Батарея гальванических элементов. Гальванические элементы. Виды и устройство. Работа и особенности
Маломощные источники электрической энергии
Для питания переносной электро- и радиоаппаратуры применяют гальванические элементы и аккумуляторы.
Гальванические элементы - это источники одноразового действия, аккумуляторы - источники многоразового действия.
Простейший гальванические элемент
Простейший элемент может быть изготовлен из двух полосок: медной и цинковой, погруженных в воду, слегка подкисленную серной кислотой. Если цинк достаточно чист, чтобы быть свободным от местных реакций, никаких заметных изменений не произойдет до тех пор, пока медь и цинк не будут соединены проводом.
Однако полоски имеют разные потенциалы одна по отношению к другой, и когда они будут соединены проводом, в нем появится . По мере этого действия цинковая полоска будет постепенно растворяться, а близ медного электрода будут образовываться пузырьки газа, собирающиеся на его поверхности. Этот газ - водород, образующийся из электролита. Электрический ток идет от медной полоски по проводу к цинковой полоске, а от нее через электролит обратно к меди.
Постепенно серная кислота электролита замещается сульфатом цинка, образующимся из растворенной части цинкового электрода. Благодаря этому напряжение элемента уменьшается. Однако еще более сильное падение напряжения вызывается образованием газовых пузырьков на меди. Оба эти действия производят «поляризацию». Подобные элементы не имеют почти никакого практического значения.
Важные параметры гальванических элементов
Величина напряжения, даваемого гальваническими элементами, зависит только от их типа и устройства, т. е. от материала электродов и химического состава электролита, но не зависит от формы и размеров элементов.
Сила тока, которую может давать гальванический элемент, ограничивается его внутренним сопротивлением.
Очень важной характеристикой гальванического элемента является . Под электрической емкостью подразумевается то количество электричества, которое гальванический или аккумуляторный элемент способен отдать в течение всего времени своей работы, т. е. до наступления окончательного разряда.
Отданная элементом емкость определяется умножением силы разрядного тока, выраженной в амперах, на время в часах, в течение которого разряжался элемент вплоть до наступления полного разряда. Поэтому электрическая емкость выражается всегда в ампер-часах (А х ч).
По величине емкости элемента можно также заранее определить, сколько примерно часов он будет работать до наступления полного разряда. Для этого нужно емкость разделить на допустимую для этого элемента силу разрядного тока.
Однако электрическая емкость не является величиной строго постоянной. Она изменяется в довольно больших пределах в зависимости от условий (режима) работы элемента и конечною разрядного напряжения.
Если элемент разряжать предельной силой тока и притом без перерывов, то он отдаст значительно меньшую емкость. Наоборот, при разряде того же элемента током меньшей силы и с частыми и сравнительно продолжительными перерывами элемент отдаст полную емкость.
Что же касается влияния на емкость элемента конечного разрядного напряжения, то нужно иметь в виду, что в процессе разряда гальванического элемента его рабочее напряжение не остается на одном уровне, а постепенно понижается.
Распространенные виды гальванических элементов
Наиболее распространены гальванические элементы марганцево-цинковой, марганцево-воздушной, воздушно-цинковой и ртутно-цинковой систем с солевым и щелочным электролитами. Сухие марганцево-цинковые элементы с солевым электролитом имеют начальное напряжение от 1,4 до 1,55 В, продолжительность работы при температуре окружающей среды от -20 до -60 о С от 7 ч до 340 ч.
Сухие марганцево-цинковые и воздушно-цинковые элементы со щелочным электролитом имеют напряжение от 0,75 до 0,9 В и продолжительность работы от 6 ч до 45 ч.
Сухие ртутно-цинковые элементы имеют начальное напряжение от 1,22 до 1,25 В и продолжительность работы от 24 ч до 55 ч.
Наибольший гарантийный срок хранения, достигающий 30 месяцев, имеют сухие ртутно-цинковые элементы.
Это вторичные гальванические элементы. В отличие от гальванических элементов в аккумуляторе же сразу после сборки никакие химические процессы не возникают.
Чтобы в аккумуляторе начались химические реакции, связанные с движением электрических зарядов, нужно соответствующим образом изменить химический состав его электродов (а частью и электролита). Это изменение химического состава электродов происходит под действием пропускаемого через аккумулятор электрического тока.
Поэтому, чтобы аккумулятор мог давать электрический ток, его предварительно нужно «зарядить» постоянным электрическим током от какого-нибудь постороннего источника тока.
От обычных гальванических элементов аккумуляторы выгодно отличаются также тем, что после разряда они опять могут быть заряжены. При хорошем уходе за ними и при нормальных условиях эксплуатации аккумуляторы выдерживают до нескольких тысяч зарядов и разрядок.
Устройство аккумулятора
В настоящее время наиболее часто на практике применяют свинцовые и кадмиево-никелевые аккумуляторы. У первых электролитом служит раствор серной кислоты, а у вторых - раствор щелочей в воде. Свинцовые аккумуляторы называют также кислотными, а кадмиево-никелевые - щелочными.
Принцип работы аккумуляторов основан на поляризации электродов . Простейший кислотный аккумулятор устроен следующим образом: это две свинцовые пластины, опущенные в электролит. В результате химической реакции замещения пластины покрываются слабым налетом сернокислого свинца PbSO4, как это следует из формулы Pb + H 2 SO 4 = PbSO 4 + Н 2 .
Устройство кислотного аккумулятора
Такое состояние пластин соответствует разряженному аккумулятору. Если теперь аккумулятор включить на заряд, т. е. подсоединить его к генератору постоянного тока, то в нем вследствие электролиза начнется поляризация пластин. В результате заряда аккумулятора его пластины поляризуются, т. е. изменяют вещество своей поверхности, и из однородных (PbSO 4) превращаются в разнородные (Pb и Рb О 2 ).
Аккумулятор становится источником тока, причем положительным электродом у него служит пластина, покрытая двуокисью свинца, а отрицательным - чистая свинцовая пластина.
К концу заряда концентрация электролита повышается вследствие появления в нем дополнительных молекул серной кислоты.
В этом одна из особенностей свинцового аккумулятора: его электролит не остается нейтральным и сам участвует в химических реакциях при работе аккумулятора.
К концу разряда обе пластины аккумулятора опять покрываются сернокислым свинцом, в результате чего аккумулятор перестает быть источником тока. До такого состояния аккумулятор никогда не доводят. Вследствие образования сернокислого свинца на пластинах, концентрация электролита в конце разряда понижается. Если аккумулятор поставить на заряд, то вновь можно вызвать поляризацию, чтобы опять поставить его на разряд и т. д.
Существует несколько способов заряда аккумуляторов. Наиболее простой - нормальный заряд аккумулятора, который происходит следующим образом. Вначале на протяжении 5 - 6 ч заряд ведут двойным нормальным током, пока напряжение на каждой аккумуляторной банке не достигнет 2,4 В.
Нормальный зарядный ток определяют по формуле I зар = Q/16
Где Q - номинальная емкость аккумулятора, Ач.
После этого зарядный ток уменьшают до нормального значения и продолжают заряд и течение 15 - 18 ч, до появления признаков конца заряда.
Современные аккумуляторы
Кадмиево-никелевые, или щелочные аккумуляторы, появились значительно позже свинцовых и по сравнению с ними представляют собой более совершенные химические источники тока. Главное преимущество щелочных аккумуляторов перед свинцовыми заключается в химической нейтральности их электролита по отношению к активным массам пластин. Благодаря этому саморазряд у щелочных аккумуляторов получается значительно меньше, чем у свинцовых. Принцип действия щелочных аккумуляторов также основан на поляризации электродов при электролизе.
Для питания радиоаппаратуры выпускают герметичные кадмиево-никелевые аккумуляторы, которые работоспособны при температурах от -30 до +50 о С и выдерживают 400 - 600 циклов заряд-разряд. Эти аккумуляторы выполняют в форме компактных параллелепипедов и дисков с массой от нескольких граммов до килограммов.
Выпускают никель-водородные аккумуляторы для энергоснабжения автономных объектов. Удельная энергия никель-водородного аккумулятора составляет 50 - 60 Вт ч кг -1 .
Подробности Категория: Просмотров: 1740
ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ , первичные элементы, источники электрической энергии, получаемой непосредственно в самих приборах за счет химической энергии входящих в них веществ, способных к диссоциации электролитической. Известны случаи (концентрационные цепи), когда возможно гальваническое получение электрической энергии, не связанное с химическими превращениями; поэтому более широкое понятие - гальванической цепи - охватывает и группу явлений чисто физического характера, которые, однако, в качестве источника электрической энергии в виде особого прибора не применяются.
Внутреннее устройство всякого гальванического элемента включает следующие части: 1) ионизированную среду, составленную из проводников второго класса (электролитов), представляющих в практически применяемых гальванических элементах (гидроэлектрических элементах) водные растворы химических соединений; 2) электроды из проводников первого класса (металлов, окислов с металлической проводимостью и т. п.), соприкасающихся с электролитами и снабженных выводами во внешнюю цепь. Вышеуказанные составные части д. б. правильно составлены в гальваническую цепь, условное обозначение которой, образованной, например, из металлов М 1 и М 2 и растворов их солей М 1 Х 1 и М 2 Х 2 , следующее:
где стрелками обозначено направление тока внутренней и внешней цепей, причем ЭДС, возникающие в местах соприкосновения разнородных частей цепи, должны быть направлены от одного электрода к другому.
На фиг. 1 показана правильно составленная цепь: результирующая ЭДС направлена от одного электрода к другому; на фиг. 2 - неправильно составленная цепь: две коротко замкнутые цепи, ЭДС которых направлены вдоль электродов и результирующая равна нулю. Схема токопрохождения в замкнутой гальванической цепи представлена на фиг. 3.
Для электрода, на котором происходит разряд отрицательно заряженных ионов, (анионов), в электрохимии установилось название анода ; для того же, на котором происходит разряд положительных ионов катионов), - катода . Таким образом, во внутренней цепи гальванического элемента анодом является отрицательный электрод, а катодом - положительный. При пропускании же тока извне возникающее обратное направление тока, или разряд анионов на положительном электроде, сделает его анодом, а разряд катионов сделает отрицательный электрод катодом. С точки зрения химии, процесс, происходящий на аноде, идентичен реакции окисления, а обратный процесс на катоде - реакции восстановления.
I. Теория гальванических элементов . Как источник электрического тока гальванический элемент изучают: 1) со стороны его электрических характеристик, 2) со стороны связанных с прохождением тока химических превращений и 3) со стороны физического состояния и физико-химических свойств действующих веществ.
Общие характеристики гальванического элемента . Характерными величинами всякого гальванического элемента служат: Е - ЭДС; V = f(I, R, t) - напряжение замкнутого элемента, как функция силы тока I, внешнего сопротивления R и времени разрядки t; r - внутреннее сопротивление, зависящее от размеров электродов и сопротивления электролита; иногда r = f(t, t"), т. е. r является функцией времени разрядки t или времени хранения t"; ЭДС поляризации Ер = f(I, t) иногда объединяется с r под общим названием - внутренние потери, иногда Ep выражается в % от Е. Уравнения, связывающие эти величины, следующие:
Полагая ЭДС поляризации пропорциональной силе тока, т. е. Ер = k∙I, что близко к действительности, и принимая k + r = c, получим выражение внешней характеристики гальванического элемента:
где с" = c∙V, и силы тока:
при последовательном соединении n элементов в батарею:
при параллельном соединении n элементов:
иная группировка элементов в батареях в настоящее время почти не применяется. Электродвижущая сила:
мощность
максимальная мощность при R = с
Графически внешние характеристики для гальванического элемента, у которого Е = 1 V и с = 1 Ом, изображены на фиг. 4; очевидно, что гальванические элементы по существу дела предназначены для работы при весьма малой разрядной мощности, т. к. максимальная полезная мощность составляет лишь 25% возможной при данной силе тока и напряжении цепи = ЭДС источника.
Емкость по току; при I = Const,
при R = Const,
где t 0 - разрядный период в часах.
Емкость по энергии:
при I = Const,
при R = Const,
Термодинамические теории . Химические процессы, имеющие место в гальванических элементах, с точки зрения термодинамики рассматривают как изотермически обратимые и, прилагая к ним уравнение свободной энергии, получают выражение, связывающее тепловой эффект химической реакции с электродвижущей силой гальванических элементов. Уравнение Гельмгольца:
где Е - ЭДС гальванического элемента в V; Q - тепловой эффект в cal; n - число валентностей ионов, вступающих в химическую реакцию, тепловой эффект которой Q; F - фарадей = 96540 С = 26,8 Ah; 0,239 - коэффициент перевода J в cal; Т - абсолютная температура химического процесса; dE/dT - температурный коэффициент ЭДС; для гальванических элементов он обычно меньше 1 mV на 1° (см. табл. 1).
Для данного гальванического элемента температурный коэффициент ЭДС может менять свою величину и знак в зависимости от концентрации реагирующих веществ и Т°. Приводимая табл. 2, дающая значения ЭДС гальванических элементов при различных температурах, позволяет вычислить также и соответственные значения температурного коэффициента ЭДС и убедиться в его изменчивости.
Гальванические элементы, обладающие наименьшим температурным коэффициентом, при соблюдении ряда других условий применяются как эталоны ЭДС. При значении dE/dT близком или равном нулю, для вычисления ЭДС гальванических элементов применима более простая формула (правило Томсона):
Пользование вышеприведенными формулами требует экспериментального определения dE/dT и точного учета суммарного теплового эффекта химических реакций гальванических элементов, что затруднительно и не всегда возможно. Это затруднение устраняется с помощью 3-го начала термодинамики, дающего возможность исчислять ЭДС гальванических элементов из одних термических данных.
Осмотическая теория гальванических элементов . Потенциал ε соприкосновения пары электрод-электролит на основании осмотической теории гальванических элементов Нернста выражается следующей формулой:
где n и Т имеют указанные выше значения; R/F – электролитическая газовая константа, численное значение которой 0,864х10 –4 , если ε выражено в V; Р - упругость растворения электродного материала; р = kС есть давление ионов в растворе, где С - концентрация ионов, выраженная в грамм-ионах/л. Формула Нернста позволяет изучать в отдельности явления на аноде и катоде. Более удобно для пользования ее выражение в зависимости от концентрации ионов в электролите:
где ε 0 - постоянная, характерная для каждого иона величина, называемая электролитическим потенциалом соответствующего электрода относительно электролита, содержащего 1 испытуемый грамм-ион в литре (ε 0 дается для 18° со знаком, отвечающим электроду в справочных таблицах нормальных потенциалов), (0,058∙lg С)/n - поправочный член на изменение концентрации, - берется со знаком (+) в случае образования катионов Мà М + и со знаком (-) в случае образования анионов Хà Х – . ЭДС гальванической цепи получается как разность потенциалов отдельных электродов:
При непосредственном измерении ε в качестве условного нуля применяются вспомогательные электроды, обычно нормальные: водородный ε н или каломельный ε с, связанные уравнением:
Абсолютный потенциал (не общепризнанная величина) испытуемого электрода через вспомогательный определяется из уравнений:
или графически - см. фиг. 5 и табл. 3.
