Батарея әлемі - 3 бөлім

Заманауи аккумуляторлардың тарихы ХІХ ғасырда басталады, осы ғасырдан бастап қазіргі уақытта қолданылатын конструкциялардың көпшілігі пайда болды. Бұл жағдай, бір жағынан, сол кездегі ғалымдардың тамаша идеяларын, екінші жағынан, жаңа үлгілерді жасауда туындайтын қиындықтарды айғақтайды.

Аз ғана нәрселер соншалықты жақсы, оларды жақсарту мүмкін емес. Бұл ереже аккумуляторларға да қатысты - ХNUMX ғасырдың үлгілері қазіргі пішінін алғанға дейін бірнеше рет нақтыланды. Бұл мыналарға да қатысты Лекланш жасушалары.

Жақсарту үшін сілтеме

Француз химикінің дизайны өзгертілді Карл Гаснер шын мәнінде пайдалы модельге айналдыру: өндіруге арзан және пайдалану қауіпсіз. Дегенмен, проблемалар әлі де болды - элементтің мырыш жабыны тостағанды ​​толтырған қышқыл электролитпен байланыста болған кезде коррозияға ұшырады және агрессивті мазмұнның шашырауы қуат беретін құрылғыны өшіруі мүмкін. Шешім болды біріктіру мырыш корпусының ішкі беті (сынап жабыны).

Мырыш амальгамасы іс жүзінде қышқылдармен әрекеттеспейді, бірақ таза металдың барлық электрохимиялық қасиеттерін сақтайды. Дегенмен, қоршаған ортаны қорғау ережелеріне байланысты жасушалардың өмірін ұзартудың бұл әдісі аз және аз қолданылады (сынапсыз жасушаларда сіз жазуды таба аласыз немесе) (1).

2. Сілтілік ұяшық схемасы: 1) корпус (катодты қорғасын), 2) марганец диоксиді бар катод, 3) электродты сепаратор, 4) құрамында KOH және мырыш шаңы бар анод, 5) анод терминалы, 6) ұяшықты тығыздау (электродты изолятор) . .

Жасушаның ұзақ өмір сүруін және өмір сүруін арттырудың тағы бір жолы - қосу мырыш хлориді ZnCl₂ шыныаяқ толтыратын паста үшін. Бұл дизайнның ұяшықтары жиі ауыр жүк деп аталады және (аты айтып тұрғандай) энергияны көп қажет ететін құрылғыларды қуаттандыруға арналған.

Бір рет қолданылатын батареялар саласындағы серпіліс 1955 жылы құрылыс болды сілтілі жасуша. Канадалық инженердің өнертабысы Льюис УрриҚазіргі Energizer компаниясы қолданатын , құрылымы Leclanchet ұяшығынан сәл өзгеше.

Біріншіден, онда сіз графит катодын немесе мырыш шыныаяқын таба алмайсыз. Екі электрод та дымқыл, бөлінген пасталар түрінде (қоюландырғыштар плюс реагенттер: катод марганец диоксиді мен графит қоспасынан, калий гидроксиді қоспасы бар мырыш шаңының анодынан тұрады) және олардың қысқыштары металдан жасалған ( 2). Дегенмен, жұмыс кезінде пайда болатын реакциялар Лекланшет жасушасында болатын реакцияларға өте ұқсас.

Тапсырма. Құрамындағы шынымен сілтілі екенін анықтау үшін сілтілі ұяшыққа «химиялық аутопсия» жасаңыз (3). Есіңізде болсын, дәл осындай сақтық шаралары Лекланшет ұяшығын бөлшектеген кезде де қолданылады. Сілтілік ұяшықты анықтау әдісі үшін Батарея коды өрісін қараңыз.

3. Сілтілік жасушаның «бөлімі» сілтінің құрамын растайды.

Үйде жасалған батареялар

4. Тұрмыстық Ni-MH және Ni-Cd батареялары.

Қолданғаннан кейін қайта зарядталатын ұяшықтар электр тогы ғылымының дамуының басынан бастап конструкторлардың мақсаты болды, сондықтан олардың көптеген түрлері.

Қазіргі уақытта шағын тұрмыстық техниканы қуаттандыру үшін қолданылатын модельдердің бірі никель-кадмий батареялары. Олардың прототипі 1899 жылы швед өнертапқышы жасаған кезде пайда болды. Эрнст Юнгнер автомобиль өнеркәсібінде кеңінен қолданылатын батареялармен бәсекелесе алатын никель-кадмий батареясына патент алуға өтініш берді. қорғасын қышқылды батарея.

Жасуша аноды – кадмий, катод – үш валентті никель қосылысы, электролит – калий гидроксиді ерітіндісі (қазіргі «құрғақ» конструкцияларда, КОН ерітіндісімен қаныққан қоюлатқыштардың дымқыл пастасы). Ni-Cd батареяларының (бұл олардың белгіленуі) жұмыс кернеуі шамамен 1,2 В - бұл бір реттік ұяшықтарға қарағанда аз, бірақ бұл көптеген қолданбалар үшін проблема емес. Үлкен артықшылығы - маңызды токты (тіпті бірнеше ампер) және жұмыс температурасының кең ауқымын тұтыну мүмкіндігі.

5. Зарядтау алдында батареялардың әртүрлі түрлеріне қойылатын талаптарды тексеріңіз.

Никель-кадмий батареяларының кемшілігі ауыр «жад эффектісі» болып табылады. Бұл ішінара зарядсызданған Ni-Cd батареяларын жиі қайта зарядтау кезінде орын алады: жүйе оның сыйымдылығы тек қайта зарядтау арқылы толтырылған зарядқа тең болғандай әрекет етеді. Зарядтағыштардың кейбір түрлерінде ұяшықтарды арнайы режимде зарядтау арқылы «жад әсерін» азайтуға болады.

Сондықтан зарядсызданған никель-кадмий батареяларын толық циклде зарядтау керек: алдымен толығымен зарядсызданған (зарядтағыштың сәйкес функциясын пайдаланып), содан кейін қайта зарядталады. Жиі қайта зарядтау сонымен қатар 1000-1500 циклдің болжалды қызмет ету мерзімін қысқартады (көптеген бір реттік ұяшықтар оның қызмет ету мерзімі ішінде бір батареямен ауыстырылады, сондықтан жоғары сатып алу құны өзін бірнеше есе өтейді, батареяның аз жүктемесін айтпағанда. ). жасушалардың өндірілуі және жойылуы бар орта).

Құрамында улы кадмий бар Ni-Cd элементтері ауыстырылды никель-металл гидридті батареялар (Ni-MH белгілеу). Олардың құрылымы Ni-Cd батареяларына ұқсас, бірақ кадмийдің орнына сутегін сіңіру қабілеті бар кеуекті металл қорытпасы (Ti, V, Cr, Fe, Ni, Zr, сирек жер металдары) қолданылады (4). Ni-MH ұяшығының жұмыс кернеуі де шамамен 1,2 В құрайды, бұл оларды NiCd батареяларымен алмастыруға мүмкіндік береді. Никель металл гидриді жасушаларының сыйымдылығы бірдей өлшемдегі никель-кадмий жасушаларынан үлкен. Дегенмен, NiMH жүйелері өздігінен разрядтауды жылдамырақ етеді. Қазірдің өзінде бұл кемшілігі жоқ заманауи дизайн бар, бірақ олардың құны стандартты үлгілерден әлдеқайда жоғары.

Никель-металл гидридті аккумуляторлар «есте сақтау әсерін» көрсетпейді (жартылай зарядсызданған ұяшықтарды қайта зарядтауға болады). Дегенмен, зарядтағышқа (5) арналған нұсқаулықта әр түрдің зарядтау талаптарын әрқашан тексеру қажет.

Ni-Cd және Ni-MH батареялары жағдайында біз оларды бөлшектеуді ұсынбаймыз. Біріншіден, біз олардан пайдалы ештеңе таба алмаймыз. Екіншіден, никель мен кадмий қауіпсіз элементтер емес. Қажетсіз тәуекелге бармаңыз және жоюды білікті мамандарға тапсырыңыз.

Аккумуляторлардың патшасы, яғни...

6. Жұмыста «Батареялардың патшасы».

… Қорғасын-қышқылды аккумулятор, 1859 жылы француз физигі салған Гастон Плантего (иә, иә, құрылғыға биыл 161 жыл толады!). Аккумулятор электролиті шамамен 37% күкірт қышқылы (VI) ерітіндісі, ал электродтар қорғасын (анод) және қорғасын диоксиді PbO қабатымен қапталған.₂ (катод). Жұмыс кезінде электродтарда қорғасын(II)(II)PbSO сульфатының тұнбасы пайда болады.₄. Зарядтау кезінде бір ұяшықта 2 вольттан жоғары кернеу болады.

қорғасын батареясы оның шын мәнінде барлық кемшіліктері бар: айтарлықтай салмақ, разрядқа және төмен температураға сезімталдық, зарядталған күйде сақтау қажеттілігі, агрессивті электролит ағып кету қаупі және улы металды пайдалану. Бұған қоса, мұқият өңдеуді қажет етеді: электролиттің тығыздығын тексеру, камераларға су қосу (тек тазартылған немесе ионсыздандырылғандарды пайдаланыңыз), кернеуді бақылау (бір камерада 1,8 В төмен түсіру электродтарды зақымдауы мүмкін) және арнайы зарядтау режимі.

Ендеше көне құрылыс неге әлі де қолданыста? «Аккумуляторлар патшасы» нағыз билеушінің қасиеті – күшке ие. Жоғары ток тұтынуы және 75% дейін жоғары энергия тиімділігі (зарядтау үшін пайдаланылатын энергияның бұл мөлшерін жұмыс кезінде қалпына келтіруге болады), сонымен қатар қарапайым дизайн және өндірістің төмен құны мынаны білдіреді: қорғасын батареясы Ол іштен жанатын қозғалтқыштарды іске қосу үшін ғана емес, сонымен қатар авариялық электрмен жабдықтау элементі ретінде де қолданылады. 160 жылдық тарихқа қарамастан, қорғасын батареясы әлі де жақсы жұмыс істейді және осы құрылғылардың басқа түрлерімен алмастырылмаған (және онымен бірге қорғасынның өзі батареяның арқасында ең көп мөлшерде өндірілетін металдардың бірі болып табылады) . Іштен жанатын қозғалтқыштарға негізделген моторизацияның дамуы жалғасып жатқанда, оның позициясына қауіп төнуі мүмкін емес (6).

Өнертапқыштар қорғасын-қышқылды аккумуляторды ауыстыру әрекетін тоқтатқан жоқ. Кейбір модельдер танымал болды және бүгінгі күнге дейін автомобиль өнеркәсібінде қолданылады. ХІХ-ХХ ғасырлар тоғысында H ерітіндісі пайдаланылмаған конструкциялар жасалды.₂SO₄бірақ сілтілі электролиттер. Мысал ретінде жоғарыда көрсетілген Эрнст Юнгнердің никель-кадмий батареясын келтіруге болады. 1901 жылы Томас Альва Эдисон конструкцияны кадмийдің орнына темірді пайдалану үшін өзгертті. Қышқылдық батареялармен салыстырғанда сілтілі батареялар әлдеқайда жеңіл, төмен температурада жұмыс істей алады және оларды өңдеу қиын емес. Дегенмен, олардың өндірісі қымбатырақ, ал энергия тиімділігі төмен.

Әрі қарай не?

Әрине, батареялар туралы мақалалар сұрақтарды тауыспайды. Олар, мысалы, калькуляторлар немесе компьютердің аналық платалары сияқты тұрмыстық техниканы қуаттандыру үшін қолданылатын литий жасушаларын талқыламайды. Олар туралы толығырақ химия бойынша өткен жылғы Нобель сыйлығы туралы қаңтардағы мақалада, ал практикалық бөлігінде - бір айдан кейін (бұзу және тәжірибені қоса) біле аласыз.

Жасушалар, әсіресе батареялар үшін жақсы перспективалар бар. Әлем барған сайын мобильді болып келеді, бұл электр кабельдерінен тәуелсіз болу қажеттілігін білдіреді. Электромобильдерді тиімді энергиямен қамтамасыз ету де үлкен мәселе. - олар тиімділік жағынан іштен жанатын қозғалтқышы бар автомобильдермен бәсекеге түсе алады.

аккумуляторлық батарея

Ұяшық түрін анықтауды жеңілдету үшін арнайы әріптік-цифрлық код енгізілді. Кішкентай құрылғыларға арналған үйлерімізде жиі кездесетін түрлер үшін оның сан-әріп-әріп-нөмір түрі бар.

Және бұл:

- бірінші цифр – ұяшықтардың саны; жалғыз ұяшықтар үшін еленбейді;

– бірінші әріп ұяшық түрін көрсетеді. Ол жоқ болғанда, сіз Leclanche сілтемесімен айналысасыз. Басқа ұяшық түрлері келесідей белгіленеді:

C – литий жасушасы (ең таралған түрі),

H – Ni-MH батареясы,

K - никель-кадмий батареясы,

L – сілтілі жасуша;

- келесі әріп сілтеменің пішінін көрсетеді:

F – пластина,

R - цилиндрлік,

P - цилиндрлік емес пішіні бар буындардың жалпы белгіленуі;

– соңғы сурет немесе сандар сілтеменің өлшемін көрсетеді (каталог мәндері немесе өлшемдерді тікелей көрсететін) (7).

7. Танымал ұяшықтар мен батареялардың өлшемдері.

Белгілеу мысалдары:

R03
- өлшемі кішкентай саусақтай мырыш-графит жасушасы. Басқа белгілеу - AAA немесе.

LR6 - саусақтың көлеміндей сілтілі жасуша. Басқа белгілеу AA немесе.

HR14 – Ni-MH батареясы; С әрпі өлшемді көрсету үшін де қолданылады.

KR20 – Ni-Cd батареясы, оның өлшемі де D әрпімен белгіленген.

3 LR12 – үш цилиндрлік сілтілі ұяшықтардан тұратын кернеуі 4,5 В болатын жалпақ батарея.

6F22 - 9 вольтты батарея, алты Leclanchet жалпақ ұяшықтарынан тұрады.

CR2032 – диаметрі 20 мм және қалыңдығы 3,2 мм литий элементі.

Сондай-ақ, қараңыз: