H - żarowe, A - anoda, T - telefon, C - do aparatów słuchowych, P - panel. Nazwy handlowe noszą także baterie galwaniczne przeznaczone do zasilania radiotelefonów. Baterie galwaniczne oznacza się poprzez naklejenie etykiety zawierającej: nazwę lub znak towarowy producenta, symbol baterii galwanicznej, napięcie znamionowe, pojemność początkową, okres gwarancyjny przechowywania oraz pojemność na koniec okresu przechowywania.
Przydatność baterii i ogniw galwanicznych określa się na podstawie kontroli zewnętrznej i pomiaru napięcia na przewodach odprowadzających. Podczas oględzin należy upewnić się, że przewody odprowadzające są w stanie nienaruszonym oraz czy nie występują wady zewnętrzne: pęknięcia, zniszczenia żywicy odlewniczej (mastyks), uszkodzenia i zawilgocenie obudowy. Napięcie sprawdza się za pomocą woltomierza; nie powinna być niższa niż wartości wskazane w tabeli. 2. Baterie galwaniczne pakowane są w skrzynie drewniane o masie brutto 65-80 kg, wyłożone wewnątrz papierem odpornym na wilgoć i oddzielone od ścian warstwą suchych wiórów lub innego materiału opakowaniowego. Baterie galwaniczne należy przechowywać w suchym i chłodnym miejscu. Wysoka wilgotność w pomieszczeniu magazynowym, a także wysoka temperatura znacznie skracają ich trwałość. Niskie temperatury nie są groźne dla akumulatorów galwanicznych: po nagrzaniu całkowicie przywracają swoje właściwości. Baterie galwaniczne produkowane są przez przedsiębiorstwa Glavakkumulyatorproma Ministerstwa Elektrotechniki ZSRR.
Dosł.: Sochevanov V.G., Elementy galwaniczne, M., 1951; Morozow GG. i Gantmav S.A., Chemiczne źródła prądu do zasilania urządzeń komunikacyjnych, M., 1949; Skonsolidowany katalog chemicznych źródeł prądu, M., 1950.
W pierwszych eksperymentach naukowców do pojemnika z kwasem opuszczono dwie metalowe płytki: miedź i cynk. Płytki połączono przewodnikiem, po czym na płycie miedzianej pojawiły się pęcherzyki gazu, a płyta cynkowa zaczęła się rozpuszczać. Udowodniono, że przez przewodnik płynie prąd elektryczny. Badania te zapoczątkował włoski naukowiec Galvani i od niego wzięła się nazwa ogniw galwanicznych.
Następnie naukowiec Volta opracował cylindryczną formę tego pierwiastka w postaci pionowej kolumny, zawierającej zestaw pierścieni z miedzi, cynku i tkaniny, połączonych ze sobą i impregnowanych kwasem. Pionowy element o wysokości pół metra opracowany przez Volta wytwarzał napięcie, które człowiek mógł wyczuć.
Ogniwa galwaniczne są źródłami energii elektrycznej wytwarzającymi prąd elektryczny w wyniku reakcji chemicznej dwóch metali w elektrolicie. Energia chemiczna w ogniwach galwanicznych przekształcana jest w prąd elektryczny.
Zasada działania
Działanie ogniw galwanicznych polega na tym, że dwa różne metale w ośrodku elektrolitowym oddziałują ze sobą, w wyniku czego w obwodzie zewnętrznym powstaje prąd elektryczny.
Takie pierwiastki chemiczne nazywane są dziś bateriami. Napięcie akumulatora zależy od rodzaju zastosowanych metali i liczby zawartych w nim pierwiastków. Całe urządzenie akumulatorowe umieszczone jest w metalowym cylindrze. Elektrody to metalowe siatki pokryte środkiem redukującym i utleniającym.
Baterie nie mogą przywrócić utraconych właściwości, ponieważ bezpośrednio przekształcają energię chemiczną środka utleniającego i reduktora w energię elektryczną. Podczas pracy akumulatora odczynniki chemiczne są stopniowo zużywane, a prąd elektryczny maleje.
Biegun ujemny akumulatora wykonany jest z cynku lub litu, traci elektrony i jest środkiem redukującym. Kolejny zacisk dodatni pełni rolę utleniacza, jest wykonany z tlenku magnezu lub soli metali. Skład elektrolitu w normalnych warunkach nie pozwala na przepływ przez niego prądu elektrycznego. Kiedy obwód elektryczny jest zamknięty, elektrolit zaczyna rozpadać się na jony, co powoduje pojawienie się jego przewodności elektrycznej. Elektrolit najczęściej składa się z roztworu kwasu lub soli sodowo-potasowych.
Rodzaje i cechy urządzenia
Baterie są szeroko stosowane do zasilania różnych urządzeń elektronicznych, instrumentów, sprzętu cyfrowego i dzielą się na trzy typy:
- Alkaliczny.
- Solankowy.
- Lit.
Ogniwa galwaniczne solne
Te baterie są mangan-cynk akumulatory i są obecnie najczęściej używane.
Zaletami baterii solnych są:
- Dopuszczalne parametry elektryczne dla wielu zastosowań.
- Łatwość użycia.
- Niska cena ze względu na niskie koszty produkcji.
- Prosta technologia produkcji.
- Tanie i dostępne surowce.
Od dłuższego czasu ten typ akumulatorów cieszy się największą popularnością ze względu na stosunek jakości do ceny. Jednak w ostatnich latach zakłady produkcyjne ograniczają produkcję galwanicznych ogniw solnych, a nawet odmawiają ich produkcji, gdyż producenci sprzętu elektronicznego zwiększają wymagania dotyczące zasilaczy.
Wadami baterii solnych są:
- Krótki okres przydatności do spożycia, nie dłuższy niż 2 lata.
- Gwałtowny spadek właściwości wraz ze spadkiem temperatury.
- Gwałtowny spadek pojemności, gdy prąd roboczy wzrasta do wartości operacyjnych współczesnych konsumentów.
- Szybka redukcja napięcia podczas pracy.
Galwaniczne ogniwa solne mogą przeciekać pod koniec swojego rozładowania, co wiąże się z wyciekiem elektrolitu na skutek wzrostu objętości elektrody dodatniej, która wyciska elektrolit. Masa czynna elektrody dodatniej składa się z dwutlenku manganu i elektrolitu. Sadza i grafit dodane do mieszaniny aktywnej zwiększają przewodność elektryczną mieszaniny aktywnej. Ich udział wynosi od 8 do 20% w zależności od marki akumulatora. Aby wydłużyć żywotność utleniacza, aktywną mieszaninę nasyca się elektrolitem.
Elektroda ujemna wykonana jest z oczyszczonego cynku, który jest odporny na korozję. Zawiera niewielką ilość kadmu lub ołowiu, które są inhibitorami korozji. Wcześniej chlorek amonu był używany jako elektrolit w akumulatorach. Bierze udział w reakcji powstawania prądu i tworzy przepuszczalność jonów. Ale ten elektrolit nie dał dobrych wyników i został zastąpiony chlorkiem cynku z zanieczyszczeniami chlorkiem wapnia. Pierwiastki zawierające kwas manganowy działają dłużej i wykazują lepsze wyniki w niższych temperaturach.
W ogniwach solnych biegunem ujemnym jest cynkowa obudowa 7. Elektrodę dodatnią 6 stanowi aktywna prasowana masa impregnowana elektrolitem. W środku tej masy znajduje się pręt węglowy 5, poddany działaniu parafiny w celu zatrzymania wilgoci w elektrolicie. Górna część pręta pokryta jest metalową nasadką. Separator 4 zawiera gęsty elektrolit. Gazy powstające podczas pracy akumulatorowej dostają się do komory gazowej 1. Górna część akumulatora przykryta jest uszczelką 3. Całość ogniwa galwanicznego zamknięta jest w obudowie 2 wykonanej z tektury lub folii.
Baterie alkaliczne
Baterie alkaliczne pojawiły się w połowie ubiegłego wieku. W nich dwutlenek manganu działa jako środek utleniający, a proszek cynkowy działa jako środek redukujący. Dzięki temu możliwe jest zwiększenie powierzchni. W celu zabezpieczenia przed korozją stosowano wcześniej amalgamację. Ale po zakazie rtęci stosuje się oczyszczone proszki cynku z dodatkiem innych metali i inhibitorów korozji.
