Принцип действия, Классификация - Источники тока (аккумуляторные батареи)

Основу химических источников тока составляют два электрода (катод, содержащий окислитель и анод, содержащий восстановитель), контактирующих с электролитом. Между электродами устанавливается разность потенциалов -- электродвижущая сила, соответствующая свободной энергии окислительно-восстановительной реакции. Действие химических источников тока основано на протекании при замкнутой внешней цепи пространственно разделенных процессов: на катоде восстановитель окисляется, образующиеся свободные электроны переходят, создавая разрядный ток, по внешней цепи к аноду, где они участвуют в реакции восстановления окислителя.

В современных химических источниках тока используются:

    § в качестве восстановителя (на аноде) -- свинец Pb, кадмий Cd, цинк Zn и другие металлы; § в качестве окислителя (на катоде) -- оксид свинца(IV) PbO2, гидрооксид никеля NiOOH, оксид марганца(IV) MnO2 и другие; § в качестве электролита -- растворы щелочей, кислот или солей.
Классификация

По возможности или невозможности повторного использования химические источники тока делятся на:

    § гальванические элементы (первичные ХИТ), которые из-за необратимости протекающих в них реакций, невозможно перезарядить; § электрические аккумуляторы (вторичные ХИТ) -- перезаряжаемые гальванические элементы, которые с помощью внешнего источника тока (зарядного устройства) можно перезарядить; § топливные элементы (электрохимические генераторы) -- устройства, подобные гальваническому элементу, но отличающееся от него тем, что вещества для электрохимической реакции подаются в него извне, а продукты реакций удаляются из него, что позволяет ему функционировать непрерывно.

Следует заметить, что деление элементов на гальванические и аккумуляторы до некоторой степени условное, так как некоторые гальванические элементы, например щелочные батарейки, поддаются перезарядке, но эффективность этого процесса крайне низка.

По типу используемого электролита химические источники тока делятся на Кислотные (например свинцово-кислотный аккумулятор, свинцово-плавиковый элемент), Щелочные (например ртутно-кадмиевый элемент, никель-цинковый аккумулятор) и Солевые (например, марганцево-магниевый элемент, цинк-хлорный аккумулятор).

Некоторые виды химических источников тока:

Гальванические элементы

Тип

Катод

Электролит

Анод

Напряжение, В

Марганцево-цинковый элемент

MnO2

KOH

Zn

1.56

Марганцево-оловянный элемент

MnO2

KOH

Sn

1.65

Марганцево-магниевый элемент

MnO2

MgBr

Mg

2.00

Свинцово-цинковый элемент

PbO2

H2SO4

Zn

2.55

Свинцово-кадмиевый элемент

PbO2

H2SO4

Cd

2.42

Свинцово-хлорный элемент

PbO2

HClO4

Pb

1.92

Ртутно-цинковый элемент

HgO2

KOH

Zn

1.36

Ртутно-кадмиевый элемент

HgO2

KOH

Cd

1.92

Окисно-ртутно-оловянный элемент

HgO2

KOH

Sn

1.30

Хром-цинковый элемент

K2Cr2O7

H2SO4

Zn

1.8 --1.9

Другие типы:

    - Свинцово-плавиковый элемент - Медно-окисный гальванический элемент - Висмутисто-магниевый элемент - Ртутно-висмутисто-индиевый элемент - Литий-хромсеребряный элемент - Литий-висмутатный элемент - Литий-окисномедный элемент - Литий-йодсвинцовый элемент - Литий-йодный элемент - Литий-тионилхлоридный элемент - Литий-оксидванадиевый элемент - Литий-фторомедный элемент - Литий-двуокисносерный элемент - Диоксисульфатно-ртутный элемент - Серно-магниевый элемент - Хлористосвинцово-магниевый элемент - Хлорсеребряно-магниевый элемент - Хлористомедно-магниевый элемент - Йодатно-цинковый элемент - Магний-перхлоратный элемент - Магний-м-ДНБ элемент - Цинк-хлоросеребряный элемент - Хлор-серебряный элемент - Бром-серебряный элемент - Йод-серебряный элемент - Магний-ванадиевый элемент - Кальций-хроматный элемент

Аккумуляторы

    - Лантан-фторидный аккумулятор - Литий-ионный аккумулятор - Литий-полимерный аккумулятор - Марганцево-оловянный элемент - Никель-цинковый аккумулятор - Никель-кадмиевый аккумулятор - Никель-металл-гидридный аккумулятор - Свинцово-кислотный аккумулятор - Свинцово-оловянный аккумулятор - Серебряно-цинковый аккумулятор - Серебряно-кадмиевый аккумулятор - железо-никелевый аккумулятор - железо-воздушный аккумулятор - цинк-воздушный аккумулятор - цинк-хлорный аккумулятор - натрий-серный аккумулятор - литий-хлорный аккумулятор - свинцово-водородный аккумулятор - Цинк-бромный аккумулятор - Натрий-Никель-Хлоридный аккумулятор - Литий-железо-сульфидный аккумулятор - Литий-фторный аккумулятор

Топливные элементы

    - Прямой метанольный топливный элемент - Твердооксидный топливный элемент - Щелочной топливный элемент

Аккумуляторами называются химические источники тока, предназначенные для многократного использования их активных веществ, регенерируемых путем заряда.

Из разработанных за последние десятилетия новых химических источников тока наибольший интерес для самых различных отраслей науки и техники представляют серебряно-цинковые аккумуляторы.

Благодаря высокому разрядному напряжению, большой энергоемкости активных масс, а также достаточно хорошей электропроводности активной массы положительного электрода, возрастающей в процессе разряда, они обладают удельными характеристиками в 4 - 5 большими, чем кислотные или щелочные аккумуляторы. Рост электропроводности позволяет проводить разряды источника тока очень интенсивными режимами.

Электрический аккумулятор -- химический источник тока многоразового действия. Электрические аккумуляторы используются для накопления энергии и автономного питания различных потребителей.

Принцип действия аккумулятора основан на обратимости химической реакции. Работоспособность аккумулятора может быть восстановлена путем заряда, то есть пропусканием тока в направлении, обратном направлению тока при разряде. Несколько аккумуляторов, объединенных в одну электрическую цепь, называют Аккумуля?торная батаре?я. Заряд аккумуляторов обычно измеряют в ампер-часах.

Электрические и эксплуатационные характеристики аккумулятора зависят от материала электродов и состава электролита. Сейчас наиболее распространены следующие аккумуляторы:

Тип

ЭДС (В)

Область применения

Свинцово-кислотные (Lead Acid)

2,1

Автомобили, аварийное электроснабжение, источники бесперебойного питания

Никель-кадмиевые (NiCd)

1,2

Замена стандартного гальванического элемента

Никель-металл-гидридные (NiMH)

1,2

Замена стандартного гальванического элемента, электромобили

Литий-ионные (Li-ion)

3,6

Мобильные устройства, электромобили

Литий-полимерные (Li-pol)

3,6

Мобильные устройства

По мере исчерпания химической энергии напряжение и ток падают, аккумулятор перестает действовать. Зарядить аккумулятор (батарею аккумуляторов) можно от любого источника постоянного тока с бо?льшим напряжением при ограничении тока. Стандартным считается зарядный ток в 1/10 номинальной емкости аккумулятора. Многие типы аккумуляторов имеют различные ограничения, которые необходимо учитывать при зарядке и последующей эскплуатации, например NiMH аккумуляторы чувствительны к перезаряду, литиевые -- к перезаряду, напряжению и температуре. NiCd и NiMH аккумуляторы имеют так называемый эффект памяти, заключающийся в снижении емкости, в случае когда зарядка осуществляется при не полностью разряженном аккумуляторе. Также эти типы аккумуляторов обладают заметным саморазрядом, то есть они постепенно теряют заряд даже не будучи подключенными к нагрузке. Для борьбы с этим эффектом может применяться Капельная подзарядка

В настоящее время Серебряно-цинковые аккумуляторы находят довольно широкое применение в науке и технике, а также в военном деле.

Они применяются в управляемых снарядах и ракетах, в торпедах, для различной переносной аппаратуры и т. п.

В качестве примера экономии веса при использовании серебряно-цинковых аккумуляторов вместо кислотных в иностранной литературе приводятся данные о том, что на одном из проектировавшихся снарядов предполагалась установка серебряно-цинковой аккумуляторной батареи весом 33,1 кг. Вместо свинцово кислотной батареи весом 106,5 кг.

Конструкция серебряно-цинковых аккумуляторов существенно отличается от конструкции обычных щелочных или кислотных аккумуляторов. В серебряно-цинковых аккумуляторов положительные пластины изготавливаются из чистого тем или иным способом приготовленного серебра, а отрицательные - из окиси цинка в смеси с порошком металлического цинка. Положительные пластины отделены от отрицательных несколькими слоями гидратцелюлозной пленки, применение которой обусловлено тем, что через нее, с одной стороны хорошо диффундирует электролит, а с другой стороны она препятствует миграции коллоидных частиц окислов серебра от положительного электрода к отрицательному и произрастанию дендритов цинка в противоположном направлении.

Собранный пакет электродов помещается в пластмассовый сосуд и заливается химически чистой калиевой щелочью. Размеры электродов и сосудов подбираются таким образом, чтобы при заполнении аккумулятора электролитом электроды испытывали соответствующее боковое давление, обеспечивающее механическую устойчивость, предупреждающую осыпание активной массы электродов. Кроме того, при наличии бокового давления отпадает необходимость использования каких-либо жестких решеток и стоек, как это делается у обычных кислотных аккумуляторов.

Похожие статьи




Принцип действия, Классификация - Источники тока (аккумуляторные батареи)

Предыдущая | Следующая