Galvanické články a baterie — zařízení, princip činnosti, typy

Nízkoenergetické zdroje elektrické energie

Galvanické články a baterie se používají k napájení přenosných elektrických a rádiových zařízení.

Galvanické články – to jsou zdroje jednorázových akcí, akumulátory — opakovaně použitelné zdroje akcí.

Nejjednodušší galvanický prvek

Nejjednodušší prvek může být vyroben ze dvou pásků: mědi a zinku ponořených do vody mírně okyselené kyselinou sírovou. Pokud je zinek dostatečně čistý, aby neměl žádné místní reakce, nedojde k žádné znatelné změně, dokud se měď a zinek nespojí.

Pásky však mají jiný potenciál, jeden vůči druhému, a když jsou spojeny drátem, objeví se elektřina… Tímto úkonem se zinkový pásek postupně rozpustí a v blízkosti měděné elektrody se vytvoří plynové bubliny, které se shromažďují na jejím povrchu. Tento plyn je vodík generovaný elektrolytem. Elektrický proud teče z měděného pásku podél drátu k pásku zinku a z něj přes elektrolyt zpět do mědi.

Postupně je kyselina sírová elektrolytu nahrazena síranem zinečnatým vytvořeným z rozpuštěné části zinkové elektrody. Tím se sníží napětí článku. Ještě větší pokles napětí je však způsoben tvorbou bublin plynu na mědi. Obě akce způsobují „polarizaci“. Takové předměty nemají téměř žádnou praktickou hodnotu.

Důležité parametry galvanických článků

Velikost napětí daného galvanickými články závisí pouze na jejich typu a zařízení, tedy na materiálu elektrod a chemickém složení elektrolytu, nezávisí však na tvaru a velikosti článků.

Proud, který může poskytnout galvanický článek, je omezen jeho vnitřním odporem.

Velmi důležitou vlastností galvanického článku je elektrická kapacita… Elektrickou kapacitou se rozumí množství elektřiny, které je galvanický nebo akumulační článek schopen dodat po celou dobu svého provozu, tedy až do začátku konečného vybití.

Kapacita daná článkem se určí vynásobením síly vybíjecího proudu, vyjádřené v ampérech, dobou v hodinách, po kterou byl článek vybíjen do začátku úplného vybití. Proto je kapacita vždy vyjádřena v ampérhodinách (Ah).

Podle hodnoty kapacity článku lze také předem určit, kolik hodin bude pracovat před začátkem úplného vybití. Chcete-li to provést, musíte rozdělit kapacitu podle síly vybíjecího proudu přípustného pro tento prvek.

Kapacita však není striktně konstantní. Pohybuje se v dosti velkých mezích v závislosti na provozních podmínkách (režimu) prvku a konečném vybíjecím napětí.

Pokud je článek vybíjen maximálním proudem a navíc bez přerušení, dá mnohem nižší kapacitu. Naopak, když je stejný článek vybíjen nižším proudem a s častými a relativně dlouhými přerušeními, vzdá se článek plné kapacity.

Pokud jde o vliv konečného vybíjecího napětí na kapacitu článku, je třeba si uvědomit, že při vybíjení galvanického článku nezůstává jeho provozní napětí na stejné úrovni, ale postupně klesá.

Běžné typy elektrochemických článků

Nejběžnější galvanické články jsou systémy mangan-zinek, mangan-vzduch, vzduch-zinek a rtuť-zinek se solí a alkalickými elektrolyty Suché články mangan-zinek se solným elektrolytem mají počáteční napětí 1,4 až 1,55 V, doba provozu při okolní teplotě -20 až -60 ОOd 7 do 340 ráno

Suché zinko-manganové a zinko-vzduchové články s alkalickým elektrolytem mají napětí 0,75 až 0,9 V a dobu provozu 6 hodin až 45 hodin.

Suché rtuťovo-zinkové články mají startovací napětí 1,22 až 1,25 V a dobu provozu 24 hodin až 55 hodin.

Nejdelší garantovanou životnost mají suché rtuťovo-zinkové články, a to až 30 měsíců.

Baterie

Baterie Jedná se o sekundární elektrochemické články.Na rozdíl od galvanických článků neprobíhají v baterii ihned po sestavení žádné chemické procesy.

Aby baterie mohla zahájit chemické reakce spojené s pohybem elektrických nábojů, je nutné vhodně změnit chemické složení jejích elektrod (a částečně i elektrolytu).K této změně chemického složení elektrod dochází působením elektrického proudu procházejícího baterií.

Proto, aby baterie produkovala elektrický proud, musí být nejprve „nabita“ stejnosměrným elektrickým proudem z nějakého vnějšího zdroje proudu.

Baterie se od běžných galvanických článků liší také tím, že po vybití je lze dobíjet. Při dobré péči a za normálních provozních podmínek vydrží baterie až několik tisíc nabití a vybití.
Zařízení na baterie

V současnosti se v praxi nejčastěji používají olověné a kadmium-niklové baterie. V prvním roztoku kyselina sírová slouží jako elektrolyt a ve druhém roztoku alkálie ve vodě. Olověné baterie se také nazývají kyseliny a nikl-kadmium-alkalické baterie.

Princip činnosti baterií je založen na polarizaci elektrod při elektrolýze... Nejjednodušší kyselinová baterie je strukturována následovně: jsou to dvě olověné desky ponořené do elektrolytu. V důsledku chemické substituční reakce jsou desky pokryty tenkým povlakem síranu olovnatého PbSO4, jak vyplývá ze vzorce Pb + H2SO4 = PbSO4 + H2.

Zařízení na kyselé baterie

Tento stav desek odpovídá vybité baterii. Pokud je nyní baterie zapnutá pro nabíjení, tedy připojena ke generátoru stejnosměrného proudu, začne v ní polarizace desek vlivem elektrolýzy. V důsledku nabíjení baterie dochází k polarizaci jejích desek, tedy ke změně látky na jejich povrchu a z homogenní (PbSO4) na různé (Pb a PbO2).

Baterie se stává zdrojem proudu s deskou pokrytou oxidem olovnatým jako kladnou elektrodou a čistou olověnou deskou jako zápornou elektrodou.

Na konci nabíjení se koncentrace elektrolytu zvyšuje v důsledku výskytu dalších molekul kyseliny sírové v něm.

To je jedna z charakteristik olověného akumulátoru: jeho elektrolyt nezůstává neutrální a sám se účastní chemických reakcí během provozu akumulátoru.

Na konci vybíjení jsou obě desky baterie opět pokryty síranem olovnatým, v důsledku čehož baterie přestává být zdrojem proudu. Baterie není nikdy uvedena do tohoto stavu. V důsledku tvorby síranu olovnatého na deskách se koncentrace elektrolytu na konci výboje snižuje. Pokud je baterie nabitá, může dojít k opětovné polarizaci, která ji znovu vybije atd.

Jak nabíjet baterii

Existuje několik způsobů nabíjení baterií. Nejjednodušší je běžné nabíjení baterie, které se provádí následovně. Zpočátku, po dobu 5-6 hodin, se nabíjení provádí dvojnásobným normálním proudem, dokud napětí každé baterie nedosáhne 2,4 V.

Normální nabíjecí proud je určen vzorcem Aztax = Q / 16

kde Q — jmenovitá kapacita baterie, Ah.

Poté se nabíjecí proud sníží na normální hodnotu a nabíjení pokračuje 15-18 hodin, dokud se neobjeví známky konce nabíjení.

Moderní baterie

Nikl-kadmiové nebo alkalické baterie se objevily mnohem později než baterie olověné a ve srovnání s nimi jsou modernějšími zdroji chemického proudu.Hlavní výhoda alkalických baterií oproti olověným bateriím spočívá v chemické neutralitě jejich elektrolytu ve vztahu k aktivní hmotě desek. Proto je samovybíjení alkalických baterií výrazně nižší než u olověných baterií. Princip činnosti alkalických baterií je také založen na polarizaci elektrod při elektrolýze.

Pro napájení rádiových zařízení se vyrábí uzavřené kadmium-niklové baterie, které jsou účinné při teplotách od -30 do +50 °C a vydrží 400 – 600 cyklů nabití a vybití. Tyto akumulátory jsou vyrobeny ve formě kompaktních hranolů a disků o hmotnosti od několika gramů do kilogramů.

Nikl-vodíkové baterie se vyrábějí pro napájení autonomních objektů. Měrná energie nikl-vodíkové baterie je 50 — 60 Wh kg-1.