Substancją czynną znajdującą się w anodzie baterii alkalicznej (alkalicznej) jest oczyszczony cynk w postaci proszku z dodatkiem aluminium, indu lub ołowiu. Aktywna mieszanina katodowa zawiera dwutlenek manganu, sadzę acetylenową lub grafit. Elektrolit baterii alkalicznych składa się z wodorotlenku sodu lub wodorotlenku potasu z dodatkiem tlenku cynku.
Anoda proszkowa może znacznie zwiększyć wykorzystanie mieszanki aktywnej, w przeciwieństwie do baterii solnych. Baterie alkaliczne mają znacznie większą pojemność niż baterie solne, przy jednakowych gabarytach. Dobrze spisały się w chłodne dni.
Szczególną cechą konstrukcji pierwiastków alkalicznych jest proszek cynkowy, dlatego zamiast szkła cynkowego na zacisk dodatni zastosowano stalową obudowę. Aktywna mieszanina elektrody dodatniej znajduje się w pobliżu wewnętrznej ściany stalowej obudowy. Bateria alkaliczna może pomieścić bardziej aktywną mieszaninę elektrody dodatniej, w przeciwieństwie do baterii solnej.
Do mieszaniny aktywnej wprowadza się separator celofanowy zwilżony elektrolitem. Przez środek akumulatora przebiega mosiężna elektroda ujemna. Pozostałą objętość pomiędzy separatorem a przewodem prądu ujemnego wypełnia się pastą anodową w postaci sproszkowanego cynku impregnowanego gęstym elektrolitem. Zazwyczaj jako elektrolit stosuje się zasadę nasyconą specjalnymi związkami cynku. Pozwala to zapobiec zużyciu alkaliów na początku pracy elementu i ograniczyć korozję. Waga baterii alkalicznych jest większa niż baterii solnych ze względu na stalową obudowę i większą gęstość mieszanki aktywnej.
Pod wieloma podstawowymi parametrami alkaliczne ogniwa galwaniczne przewyższają ogniwa solne. Dlatego obecnie wzrasta produkcja baterii alkalicznych.
Baterie litowe
Ogniwa galwaniczne litowe są stosowane w różnych nowoczesnych urządzeniach. Dostępne są w różnych rozmiarach i typach.
Istnieją baterie litowe i takie, które znacznie się od siebie różnią. W przeciwieństwie do innych typów ogniw, akumulatory zawierają stały elektrolit organiczny. Ogniwa litowe znajdują zastosowanie wszędzie tam, gdzie wymagane są średnie i niskie prądy wyładowcze oraz stabilne napięcie pracy. Baterię litową można ładować określoną liczbę razy, ale baterie nie są do tego przeznaczone i są używane tylko raz. Nie wolno ich otwierać ani ładować.
Podstawowe wymagania produkcyjne
- Niezawodne uszczelnienie obudowy. Niedopuszczalne jest wyciekanie elektrolitu i przedostawanie się innych substancji ze środowiska zewnętrznego. Naruszenie szczelności prowadzi do ich pożaru, ponieważ lit jest pierwiastkiem wysoce aktywnym. Ogniwa galwaniczne z uszkodzonymi uszczelkami nie nadają się do użytku.
- Produkcja musi odbywać się w zamkniętych pomieszczeniach z atmosferą argonu i kontrolą wilgotności.
Kształt baterii litowych może być cylindryczny, dyskowy lub pryzmatyczny. Wymiary praktycznie nie różnią się od innych typów akumulatorów.
Obszar zastosowania
Ogniwa galwaniczne litowe mają dłuższą żywotność w porównaniu do innych elementów. Zakres jest bardzo szeroki:
- Przemysł kosmiczny.
- Produkcja lotnicza.
- Przemysł obronny.
- Zabawki dla dzieci.
- Wyposażenie medyczne.
- Komputery.
- Kamery fotograficzne i wideo.
Zalety
- Szeroki zakres temperatur pracy.
- Kompaktowy rozmiar i waga.
- Długotrwałe działanie.
- Stabilne parametry w różnych warunkach.
- Duża pojemność.
„Państwowy Instytut Pedagogiczny Arzamas im. AP Gajdara”
Praca na kursie
w chemii
Temat: Ogniwa galwaniczne
Ukończył: student V roku
EHF 52 gr. podgr. B2 Shirshin N.V.
Zaakceptowany przez: Kinderov A.P.
Plan
Wstęp
I. Historia powstania chemicznych źródeł prądu
II. Zasada działania
III. Klasyfikacja, budowa i zasada działania chemicznych źródeł prądu
1. Ogniwo galwaniczne
2. Baterie elektryczne
A) Baterie alkaliczne
3. Ogniwo paliwowe
A) Zasada działania
B) Zasada separacji paliwa i przepływów paliwa
B) Przykład wodorowo-tlenowego ogniwa paliwowego
D) Historia badań w Rosji
D) Zastosowanie ogniw paliwowych
E) Problemy z ogniwami paliwowymi
IV. Ogniwa operacyjne i baterie
V. Regeneracja ogniw i akumulatorów galwanicznych
VI. Cechy niektórych typów ogniw galwanicznych i ich krótka charakterystyka
Wniosek
Wykaz używanej literatury
Wstęp
Chemiczne źródła prądu stały się częścią naszego życia już od wielu lat. W życiu codziennym konsumenci rzadko zwracają uwagę na różnice pomiędzy stosowanymi chemicznymi źródłami prądu. Dla niego są to baterie i akumulatory. Zazwyczaj stosuje się je w urządzeniach takich jak latarki, zabawki, radia czy samochody. W przypadku, gdy pobór prądu jest stosunkowo duży (10Ah), stosuje się akumulatory, głównie kwasowe, a także niklowo-żelazowe i niklowo-kadmowe. Stosowane są w przenośnych komputerach elektronicznych (Laptop, Notebook, Palmtop), przenośnym sprzęcie komunikacyjnym, oświetleniu awaryjnym itp.
Ze względu na szereg okoliczności najbardziej obiecujące są chemiczne generatory energii elektrycznej. Ich zalety objawiają się takimi parametrami jak wysoki uzysk energii; bezgłośność i nieszkodliwość; możliwość zastosowania w każdych warunkach, m.in. w przestrzeni kosmicznej i pod wodą, w urządzeniach stacjonarnych i przenośnych, w transporcie itp.
W ostatnich latach akumulatory tego typu znalazły szerokie zastosowanie w zasilaczach rezerwowych komputerów i układach elektromechanicznych gromadzących energię na potrzeby ewentualnych obciążeń szczytowych oraz w awaryjnym zasilaniu najważniejszych układów.
Cele i zadania. W tej pracy muszę przeanalizować zasadę działania ogniw galwanicznych, zapoznać się z historią ich powstania, cechami klasyfikacyjnymi i budową różnych typów ogniw galwanicznych, a także zastosowaniem niektórych rodzajów chemicznych źródeł prądu w życiu codziennym i różnych obszarach produkcji.
I . Historia powstania chemicznych źródeł prądu
Chemiczne źródła prądu(w skrócie HIT) - urządzenia, w których energia zachodzących w nich reakcji chemicznych jest bezpośrednio zamieniana na energię elektryczną.
Historia stworzenia
Słup Volta
Pierwsze źródło prądu chemicznego zostało wynalezione przez włoskiego naukowca Alessandro Voltę w 1800 roku. Był to element Volty – naczynie ze słoną wodą z opuszczonymi do niego cynkowymi i miedzianymi płytkami, połączone drutem. Następnie z tych elementów naukowiec złożył baterię, którą później nazwano kolumną Voltaic. Wynalazek ten został później wykorzystany przez innych naukowców w swoich badaniach. Na przykład w 1802 roku rosyjski akademik V.V. Petrov skonstruował kolumnę Voltaic z 2100 elementów, która wytwarzała łuk elektryczny. W 1836 roku angielski chemik John Daniel ulepszył pierwiastek Voltaic, umieszczając elektrody cynkowe i miedziane w roztworze kwasu siarkowego. Projekt ten stał się znany jako „element Daniela”. W 1859 roku francuski fizyk Gaston Plante wynalazł akumulator kwasowo-ołowiowy. Tego typu ogniwa nadal używa się w akumulatorach samochodowych. W 1865 roku francuski chemik J. Leclanchet zaproponował swoje ogniwo galwaniczne (element Leclancheta), które składało się z cynkowego kubka wypełnionego wodnym roztworem chlorku amonu lub innej soli chlorkowej, w którym umieszczono aglomerat tlenku manganu(IV) MnO2 z przewodnikiem węglowym. Modyfikacja tej konstrukcji jest nadal stosowana w bateriach solnych do różnych urządzeń gospodarstwa domowego. W 1890 roku w Nowym Jorku Conrad Hubert, imigrant z Rosji, tworzy pierwszą kieszonkową latarkę elektryczną. Już w 1896 roku firma National Carbon rozpoczęła masową produkcję pierwszych na świecie suchych ogniw Leclanche „Columbia”.
II . Zasada działania
Urządzenie „baterii bagdadzkich” (200 p.n.e.).
Podstawą chemicznych źródeł prądu są dwie elektrody (katoda zawierająca środek utleniający i anoda zawierająca środek redukujący) stykające się z elektrolitem. Między elektrodami ustala się różnica potencjałów - siła elektromotoryczna odpowiadająca energii swobodnej reakcji redoks. Działanie chemicznych źródeł prądu polega na występowaniu w zamkniętym obwodzie zewnętrznym przestrzennie oddzielonych procesów: na katodzie następuje utlenienie środka redukującego, powstałe wolne elektrony przechodzą, tworząc prąd wyładowczy, wzdłuż obwodu zewnętrznego do anody, gdzie biorą udział w reakcji redukcji środka utleniającego.
Nowoczesne źródła prądu chemicznego wykorzystują:
jako środek redukujący (na anodzie) - ołów Pb, kadm Cd, cynk Zn i inne metale;
jako utleniacz (na katodzie) – tlenek ołowiu(IV) PbO2, wodorotlenek niklu NiOOH, tlenek manganu(IV) MnO2 i inne;
jako elektrolit - roztwory zasad, kwasów lub soli.
III . Klasyfikacja, urządzenie i zasada działania
W zależności od możliwości lub niemożności ponownego wykorzystania chemiczne źródła prądu dzielą się na:
1. Ogniwo galwaniczne
Ogniwo galwaniczne - chemiczne źródło prądu elektrycznego nazwane na cześć Luigiego Galvaniego. Zasada działania ogniwa galwanicznego opiera się na oddziaływaniu dwóch metali poprzez elektrolit, co prowadzi do wytworzenia prądu elektrycznego w obwodzie zamkniętym. Semf ogniwa galwanicznego zależy od materiału elektrod i składu elektrolitu. Są to pierwotne CIT-y, które ze względu na nieodwracalność zachodzących w nich reakcji nie podlegają doładowaniu.
Ogniwa galwaniczne są jednorazowymi źródłami energii elektrycznej. Odczynniki (utleniacz i reduktor) wchodzą bezpośrednio w skład ogniwa galwanicznego i są zużywane podczas jego pracy. Ogniwo galwaniczne charakteryzuje się SEM, napięciem, mocą, pojemnością i energią przekazywaną do obwodu zewnętrznego, a także możliwością przechowywania i bezpieczeństwem środowiskowym.
Pole elektromagnetyczne zależy od charakteru procesów zachodzących w elemencie galwanicznym. Napięcie ogniwa galwanicznego U jest zawsze mniejsze niż jego pole elektromagnetyczne ze względu na polaryzację elektrod i straty rezystancji:
U = Eе – I(r1–r2) – ΔE,
gdzie Ee jest polem elektromagnetycznym elementu; I – natężenie prądu w trybie pracy elementu; r1 i r2 – rezystancja przewodów pierwszego i drugiego rodzaju wewnątrz ogniwa galwanicznego; ΔE to polaryzacja ogniwa galwanicznego, składająca się z polaryzacji jego elektrod (anody i katody). Polaryzacja wzrasta wraz ze wzrostem gęstości prądu (i), określonym wzorem i = I/S, gdzie S jest polem przekroju poprzecznego elektrody, oraz wzrostem rezystancji układu.
Podczas pracy ogniwa galwanicznego jego pole elektromagnetyczne i odpowiednio napięcie stopniowo maleją w wyniku spadku stężenia odczynników i wzrostu stężenia produktów procesów redoks na elektrodach (pamiętaj o równaniu Nernsta). Jednak im wolniej spada napięcie podczas rozładowywania ogniwa galwanicznego, tym większe są możliwości jego wykorzystania w praktyce. Pojemność elementu to całkowita ilość energii elektrycznej Q, jaką ogniwo galwaniczne jest w stanie dostarczyć podczas pracy (w czasie rozładowania). O pojemności decyduje masa odczynników zgromadzonych w ogniwie galwanicznym oraz stopień ich konwersji. Wraz ze wzrostem prądu rozładowania i spadkiem temperatury pracy elementu, zwłaszcza poniżej 0°C, zmniejsza się stopień konwersji odczynników i pojemność elementu.
Energia ogniwa galwanicznego jest równa iloczynowi jego pojemności i napięcia: ΔН = Q.U. Największą energię mają pierwiastki o dużej wartości pola elektromagnetycznego, małej masie i wysokim stopniu konwersji odczynników.
Przechowalność to długość okresu przechowywania elementu, podczas którego jego właściwości pozostają w zakresie określonych parametrów. Wraz ze wzrostem temperatury przechowywania i eksploatacji elementu, jego trwałość maleje.
Skład ogniwa galwanicznego: czynnikami redukującymi (anodami) w przenośnych ogniwach galwanicznych są z reguły cynk Zn, lit Li, magnez Mg; utleniacze (katody) - tlenki manganu MnO2, miedzi CuO, srebra Ag2O, siarki SO2, a także sole CuCl2, PbCl2, FeS i tlen O2.
Najbardziej masywny na świecie Pozostaje produkcja pierwiastków manganowo-cynkowych Mn-Zn, szeroko stosowanych do zasilania sprzętu radiowego, urządzeń komunikacyjnych, magnetofonów, latarek itp. Projekt takiego ogniwa galwanicznego pokazano na rysunku.
Reakcje generujące prąd w tym elemencie są :
NA anoda(–): Zn – 2ē → Zn2+ (w praktyce powłoka cynkowa korpusu elementu stopniowo się rozpuszcza);
NA katoda(+): 2MnO2 + 2NH4+ + 2ē → Mn2O3 + 2NH3 + H2O.
W przestrzeni elektrolitycznej zachodzą także następujące procesy:
U anoda Zn2+ + 2NH3 →2+;
U katoda Mn2O3 + H2O → lub 2.
W formie molekularnej chemiczną stronę działania ogniwa galwanicznego można przedstawić jako całkowitą reakcję:
Zn + 2MnO2 + 2NH4Cl → Cl2 + 2.
Schemat ogniwa galwanicznego:
(–) Zn|Zn(NH3)2]2+|||MnO2 (C) (+).
Pole elektromagnetyczne takiego układu wynosi E = 1,25 ÷ 1,50 V.
Źródła energii elektrycznej małej mocy
Ogniwa i baterie galwaniczne służą do zasilania przenośnych urządzeń elektrycznych i radiowych.
Ogniwa galwaniczne- są to źródła pojedynczego działania, baterie- źródła wielokrotnego użytku.
Najprostsze ogniwo galwaniczne
Najprostszy element można wykonać z dwóch pasków: miedzi i cynku, zanurzonych w wodzie lekko zakwaszonej kwasem siarkowym. Jeśli cynk jest wystarczająco czysty, aby nie ulegać miejscowym reakcjom, nie nastąpi żadna zauważalna zmiana, dopóki miedź i cynk nie zostaną połączone drutem.
Paski mają jednak różne potencjały względem siebie i gdy zostaną połączone przewodem pojawi się w nim a. W miarę postępu tej czynności pasek cynku będzie się stopniowo rozpuszczał, a w pobliżu elektrody miedzianej utworzą się pęcherzyki gazu, które będą gromadzić się na jej powierzchni. Gazem tym jest wodór powstający z elektrolitu. Prąd elektryczny przepływa od taśmy miedzianej przez drut do taśmy cynkowej, a stamtąd przez elektrolit z powrotem do miedzi.
Stopniowo kwas siarkowy w elektrolicie zastępuje się siarczanem cynku, powstałym z rozpuszczonej części elektrody cynkowej. Z tego powodu napięcie elementu jest zmniejszone. Jednak jeszcze większy spadek napięcia spowodowany jest tworzeniem się pęcherzyków gazu na miedzi. Obydwa te działania powodują „polaryzację”. Takie elementy nie mają prawie żadnego praktycznego znaczenia.
Ważne parametry ogniw galwanicznych
Wielkość napięcia dostarczanego przez ogniwa galwaniczne zależy wyłącznie od ich rodzaju i konstrukcji, czyli od materiału elektrod i składu chemicznego elektrolitu, ale nie zależy od kształtu i wielkości elementów.
Ilość prądu, jaki może wytworzyć ogniwo galwaniczne, jest ograniczona przez jego rezystancję wewnętrzną.
Bardzo ważną cechą ogniwa galwanicznego jest. Pojemność elektryczna oznacza ilość energii elektrycznej, jaką ogniwo galwaniczne lub akumulatorowe jest w stanie dostarczyć przez cały czas swojej pracy, czyli przed wystąpieniem końcowego rozładowania.
Pojemność nadawana przez element jest określana poprzez pomnożenie natężenia prądu rozładowania, wyrażonego w amperach, przez czas w godzinach, w którym element był rozładowywany aż do początku całkowitego rozładowania. Dlatego pojemność elektryczną wyraża się zawsze w amperogodzinach (A x h).
Na podstawie pojemności elementu można też z góry określić, ile godzin będzie on pracował, zanim całkowicie się rozładuje. Aby to zrobić, należy podzielić pojemność przez dopuszczalny dla tego elementu prąd rozładowania.
Jednak pojemność elektryczna nie jest wartością ściśle stałą. Zmienia się w dość szerokich granicach w zależności od warunków pracy (trybu) elementu i końcowego napięcia rozładowania.
Jeśli element zostanie rozładowany maksymalnym prądem i bez przerwy, wówczas będzie wydzielał znacznie mniejszą pojemność. I odwrotnie, gdy ten sam element będzie rozładowywany mniejszym prądem oraz przy częstych i stosunkowo długich przerwach, element odda całą swoją pojemność.
Jeśli chodzi o wpływ końcowego napięcia rozładowania na pojemność elementu, należy pamiętać, że podczas rozładowywania ogniwa galwanicznego jego napięcie robocze nie pozostaje na tym samym poziomie, ale stopniowo maleje.
Typowe typy ogniw galwanicznych
Najczęściej spotykanymi ogniwami galwanicznymi są układy mangan-cynk, mangan-powietrze, cynk-powietrze i rtęć-cynk z elektrolitami solnymi i alkalicznymi. Ogniwa suche manganowo-cynkowe z elektrolitem solnym posiadają napięcie początkowe od 1,4 do 1,55 V, czas pracy w temperaturze otoczenia od -20 do -60 o C od 7 godzin do 340 godzin.
Ogniwa suche manganowo-cynkowe i cynkowo-powietrzne z elektrolitem alkalicznym charakteryzują się napięciem od 0,75 do 0,9 V i czasem pracy od 6 godzin do 45 godzin.
Suche ogniwa rtęciowo-cynkowe mają napięcie początkowe od 1,22 do 1,25 V i czas pracy od 24 godzin do 55 godzin.
Suche elementy rtęciowo-cynkowe mają najdłuższy gwarantowany okres trwałości, sięgający 30 miesięcy.
Są to wtórne ogniwa galwaniczne.W przeciwieństwie do ogniw galwanicznych, bezpośrednio po montażu w akumulatorze nie zachodzą żadne procesy chemiczne.
Aby w akumulatorze rozpoczęły się reakcje chemiczne związane z ruchem ładunków elektrycznych, należy odpowiednio zmienić skład chemiczny jego elektrod (i częściowo elektrolitu). Ta zmiana składu chemicznego elektrod następuje pod wpływem prądu elektrycznego przepływającego przez akumulator.
Dlatego, aby akumulator mógł wytwarzać prąd elektryczny, należy go najpierw „naładować” stałym prądem elektrycznym z jakiegoś zewnętrznego źródła prądu.
Baterie różnią się także od konwencjonalnych ogniw galwanicznych tym, że po rozładowaniu można je ponownie naładować. Przy dobrej pielęgnacji i w normalnych warunkach pracy akumulatory wytrzymują nawet kilka tysięcy ładowań i wyładowań.Urządzenie akumulatorowe
Obecnie w praktyce najczęściej stosowane są akumulatory ołowiowe i kadmowo-niklowe. W pierwszym przypadku elektrolitem jest roztwór kwasu siarkowego, w drugim roztworem zasad w wodzie. Baterie ołowiowe nazywane są także akumulatorami kwasowymi, natomiast akumulatory niklowo-kadmowe nazywane są akumulatorami alkalicznymi.
Zasada działania akumulatorów opiera się na polaryzacji elektrod. Najprostszy akumulator kwasowy ma następującą konstrukcję: są to dwie płyty ołowiane zanurzone w elektrolicie. W wyniku reakcji podstawienia chemicznego płytki pokrywane są lekką powłoką siarczanu ołowiu PbSO4, zgodnie ze wzorem Pb + H 2 SO 4 = PbSO 4 + H 2.
Urządzenie na baterie kwasowe
Ten stan płytek odpowiada rozładowanemu akumulatorowi. Jeśli akumulator zostanie teraz włączony do ładowania, tj. podłączony do generatora prądu stałego, wówczas z powodu elektrolizy rozpocznie się w nim polaryzacja płytek. W wyniku ładowania akumulatora jego płytki ulegają polaryzacji, tj. zmieniają substancję swojej powierzchni i z jednorodnej (PbSO 4) zamieniają się w niepodobną (Pb i Pb O 2).
Akumulator staje się źródłem prądu, a jego elektrodą dodatnią jest płyta pokryta dwutlenkiem ołowiu, a elektrodą ujemną jest czysta płytka ołowiana.
Pod koniec ładowania stężenie elektrolitu wzrasta w wyniku pojawienia się w nim dodatkowych cząsteczek kwasu siarkowego.
Jest to jedna z cech akumulatora kwasowo-ołowiowego: jego elektrolit nie pozostaje obojętny i sam uczestniczy w reakcjach chemicznych podczas pracy akumulatora.
Pod koniec rozładowania obie płyty akumulatora ponownie pokrywają się siarczanem ołowiu, w wyniku czego akumulator przestaje być źródłem prądu. Akumulator nigdy nie jest doprowadzany do tego stanu. Ze względu na tworzenie się siarczanu ołowiu na płytkach, stężenie elektrolitu na końcu rozładowania maleje. Jeśli naładujesz akumulator, możesz ponownie spowodować polaryzację, aby ponownie go rozładować itp.
Istnieje kilka sposobów ładowania akumulatorów. Najprostsze jest normalne ładowanie akumulatora, które przebiega w następujący sposób. Początkowo przez 5–6 godzin ładowanie odbywa się podwójnym normalnym prądem, aż napięcie na każdym banku akumulatorów osiągnie 2,4 V.
Normalny prąd ładowania jest określony wzorem I ładuję = Q/16
Gdzie Q - nominalna pojemność akumulatora, Ah.
Następnie prąd ładowania zostaje zredukowany do normalnej wartości i ładowanie trwa 15–18 godzin, aż pojawią się oznaki zakończenia ładowania.
Nowoczesne baterie
Baterie kadmowo-niklowe, czyli alkaliczne, pojawiły się znacznie później niż baterie ołowiowe i w porównaniu z nimi są bardziej zaawansowanymi źródłami prądu chemicznego. Główną przewagą baterii alkalicznych nad akumulatorami ołowiowymi jest chemiczna neutralność elektrolitu w stosunku do mas czynnych płytek. Z tego powodu samorozładowanie baterii alkalicznych jest znacznie mniejsze niż w przypadku baterii ołowiowych. Zasada działania baterii alkalicznych opiera się również na polaryzacji elektrod podczas elektrolizy.
Do zasilania urządzeń radiowych produkowane są szczelne akumulatory kadmowo-niklowe, które pracują w temperaturach od -30 do +50 o C i wytrzymują 400 - 600 cykli ładowania-rozładowania. Baterie te wykonane są w postaci zwartych równoległościanów i dysków o masie od kilku gramów do kilogramów.
Produkują akumulatory niklowo-wodorowe do zasilania obiektów autonomicznych. Energia właściwa akumulatora niklowo-wodorowego wynosi 50 - 60 Wh kg -1.