На фиг. 5 С указывает на потенциал относительно каломельного электрода, Н - относительно водородного электрода, pH - концентрация ионов водорода, N - нормальный раствор.
Явления в замкнутой цепи (поляризация гальванического элемента) . При прохождении тока потенциалы электродов, а с ними и ЭДС, изменяют свои первоначальные значения в разомкнутой цепи в зависимости от плотности тока на электродах и времени разрядки гальванического элемента, благодаря изменению сопротивления электролита и отчасти электродов и в связи с изменением во времени состава и концентрации действующих веществ. Совокупное действие этих причин, выражающееся в нарастании внутренних потерь гальванического элемента по мере его разрядки, носит название поляризации гальванического элемента. Характером и степенью поляризации (в этом общем смысле) обусловлены наиболее важные технические свойства гальванического элемента. Различают следующие виды гальванической поляризации (табл. 4):
Деполяризация . В применении к гальваническим элементам под деполяризацией обычно подразумевают лишь катодную деполяризацию в виду того, что против анодной, по незначительности ее, мер не принимается. Отсюда под названием деполяризатор понимают не добавочный материал, а основное, действующее на катоде вещество, что, разумеется, не совсем правильно. В силу технических и экономических причин наибольшее практическое значение приобрели гальванические элементы, в которых в качестве анода применен сплошной металлический, т. н. растворимый, электрод, а в качестве катода - пористый, нерастворимый, большей частью кислородный электрод.
Явления в разомкнутой цепи (саморазряд гальванических элементов). Побочные процессы в гальванических элементах связаны с второстепенными реакциями, имеющими место при разомкнутой внешней цепи. Они имеют большое значение для хранения гальванических элементов, вызывая так называемый саморазряд элементов. Внутренние причины (исключая, разумеется, короткие замыкания, небрежное изготовление и прочее), саморазряда сгруппированы в табл. 5.
Степень действия металлических пар (группа А, а) обусловлена не столько ЭДС цепи
сколько ЭДС следующей цепи:
которая определяется величиной добавочного напряжения (перенапряжения), необходимого для выделения водорода на поверхности данного материала. Величины этих добавочных напряжений для наиболее важных материалов при гладкой поверхности даны в табл.6.
Этим, например, объясняется безвредность присутствия свинца в цинке гальванических элементов.
II. Основные виды гальванических элементов . видна из табл. 7.
Эта сводка доказывает, что в отношении анода вопрос технически удовлетворительно был решен уже в первом гальваническом элементе Вольта. Цинк и по настоящее время, за исключением, очень редких случаев, является незаменимым материалом в качестве анода. Вся история гальванических элементов связана с отысканием наиболее подходящего материала в качестве катода вообще, кислородного электрода в частности и отчасти состава и обработки электролита.
Может быть произведена по разным признакам. Конструктивное деление на элементы с одной и элементы с двумя жидкостями в настоящее время устарело. Существенное значение, подтверждаемое историей элементного дела, имеет химический состав и исходное физическое состояние катодного материала (табл. 8).
Изображения типичных представителей разных групп гальванических элементов даны в табл. I, где указаны и основные химические процессы и соответствующие последним электродвижущие силы.
а) Гальванические элементы с жидким катодным материалом (деполяризатором). Гальванические элементы группы «а» - в большинстве случаев элементы с двумя жидкостями, с проницаемой перегородкой или без нее, имеют гл. обр. исторический интерес и академическое значение (классическая гальваническая цепь Даниеля). Находят более заметное применение в телеграфной практике элементы Мейдингера без диафрагмы. Более поздние гальванические элементы этой группы - элементы Шустера с диафрагмой:
и Л. Даримонта с полупроницаемой перепонкой в порах перегородки.
б) Гальванические элементы с твердым катодным материалом . Гальванические элементы группы «б» имеют в настоящее время наибольшее практическое значение. По разряду «А» к ним относятся, помимо указанного в табл. I элемента с хлористым серебром, применяющегося для медицинских целей, известные как эталоны напряжения нормальные элементы - Кларка:
Zn + Hg 2 SО 4 = ZnSО 4 + 2 Hg , ЭДС 1,433 V при 15°,
и Вестона:
Cd + Hg 2 SО 4 = СdSО 4 + 2 Hg , ЭДС 1,0184 V при 20°;
по разряду «Б» к этой группе гальванических элементов относятся, помимо многочисленных форм выполнения известных элементов Лекланше с нейтральным электролитом, несколько типов элементов со щелочным электролитом (Лаланда, Эдисона, Ведекинда и других), работающих по следующей схеме:
химическая реакция:
Одна из подобных современных американских конструкций представлена на фиг. 6 (левый рисунок - гальванический элемент, не бывший в употреблении, правый - разряженный); разрядный график показан на фиг. 7.
Эти элементы применяются для железнодорожной и другой сигнализации и изготовляются размерами на 100-600 Ah емкости.
Вследствие их низкого напряжения эксплуатация обходится дорого; элементы эти чувствительны к колебаниям температуры. Известны также элементы этой группы с кислотным электролитом, работающие по схеме:
химическая реакция:
Форма выполнения элемента этого типа для карманного фонаря изображена на фиг. 8.
в) Гальванические элементы с газообразным катодным материалом . Гальванические элементы группы «в» в последние годы начинают приобретать промышленное значение (до сих пор, главным обр., во Франции); известны как элементы с воздушной деполяризацией, вернее - деполяризацией кислородом воздуха. Одним из первых получил более широкое признание элемент Фери. Своей работой с газовым электродом Фери не только дал пути к разрешению вопроса о значительной экономии расхода цинка в гальванических элементах, но и удачно обошел затруднения, связанные с переходом кислорода из газа в ионное состояние, попутно осветив опытным путем механизм деполяризации. Сущность устройства (фиг. 9) этого элемента такова: на дне сосуда расположена горизонтально цинковая пластинка; в непосредственной с ней близости находится вертикальный угольный электрод, особым образом изготовленный, с высокой пористостью и электропроводностью, выступающий над электролитом (раствором хлористого аммония).
Физико-химические процессы элемента Фери . Теоретическое уравнение
не совсем точно. Фактически процесс распадается на две фазы. В первой фазе:
образуется ZnCl 2 , как и в обычном элементе Лекланше, но затем, по мере работы, происходит расслоение электролита на три слоя: удельно тяжелый ZnCl 2 (слабо кислая среда) остается на дне и покрывает цинк (фиг. 10), предохраняя его от неравномерного разъедания; образующийся на угле удельно более легкий раствор NH 4 OH всплывает наверх (слабощелочная среда), а посредине остается по преимуществу нейтральный раствор неизрасходованного NH 4 Cl по мере сближения крайних слоев и уменьшения общего содержания NH 4 Cl в растворе наступает вторая фаза процесса:
причем NH 4 Cl частично регенерируется, а осадок окиси цинка выпадает на границе соединения крайних слоев; нижняя, обращенная к цинку, часть угольного электрода все время остается чистой и, главное, погруженной в раствор ZnCl 2 .
Противоположно направленная ЭДС жидкостной пары (фиг. 11)
приблизительно равная 0,25 V, не уменьшает основной ЭДС, т. к. замкнута накоротко угольным электродом.
Угольный (газовый) электрод в нижней части насыщается адсорбированным водородом, в верхней - кислородом. Степень деполяризации этого электрода обусловливается работой коротко замкнутой пары:
с ЭДС ~ 0,5-1,0 V.
Этим объясняется устойчивость работы элемента, которая зависит гл. обр. от качества угольного электрода.
Сравнение гальванических элементов с газовым, твердым и жидким катодным материалом . Сравнительный график разрядок элемента Фери с элементом Лекланше показан на фиг. 12.
Сравнительный расход материалов в элементах с различным физическим состоянием катодного материала показан в табл. 9 для случая разрядки очень слабым током или более сильным с перерывами.
Фери дает следующие сравнительные стоимости выработки одного Ah:
Кроме элементов Фери, в настоящее время известны элементы с воздушной деполяризацией Le Carbone и со щелочным электролитом Нея, Нюберга и Юнгнера. На фиг. 13 дан разрядный график гальванических элементов фирмы Le Carbone, тип AD 220, на постоянное сопротивление 5 Ом.
Гальванические элементы мокрые и сухие различают по состоянию их электролита: в виде жидкого водного раствора, или превращенного в желеобразную, клейкую массу каким-либо загустителем (крахмал), или, наконец, в виде малоподвижного и невыливающегося, для чего жидким электролитом пропитывают пористую инертную массу-наполнитель, (древесные опилки, гипс, песок, картон).
Гальванические элементы типа Лекланше с сухим электролитом издавна получили наибольшее практическое применение и промышленное значение. В связи с этим в последнее время проделано много работ для освещения происходящих в нем физико-химических процессов. Схема гальванической цепи этого элемента:
Установлено раскисление MnО 2 до Mn 2 О 3 . В отличие от элемента Фери (вертикальное расположение электродов и присутствие в электролите ZnCl 2), расслоение малоподвижного электролита здесь наступает в меньшей степени. Различают три стадии химических реакций:
Кроме того, взаимодействие NH 4 OH и ZnCl 2 при некоторых условиях сопровождается образованием также и хлорокиси цинка по следующему уравнению:
Фактический расход МnO 2 иногда меньше, чем требуется уравнениями 1, 2 или 3, что объясняется участием в реакциях кислорода воздуха, поскольку обеспечен доступ последнего, или может быть другими, еще мало освещенными явлениями адсорбции на катоде. Поляризация электродов обусловлена главным образом повышением концентрации ионов ОН- и в меньшей степени Zn++ (табл. 10).
Имеет место также механическая поляризация (см. табл. 4) осадками ZnCl 2 ∙2NH 3 ; Zn(OH) 2 и Zn(ОН)Сl. Особенно вредны два последних, закрывающие доступ электролита внутрь пористого катода (агломерата). Саморазряд сухих элементов по сравнению с мокрыми, за исключением элемента Фери, значительно меньше, но в значительной степени зависит от способа и качества изготовления.
Классификация сухих гальванических элементов . В случае необходимости иметь запас на несколько лет, а также в других специфических условиях работы (например, в тропических странах), предпочитают применять незаряженные или не вполне заряженные гальванические элементы длительного хранения, которые перед употреблением должны быть приведены в действующее состояние. Но при этом надо иметь в виду, что срок службы таких элементов меньше, чем обычных сухих гальванических элементов.
В виду большого разнообразия в выполнении сухих гальванических элементов ниже приведена их классификация (табл. 11) по конструктивным признакам с кратким указанием того, в какой мере и как выполняются условия длительного хранения; кроме того, в табл. II показаны примерные формы выполнения некоторых из них.
III. Применение гальванических элементов . Стоимость электрической энергии от гальванических элементов . Теоретический расход материалов, которые могут быть применены в качестве электродных, и соотношение стоимостей (до войны 1914-18 гг.) этих материалов на 1 Wh (табл. 12) показывают, что выбор последних ограничивается либо высокой стоимостью (особенно Cd, Ag, Ni, Pb), либо техническими затруднениями например, Аl, Н 2).
Кроме того, если учесть, что стоимость 1 полезного Wh от практически наиболее экономично работающего элемента Фери обходится около 80 коп., считая один лишь расход материалов, то станет понятным, что и по экономическим и по техническим причинам Гальванические элементы находят применение лишь в случаях потребления приемником малого расхода энергии вообще и с малой разрядной мощностью в частности. Кроме того, во многих случаях применение гальванических элементов диктуется не столько их экономичностью, сколько их незаменимостью и рядом практических удобств. Последним объясняется преимущественное распространение элементов типа Лекланше, в особенности сухих.
Электротехнически применение гальванических элементов можно объединить в режимах, указанных в табл. 13.
Если сравнить технические данные элементов различных видов, например, элементов типа Фери с сухими типа Лекланше, то оказывается, что одно и то же удельное использование порядка 50 Wh/л может быть получено при удельной нагрузке для элементов типа Лекланше 0,1-0,25 А/л, для элементов же типа Фери лишь при 0,02-0,05 А/л. Этим объясняется сравнительно малый успех гальванических элементов типа Фери, несмотря на их преимущество в отношении экономичности. При более полной сравнительной оценке необходимо принять во внимание также и допустимый диапазон разрядного напряжения и ряд других условий. Наиболее удачной системой, легче других приспосабливаемой к различным встречающимся на практике режимам работы приемников, до настоящего времени следует считать систему Лекланше, чем и объясняется ее широкое распространение.
Промышленное изготовление гальванических элементов . Наибольшее промышленное значение имеют гальванические элементы группы «1, б» (табл. 13), т. е. сухие с желеобразным электролитом. Масштаб производства этих гальванических элементов виден из табл. 14.
В настоящее время во многих странах проведена нормализация продукции гальванических элементов. В Германии стандартизованы 8 типов сухих элементов, 2 типа мокрых и 1 тип карманных батареек. В Америке - 2 типа сухих элементов, 5 типов карманных батареек и 2 типа анодных радиобатарей. Проект общесоюзного стандарта на гальванические элементы цинк-уголь-перекись марганца с неподвижным электролитом (табл. 15) предусматривает 7 типов сухих и водоналивных гальванических элементов.
К производству радиобатарей (анодные и накала), в особенности первых, предъявляются наиболее высокие требования, например, в отношении однородности элементов. В настоящее время конструкцию их еще нельзя считать окончательно установленной не только у нас, но и за границей, хотя в последнее время, особенно в Америке, техника их изготовления достигла большого совершенства.
На фиг. 14 показаны графики периодической разрядки анодной батареи, а на фиг. 15 дан вид одного из элементов радиобатареи.
Основные материалы для производства сухих элементов . Перекись или двуокись марганца, в виду ее малой проводимости, чаще всего применяется в тесной смеси с графитовым порошком, в виде так называемых агломератов - пористых (до 40%) тел, окружающих угольный токоотводящий стержень (см. табл. II). Баланс стоимости материалов в основном складывается (в процентах) из:
Промышленные требования максимального использования действующих материалов в гальванических элементах следует рассматривать с двух сторон: а) со стороны стойкости этих материалов к самопроизвольному расходованию и б) со стороны их активности во время работы. Первое требование относится по преимуществу к аноду, второе - к катоду. В отношении цинка установлено, что не меньшую (если не большую) роль, чем химический состав, играют состояние его поверхности и кристаллическая структура, т. е. свойства, зависящие от обработки этого прокатного материала. В качестве двуокиси марганца применяют: а) марганцевую руду (пиролюзит), б) искусственную (химически полученную) перекись марганца, в) смесь той и другой, например, 2 весовых частей первой и 1 весовая часть второй. Первая отличается большей стойкостью и электропроводностью, вторая - большей активностью. Минералогическое происхождение и степень полимеризации пиролюзита также имеют большое значение. В СССР применяется почти исключительно чиатурский пиролюзит. Использование МnO 2 в агломерате находится в весьма сложной зависимости от: а) природы применяемого графита, б) степени измельчения обоих ингредиентов (величина зерна порядка 0,05 мм), в) их электропроводности, г) состава смеси и ее приготовления (давления), и, наконец, д) адсорбирующей способности МnO 2 и графита. В среднем при непрерывной разрядке до 0,7 V использование пиролюзита в сухих элементах составляет не более 20-30% (раскисление до Мn 2 O 3), а искусственной перекиси марганца (МnO 2) составляет 60-70%. Отношение (МnO 2 /графит) в современных элементах равно 2-4.
Электролит сухих гальванических элементов . Качество сухих гальванических элементов, в особенности способность к хранению, в сильной степени зависит не только от химического состава электролита, но и от физических свойств, способа наполнения и пр. Зависимость разъедания гладкого металлического цинка в растворах нашатыря различной концентрации изображена на фиг. 16, из которой видно, что минимальная коррозия имеет место с 20%-ным чистым раствором NH 4 Cl (влияние отдельных примесей рассматривается Друкером).
Концентрацию NH 4 Cl в электролите сухих элементов, согласно теории, желательно иметь максимальную. Одной из полезных добавок в смысле уменьшения растворения цинка является хлористый цинк (см. уравнение Нернста), как видно из фиг. 17, для раствора, содержащего 25 г NH 4 Cl на 100 см 3 раствора ZnCl 2 различной концентрации.
Из этого графика также видно, что влияние амальгамирования цинка существенно сказывается на коррозии лишь в отсутствии ZnCl 2 , а также, что увеличение содержания ZnCl 2 сверх 25% (удельный вес 1,24) сказывается на коррозии значительно меньше, притом, как следует из теории, невыгодно в отношении скорого образования Zn(OH) 2 . Интересно отметить, что оптимальная, по-видимому, концентрация ZnCl 2 отвечает комплексу ZnCl 2 ∙2NH 4 Cl. Из других свойств электролита существенным оказывается его вязкость. По Друкеру, 5%-ный клейстер раствора NH 4 Cl оказывает меньшее действие на цинк, чем 10%-ный. Известны два метода желатинизации электролита: 1) жидким электролитом наполняют элемент и затем нагревают до образования клейстера (обычный способ) 2) желатинизацию производят при обыкновенной температуре действием хлористого цинка. В качестве загустителя обычно применяют смесь двух весовых частей крахмала на одну весовую часть муки. Установлено, что наиболее пригодной для сухих элементов является вязкая желтоватая масса, которая получается в случае состава с наименьшим временем желатинизации. Влияние концентрации ZnCl 2 на скорость желатинизации растворов видно на фиг. 18.
Полученные соотношения позволяют применять два негустеющих в отдельности состава (табл. 16), которые при сливании вместе при комнатной температуре дают массу требуемых свойств, и притом в заранее рассчитанное время.
Этим ценным качеством ZnCl 2 , наряду с отмеченными выше, а также в виду его гигроскопических и консервирующих свойств, объясняются как непонятное на первый взгляд введение в свежий гальванический элемент материала, образующегося как продукт работы элемента, так и те преимущества в отношении емкости и срока хранения, которыми обладают изготовленные сухими на заводе элементы перед наливными и другими их формами без применения ZnCl 2 . Образованию двойных соединений с NH 3 в последнее время препятствуют применением электролита без NH 4 Cl, а именно из хлористого магния с добавкой хлористого марганца. Способ напитывания агломерата электролитом и наполнение элемента следует рассматривать в отношении его сохраняемости как предохранение Zn от действия на него кислорода воздуха. Необходимый для правильного функционирования и безвредный для расположенного на дне цинка в элементах типа Фери кислород воздуха в сухих гальванических элементах, наоборот, оказывает сильное разрушительное действие на цинк, в особенности в соединении с концентрационной парой (фиг. 19), действующей вдоль электрода при вертикальном его расположении.
Технологические приемы производства гальванических элементов . Заводское производство гальванических элементов делится на следующие главные операции: а) изготовление цинковых полюсов, б) приготовление катодов (агломератов), в) приготовление электролита и г) сборка указанных составных частей. Первая операция состоит из обычных механических приемов: резки листового цинка, гнутья по шаблону и пайки; применяется также штамповка и электросварка цинковых полюсов. Приготовление агломератов из просеянных до определенного зерна и смешанных в определенной пропорции графита и пиролюзита состоит в прессовании брикетов нужных размеров. Известны два метода прессовки: 1) прессовка непосредственно на уголь и 2) прессовка на вынимающийся затем стержень-шаблон с последующим вставлением угля в образовавшийся канал. Преимущество первого метода заключается в уменьшении переходного сопротивления агломерат-уголь; второго - в возможности применения больших давлений при прессовке. В последнее время распространяется автоматическая прессовка. Отпрессованный агломерат, надетый на уголь, помещается в матерчатый или бумажный чехол, обычно затягиваемый по спирали тонким шнурком, для придания большей механической прочности и для предохранения массы от выкрашивания. Этот прием носит название обвязки агломерата и обычно производится ручным способом. В Америке практикуется более совершенный прием - картонной обшивки агломерата без хлопотливой обвязки, причем картонная оболочка, заполняя все пространство между агломератом и цинком, одновременно служит и в качестве сепаратора, а также играет роль наполнителя для электролита. Один из возможных приемов такой механизации обвязки для малых образцов изображен на фиг. 20, согласно которой агломераты с надетыми на них чехлами с легким трением продавливаются через отверстие холодной или подогретой матрицы, причем соответственно устроенный пуансон запечатывает донышки.
Для надевания зажимов - латунных колпачков - также применяются полуавтоматы. Устройство одного из них дано на фиг. 21.
Технические данные: вес 96 кг, потребляемая мощность 1/2 л. с., производительность 1500 шт. в ч. Подобно этому при массовом изготовлении б. или м. механизированы и другие приемы сборки гальванических элементов.
Испытание гальванических элементов . Испытание электрических свойств производится по двум методам: 1) постоянной силы тока I = Const и 2) на постоянное сопротивление R = Const. В виду простоты более распространен второй метод. Испытания делятся на следующие виды: 1) Испытание внешней характеристики или внутреннего сопротивления; для получения линейной зависимости V = f(I) отсчет V необходимо брать при установившемся его значении. 2) Испытание емкости непрерывной разрядкой V = f(t) при I = Const или R = Const. 3) Испытание способности к хранению; надежного метода до настоящего времени не выработано; косвенно и далеко не точно судят по изменению ЭДС или по увеличению внутренних потерь за определенный промежуток времени хранения гальванических элементов. 4) Испытание максимальной отдачи в условиях б. или м. близких к условиям действительной работы гальванических элементов (периодический разряд по американским нормам). В СССР применялись гл. обр. первые два вида испытаний; в настоящее время имеются попытки применения и третьего вида; наиболее распространена разрядка гальванических элементов на 10 Ом сопротивления.
Установлено, что вид функции V = f(t) при R = Const для гальванических элементов с МnO 2 весьма близко выражается уравнением:
где V H. есть начальное напряжение, b - постоянная элемента, t - время. Это соотношение дает возможность аналитически определять среднее напряжение V ср. до любого конечного напряжения V K . из уравнения
а, следовательно, и соответственную емкость гальванического элемента
где t 0 - разрядный период в часах. Первое из уравнений применимо в пределах до V K . = 0,7V и ниже при разрядных режимах до 500 часов.
При более длинных режимах (обычно не применяющихся на практике) возможно наблюдающееся отклонение (не у всех гальванических элементов) кривой от своей первоначальной параболической формы (на фиг. 22 и 23 - кривые, снятые для гальванических элементов одних и тех нее размеров и в одинаковых условиях).
В этих случаях применение уравнения
ограничено более высоким конечным напряжением. Характер изменения емкости гальванических элементов русской продукции при различных режимах R = Const показан для нескольких размеров элементов на диаграмме «время разрядки-емкость» (фиг. 24).
Из диаграммы видно, что точки, отвечающие одним и тем же режимам для разных размеров гальванических элементов, лежат на прямых, проведенных из начала координат (лучи сопротивлений), как то следует из уравнения
так как, при весьма незначительных колебаниях V H. , V cp. = Const, а, следовательно, и величина I ср. , которая определяет наклон луча сопротивления к координатным осям, также = Const, другими словами - средняя разрядная сила тока практически может быть принята независимой от размеров и формы гальванических элементов и определяется лишь проводимостью внешней цепи (разрядным сопротивлением). Полученные простые соотношения позволяют легко из графика по времени разрядки определять емкость до того конечного напряжения, для которого построена диаграмма. Что касается изменения емкости гальванических элементов с разрядным режимом, то ряд появившихся в последнее время формул дает возможность с достаточной для практики точностью производить необходимые вычисления. При пользовании этими формулами не надо только забывать, что они являются эмпирическими и поэтому, строго говоря, применимы только к той продукции и в тех условиях, в которых эти формулы выводились. Для разрядок при I = Const к сухим элементам применима формула Пейкерта (см. Аккумуляторы электрические):
где t 0 - разрядный период в часах; для русской продукции значение показателя n до V K. = 0,7 V было найдено равным 1,3. Для американской продукции также была установлена справедливость формулы Пейкерта, причем до V K. = 0,75 V для одного из типов сухих элементов значение n = 2; постоянная k зависит от размеров элемента. Для разрядок при R = Const формула получает вид:
где n равно 1,5 до V K . = 0,75 V для американской продукции и 1,3 до V K. = 0,70 V для русской продукции. Вообще относительно постоянных n и k следует иметь в виду, что обе они зависят от V K . и, кроме того, k определяется количеством деполяризующейся массы и степенью ее использования, а n определяется формой элемента и главным образом толщиной активного слоя деполяризатора.
Зависимость разрядного напряжения сухих элементов от температуры и разрядного сопротивления видна на фиг. 25, которая показывает, что –22° является критической температурой для разрядок б. или м. значительным током.
Аппаратура для испытания гальванических элементов состоит из: 1) разрядной доски с набором сопротивлений и вольтметровым переключателем (фиг. 26);
2) установки для прерывистого испытания по американским нормам, в которой управляемые от часового механизма А реле С замыкают и размыкают испытуемые цепи Е (фиг. 27);
3) установки для испытания периодическим разрядом батарей запала по 2 часа в сутки (фиг. 28).
Гальванический элемент – прибор, который преобразовывает химическую энергию в электрическую. Одним из таких элементов является элемент Даниэля – Якоби. Этот элемент состоит из двух электродов: цинкового и медного, – погруженных в соответствующие сульфатные растворы, между которыми пористая перегородка:
При замыкании внешней цепи электроны переходят от Zn к Cu, происходит диффузия цинка в медь:
Образуем электрохимическую схему:
Анод – отрицательный электрод (слева). Катод – положительный электрод.
Для определения ЭДС этого элемента нужно сравнить стандартные электродные потенциалы обоих электродов. При записи электродных реакций принято, что окисленная форма находится в левой части, а восстановленная – в правой части уравнения.
где E 0 – электродвижущая сила (ЭДС) гальванического элемента, когда все реагенты в стандартном состоянии.
ЭДС элемента вычисляется вычитанием из потенциала катода потенциала анода.
ЭДС элемента равна +0,34 – (–0,76) = 1,1 В; чем больше электродные потенциалы отличаются друг от друга, тем больше ЭДС. Если погрузить металл в раствор соли большей концентрации, то потенциал нестандартный. Значит, на величину электродного потенциала влияет концентрация и температура. Такая зависимость выражается уравнением В. Нернста .
где п – число ионов;
R – универсальная газовая постоянная;
Т – температура;
С – концентрация активных ионов в растворе;
F – число Фарадея = 96500 В.
ХИТы – устройства, которые применяют для непосредственного преобразования энергии химической реакции в электрическую. ХИТы применяются в различных областях техники. В средствах связи: радио, телефон, телеграф; в электроизмерительной аппаратуре; они служат источниками электропитания для автомобилей, самолетов, тракторов; применяются для приведения в действие стартеров и др.
Недостатки ХИТ:
1) стоимость веществ, необходимых для работы: Pb, Cd, – высока;
2) отношение количества энергии, которую может отдать элемент, к его массе, мало.
Преимущества ХИТ:
1) ХИТы делятся на две основные группы: обратимые (аккумуляторы), необратимые (гальванические элементы) . Аккумуляторы можно использовать многократно, так как их работоспособность может быть восстановлена при пропускании тока в обратном направлении от внешнего источника, а в гальванических элементах допускают лишь однократное использование, поскольку один из электродов (Zn в элементе Даниэля – Якоби) необратимо расходуется;
2) применяются электролиты, поглощенные пористыми материалами, они имеют большее внутреннее сопротивление;
3) создание топливных элементов, при работе которых расходовались бы дешевые вещества с малой плотностью (природный газ, водород);
4) удобство в работе, надежность, высокие и стабильные напряжения.
Рассмотрим процесс технологии на основе свинцово-кислотного аккумулятора с намазными электродами.
Общая схема: (–) активное вещество | электролит | активное вещество (+).
Активным веществом отрицательного электрода служит восстановитель , отдающий электроны. При разряде отрицательный электрод является анодом, т. е. электродом, на котором протекают окислительные процессы. Активное вещество положительного электрода – окислитель . Активные вещества – окислитель и восстановитель – участвуют в электрохимической реакции.
Электрохимическая схема свинцово-кислотного аккумулятора
Активными веществами свинцового аккумулятора являются: губчатый свинец и PbO 2 . Создание активных масс в электродах заключается в следующем: на электропроводящий каркас конструкции наносят пасту или смесь оксидов Pb; при последующем формировании пластин оксиды Pb превращаются в активные вещества. Формирование – перевод незаряженной массы в заряженную. Такого рода пластины подразделяются в зависимости от типа каркаса на намазные и решетчатые. Большинство аккумуляторов собирают из намазных пластин. При их изготовлении пасту из оксидов свинца вмазывают в ячейки профилированных решеток толщиной 1 – 7 мм, отлитых из Pb – Sb сплава. После затвердевания паста удерживается на решетке, гарантия такого аккумулятора – 2 – 3 года. При выборе материалов токоотводов положительных электродов аккумуляторов важно обеспечить их практическую пассивность (при сохранении электрической проводимости) в условиях заряда (до весьма высоких потенциалов при анодной поляризации). Для этой цели в растворах H 2 SO 4 применяют Pb или его сплавы. Корпус и крышка ХИТ могут быть изготовлены из стали, либо из различных диэлектриков, но в свинцово-кислотных аккумуляторах корпус выполняют из эбонита, полипропилена, стекла. Электролит в свинцово-кислотном аккумуляторе может участвовать в суммарной токообразующей реакции. Для токоведущих отводов отрицательного электрода применяют Cu, Ti, Al.
3. Регенерация и утилизация ХИТов
Срок службы гальванических элементов кончается (разряд ХИТ) после полного или частичного использования активных материалов, работоспособность которых после разряда может быть восстановлена путем заряда, то есть пропусканием тока в направлении, обратном направлению тока при разряде: такие гальванические элементы называются аккумуляторами . Отрицательный электрод, который при разряде аккумулятора был анодом, при заряде становится катодом. Условиями лучшего использования активных материалов являются низкие плотности тока, высокие температуры до нормы. Обычно причиной нарушения работы ХИТов является пассивация электродов – резкое уменьшение скорости электрохимического процесса при разряде, вызванное изменением состояния поверхности электродов при разряде из-за образования оксидных слоев или солевых пленок. Способ борьбы с пассивацией – уменьшение истинных плотностей тока разряда путем применения электродов с развитыми поверхностями. Производство ХИТ отличается применением разнообразных токсичных веществ (сильных окислителей, соединений Pb, Hg, Zn, Cd, Ni, применяемых в мелкодисперсном состоянии; кислот, щелочей, органических растворителей). Для обеспечения нормальных условий труда предусмотрена автоматизация производственных процессов, рациональные системы вентиляции, включающие применение местных отсосов от аппаратов с токсичными выделениями, герметизация оборудования, замена сухих способов переработки пылящих материалов мокрыми, очистка загрязненного воздуха и газов от аэрозолей, очистка промышленных сточных вод. Массовое использование ХИТ в народном хозяйстве связано с проблемами экологии. Если свинец из аккумуляторов в основном может быть возвращен потребителями на заводы по его переработке, то утилизация небольших бытовых первичных ХИТ экономически нецелесообразна.
Каждая батарея Hg – Zn обеспечивает работу слухового аппарата в течение 5 – 7 дней.
Проводится разработка электромобилей с использованием ХИТ вместо двигателей внутреннего сгорания, которые отравляют атмосферу городов выхлопными газами. По степени отрицательного воздействия на окружающую среду гальваническое производство стоит на первом месте. Причина крайне негативного воздействия гальванического производства заключается в том, что на подавляющем большинстве предприятий в технологических процессах нанесения покрытий полезно расходуется только 10 – 30% солей тяжелых металлов, остальная же часть при неудовлетворительной работе попадает в среду. Выход – максимально сократить потери солей цветных металлов, то есть уменьшить вынос деталями электролитов из гальванических ванн. Это приведет к уменьшению концентраций и объемов сточных вод и создаст тем самым необходимые условия для ведения малоотходной (МОТ) и безотходной (БОТ) технологий нанесения гальванических покрытий. Надо первоначально правильно подобрать электролит. Основополагающий принцип МОТ и БОТ – уменьшать расход химикатов на входе и меньше поставлять ядов на выходе процесса.
В современных условиях наиболее распространенными химическими источниками тока являются гальванические элементы. Несмотря на их отдельные недостатки, они получили широкое распространение в электронике, проводится постоянная работа по их совершенствованию. Принцип работы гальванического элемента достаточно прост. В водный раствор серной кислоты погружаются медная и цинковая пластины, которые, затем, играют роль положительного и отрицательного полюса.
Принцип действия гальванического элемента
При соединении полюсов с помощью проводника происходит появление простейшей электрической цепи. Протекание тока внутри элемента будет происходить от отрицательного заряда к положительному, то есть от цинковой пластины к медной. Движение заряженных частиц по внешней цепи будет осуществляться в обратном направлении.
При воздействии электрического тока движение остатков серной кислоты, а также ионов водорода будет происходить в различных направлениях. При этом, водород передает заряд на медную пластину, а остаток кислоты - на цинковую пластину. Таким образом, на клеммах будет осуществляться поддержка напряжения. Одновременно, на медной пластине оседают пузырьки водорода, ослабляющего общее действие элемента и создающего дополнительное напряжение. Такое напряжение известно, как электродвижущая сила поляризации. Чтобы избежать этого явления, в состав вводится вещество, способное поглощать атомы водорода и выполнять функцию деполяризации.
Гальванические элементы: преимущества и недостатки
Для изготовления современных гальванических элементов используются самые различные материалы. Наиболее распространенными являются материалы на основе угольно-цинковых элементов, используемых для пальчиковых .
Их основным положительным качеством считается относительно низкая стоимость. Однако, такие элементы обладают невысокой мощностью и небольшим сроком хранения. Наиболее оптимальным вариантом служит использование щелочных элементов. Здесь в качестве электролита выступает не уголь, а раствор щелочи. При разрядке не происходит выделение газа, что позволяет обеспечить полную герметичность. Щелочные элементы отличаются более высоким сроком хранения.
Общий принцип работы гальванического элемента для всех их видов совершенно одинаковый. Например, элементы на основе оксида ртути конструктивно напоминают щелочные. Они отличаются повышенной устойчивостью к высокой температуре, высокой механической прочностью и стабильным значением напряжения. Недостатком является токсичность ртути, требующая осторожного обращения с отработанными элементами.
«Арзамасский Государственный Педагогический Институт им А. П. Гайдара»
Курсовая работа
по химии
Тема: Гальванические элементы
Выполнил: студент 5 курса
ЕГФ 52 гр. Б2 подгр. Ширшин Н.В.
Принял: Киндеров А.П.
План
Введение
I. История создания химических источников тока
II. Принцип действия
III. Классификация, устройство и принцип действия химических источников тока
1. Гальванический элемент
2. Электрические аккумуляторы
А) Щелочные аккумуляторы
3. Топливный элемент
А) Принцип действия
Б) Принцип разделения потоков топлива и горючего
В) Пример водородно-кислородного топливного элемента
Г) История исследований в России
Д) Применение топливных элементов
Е) Проблемы топливных элементов
IV. Эксплуатация элементов и батарей
V. Регенерация гальванических элементов и батарей
VI. Особенности некоторых видов гальванических элементов и их краткие характеристики
Заключение
Список использованной литературы
Введение
Химические источники тока в течении многих лет прочно вошли в нашу жизнь. В быту потребитель редко обращает внимание на отличия используемых химических источниках тока. Для него это батарейки и аккумуляторы. Обычно они используются в устройствах таких, как карманные фонари, игрушки, радиоприемники или автомобили. В том случае, когда потребляемая мощность относительно велика (10Ач), используются аккумуляторы, в основном кислотные, а также никель - железные и никель - кадмиевые. Они применяются в портативных электронных вычислительных машинах (Laptop, Notebook, Palmtop), носимых средствах связи, аварийном освещении и пр.
В силу ряда обстоятельств химические генераторы электрической энергии являются наиболее перспективными. Их преимущества проявляются через такие параметры, как высокий коэффициент выхода энергии; бесшумность и безвредность; возможность использования в любых условиях, в том числе в космосе и под водой, в стационарных и переносных устройствах, на транспорте и т.д.
В последние годы такие аккумуляторы широко применяются в резервных источниках питания ЭВМ и электромеханических системах, накапливающих энергию для возможных пиковых нагрузок и аварийного питания электроэнергией жизненно – важных систем.
Цели и задачи . В данной работе мне необходимо разобрать принцип действия гальванических элементов, познакомиться с историей их создания, особенностями классификации и устройством различных видов гальванических элементов, а также применением в тех или иных видов химических источников тока в повседневной жизни и различных сферах производства.
I . История создания химических источников тока
Химические источники тока (аббр. ХИТ) - устройства, в которых энергия протекающих в них химических реакций непосредственно превращается в электрическую энергию.
История создания
Вольтов столб
Первый химический источник тока был изобретён итальянским учёным Алессандро Вольта в 1800 году. Это был элемент Вольта - сосуд с солёной водой с опущенными в него цинковой и медной пластинками, соединенными проволокой. Затем учёный собрал батарею из этих элементов, которая в последствии была названа Вольтовым столбом. Это изобретение в последствии использовали другие учёные в своих исследованиях. Так, например, в 1802 году русский академик В. В. Петров сконструировал Вольтов столб из 2100 элементов для получения электрической дуги. В 1836 году английский химик Джон Дэниель усовершенствовал элемент Вольта, поместив цинковый и медный электроды в раствор серной кислоты. Эта конструкция стала называться «элементом Даниэля». В 1859 году французский физик Гастон Плантэ изобрёл свинцово-кислотный аккумулятор. Этот тип элемента и по сей день используется в автомобильных аккумуляторах. В 1865 году французский химик Ж. Лекланше предложил свой гальванический элемент (элемент Лекланше), состоявший из цинкового стаканчика, заполненного водным раствором хлористого аммония или другой хлористой соли, в который был помещён агломерат из оксида марганца(IV) MnO2 с угольным токоотводом. Модификация этой конструкции используется до сих пор в солевых батарейках для различных бытовых устройств. В 1890 году в Нью-Йорке Конрад Губерт, иммигрант из России, создаёт первый карманный электрический фонарик. А уже в 1896 году компания National Carbon приступает к массовому производству первых в мире сухих элементов Лекланше «Columbia».
II . Принцип действия
Устройство «багдадских батареек» (200 г. до н. э.).
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 разделённых 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, гидроксид никеля NiOOH, оксид марганца(IV) MnO2 и другие;
в качестве электролита - растворы щелочей, кислот или солей.
III . Классификация, устройство и принцип действия
По возможности или невозможности повторного использования химические источники тока делятся на:
1. Гальванический элемент
Гальванический элемент - химический источник электрического тока, названный в честь Луиджи Гальвани. Принцип действия гальванического элемента основан на взаимодействии двух металлов через электролит, приводящем к возникновению в замкнутой цепи электрического тока. ЭДС гальванического элемента зависит от материала электродов и состава электролита. Это первичные ХИТ, которые из-за необратимости протекающих в них реакций, невозможно перезарядить.
Гальванические элементы являются источниками электрической энергии одноразового действия. Реагенты (окислитель и восстановитель) входят непосредственно в состав гальванического элемента и расходуются в процессе его работы. Гальванический элемент характеризуется ЭДС, напряжением, мощностью, емкостью и энергией, отдаваемой во внешнюю цепь, а также сохраняемостью и экологической безопасностью.
ЭДС определяется природой протекающих в гальваническом элементе процессов. Напряжение гальванического элемента U всегда меньше его ЭДС в силу поляризации электродов и потерь сопротивления:
U = Eэ – I(r1–r2) – ΔE,
где Еэ – ЭДС элемента; I – сила тока в режиме работы элемента; r1 и r2 – сопротивление проводников I и II рода внутри гальванического элемента; ΔЕ – поляризация гальванического элемента, складывающаяся из поляризаций его электродов (анода и катода). Поляризация возрастает с увеличением плотности тока (i), определяемой по формуле i = I/S, где S – площадь поперечного сечения электрода, и ростом сопротивления системы.
В процессе работы гальванического элемента его ЭДС и, соответственно, напряжение постепенно снижаются в связи с уменьшением концентрации реагентов и увеличением концентрации продуктов окислительно-восстановительных процессов на электродах (вспомним уравнение Нернста). Однако чем медленнее снижается напряжение при разряде гальванического элемента, тем больше возможностей его применения на практике. Емкостью элемента называют общее количество электричества Q, которое гальванический элемент способен отдать в процессе работы (при разрядке). Емкость определяется массой запасенных в гальваническом элементе реагентов и степенью их превращения. При увеличении тока разряда и снижении температуры работы элемента, особенно ниже 00С, степень превращения реагентов и емкость элемента снижаются.
Энергия гальванического элемента равна произведению его емкости на напряжение: ΔН = Q.U. Наибольшей энергией обладают элементы с большим значением ЭДС, малой массой и высокой степенью превращения реагентов.
Сохраняемостью называют продолжительность срока хранения элемента, в течение которого его характеристики остаются в заданных параметрах. С ростом температуры хранения и эксплуатации элемента, его сохраняемость уменьшается.
Состав гальванического элемента : восстановителями (анодами) в портативных гальванических элементах, как правило, служат цинк Zn, литий Li, магний Mg; окислителями (катодами) – оксиды марганца MnO2, меди CuO, серебра Ag2O, серы SO2, а также соли CuCl2, PbCl2, FeS и кислород О2.
Самым массовым в мире остается производство марганец–цинковых элементов Mn–Zn, широко применяемых для питания радиоаппаратуры, аппаратов связи, магнитофонов, карманных фонариков и т.п. Конструкция такого гальванического элемента представлена на рисунке
Токообразующими реакциями в этом элементе являются :
На аноде (–): Zn – 2ē → Zn2+ (на практике происходит постепенное растворение цинковой оболочки корпуса элемента);
На катоде (+): 2MnO2 + 2NH4+ + 2ē → Mn2O3 + 2NH3 + H2O.
В электролитическом пространстве также идут процессы:
У анода Zn2+ + 2NH3 →2+;
У катода Mn2O3 + H2O → или 2.
В молекулярном виде химическую сторону работы гальванического элемента можно представить суммарной реакцией:
Zn + 2MnO2 + 2NH4Cl → Cl2 + 2.
Схема гальванического элемента:
(–) Zn|Zn(NH3)2]2+|||MnO2 (С) (+).
ЭДС такой системы составляет Е= 1,25 ÷ 1,50В.
