Svět baterií - část 3

Historie moderních baterií začíná v devatenáctém století a většina návrhů, které se dnes používají, pochází z tohoto století. Tato situace svědčí na jedné straně o vynikajících nápadech tehdejších vědců a na straně druhé o potížích, které vznikají při vývoji nových modelů.

Jen málo věcí je tak dobrých, že je nelze vylepšit. Toto pravidlo platí i pro baterie – modely z XNUMX století byly mnohokrát zdokonalovány, dokud nezískaly svou současnou podobu. To platí také pro Leclancheovy buňky.

Odkaz pro zlepšení

Design francouzského chemika byl změněn Carl Gassner do skutečně užitečného modelu: levné na výrobu a bezpečné použití. Stále však byly problémy - zinkový povlak prvku korodoval při kontaktu s kyselým elektrolytem, ​​který naplňoval misku, a vystříknutí agresivního obsahu mohlo vyřadit napájené zařízení. Rozhodnutí se stalo sloučení vnitřní povrch zinkového tělesa (rtuťový povlak).

Zinkový amalgám prakticky nereaguje s kyselinami, ale zachovává si všechny elektrochemické vlastnosti čistého kovu. Vzhledem k ekologickým předpisům se však tento způsob prodlužování životnosti článků používá stále méně (na bezrtuťových článcích najdete nápis nebo) (1).

2. Uspořádání alkalického článku: 1) pouzdro (katodový vývod), 2) katoda obsahující oxid manganičitý, 3) elektrodový separátor, 4) anoda obsahující KOH a zinkový prach, 5) anodový vývod, 6) těsnění článku (izolátor elektrody) . .

Dalším způsobem, jak zvýšit životnost a životnost buněk, je přidat chlorid zinečnatý ZnCl₂ pro pastu na plnění pohárů. Články této konstrukce jsou často označovány jako Heavy Duty a (jak název napovídá) jsou určeny k napájení energeticky náročnějších zařízení.

Průlomem v oblasti jednorázových baterií byla stavba v roce 1955 alkalický článek. Vynález kanadského inženýra Lewis Urry, používaný současnou společností Energizer, má strukturu mírně odlišnou od buňky Leclanchet.

Za prvé, nenajdete tam grafitovou katodu ani zinkový kalíšek. Obě elektrody jsou vyrobeny ve formě mokrých separovaných past (zahušťovadla plus činidla: katoda se skládá ze směsi oxidu manganičitého a grafitu, anoda ze zinkového prachu s příměsí hydroxidu draselného) a jejich vývody jsou kovové ( 2). Reakce, ke kterým dochází během provozu, jsou však velmi podobné těm, které se vyskytují v Leclanchetově buňce.

Výzva. Proveďte „chemickou pitvu“ alkalické buňky, abyste zjistili, že obsah je skutečně zásaditý (3). Pamatujte, že stejná opatření platí pro demontáž Leclanchetova článku. Jak identifikovat alkalický článek, viz pole Kód baterie.

3. "Sekce" alkalického článku potvrzuje obsah alkálií.

Domácí baterie

4. Domácí baterie Ni-MH a Ni-Cd.

Články, které lze po použití znovu nabít, byly cílem konstruktérů od samého počátku rozvoje vědy o elektřině, proto je jich mnoho druhů.

V současné době jsou jedním z modelů používaných k napájení malých domácích spotřebičů nikl-kadmiové baterie. Jejich prototyp se objevil v roce 1899, když to udělal švédský vynálezce. Ernst Jungner požádala o patent na nikl-kadmiovou baterii, která by mohla konkurovat bateriím již hojně používaným v automobilovém průmyslu. olověný akumulátor.

Anoda článku je kadmium, katoda je sloučenina trojmocného niklu, elektrolyt je roztok hydroxidu draselného (v moderních „suchých“ provedeních mokrá pasta zahušťovadel nasycená roztokem KOH). Ni-Cd baterie (takto je jejich označení) mají provozní napětí přibližně 1,2 V - to je méně než u jednorázových článků, což však pro většinu aplikací není problém. Velkou výhodou je možnost odběru značného proudu (i pár ampér) a široký rozsah provozních teplot.

5. Před nabíjením zkontrolujte požadavky na různé typy baterií.

Nevýhodou nikl-kadmiových baterií je zatěžující „paměťový efekt“. K tomu dochází při častém dobíjení částečně vybitých Ni-Cd akumulátorů: systém se chová, jako by se jeho kapacita rovnala pouze nabití doplněnému dobíjením. U některých typů nabíječek lze „paměťový efekt“ snížit nabíjením článků ve speciálním režimu.

Vybité nikl-kadmiové baterie by se proto měly nabíjet v celém cyklu: nejprve zcela vybité (pomocí příslušné funkce nabíječky) a poté znovu nabity. Časté dobíjení také snižuje odhadovanou životnost 1000-1500 cyklů (že mnoho jednorázových článků bude během své životnosti nahrazeno jedinou baterií, takže vyšší pořizovací cena se mnohonásobně vrátí, nemluvě o mnohem menším namáhání baterie ). prostředí s výrobou a likvidací buněk).

Ni-Cd prvky obsahující toxické kadmium byly nahrazeny nikl-metal hydridové baterie (označení Ni-MH). Jejich struktura je podobná Ni-Cd bateriím, ale místo kadmia je použita porézní slitina kovů (Ti, V, Cr, Fe, Ni, Zr, kovy vzácných zemin) se schopností absorbovat vodík (4). Provozní napětí Ni-MH článku je také asi 1,2 V, což umožňuje jejich zaměnitelnost s NiCd bateriemi. Kapacita nikl-metalhydridových článků je větší než kapacita nikl-kadmiových článků stejné velikosti. NiMH systémy se však samovolně vybíjejí rychleji. Již existují moderní návrhy, které tuto nevýhodu nemají, ale stojí mnohem více než standardní modely.

Nikl-metal hydridové baterie nevykazují "paměťový efekt" (částečně vybité články lze dobíjet). Vždy je však nutné zkontrolovat požadavky na nabíjení každého typu v návodu k nabíječce (5).

V případě baterií Ni-Cd a Ni-MH nedoporučujeme je rozebírat. Zaprvé v nich nenajdeme nic užitečného. Za druhé, nikl a kadmium nejsou bezpečné prvky. Zbytečně neriskujte a přenechejte likvidaci proškoleným odborníkům.

Král akumulátorů, tedy...

6. "Král baterií" v práci.

… Olověný akumulátor, postavený v roce 1859 francouzským fyzikem Gastona Plantego (ano, ano, zařízení bude letos 161 let!). Elektrolyt baterie je asi 37% roztok kyseliny sírové (VI) a elektrody jsou olověné (anoda) a olovo potažené vrstvou oxidu olovnatého PbO.₂ (katoda). Během provozu se na elektrodách tvoří sraženina síranu olovnatého(II)PbSO₄. Při nabíjení má jeden článek napětí více než 2 volty.

olověná baterie má vlastně všechny nevýhody: značnou hmotnost, citlivost na vybití a nízké teploty, nutnost skladování v nabitém stavu, riziko agresivního úniku elektrolytu a použití toxického kovu. Kromě toho vyžaduje pečlivé zacházení: kontrola hustoty elektrolytu, přidání vody do komor (používejte pouze destilovanou nebo deionizovanou), ovládání napětí (pokles pod 1,8 V v jedné komoře může poškodit elektrody) a speciální režim nabíjení.

Proč se tedy starověká stavba stále používá? „Král akumulátorů“ má to, co je atributem skutečného vládce – moc. Vysoká spotřeba proudu a vysoká energetická účinnost až 75 % (toto množství energie spotřebované na nabíjení lze během provozu získat zpět), stejně jako jednoduchá konstrukce a nízké výrobní náklady znamenají, že olověná baterie Slouží nejen ke spouštění spalovacích motorů, ale také jako prvek nouzového napájení. I přes 160letou historii si olověná baterie stále vede dobře a nebyla vytlačena jinými typy těchto zařízení (a s ní i samotné olovo, které díky baterii patří mezi kovy vyráběné v největším množství) . Dokud se bude motorizace na bázi spalovacích motorů nadále vyvíjet, její pozice pravděpodobně nebude ohrožena (6).

Vynálezci se nepřestali snažit vytvořit náhradu za olověnou baterii. Některé z modelů se staly populárními a v automobilovém průmyslu se používají dodnes. Na přelomu devatenáctého a dvacátého století vznikly návrhy, ve kterých se H řešení nepoužívalo.₂SO₄ale alkalické elektrolyty. Příkladem je výše zobrazená nikl-kadmiová baterie Ernsta Jungnera. V roce 1901 Thomas Alva Edison změnil design tak, aby používal železo místo kadmia. Alkalické baterie jsou ve srovnání s kyselými bateriemi mnohem lehčí, mohou pracovat při nízkých teplotách a manipulace s nimi není tak náročná. Jejich výroba je však dražší a energetická účinnost nižší.

Takže, co bude dál?

Články o bateriích samozřejmě otázky nevyčerpávají. Nerozebírají například lithiové články, běžně používané také pro napájení domácích spotřebičů, jako jsou kalkulačky nebo základní desky počítačů. Více se o nich dozvíte v lednovém článku o loňské Nobelově ceně za chemii a v praktické části - za měsíc (včetně bourání a zkušeností).

Dobré vyhlídky mají články, zejména baterie. Svět se stává stále mobilnějším, což znamená nutnost stát se nezávislými na napájecích kabelech. Velkou výzvou je také zajištění efektivních dodávek energie pro elektromobily. - aby mohly konkurovat autům se spalovacím motorem i hospodárností.

akumulátorová baterie

Pro usnadnění identifikace typu buňky byl zaveden speciální alfanumerický kód. U typů, které se u malých spotřebičů v našich domácnostech nejčastěji vyskytují, má tvar číslo-písmeno-písmeno-číslo.

A ano:

- první číslice je počet buněk; ignorováno pro jednotlivé buňky;

– první písmeno označuje typ buňky. Když chybí, máte co do činění s odkazem Leclanche. Ostatní typy buněk jsou označeny takto:

C – lithiový článek (nejběžnější typ),

H - Ni-MH baterie,

K - nikl-kadmiová baterie,

L – alkalický článek;

- následující písmeno označuje tvar odkazu:

F - talíř,

R - válcový,

P - obecné označení článků, které mají jiný než válcový tvar;

– poslední obrázek nebo čísla udávají velikost odkazu (katalogové hodnoty nebo přímo udávající rozměry) (7).

7. Rozměry oblíbených článků a baterií.

Příklady značení:

R03
- zinko-grafitový článek velikosti malíčku. Další označení je AAA popř.

LR6 - alkalický článek velikosti prstu. Další označení je AA popř.

HR14 – Ni-MH baterie; písmeno C se také používá k označení velikosti.

KR20 – Ni-Cd baterie, jejíž velikost je rovněž označena písmenem D.

3LR12 – plochá baterie o napětí 4,5 V, složená ze tří válcových alkalických článků.

6F22 - 9voltová baterie, skládající se ze šesti plochých článků Leclanchet.

CR2032 – lithiový článek o průměru 20 mm a tloušťce 3,2 mm.

Viz též: