Galvanische cellen en batterijen — apparaat, werkingsprincipe, typen

Laag vermogen bronnen van elektrische energie

Galvanische cellen en batterijen worden gebruikt om draagbare elektrische en radioapparatuur van stroom te voorzien.

Galvanische cellen - dit zijn bronnen van eenmalige acties, accu's — herbruikbare actiebronnen.

Het eenvoudigste galvanische element

Het eenvoudigste element kan worden gemaakt van twee stroken: koper en zink ondergedompeld in water dat licht is aangezuurd met zwavelzuur. Als het zink zuiver genoeg is om geen lokale reacties te hebben, zal er geen merkbare verandering optreden totdat het koper en zink bij elkaar zijn gebracht.

De strips hebben echter een ander potentieel, de een ten opzichte van de ander, en wanneer ze met een draad zijn verbonden, zal verschijnen elektriciteit… Door deze actie zal de zinkstrip geleidelijk oplossen en zullen zich gasbellen vormen nabij de koperelektrode, die zich verzamelen op het oppervlak. Dit gas is waterstof dat wordt gegenereerd door de elektrolyt. Elektrische stroom vloeit van de koperen strip langs de draad naar de zinken strip en van daaruit door de elektrolyt terug naar het koper.

Geleidelijk wordt het zwavelzuur van de elektrolyt vervangen door zinksulfaat gevormd uit het opgeloste deel van de zinkelektrode. Dit vermindert de spanning van de cel. Een nog grotere spanningsval wordt echter veroorzaakt door de vorming van gasbellen op het koper. Beide acties veroorzaken 'polarisatie'. Dergelijke items hebben bijna geen praktische waarde.

Belangrijke parameters van galvanische cellen

De grootte van de spanning die door galvanische cellen wordt gegeven, hangt alleen af ​​​​van hun type en apparaat, dat wil zeggen van het materiaal van de elektroden en de chemische samenstelling van de elektrolyt, maar is niet afhankelijk van de vorm en grootte van de cellen.

De stroom die een galvanische cel kan leveren, wordt beperkt door de interne weerstand.

Een zeer belangrijk kenmerk van de galvanische cel is elektrisch vermogen… Elektrisch vermogen betekent de hoeveelheid elektriciteit die een galvanische cel of opslagcel kan leveren tijdens de hele werking, dat wil zeggen tot het begin van de definitieve ontlading.

De door de cel gegeven capaciteit wordt bepaald door de sterkte van de ontlaadstroom, uitgedrukt in ampère, te vermenigvuldigen met de tijd in uren dat de cel ontladen was tot het begin van volledige ontlading. Capaciteit wordt daarom altijd uitgedrukt in ampère-uur (Ah).

Aan de hand van de waarde van de capaciteit van de cel kan ook vooraf worden bepaald hoeveel uur deze zal werken voordat de volledige ontlading begint. Om dit te doen, moet u de capaciteit delen door de sterkte van de ontlaadstroom die voor dit element is toegestaan.

De capaciteit is echter niet strikt constant. Het varieert binnen vrij grote grenzen, afhankelijk van de bedrijfsomstandigheden (modus) van het element en de uiteindelijke ontladingsspanning.

Als de cel met maximale stroom en bovendien zonder onderbrekingen wordt ontladen, zal deze een veel lagere capaciteit geven. Integendeel, wanneer dezelfde cel wordt ontladen met een lagere stroomsterkte en met frequente en relatief lange onderbrekingen, zal de cel zijn volledige capaciteit opgeven.

Wat betreft de invloed van de uiteindelijke ontlaadspanning op de celcapaciteit, moet er rekening mee worden gehouden dat tijdens het ontladen van de galvanische cel de bedrijfsspanning niet op hetzelfde niveau blijft, maar geleidelijk afneemt.

Veelvoorkomende soorten elektrochemische cellen

De meest voorkomende galvanische cellen zijn mangaan-zink-, mangaan-lucht-, lucht-zink- en kwik-zinksystemen met zout en alkalische elektrolyten Droge mangaan-zinkcellen met zoutelektrolyt hebben een beginspanning van 1,4 tot 1,55 V, de duur van de werking bij een omgevingstemperatuur van -20 tot -60 ОVan 7 tot 340 in de ochtend

Droge zink-mangaan- en zink-luchtcellen met alkalische elektrolyt hebben een spanning van 0,75 tot 0,9 V en een bedrijfstijd van 6 uur tot 45 uur.

Droge kwik-zinkcellen hebben een startspanning van 1,22 tot 1,25 V en een bedrijfstijd van 24 uur tot 55 uur.

Droge kwik-zinkcellen hebben de langste gegarandeerde houdbaarheid van maximaal 30 maanden.

Batterijen

Batterijen Dit zijn secundaire elektrochemische cellen In tegenstelling tot galvanische cellen vinden er direct na montage geen chemische processen plaats in de batterij.

Om ervoor te zorgen dat de batterij chemische reacties start die verband houden met de beweging van elektrische ladingen, is het noodzakelijk om de chemische samenstelling van de elektroden (en gedeeltelijk van de elektrolyt) op de juiste manier te veranderen.Deze verandering in de chemische samenstelling van de elektroden vindt plaats onder invloed van een elektrische stroom die door de batterij gaat.

Daarom moet een batterij, om elektrische stroom te produceren, eerst worden "opgeladen" met gelijkstroom van een externe stroombron.

Batterijen verschillen ook van conventionele galvanische cellen doordat ze na ontlading kunnen worden opgeladen. Met goede zorg en onder normale bedrijfsomstandigheden kunnen batterijen tot enkele duizenden ladingen en ontladingen meegaan.
Apparaat op batterijen

Momenteel worden lood- en cadmium-nikkelbatterijen in de praktijk het meest gebruikt. In de eerste oplossing dient zwavelzuur als elektrolyt en in de tweede oplossing van alkali in water. Loodzuurbatterijen worden ook wel zuur- en nikkel-cadmium-alkalinebatterijen genoemd.

Het werkingsprincipe van batterijen is gebaseerd op de polarisatie van de elektroden tijdens elektrolyse... De eenvoudigste zuurbatterij is als volgt opgebouwd: het zijn twee loden platen ondergedompeld in een elektrolyt. Als resultaat van de chemische substitutiereactie zijn de platen bedekt met een dunne laag loodsulfaat PbSO4, zoals volgt uit de formule Pb + H2SO4 = PbSO4 + H2.

Zure batterij apparaat

Deze staat van de platen komt overeen met een ontladen batterij. Als de batterij nu wordt ingeschakeld om op te laden, dat wil zeggen aangesloten op een gelijkstroomgenerator, begint de polarisatie van de platen daarin als gevolg van elektrolyse. Als gevolg van het opladen van de batterij zijn de platen gepolariseerd, d.w.z. veranderen de substantie op hun oppervlak en van homogeen (PbSO4) naar verschillend (Pb en PbO2).

De batterij wordt de stroombron, met een plaat bedekt met looddioxide als de positieve elektrode en een schone loden plaat als de negatieve elektrode.

Tegen het einde van het opladen neemt de concentratie van de elektrolyt toe door het verschijnen van extra zwavelzuurmoleculen erin.

Dit is een van de kenmerken van de loodzuuraccu: het elektrolyt blijft niet neutraal en neemt zelf deel aan chemische reacties tijdens de werking van de accu.

Tegen het einde van de ontlading zijn beide platen van de accu weer bedekt met loodsulfaat, waardoor de accu geen stroombron meer is. De batterij wordt nooit in deze staat gebracht. Door de vorming van loodsulfaat op de platen neemt de concentratie van het elektrolyt af aan het einde van de ontlading. Als de batterij is opgeladen, kan de polarisatie weer worden veroorzaakt om hem weer te ontladen, enz.

Hoe de batterij op te laden

Er zijn verschillende manieren om de batterijen op te laden. Het eenvoudigst is het normale opladen van de batterij, dat als volgt gaat. Aanvankelijk wordt gedurende 5 tot 6 uur opgeladen met dubbele normale stroom totdat de spanning van elke batterij 2,4 V bereikt.

De normale laadstroom wordt bepaald door de formule Aztax = Q / 16

waarbij Q — nominale capaciteit van de batterij, Ah.

Daarna wordt de laadstroom teruggebracht tot een normale waarde en gaat het opladen 15-18 uur door totdat tekenen van het einde van het opladen verschijnen.

Moderne batterijen

Nikkel-cadmium- of alkalinebatterijen verschenen veel later dan loodbatterijen, en in vergelijking daarmee zijn het modernere bronnen van chemische stroom.Het belangrijkste voordeel van alkalinebatterijen ten opzichte van loodbatterijen ligt in de chemische neutraliteit van hun elektrolyt ten opzichte van de actieve massa van de platen. Daarom is de zelfontlading van alkalinebatterijen aanzienlijk lager dan die van loodzuurbatterijen. Het werkingsprincipe van alkalinebatterijen is ook gebaseerd op de polarisatie van de elektroden tijdens elektrolyse.

Om radioapparatuur van stroom te voorzien, worden verzegelde cadmium-nikkelbatterijen geproduceerd, die effectief zijn bij temperaturen van -30 tot +50 °C en bestand zijn tegen 400 - 600 laad-ontlaadcycli. Deze accu's zijn gemaakt in de vorm van compacte parallellepipedums en schijven met een gewicht van enkele grammen tot kilogrammen.

Nikkel-waterstofbatterijen worden geproduceerd om autonome objecten van stroom te voorzien. De specifieke energie van de nikkel-waterstof batterij is 50 — 60 Wh kg-1.