Κόσμος μπαταριών - μέρος 3

Η ιστορία των σύγχρονων μπαταριών ξεκινά τον δέκατο ένατο αιώνα και τα περισσότερα από τα σχέδια που χρησιμοποιούνται σήμερα προέρχονται από αυτόν τον αιώνα. Αυτή η κατάσταση μαρτυρεί, αφενός, τις εξαιρετικές ιδέες των επιστημόνων εκείνης της εποχής, και, αφετέρου, τις δυσκολίες που προκύπτουν στην ανάπτυξη νέων μοντέλων.

Λίγα πράγματα είναι τόσο καλά που δεν μπορούν να βελτιωθούν. Αυτός ο κανόνας ισχύει επίσης για τις μπαταρίες - τα μοντέλα του XNUMX αιώνα βελτιώθηκαν πολλές φορές μέχρι να λάβουν τη σημερινή τους μορφή. Αυτό ισχύει και για Κύτταρα Leclanche.

Σύνδεσμος για βελτίωση

Το σχέδιο του Γάλλου χημικού έχει αλλάξει Καρλ Γκάσνερ σε ένα πραγματικά χρήσιμο μοντέλο: φθηνό στην κατασκευή και ασφαλές στη χρήση. Ωστόσο, εξακολουθούσαν να υπάρχουν προβλήματα - η επίστρωση ψευδαργύρου του στοιχείου διαβρώθηκε κατά την επαφή με τον όξινο ηλεκτρολύτη που γέμιζε το μπολ και η εκτόξευση επιθετικών περιεχομένων θα μπορούσε να απενεργοποιήσει την τροφοδοτούμενη συσκευή. Η απόφαση έγινε συγχώνευση την εσωτερική επιφάνεια του σώματος ψευδαργύρου (επικάλυψη υδραργύρου).

Το αμάλγαμα ψευδαργύρου πρακτικά δεν αντιδρά με οξέα, αλλά διατηρεί όλες τις ηλεκτροχημικές ιδιότητες του καθαρού μετάλλου. Ωστόσο, λόγω των περιβαλλοντικών κανονισμών, αυτή η μέθοδος παράτασης της ζωής των κυψελών χρησιμοποιείται όλο και λιγότερο (σε κελιά χωρίς υδράργυρο, μπορείτε να βρείτε την επιγραφή ή) (1).

2. Διάταξη αλκαλικών κυψελών: 1) θήκη (μόλυβδος καθόδου), 2) κάθοδος που περιέχει διοξείδιο μαγγανίου, 3) διαχωριστής ηλεκτροδίων, 4) άνοδος που περιέχει ΚΟΗ και σκόνη ψευδαργύρου, 5) τερματικό ανόδου, 6) στεγανοποίηση κυψελών (μονωτήρας ηλεκτροδίου) . .

Ένας άλλος τρόπος για να αυξήσετε τη μακροζωία και τη ζωή των κυττάρων είναι να προσθέσετε χλωριούχος ψευδάργυρος ZnCl₂ για πάστα γέμισης φλιτζανιού. Οι κυψέλες αυτού του σχεδιασμού αναφέρονται συχνά ως Heavy Duty και (όπως υποδηλώνει το όνομα) έχουν σχεδιαστεί για να τροφοδοτούν συσκευές με μεγαλύτερη ένταση ενέργειας.

Μια σημαντική ανακάλυψη στον τομέα των μπαταριών μιας χρήσης ήταν η κατασκευή του 1955 αλκαλικό κύτταρο. Εφεύρεση καναδού μηχανικού Λιούις Ούρι, που χρησιμοποιείται από την τρέχουσα εταιρεία Energizer, έχει μια δομή ελαφρώς διαφορετική από αυτή του κυττάρου Leclanchet.

Πρώτον, δεν θα βρείτε μια κάθοδο γραφίτη ή ένα κύπελλο ψευδαργύρου εκεί. Και τα δύο ηλεκτρόδια κατασκευάζονται με τη μορφή υγρών, διαχωρισμένων πάστες (πηκτικά συν αντιδραστήρια: η κάθοδος αποτελείται από ένα μείγμα διοξειδίου του μαγγανίου και γραφίτη, η άνοδος σκόνης ψευδαργύρου με ένα μείγμα υδροξειδίου του καλίου) και οι ακροδέκτες τους είναι κατασκευασμένοι από μέταλλο ( 2). Ωστόσο, οι αντιδράσεις που συμβαίνουν κατά τη λειτουργία είναι πολύ παρόμοιες με αυτές που συμβαίνουν στο κελί Leclanchet.

Μια εργασία. Πραγματοποιήστε μια "χημική αυτοψία" σε ένα αλκαλικό στοιχείο για να μάθετε ότι το περιεχόμενο είναι όντως αλκαλικό (3). Θυμηθείτε ότι οι ίδιες προφυλάξεις ισχύουν για την αποσυναρμολόγηση του κελιού Leclanchet. Δείτε το πεδίο Κωδικός μπαταρίας για τον τρόπο αναγνώρισης ενός αλκαλικού στοιχείου.

3. Το "τμήμα" του αλκαλικού στοιχείου επιβεβαιώνει την περιεκτικότητα σε αλκάλια.

Σπιτικές μπαταρίες

4. Οικιακές μπαταρίες Ni-MH και Ni-Cd.

Οι κυψέλες που μπορούν να επαναφορτιστούν μετά τη χρήση ήταν ο στόχος των σχεδιαστών από την αρχή της ανάπτυξης της επιστήμης του ηλεκτρισμού, εξ ου και οι πολλοί τύποι τους.

Επί του παρόντος, ένα από τα μοντέλα που χρησιμοποιούνται για την τροφοδοσία μικρών οικιακών συσκευών είναι μπαταρίες νικελίου-καδμίου. Το πρωτότυπό τους εμφανίστηκε το 1899 όταν το έκανε ένας Σουηδός εφευρέτης. Ερνστ Γιούνγκνερ υπέβαλε αίτηση για δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για μια μπαταρία νικελίου-καδμίου που θα μπορούσε να ανταγωνιστεί τις μπαταρίες που χρησιμοποιούνται ήδη ευρέως στην αυτοκινητοβιομηχανία. μπαταρία μολύβδου οξέος.

Η άνοδος του κυττάρου είναι κάδμιο, η κάθοδος είναι μια τρισθενής ένωση νικελίου, ο ηλεκτρολύτης είναι ένα διάλυμα υδροξειδίου του καλίου (σε μοντέρνα "ξηρά" σχέδια, μια υγρή πάστα πυκνωτικών ουσιών κορεσμένη με διάλυμα ΚΟΗ). Οι μπαταρίες Ni-Cd (αυτή είναι η ονομασία τους) έχουν τάση λειτουργίας περίπου 1,2 V - αυτή είναι μικρότερη από αυτή των κυψελών μιας χρήσης, η οποία, ωστόσο, δεν αποτελεί πρόβλημα για τις περισσότερες εφαρμογές. Το μεγάλο πλεονέκτημα είναι η δυνατότητα κατανάλωσης σημαντικού ρεύματος (ακόμη και λίγων αμπέρ) και ένα ευρύ φάσμα θερμοκρασιών λειτουργίας.

5. Ελέγξτε τις απαιτήσεις για διαφορετικούς τύπους μπαταριών πριν τις φορτίσετε.

Το μειονέκτημα των μπαταριών νικελίου-καδμίου είναι ένα επαχθές «φαινόμενο μνήμης». Αυτό συμβαίνει όταν επαναφορτίζονται συχνά μερικώς αποφορτισμένες μπαταρίες Ni-Cd: το σύστημα συμπεριφέρεται σαν η χωρητικότητά του να ισούται μόνο με τη φόρτιση που αναπληρώνεται με την επαναφόρτιση. Σε ορισμένους τύπους φορτιστών, το «φαινόμενο μνήμης» μπορεί να μειωθεί με τη φόρτιση των κυψελών σε ειδική λειτουργία.

Επομένως, οι αποφορτισμένες μπαταρίες νικελίου-καδμίου θα πρέπει να φορτίζονται σε έναν πλήρη κύκλο: πρώτα να αποφορτίζονται πλήρως (χρησιμοποιώντας την κατάλληλη λειτουργία φορτιστή) και μετά να επαναφορτίζονται. Η συχνή επαναφόρτιση μειώνει επίσης την εκτιμώμενη διάρκεια ζωής των 1000-1500 κύκλων (ότι πολλά στοιχεία μιας χρήσης θα αντικατασταθούν από μία μπαταρία κατά τη διάρκεια της ζωής της, επομένως το υψηλότερο κόστος αγοράς θα αποζημιωθεί πολλές φορές, για να μην αναφέρουμε πολύ λιγότερη καταπόνηση της μπαταρίας ). περιβάλλον με την παραγωγή και τη διάθεση των κυττάρων).

Τα στοιχεία Ni-Cd που περιέχουν τοξικό κάδμιο έχουν αντικατασταθεί μπαταρίες νικελίου-υδριδίου μετάλλου (Ονομασία Ni-MH). Η δομή τους είναι παρόμοια με τις μπαταρίες Ni-Cd, αλλά αντί για κάδμιο χρησιμοποιείται ένα πορώδες κράμα μετάλλων (Ti, V, Cr, Fe, Ni, Zr, μέταλλα σπάνιων γαιών) με ικανότητα απορρόφησης υδρογόνου (4). Η τάση λειτουργίας των στοιχείων Ni-MH είναι επίσης περίπου 1,2 V, γεγονός που τους επιτρέπει να χρησιμοποιούνται εναλλακτικά με μπαταρίες NiCd. Η χωρητικότητα των κυψελών νικελίου μετάλλου υδριδίου είναι μεγαλύτερη από εκείνη των κυψελών νικελίου καδμίου ίδιου μεγέθους. Ωστόσο, τα συστήματα NiMH αυτοεκφορτίζονται πιο γρήγορα. Υπάρχουν ήδη μοντέρνα σχέδια που δεν έχουν αυτό το μειονέκτημα, αλλά κοστίζουν πολύ περισσότερο από τα τυπικά μοντέλα.

Οι μπαταρίες νικελίου-υδριδίου μετάλλου δεν παρουσιάζουν «φαινόμενο μνήμης» (τα μερικώς αποφορτισμένα κύτταρα μπορούν να επαναφορτιστούν). Ωστόσο, είναι πάντα απαραίτητο να ελέγχετε τις απαιτήσεις φόρτισης κάθε τύπου στις οδηγίες για το φορτιστή (5).

Στην περίπτωση των μπαταριών Ni-Cd και Ni-MH, δεν συνιστούμε την αποσυναρμολόγηση τους. Πρώτον, δεν θα βρούμε τίποτα χρήσιμο σε αυτά. Δεύτερον, το νικέλιο και το κάδμιο δεν είναι ασφαλή στοιχεία. Μην ρισκάρετε άσκοπα και αφήστε τη διάθεση σε εκπαιδευμένους επαγγελματίες.

Ο βασιλιάς των συσσωρευτών, δηλαδή...

6. «Ο βασιλιάς των μπαταριών» στη δουλειά.

… Μπαταρία μολύβδου οξέος, που κατασκευάστηκε το 1859 από έναν Γάλλο φυσικό Γκαστόνα Πλαντέγκο (ναι, ναι, η συσκευή θα γίνει 161 ετών φέτος!). Ο ηλεκτρολύτης της μπαταρίας είναι περίπου 37% διάλυμα θειικού οξέος (VI) και τα ηλεκτρόδια είναι μόλυβδος (άνοδος) και μόλυβδος επικαλυμμένα με ένα στρώμα διοξειδίου του μολύβδου PbO.₂ (κάθοδος). Κατά τη λειτουργία, σχηματίζεται ένα ίζημα θειικού μολύβδου(II)(II)PbSO στα ηλεκτρόδια₄. Κατά τη φόρτιση, ένα στοιχείο έχει τάση μεγαλύτερη από 2 βολτ.

μπαταρία μολύβδου Στην πραγματικότητα έχει όλα τα μειονεκτήματα: σημαντικό βάρος, ευαισθησία στην εκκένωση και χαμηλές θερμοκρασίες, ανάγκη αποθήκευσης σε φορτισμένη κατάσταση, κίνδυνο επιθετικής διαρροής ηλεκτρολυτών και χρήση τοξικού μετάλλου. Επιπλέον, απαιτεί προσεκτικό χειρισμό: έλεγχος της πυκνότητας του ηλεκτρολύτη, προσθήκη νερού στους θαλάμους (χρησιμοποιήστε μόνο αποσταγμένο ή απιονισμένο), έλεγχος τάσης (η πτώση κάτω από 1,8 V σε έναν θάλαμο μπορεί να προκαλέσει βλάβη στα ηλεκτρόδια) και μια ειδική λειτουργία φόρτισης.

Γιατί λοιπόν η αρχαία κατασκευή εξακολουθεί να χρησιμοποιείται; Ο «Βασιλιάς των Συσσωρευτών» έχει αυτό που είναι χαρακτηριστικό ενός πραγματικού κυβερνήτη - δύναμη. Η υψηλή κατανάλωση ρεύματος και η υψηλή ενεργειακή απόδοση έως και 75% (αυτή η ποσότητα ενέργειας που χρησιμοποιείται για φόρτιση μπορεί να ανακτηθεί κατά τη λειτουργία), καθώς και ο απλός σχεδιασμός και το χαμηλό κόστος παραγωγής, σημαίνουν ότι μπαταρία μολύβδου Χρησιμοποιείται όχι μόνο για την εκκίνηση κινητήρων εσωτερικής καύσης, αλλά και ως στοιχείο παροχής ρεύματος έκτακτης ανάγκης. Παρά τα 160 χρόνια ιστορίας, η μπαταρία μολύβδου εξακολουθεί να πηγαίνει καλά και δεν έχει αντικατασταθεί από άλλους τύπους αυτών των συσκευών (και μαζί με τον ίδιο τον μόλυβδο, ο οποίος, χάρη στην μπαταρία, είναι ένα από τα μέταλλα που παράγονται στις μεγαλύτερες ποσότητες) . Όσο η μηχανοκίνηση που βασίζεται σε κινητήρες εσωτερικής καύσης συνεχίζει να αναπτύσσεται, η θέση της δεν είναι πιθανό να απειληθεί (6).

Οι εφευρέτες δεν σταμάτησαν να προσπαθούν να δημιουργήσουν μια αντικατάσταση για την μπαταρία μολύβδου-οξέος. Μερικά από τα μοντέλα έγιναν δημοφιλή και εξακολουθούν να χρησιμοποιούνται στην αυτοκινητοβιομηχανία σήμερα. Στο γύρισμα του δέκατου ένατου και του εικοστού αιώνα, δημιουργήθηκαν σχέδια στα οποία δεν χρησιμοποιήθηκε διάλυμα Η.₂SO₄αλλά αλκαλικοί ηλεκτρολύτες. Ένα παράδειγμα είναι η μπαταρία νικελίου-καδμίου του Ernst Jungner που φαίνεται παραπάνω. Το 1901 Τόμας Άλβα Έντισον άλλαξε το σχέδιο για να χρησιμοποιήσει σίδηρο αντί για κάδμιο. Σε σύγκριση με τις μπαταρίες οξέος, οι αλκαλικές μπαταρίες είναι πολύ πιο ελαφριές, μπορούν να λειτουργήσουν σε χαμηλές θερμοκρασίες και δεν είναι τόσο δύσκολο να χειριστούν. Ωστόσο, η παραγωγή τους είναι πιο ακριβή και η ενεργειακή απόδοση είναι χαμηλότερη.

Λοιπόν, τι ακολουθεί;

Φυσικά, τα άρθρα για τις μπαταρίες δεν εξαντλούν τις ερωτήσεις. Δεν συζητούν, για παράδειγμα, τις κυψέλες λιθίου, που επίσης χρησιμοποιούνται συνήθως για την τροφοδοσία οικιακών συσκευών, όπως αριθμομηχανές ή μητρικές πλακέτες υπολογιστών. Μπορείτε να μάθετε περισσότερα γι 'αυτούς στο άρθρο του Ιανουαρίου σχετικά με το περσινό βραβείο Νόμπελ Χημείας και για το πρακτικό μέρος - σε ένα μήνα (συμπεριλαμβανομένης της κατεδάφισης και της εμπειρίας).

Υπάρχουν καλές προοπτικές για κυψέλες, ειδικά για μπαταρίες. Ο κόσμος γίνεται ολοένα και πιο κινητός, πράγμα που σημαίνει την ανάγκη να γίνεις ανεξάρτητος από τα καλώδια ρεύματος. Η διασφάλιση αποτελεσματικού ενεργειακού εφοδιασμού για ηλεκτρικά οχήματα είναι επίσης μεγάλη πρόκληση. - ώστε να μπορούν να ανταγωνιστούν αυτοκίνητα με κινητήρα εσωτερικής καύσης και από πλευράς οικονομίας.

μπαταρία συσσωρευτή

Για τη διευκόλυνση της αναγνώρισης τύπου κυττάρου, εισήχθη ένας ειδικός αλφαριθμητικός κωδικός. Για τους τύπους που συναντάμε πιο συχνά στα σπίτια μας για μικροσυσκευές, έχει τη μορφή αριθμός-γράμμα-γράμμα-αριθμός.

Και ναι:

- το πρώτο ψηφίο είναι ο αριθμός των κελιών. αγνοήθηκε για μεμονωμένα κελιά.

– το πρώτο γράμμα υποδεικνύει τον τύπο κελιού. Όταν λείπει, έχετε να κάνετε με τον σύνδεσμο Leclanche. Άλλοι τύποι κυττάρων επισημαίνονται ως εξής:

C – κυψέλες λιθίου (ο πιο κοινός τύπος),

H – Μπαταρία Ni-MH,

K – μπαταρία νικελίου-καδμίου,

L - αλκαλικό στοιχείο

- το ακόλουθο γράμμα δείχνει το σχήμα του συνδέσμου:

F - πιάτο,

R - κυλινδρικό,

P - τη γενική ονομασία των συνδέσμων που έχουν σχήμα διαφορετικό από το κυλινδρικό·

– το ή τα τελικά σχήματα υποδεικνύουν το μέγεθος του συνδέσμου (τιμές καταλόγου ή που υποδεικνύουν άμεσα τις διαστάσεις) (7).

7. Διαστάσεις δημοφιλών κυψελών και μπαταριών.

Παραδείγματα επισήμανσης:

R03
- μια κυψέλη ψευδαργύρου-γραφίτη στο μέγεθος ενός μικρού δαχτύλου. Ένας άλλος χαρακτηρισμός είναι ΑΑΑ ή.

LR6 - ένα αλκαλικό κύτταρο στο μέγεθος ενός δακτύλου. Ένας άλλος χαρακτηρισμός είναι ΑΑ ή.

HR14 – Μπαταρία Ni-MH. Το γράμμα C χρησιμοποιείται επίσης για να υποδείξει το μέγεθος.

KR20 – Μπαταρία Ni-Cd, το μέγεθος της οποίας σημειώνεται επίσης με το γράμμα D.

3LR12 – μια επίπεδη μπαταρία με τάση 4,5 V, αποτελούμενη από τρία κυλινδρικά αλκαλικά στοιχεία.

6F22 - Μπαταρία 9 volt, αποτελούμενη από έξι επίπεδες κυψέλες Leclanchet.

CR2032 – κυψέλη λιθίου με διάμετρο 20 mm και πάχος 3,2 mm.

Δείτε επίσης: