Batteriverden - del 3

Historien til moderne batterier begynner på det nittende århundre, og de fleste designene som brukes i dag stammer fra dette århundret. Denne situasjonen vitner på den ene siden om de utmerkede ideene til forskerne på den tiden, og på den annen side om vanskelighetene som oppstår i utviklingen av nye modeller.

Få ting er så bra at de ikke kan forbedres. Denne regelen gjelder også for batterier - modeller fra XNUMXth århundre ble raffinert mange ganger til de tok på sin nåværende form. Dette gjelder også for Leclanchet-celler.

Link for å forbedre

Den franske kjemikerens design er endret Carl Gasner til en virkelig nyttig modell: billig å produsere og trygg å bruke. Imidlertid var det fortsatt problemer - sinkbelegget på elementet korroderte ved kontakt med den sure elektrolytten som fylte bollen, og spruting av aggressivt innhold kunne deaktivere den drevne enheten. Avgjørelsen ble sammenslåing den indre overflaten av sinklegemet (kvikksølvbelegg).

Sinkamalgam reagerer praktisk talt ikke med syrer, men beholder alle de elektrokjemiske egenskapene til rent metall. Men på grunn av miljøbestemmelser brukes denne metoden for å forlenge levetiden til cellene mindre og mindre (på kvikksølvfrie celler kan du finne inskripsjonen eller) (1).

2. Alkalisk celleoppsett: 1) hus (katodeledning), 2) katode som inneholder mangandioksid, 3) elektrodeseparator, 4) anode som inneholder KOH og sinkstøv, 5) anodeterminal, 6) celletetning (elektrodeisolator). .

En annen måte å øke cellens levetid og levetid på er å legge til sinkklorid ZnCl₂ for koppfyllepasta. Celler av denne designen blir ofte referert til som Heavy Duty og (som navnet antyder) er designet for å drive mer energikrevende enheter.

Et gjennombrudd innen engangsbatterier var byggingen i 1955 av alkalisk celle. Kanadisk ingeniørs oppfinnelse Lewis Urry, brukt av det nåværende Energizer-selskapet, har en struktur som er litt forskjellig fra Leclanchet-cellen.

For det første vil du ikke finne en grafittkatode eller en sinkkopp der. Begge elektrodene er laget i form av våte, separerte pastaer (fortykningsmidler pluss reagenser: katoden består av en blanding av mangandioksid og grafitt, anoden av sinkstøv med en blanding av kaliumhydroksid), og terminalene deres er laget av metall ( 2). Imidlertid er reaksjonene som oppstår under operasjonen svært like de som oppstår i Leclanchet-cellen.

Oppgave. Utfør en "kjemisk obduksjon" på en alkalisk celle for å finne ut at innholdet faktisk er alkalisk (3). Husk at de samme forholdsreglene gjelder for demontering av Leclanchet-cellen. Se feltet Batterikode for hvordan du identifiserer en alkalisk celle.

3. "Seksjon" av den alkaliske cellen bekrefter alkaliinnholdet.

Hjemmelagde batterier

4. Innenlandske Ni-MH- og Ni-Cd-batterier.

Celler som kan lades opp etter bruk har vært målet for designere helt fra begynnelsen av utviklingen av vitenskapen om elektrisitet, derav de mange typene av dem.

For tiden er en av modellene som brukes til å drive små husholdningsapparater nikkel-kadmium batterier. Prototypen deres dukket opp i 1899 da en svensk oppfinner gjorde det. Ernst Jungner søkte patent på et nikkel-kadmium-batteri som kunne konkurrere med batterier som allerede er mye brukt i bilindustrien. blybatteri.

Celleanoden er kadmium, katoden er en trivalent nikkelforbindelse, elektrolytten er en kaliumhydroksidløsning (i moderne "tørre" design, en våt pasta av fortykningsmidler mettet med en KOH-løsning). Ni-Cd-batterier (dette er betegnelsen deres) har en driftsspenning på omtrent 1,2 V - dette er mindre enn for engangsceller, som imidlertid ikke er et problem for de fleste bruksområder. Den store fordelen er muligheten til å forbruke betydelig strøm (selv noen få ampere) og et bredt spekter av driftstemperaturer.

5. Sjekk kravene til ulike typer batterier før lading.

Ulempen med nikkel-kadmium-batterier er en belastende «minneeffekt». Dette skjer når du ofte lader delvis utladede Ni-Cd-batterier: Systemet oppfører seg som om kapasiteten bare er lik ladningen som fylles opp ved å lade. I noen typer ladere kan "minneeffekten" reduseres ved å lade cellene i en spesiell modus.

Derfor bør utladede nikkel-kadmium-batterier lades i en hel syklus: først helt utladet (ved hjelp av passende laderfunksjon) og deretter lades opp igjen. Hyppig opplading reduserer også den estimerte levetiden til 1000-1500 sykluser (at mange engangsceller vil bli erstattet av et enkelt batteri i løpet av levetiden, så den høyere kjøpskostnaden vil betale seg tilbake mange ganger, for ikke å nevne mye mindre belastning på batteriet ). miljø med produksjon og avhending av celler).

Ni-Cd-elementer som inneholder giftig kadmium er erstattet nikkel-metallhydrid-batterier (Ni-MH-betegnelse). Strukturen deres ligner på Ni-Cd-batterier, men i stedet for kadmium brukes en porøs metallegering (Ti, V, Cr, Fe, Ni, Zr, sjeldne jordmetaller) med evne til å absorbere hydrogen (4). Driftsspenningen til Ni-MH-cellen er også omtrent 1,2 V, noe som gjør at de kan brukes om hverandre med NiCd-batterier. Kapasiteten til nikkelmetallhydridceller er større enn kapasiteten til nikkelkadmiumceller av samme størrelse. NiMH-systemer selvutlades imidlertid raskere. Det er allerede moderne design som ikke har denne ulempen, men de koster mye mer enn standardmodeller.

Nikkel-metallhydridbatterier viser ingen "minneeffekt" (delvis utladede celler kan lades). Det er imidlertid alltid nødvendig å kontrollere ladekravene for hver type i instruksjonene for laderen (5).

Når det gjelder Ni-Cd- og Ni-MH-batterier, anbefaler vi ikke å demontere dem. For det første vil vi ikke finne noe nyttig i dem. For det andre er ikke nikkel og kadmium sikre grunnstoffer. Ikke ta unødvendig risiko og overlat avhending til opplærte fagfolk.

Akkumulatorenes konge, det vil si...

6. «Kongen av batterier» på jobb.

… Bly-syre batteri, bygget i 1859 av en fransk fysiker Gaston Plantego (ja, ja, enheten fyller 161 år i år!). Batterielektrolytten er omtrent 37 % svovelsyre (VI) løsning, og elektrodene er bly (anode) og bly belagt med et lag av blydioksid PbO.₂ (katode). Under drift dannes et bunnfall av bly(II)(II)PbSO-sulfat på elektrodene₄. Ved lading har en celle en spenning på mer enn 2 volt.

blybatteri den har faktisk alle ulempene: betydelig vekt, følsomhet for utladning og lave temperaturer, behovet for å lagre i ladet tilstand, risikoen for aggressiv elektrolyttlekkasje og bruk av giftig metall. I tillegg krever det forsiktig håndtering: kontroll av tettheten til elektrolytten, tilsett vann til kamrene (bruk kun destillert eller avionisert), spenningskontroll (fall under 1,8 V i ett kammer kan skade elektrodene) og en spesiell lademodus.

Så hvorfor er den gamle strukturen fortsatt i bruk? "Kongen av akkumulatorer" har det som er en egenskap til en ekte hersker - makt. Høyt strømforbruk og høy energieffektivitet opptil 75 % (denne energimengden som brukes til lading kan gjenvinnes under drift), samt enkel design og lave produksjonskostnader, gjør at blybatteri Den brukes ikke bare til å starte forbrenningsmotorer, men også som et element i nødstrømforsyning. Til tross for 160 års historie går blybatteriet fortsatt bra og har ikke blitt erstattet av andre typer av disse enhetene (og med det selve blyet, som takket være batteriet er et av metallene som produseres i størst mengder) . Så lenge motorisering basert på forbrenningsmotorer fortsetter å utvikle seg, vil trolig ikke dens posisjon være truet (6).

Oppfinnerne sluttet ikke å prøve å lage en erstatning for bly-syre-batteriet. Noen av modellene ble populære og brukes fortsatt i bilindustrien i dag. På begynnelsen av det nittende og tjuende århundre ble det laget design der H-løsning ikke ble brukt.₂SO₄men alkaliske elektrolytter. Et eksempel er Ernst Jungners nikkel-kadmium-batteri vist ovenfor. I 1901 Thomas Alva Edison endret designet til å bruke jern i stedet for kadmium. Sammenlignet med syrebatterier er alkaliske batterier mye lettere, kan fungere ved lave temperaturer og er ikke like vanskelige å håndtere. Produksjonen deres er imidlertid dyrere, og energieffektiviteten er lavere.

Så, hva er neste?

Artiklene om batterier uttømmer selvfølgelig ikke spørsmålene. De diskuterer for eksempel ikke litiumceller, også ofte brukt til å drive husholdningsapparater som kalkulatorer eller hovedkort til datamaskiner. Du kan lære mer om dem i januarartikkelen om fjorårets Nobelpris i kjemi, og om den praktiske delen – om en måned (inkludert riving og erfaring).

Det er gode utsikter for celler, spesielt batterier. Verden blir mer og mer mobil, noe som betyr behovet for å bli uavhengig av strømkabler. Å sikre effektiv energiforsyning for elektriske kjøretøy er også et stort problem. – slik at de kan konkurrere med biler med forbrenningsmotor også når det gjelder effektivitet.

akkumulatorbatteri

For å lette celletypeidentifikasjon er det innført en spesiell alfanumerisk kode. For de typene som oftest finnes i våre hjem for små apparater, har den formen tall-bokstav-bokstav-tall.

Og det:

- det første sifferet er antall celler; ignorert for enkeltceller;

– den første bokstaven angir celletypen. Når den mangler, har du å gjøre med Leclanche-lenken. Andre celletyper er merket som følger:

C - litiumcelle (den vanligste typen),

H – Ni-MH batteri,

K – nikkel-kadmium batteri,

L - alkalisk celle;

- følgende bokstav angir formen på lenken:

F - tallerken,

R - sylindrisk,

P - den generelle betegnelsen på ledd som har en annen form enn sylindrisk;

– den endelige figuren eller tallene indikerer størrelsen på lenken (katalogverdier eller direkte angir dimensjoner) (7).

7. Dimensjoner på populære celler og batterier.

Markeringseksempler:

R03
- en sink-grafittcelle på størrelse med en lillefinger. En annen betegnelse er AAA eller.

LR6 - en alkalisk celle på størrelse med en finger. En annen betegnelse er AA eller.

HR14 – Ni-MH-batteri; bokstaven C brukes også for å angi størrelse.

KR20 – Ni-Cd-batteri, hvis størrelse også er merket med bokstaven D.

3LR12 – et flatt batteri med en spenning på 4,5 V, bestående av tre sylindriske alkaliske celler.

6F22 - 9-volts batteri, bestående av seks Leclanchet flatceller.

CR2032 – litiumcelle med en diameter på 20 mm og en tykkelse på 3,2 mm.

Se også: