Гальванічні елементи. 
Акумулятори

р. Кызыл, ТГУ.

РЕФЕРАТ.

Тема: «Гальванічні елементи. Акумулятори. «.

Склала цю: Спиридонова В.А.

I курс, IV грн., ФМФ.

Перевірила: Кендиван О.Д.

2001 г.

I.

Введение

.

II. Гальванічні джерела тока.

1. Типи гальванічних элементов.

III. Аккумуляторы.

1. Кислотные.

2. Щелочные.

3. Герметичні никель-кадмиевые.

4. Герметичные.

5. Акумулятори технології «DRYFIT «.

I.

Хімічні джерела струму (ХІТ) протягом багато років надійно ввійшли наша життя. У побуті споживач рідко звертає увагу до відмінності використовуваних ХІТ. Він це батарейки і акумулятори. Зазвичай їх використовують в пристроях як-от кишенькові ліхтарі, іграшки, радіоприймачі чи автомобілі. У разі, коли споживана потужність щодо велика (10Ач), використовуються акумулятори, переважно кислотні, і навіть нікель-залізні і никель-кадмиевые. Вони застосовують у портативних ЕОМ (Laptop, Notebook, Palmtop), носимых засобах зв’язку, аварійному висвітленні і пр.

Останніми роками такі акумулятори широко застосовують у резервних джерелах живлення ЕОМ і електромеханічних системах, які нагромаджували енергію для можливих пікових навантажень і аварійного харчування електроенергією життєво-важливих систем.

II.

ГАЛЬВАНІЧНІ ДЖЕРЕЛА ТОКА.

Гальванічні джерела струму одноразового дії є уніфікований контейнер, у якому перебувають електроліт, абсорбируемый активним матеріалом сепаратора, і електроди (анод і катод), тому вони називаються сухими елементами. Цей термін використовується стосовно до всім елементам, не що містить рідкого електроліту. До звичайним сухим елементам ставляться углеродно-цинковые элементы.

Сухі елементи застосовуються при малих токах і переривчастих режимах роботи. Тому такі елементи широко використовують у телефонних апаратах, іграшках, системах сигналізації і др.

Дія будь-якого гальванічного елемента грунтується на протікання у ньому окислительно-восстановительной реакції. У найпростішому разі гальванічний елемент і двох пластин чи стрижнів, виготовлених із різних металів і занурених в розчин електроліту. Така система робить можливим просторове поділ окислительно-восстановительной реакції: окислювання протікає на одному металі, а відновлення — на іншому. Отже, електрони передаються від відновлювача до окислителю по зовнішньої цепи.

Розглянемо за приклад медно-цинковый гальванічний елемент, працюючий з допомогою енергії наведеної вище реакції між цинком і сульфатом міді. Цей елемент (елемент Якоби-Даниэля) складається з мідної пластини, зануреної в розчин сульфату міді (мідний електрод), і цинкової пластини, зануреної в розчин сульфату цинку (цинковий електрод). Обидва розчину торкаються одна одної друг з одним, але попередження змішування вони розділені перегородкою, виготовленої з пористого материала.

Працюючи елемента, тобто. при замкнутої ланцюга, цинк окислюється: на поверхні його зустрічі з розчином атоми цинку перетворюються на іони і, гидратируясь, переходить до розчин. Высвобождающиеся у своїй електрони рухаються по зовнішньої ланцюга до мідному электроду. Уся сукупність цих процесів схематично змальовується рівнянням полуреакции, чи електрохімічним уравнением:

Zn = Zn2+ + 2e;

На мідному електроді протікає відновлення іонів міді. Електрони, які надходять сюди від цинкового електрода, поєднано з аналітичними що виходять з розчину дегидратирующимися іонами міді; утворюються атоми міді, котрі виділяються як металу. Відповідне електрохімічне рівняння має вид:

Cu2+ + 2e- = Cu.

Сумарна рівняння реакції, протікаючим в елементі, вийде при додаванні рівнянь обох полуреакций. Отже, під час роботи гальванічного елемента, електрони від відновлювача переходять до окислителю по зовнішньої ланцюга, на електродах йдуть електрохімічні процеси, в розчині спостерігається спрямоване рух ионов.

Електрод, у якому протікає окислювання, називається анодом (цинк). Електрод, у якому протікає відновлення, називається катодом (медь).

У принципі так електричну енергію може дати будь-яка окислительновосстановительная реакція. Проте, число реакцій, практично які у хімічних джерелах електричної енергії, невелика. Це з тим, що ні всяка окислительно-восстановительная реакція дозволяє створити гальванічний елемент, у якого технічно цінними властивостями. З іншого боку, багато окислювально-відновні реакції вимагають витрати дорогих веществ.

На відміну від медно-цинкового елемента, переважають у всіх сучасних гальванічних елементах і акумуляторах використовують не на два, а один електроліт; такі джерела струму значно зручніше в эксплуатации.

ТИПИ ГАЛЬВАНІЧНИХ ЭЛЕМЕНТОВ Угольно-цинковые элементы.

Угольно-цинковые елементи (марганец-цинковые) є найпоширенішими сухими елементами. У угольно-цинковых елементах використовується пасивний (вугільний) колектор струму в контакту з анодом з двоокису марганцю (MnO2), електроліт з хлориду амонію і катодом з цинку. Електроліт перебуває у пастообразном змозі або просочує пористу діафрагму. Такий електроліт мало рухливий і розтікається, тому елементи називаються сухими.

Угольно-цинковые елементи «відновлюються «протягом перерви у роботі. Це зумовлено поступовим вирівнюванням локальних неоднородностей у композиції електроліту, що виникають у процесі розряду. Через війну періодичного «відпочинку «термін їхньої служби елемента продлевается.

Перевагою угольно-цинковых елементів був частиною їхнього щодо низька вартість. До істотним недоліків слід віднести значно знизився рівень напруги при розряді, невисоку питому потужність (5…10 Вт/кг) малий термін хранения.

Низькі температури знижують ефективність використання гальванічних елементів, а внутрішній розігрів батареї його підвищує. Підвищення температури викликає хімічну корозію цинкового електрода водою, котра міститься в электролите, і висихання електроліту. Ці чинники вдається кілька компенсувати витримкою батареї при підвищеної певній температурі й запровадженням всередину елемента, через попередньо зроблене отвір, сольового раствора.

Щелочные элементы.

Як і угольно-цинковых, в лужних елементах використовується анод з MnO2 і цинковий катод з розділеним электролитом.

Відмінність лужних елементів від угольно-цинковых полягає при застосуванні лужного електроліту, унаслідок чого газовыделение при розряді фактично відсутня, і можна виконувати герметичними, що дуже важливо задля цілого ряду їх применений.

Ртутные элементы.

Ртутні елементи дуже подібні на лужні елементи. Вони використовується оксид ртуті (HgO). Катод складається з суміші порошку цинку і ртуті. Анод і катод розділені сепаратором і діафрагмою, просякнутої 40% розчином луги. Оскільки ртуть дефіцитна і токсична, ртутні елементи не слід викидати після їх повного використання. Вони мають надходити на вторинну переработку.

Серебряные элементы.

Вона має «срібні «катоди з Ag2O і AgO.

Литиевые элементы.

Вони застосовуються литиевые аноди, органічний електроліт і катоди з матеріалів. Вони мають дуже великими термінами зберігання, високими плотностями енергії і працездатні у широкому інтервалі температур, оскільки містять воды.

Оскільки літій має найвищим негативним потенціалом стосовно всім металам, литиевые елементи характеризуються найбільшим номінальним напругою при мінімальних габаритах.

Іонна провідність забезпечується впровадженням в розчинники солей, мають аніони великих размеров.

До вад литиевых елементів слід віднести їх не відносно високу вартість, зумовлену висока ціна літію, особливими вимогами до виробництва (необхідність інертної атмосфери, очищення неводних розчинників). Слід також ураховувати, деякі литиевые елементи за її розтині вибухонебезпечні. Литиевые елементи широко застосовують у резервних джерелах живлення схем пам’яті, вимірювальних приладах та інші високотехнологічних системах.

III.

АККУМУЛЯТОРЫ.

Акумулятори є хімічними джерелами електричної енергії багаторазового дії. Вони складаються з двох електродів (позитивного і негативного), електроліту і корпуси. Нагромадження енергії в акумуляторі відбувається за протікання хімічної реакції окисления-восстановления електродів. При розряді акумулятора відбуваються зворотні процеси. Напруга акумулятора — це різницю потенціалів між полюсами акумулятора при фіксованою нагрузке.

Для отримання досить великих значень напруг чи заряду окремі акумулятори з'єднуються між собою послідовно чи паралельно в батареї. Є низка загальноприйнятих напруг для акумуляторних батарей: 2; 4; 6; 12; 24 В.

Обмежимося розглядом наступних акумуляторів: кислотних акумуляторів, виконаних по традиційної технології; стаціонарних свинцевих і приводних (автомобільних і тракторних); герметичних необслуговуваних акумуляторів, герметичних никель-кадмиевых і кислотних «dryfit «А400 і А500 (желеобразный электролит).

КИСЛОТНІ АККУМУЛЯТОРЫ.

Як приклад розглянемо готовий до спожитку свинцевий акумулятор. Він з ґратчастих свинцевих пластин, одні у тому числі заповнені диоксидом свинцю, інші - металевим губчастим свинцем. Пластини занурені в 35−40% розчин H2SO4; нині концентрації питома електропровідність розчину сірчаної кислоти максимальна.

Працюючи акумулятора — за його розряді - у ньому протікає окислительно-восстановительная реакція, у якої металевий свинець окисляется:

2;

Pb + SO4 = PbSO4 + 2e;

А діоксид свинцю восстанавливается:

2;

Pb + SO4 + 4H+ + 2e- = PbSO4 + 2H2O.

Електрони, що віддаються атомами металевого свинцю при окислюванні, приймаються атомами свинцю PbO2 за відновлення; електрони передаються від одного електрода до іншого по зовнішньої цепи.

Отже, металевий свинець служить в свинцевому акумуляторі анодом і заряджений негативно, а PbO2 служить катодом і заряджений положительно.

У внутрішній ланцюга (в розчині H2SO4) під час роботи акумулятора відбувається перенесення іонів. Іони SO42- рухаються до аноду, а іони H+ - до катоду. Напрям цього руху зумовлено електричним полем, які виникають у результаті перебігу электродных процесів: у анода витрачаються аніони, а й у катода — катиони. У результаті розчин залишається электронейтральным.

Якщо скласти рівняння, відповідальні окислювання свинцю і відновлення PbO2, вийде сумарне рівняння реакции, протекающей в свинцевому акумуляторі за його роботі (разряде):

2;

Pb + PbO2 + 4H+ + 2SO4 = 2PbSO4 + 2H2O.

Э.д.с. зарядженого свинцевого акумулятора дорівнює приблизно 2 В. По мері розряду акумулятора матеріали його катода (PbO2) і анода (Pb) витрачаються. Витрачається і сірчана кислота. У цьому напруга на затисках акумулятора падає. Коли її дедалі менше значення, допускаемого умовами експлуатації, акумулятор знову заряжают.

Для зарядки (чи заряду) акумулятор підключають зовнішнього джерелу струму (плюсом до плюса і мінусом до мінусу). У цьому струм протікає через акумулятор у бік, зворотному тому, коли він проходив при розряді акумулятора. Внаслідок цього електрохімічні процеси на електродах «звертаються ». На свинцевому електроді тепер відбувається процес восстановления.

2;

PbSO4 + 2e- = Pb + SO4 тобто. цей електрод стає катодом. На електроді з PbO2 іде процес окисления.

PbSO4 + 2H2O = PbO2 + 4H+ + 2e;

следовательно цей електрод з’являється нині анодом. Іони в розчині рухаються у напрямах, зворотних тим, у яких переміщалися при роботі аккумулятора.

Складаючи два рівняння, одержимо рівняння реакції, плинною при зарядку аккумулятора:

2;

2PbSO4 + 2H2O = Pb + PbO2 + 4H+ + 2SO4.

Цілком ймовірно, що цей процес протилежний тому, який протікає під час роботи акумулятора: при зарядку акумулятора у ньому знову виходять речовини, необхідних його работы.

Свинцеві акумулятори зазвичай з'єднують в батарею, яку вміщують у моноблок з ебоніту, термопласта, поліпропілену, полістиролу, поліетилену, асфальтопековой композиції, кераміки чи стекла.

Однією з найважливіших характеристик акумулятора є термін їхньої служби чи ресурс-наработка (число циклів). Погіршення параметрів акумулятора і вихід із ладу зумовлені першу чергу корозією грати та оползанием активної маси позитивного електрода. Термін служби акумулятора визначається насамперед типом позитивних пластин та умовами эксплуатации.

Удосконалення свинцевих акумуляторів рухається шляхом пошуку нових сплавів для решіток (наприклад свинцовокальцієвих), полегшених і міцних матеріалів корпусів (наприклад, з урахуванням сополимера пропилену і етилену), поліпшення якості сепараторов.

ЛУЖНІ АККУМУЛЯТОРЫ Серебряно-цинковые.

Мають хорошими електричними характеристиками, мають малу масу чуток і обсяг. Вони електродами служать оксиди срібла Ag2O, AgO (катод) та губчастий цинк (анод); електролітом служить розчин KOH.

Працюючи акумулятора цинк окислюється, перетворюючись на ZnO і Zn (OH)2, а оксид срібла відновлюється до металу. Сумарну реакцію, яка при розряді акумулятора, можна наближено висловити уравнением:

AgO + Zn = Ag + ZnO.

Э.д.с. зарядженого серебряно-цинкового акумулятора наближено дорівнює 1,85 У. При зниженні напруги до 1,25 У акумулятор заряджають. У цьому процеси на електродах «звертаються »: цинк відновлюється, срібло окислюється — знову виходять речовини, необхідних роботи аккумулятора.

Кадмиево-никелевые і железно-никелевые.

КН і ЖН дуже подібні між собою. Основна їхня різниця полягає лише в матеріалі пластин негативного електрода; в акумуляторах КН вони кадмиевые, а акумуляторах ЖН — залізні. Найбільшого застосування мають акумулятори КН.

Лужні акумулятори переважно випускаються з ламельными електродами. Вони активні маси укладено в ламелі - плоскі коробочки з отворами. Активна маса позитивних пластин зарядженого акумулятора переважно складається з гидротированного оксиду нікелю (Ш) Ni2O3 x H2O чи NiOOH. Крім цього у собі містить графіт, добавляемый збільшення електропровідності. Активна маса негативних пластин акумуляторів КН складається з суміші губчастого кадмію з порошком заліза, а акумуляторів ЖН — з порошку відновленого заліза. Електролітом служить розчин гидроксида калію, у якому небагато LiOH.

Розглянемо процеси, які відбуваються під час роботи акумулятора КН. При розряді акумулятора кадмій окисляется.

Cd + 2OH- = Cd (ОН)2 + 2е;

А NiOOH восстанавливается:

2NiOOH + 2H2O + 2e- = 2Ni (ОН)2 + 2ОН;

По зовнішньої ланцюга у своїй відбувається перенесення електронів від кадмиевого електрода до нікелевому. Кадмиевый електрод служить анодом і заряджений негативно, а нікелевий — катодом і заряджений положительно.

Сумарну реакцію, яка в акумуляторі КН за його роботі, можна висловити рівнянням, яке вийде при додаванні двох останніх електрохімічних уравнений:

2NiOOH + 2H2O + Cd = 2NI (OH)2 + CD (OH)2.

Э.д.с. зарядженого кадмиево-никелевого акумулятора дорівнює приблизно 1,4 У. Принаймні роботи (розряду) акумулятора напруга на його затисках падає. Коли її стає нижче 1 В, акумулятор заряжают.

При зарядку акумулятора електрохімічні процеси з його електродах «звертаються ». На кадмиевом електроді відбувається відновлення металла.

Cd (OH)2 + 2e- = CD + 2OH;

На никелевом — окислювання гидроксида нікелю (П):

2Ni (OH)2 + 2OH- = 2NiOOH + 2H2O + 2e;

Сумарна реакція при зарядку обратна реакції, протікаючим при разряде:

2Ni (OH)2 + Cd (OH)2 = 2NiOOH + 2H2O + Cd.

ГЕРМЕТИЧНІ НИКЕЛЬ-КАДМИЕВЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ.

Особливу групу никель-кадмиевых акумуляторів становлять герметичні акумулятори. Вирізняється наприкінці заряду кисень окисляє кадмій, тому тиск у акумуляторі не підвищується. Швидкість освіти кисню мусить бути невелика, тому акумулятор заряджають щодо невеликим током.

Герметичні акумулятори поділяються на дискові, циліндричні і прямоугольные.

Герметичні прямокутні никель-кадмиевые акумулятори виробляються негативним неметаллокерамическими електродами з оксиду кадмію чи з металлокерамическими кадмиевыми электродами.

ГЕРМЕТИЧНІ АККУМУЛЯТОРЫ.

Широко поширені кислотні акумулятори, виконані за класичною технологією, доставляють багато клопоту надають шкідливий вплив на покупців, безліч апаратуру. Вони найбільш дешеві, але вимагають додаткових витрат за їх обслуговування, спеціальних приміщень та персонал.

АКУМУЛЯТОРИ ТЕХНОЛОГІЇ «DRYFIT «.

Найбільш зручними і безпечними з кислотних акумуляторів є цілком необслуживаемые герметичні акумулятори VRLA (Valve Regulated Lead Acid) вироблені за технологією «dryfit ». Електроліт у тих акумуляторах перебуває у желеобразном стані. Це гарантує надійність акумуляторів і безпека їх эксплуатации.

1. Деордиев С. С. Акумулятори й догляд по них. До.: Техніка, 1985. 136 с.

2. Електротехнічний довідник. У 3-х т. Т.2. Електротехнічні вироби і устройства/под общ. ред. професорів МЭИ (гол. ред. І. М. Орлов) та інших. 7 вид. 6 испр. і доп. М.: Энергоатомиздат, 1986. 712 с.

3. Н. Л. Глинка. Загальна хімія. Видавництво «Хімія «1977.

4. Багоцкий В. С., Скундин А. М. Хімічні джерела струму. М.: Энергоиздат, 1981. 360 с.