کیزیل، TSU

چکیده

موضوع: "سلول های گالوانیکی. باتری."

گردآوری شده توسط: Spiridonova V.A.

سال اول، گرم چهارم، FMF

بررسی شده توسط: کندیوان O.D.

2001

I. مقدمه

II. منابع جریان گالوانیکی

1. انواع سلول های گالوانیکی

III. باتری ها

1. اسیدی

2. قلیایی

3. نیکل کادمیوم مهر و موم شده

4. مهر و موم شده

5. باتری های تکنولوژی DRYFIT

مقدمه

منابع جریان شیمیایی (CHS) برای چندین سال

محکم وارد زندگی ما شد در زندگی روزمره، مصرف کننده به ندرت به آن توجه می کند

توجه به تفاوت های بین HIT مورد استفاده. برای او باتری و

باتری ها آنها معمولا در دستگاه هایی مانند

چراغ قوه، اسباب بازی، رادیو یا ماشین.

در حالتی که مصرف برق نسبتاً باشد

بزرگ است (10Ah)، از باتری ها استفاده می شود، عمدتا اسیدی،

و همچنین نیکل-آهن و نیکل-کادمیم. در استفاده می شوند

کامپیوترهای قابل حمل (لپ تاپ، نوت بوک، پالم تاپ)، دستگاه های پوشیدنی

ارتباطات، روشنایی اضطراری و غیره

در سال های اخیر، چنین باتری هایی به طور گسترده ای مورد استفاده قرار گرفته اند

منبع تغذیه پشتیبان برای کامپیوتر و الکترومکانیک

سیستم هایی که انرژی را برای اوج بارهای احتمالی ذخیره می کنند

و تامین برق اضطراری سیستم های حیاتی.

منابع جریان گالوانیکی

منابع جریان گالوانیکی یکبار مصرف

نشان دهنده یک ظرف واحد است که در آن

حاوی یک الکترولیت است که توسط ماده فعال جذب می شود

جداکننده و الکترودها (آند و کاتد) که به همین دلیل نامیده می شوند

عناصر خشک این اصطلاح در رابطه با

تمام سلول هایی که الکترولیت مایع ندارند. به معمولی

عناصر خشک شامل عناصر کربن روی هستند.

سلول های خشک برای جریان های کم و متناوب استفاده می شوند

حالت های عملیاتی بنابراین، چنین عناصری به طور گسترده ای در

تلفن، اسباب بازی، سیستم های دزدگیر و غیره

عمل هر سلول گالوانیکی بر اساس وقوع یک واکنش ردوکس در آن است. در ساده ترین شکل، یک سلول گالوانیکی از دو صفحه یا میله ساخته شده از فلزات مختلف و غوطه ور در محلول الکترولیت تشکیل شده است. چنین سیستمی جداسازی مکانی واکنش ردوکس را امکان پذیر می کند: اکسیداسیون روی یک فلز و کاهش روی فلز دیگر رخ می دهد. بنابراین، الکترون ها از طریق مدار خارجی از عامل کاهنده به عامل اکسید کننده منتقل می شوند.

به عنوان مثال، یک سلول گالوانیکی مس-روی را در نظر بگیرید که انرژی حاصل از واکنش فوق بین روی و سولفات مس را تامین می کند. این سلول (سل ژاکوبی-دانیل) از یک صفحه مسی غوطه ور در محلول سولفات مس (الکترود مس) و یک صفحه روی غوطه ور در محلول سولفات روی (الکترود روی) تشکیل شده است. هر دو محلول در تماس با یکدیگر هستند، اما برای جلوگیری از اختلاط آنها توسط یک پارتیشن ساخته شده از مواد متخلخل از هم جدا می شوند.

هنگامی که عنصر در حال کار است، به عنوان مثال. هنگامی که زنجیره بسته می شود، روی اکسید می شود: در سطح تماس آن با محلول، اتم های روی به یون تبدیل می شوند و هنگامی که هیدراته می شوند، به محلول عبور می کنند. الکترون های آزاد شده در این حالت در طول مدار خارجی به سمت الکترود مسی حرکت می کنند. کل مجموعه این فرآیندها به صورت شماتیک با معادله نیمه واکنش یا معادله الکتروشیمیایی نشان داده می شود:

کاهش یون های مس در الکترود مس رخ می دهد. الکترون هایی که از الکترود روی به اینجا می آیند با یون های مس کم آب که از محلول خارج می شوند ترکیب می شوند. اتم های مس تشکیل شده و به صورت فلز آزاد می شوند. معادله الکتروشیمیایی مربوطه به صورت زیر است:

معادله کل واکنش رخ داده در عنصر با اضافه کردن معادلات هر دو نیمه واکنش به دست می آید. بنابراین، در حین کار یک سلول گالوانیکی، الکترون ها از عامل احیا کننده از طریق مدار خارجی به عامل اکسید کننده عبور می کنند، فرآیندهای الکتروشیمیایی در الکترودها انجام می شود و حرکت جهت یون ها در محلول مشاهده می شود.

الکترودی که در آن اکسیداسیون اتفاق می افتد آند (روی) نامیده می شود. الکترودی که در آن کاهش اتفاق می افتد کاتد (مس) نامیده می شود.

در اصل، هر واکنش ردوکس می تواند انرژی الکتریکی تولید کند. با این حال، تعداد واکنش ها

عملاً در منابع شیمیایی انرژی الکتریکی استفاده می شود. این به این دلیل است که هر واکنش ردوکس امکان ایجاد یک سلول گالوانیکی با خواص فنی ارزشمند را فراهم نمی کند. علاوه بر این، بسیاری از واکنش های ردوکس نیاز به مصرف مواد گران قیمت دارند.

برخلاف سلول مس-روی، تمام سلول‌ها و باتری‌های گالوانیکی مدرن نه از دو، بلکه از یک الکترولیت استفاده می‌کنند. استفاده از چنین منابع فعلی بسیار راحت تر است.

انواع سلول های گالوانیکی

عناصر کربن روی

عناصر زغال سنگ روی (منگنز-روی) هستند

رایج ترین عناصر خشک در زغال سنگ روی

عناصر از یک کلکتور جریان غیرفعال (کربن) استفاده می کنند

تماس با آند ساخته شده از دی اکسید منگنز (MnO2)، الکترولیت ساخته شده از

کلرید آمونیوم و کاتد روی. الکترولیت داخل است

دیافراگم متخلخل را تشکیل می دهد یا خمیر می کند.

چنین الکترولیتی خیلی متحرک نیست و پخش نمی شود، بنابراین

عناصر خشک نامیده می شوند.

عناصر زغال سنگ روی در طی "بازیابی" می شوند

استراحت از کار این پدیده به دلیل تدریجی است

هم ترازی ناهمگونی های محلی در ترکیب

الکترولیت ناشی از فرآیند تخلیه در نتیجه

"استراحت" دوره ای عمر مفید عنصر افزایش می یابد.

مزیت عناصر کربن روی آنها است

نسبتا هزینه کم. به معایب قابل توجهی

باید شامل کاهش قابل توجه ولتاژ در هنگام تخلیه باشد،

توان ویژه کم (5...10 وات بر کیلوگرم) و عمر مفید کوتاه

ذخیره سازی

دمای پایین کارایی استفاده را کاهش می دهد

سلول های گالوانیکی و گرمایش داخلی باتری

افزایش می یابد. افزایش دما باعث خوردگی شیمیایی الکترود روی توسط آب موجود در الکترولیت و خشک شدن الکترولیت می شود. این عوامل را می توان با نگه داشتن باتری در دمای بالا و وارد کردن محلول نمکی به داخل سلول از طریق یک سوراخ از پیش ساخته شده جبران کرد.

عناصر قلیایی

مانند سلول های کربن روی، سلول های قلیایی از آند MnO2 و کاتد روی با الکترولیت جدا شده استفاده می کنند.

تفاوت عناصر قلیایی با عناصر کربن روی است

در استفاده از یک الکترولیت قلیایی، در نتیجه

عملاً هیچ تکامل گازی در حین تخلیه وجود ندارد و می تواند باشد

مهر و موم شود که برای تعدادی از آنها بسیار مهم است

برنامه های کاربردی

عناصر جیوه

عناصر جیوه بسیار شبیه عناصر قلیایی هستند. در آنها

از اکسید جیوه (HgO) استفاده می شود. کاتد از مخلوطی از پودر تشکیل شده است

روی و جیوه. آند و کاتد توسط یک جداکننده و یک دیافراگم از هم جدا می شوند.

خیسانده در محلول قلیایی 40٪.

از آنجایی که جیوه کمیاب و سمی است، عناصر جیوه این گونه نیستند

پس از استفاده کامل باید دور ریخته شوند. آنها باید

برای بازیافت بروید

عناصر نقره ای

آنها دارای کاتدهای "نقره ای" ساخته شده از Ag2O و AgO هستند.

سلول های لیتیومی

آنها از آندهای لیتیوم، یک الکترولیت آلی استفاده می کنند

و کاتدهای ساخته شده از مواد مختلف. آنها بسیار بزرگ هستند

ماندگاری، چگالی انرژی بالا و کارآمد

در محدوده دمایی وسیعی قرار دارند زیرا حاوی آب نیستند.

از آنجایی که لیتیوم دارای بیشترین پتانسیل منفی است

در رابطه با تمام فلزات، عناصر لیتیوم

با بالاترین ولتاژ نامی مشخص می شود

حداقل ابعاد

هدایت یونی با معرفی به تضمین می شود

حلال های نمک دارای آنیون های بزرگ.

از معایب سلول های لیتیومی می توان به آنها اشاره کرد

هزینه نسبتا بالا به دلیل قیمت بالا

لیتیوم، الزامات ویژه برای تولید آنها (نیاز

اتمسفر بی اثر، تصفیه حلال های غیر آبی). باید

همچنین در نظر بگیرید که برخی از سلول های لیتیومی زمانی که آنها

در صورت باز شدن قابل انفجار هستند

سلول های لیتیوم به طور گسترده ای در منابع تغذیه پشتیبان برای مدارهای حافظه، ابزار اندازه گیری و دیگر سیستم های با تکنولوژی بالا استفاده می شود.

باتری ها

باتری ها منابع شیمیایی هستند

انرژی الکتریکی قابل استفاده مجدد آنها شامل

دو الکترود (مثبت و منفی)، الکترولیت

و بدنه ها انباشت انرژی در باتری زمانی اتفاق می افتد که

وقوع یک واکنش شیمیایی کاهش اکسیداسیون

الکترودها هنگامی که باتری تخلیه می شود، برعکس اتفاق می افتد

فرآیندها ولتاژ باتری اختلاف پتانسیل است

بین قطب های باتری در یک بار ثابت.

برای به دست آوردن مقادیر ولتاژ به اندازه کافی بزرگ یا

شارژ، باتری های جداگانه به یکدیگر متصل می شوند

سری یا موازی با باتری ها تعدادی وجود دارد

ولتاژهای پذیرفته شده برای باتری ها: 2; 4; 6;

ما خود را به در نظر گرفتن باتری های زیر محدود می کنیم:

باتری های اسیدی ساخته شده بر اساس سنتی

فناوری ها؛

سرب و درایو ثابت (خودرو و

تراکتور)؛

باتری های مهر و موم شده بدون نیاز به تعمیر و نگهداری، مهر و موم شده

نیکل کادمیوم و اسید "dryfit" A400 و A500 (ژله مانند

الکترولیت).

باتری های اسیدی

به عنوان مثال، یک باتری سرب اسیدی آماده برای استفاده را در نظر بگیرید. از صفحات سربی مشبک تشکیل شده است که برخی از آنها با دی اکسید سرب و برخی دیگر با سرب اسفنجی فلزی پر شده اند. صفحات در محلول 35-40% H2SO4 غوطه ور می شوند. در این غلظت، هدایت الکتریکی ویژه محلول اسید سولفوریک حداکثر است.

هنگامی که باتری کار می کند - هنگامی که تخلیه می شود - یک واکنش کاهش اکسیداسیون در آن رخ می دهد که در طی آن سرب فلزی اکسید می شود:

Pb + SO4 = PbSO4 + 2e-

و دی اکسید سرب کاهش می یابد:

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

الکترون هایی که توسط اتم های سرب فلزی در طی اکسیداسیون داده می شوند، توسط اتم های سرب PbO2 در طی کاهش پذیرفته می شوند. الکترون ها از طریق یک مدار خارجی از یک الکترود به الکترود دیگر منتقل می شوند.

بنابراین، فلز سرب به عنوان آند در باتری سرب عمل می کند و بار منفی دارد و PbO2 به عنوان کاتد عمل می کند و بار مثبت دارد.

در مدار داخلی (در محلول H2SO4)، انتقال یون در حین کار باتری اتفاق می افتد. یون های SO42 به سمت آند و یون های H+ به سمت کاتد حرکت می کنند. جهت این حرکت توسط میدان الکتریکی حاصل از وقوع فرآیندهای الکترود تعیین می شود: آنیون ها در آند مصرف می شوند و کاتیون ها در کاتد مصرف می شوند. در نتیجه محلول از نظر الکتریکی خنثی می ماند.

اگر معادلات مربوط به اکسیداسیون سرب و کاهش PbO2 را با هم جمع کنیم، معادله کل واکنش را بدست می آوریم.

نشتی در باتری سرب اسیدی در حین کار (دشارژ):

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

E.m.f. یک باتری سرب اسیدی شارژ شده تقریباً 2 ولت است. با تخلیه باتری، مواد کاتد (PbO2) و آند (Pb) آن مصرف می شود. اسید سولفوریک نیز مصرف می شود. در همان زمان، ولتاژ در پایانه های باتری کاهش می یابد. وقتی کمتر از مقدار مجاز در شرایط کارکرد شود، باتری دوباره شارژ می شود.

برای شارژ (یا شارژ)، باتری به یک منبع جریان خارجی (به علاوه به مثبت و منفی به منفی) متصل می شود. در این حالت، جریان از طریق باتری در جهت مخالف جریانی است که در هنگام تخلیه باتری از آن عبور کرده است. در نتیجه، فرآیندهای الکتروشیمیایی روی الکترودها "معکوس" می شوند. الکترود سرب اکنون تحت یک فرآیند کاهش قرار می گیرد

PbSO4 + 2e- = Pb + SO4

آن ها این الکترود به کاتد تبدیل می شود. فرآیند اکسیداسیون روی الکترود PbO2 اتفاق می افتد

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

بنابراین این الکترود اکنون آند است. یون‌های موجود در محلول در جهت‌هایی برخلاف مسیرهایی که در زمان کارکرد باتری در آن حرکت می‌کردند، حرکت می‌کنند.

با اضافه کردن دو معادله آخر، معادله واکنشی را که هنگام شارژ باتری رخ می دهد به دست می آوریم:

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

به راحتی می توان متوجه شد که این فرآیند برعکس فرآیندی است که در حین کار باتری اتفاق می افتد: هنگامی که باتری شارژ می شود، مواد لازم برای عملکرد آن دوباره در آن به دست می آید.

باتری های سرب اسید معمولاً به یک باتری متصل می شوند که

قرار داده شده در یک بلوک ساخته شده از آبنیت، ترموپلاستیک، پلی پروپیلن،

پلی استایرن، پلی اتیلن، ترکیب زمین آسفالت، سرامیک

یا شیشه

یکی از مهم ترین ویژگی های باتری این است

عمر سرویس یا عمر سرویس (تعداد چرخه). زوال

پارامترهای باتری و خرابی در درجه اول ایجاد می شود

صف خوردگی شبکه و لغزش جرم فعال

الکترود مثبت عمر باتری مشخص شده است

در درجه اول بر اساس نوع صفحات مثبت و شرایط

عملیات

بهبود در باتری های سرب اسیدی در راه است

تحقیق در مورد آلیاژهای جدید برای توری ها (به عنوان مثال، سرب-کلسیم)، مواد مسکن سبک و بادوام

(به عنوان مثال، بر اساس کوپلیمر پروپیلن-اتیلن)، بهبود

کیفیت جداکننده ها

باتری های قلیایی

نقره-روی.

خوب داشتن مشخصات الکتریکی، جرم و حجم کم دارند. الکترودهای موجود در آنها اکسیدهای نقره Ag2O، AgO (کاتد) و روی اسفنجی (آند) هستند. الکترولیت محلول KOH است.

در حین کار باتری، روی اکسید می شود و به ZnO و Zn(OH)2 تبدیل می شود و اکسید نقره به فلز تبدیل می شود. واکنش کلی که هنگام تخلیه باتری رخ می دهد را می توان تقریباً با معادله زیر بیان کرد:

AgO + Zn = Ag + ZnO

E.m.f. یک باتری نقره-روی شارژ شده تقریباً 1.85 ولت است. هنگامی که ولتاژ به 1.25 ولت کاهش می یابد، باتری شارژ می شود. در این مورد، فرآیندهای روی الکترودها "معکوس" می شوند: روی کاهش می یابد، نقره اکسید می شود - مواد لازم برای عملکرد باتری دوباره به دست می آیند.

کادمیوم نیکل و آهن نیکل.

CN و ZHN بسیار شبیه به یکدیگر هستند. تفاوت اصلی آنها در مواد صفحات الکترود منفی است. در باتری های KN کادمیوم و در باتری های ZhN آهن هستند. باتری های KN بیشترین استفاده را دارند.

باتری های قلیایی عمدتاً با الکترودهای لاملا تولید می شوند. در آنها، توده های فعال در لایه ها محصور شده اند - جعبه های مسطح با سوراخ. جرم فعال صفحات مثبت یک باتری شارژ شده عمدتاً از اکسید نیکل هیدراته (Ni) Ni2O3 x H2O یا NiOOH تشکیل شده است. علاوه بر این، حاوی گرافیت است که برای افزایش رسانایی الکتریکی به آن اضافه می شود. جرم فعال صفحات منفی باتری های KN از مخلوطی از کادمیوم اسفنجی با پودر آهن و باتری های ZhN - از پودر آهن کاهش یافته تشکیل شده است. الکترولیت محلولی از هیدروکسید پتاسیم است که حاوی مقدار کمی LiOH است.

اجازه دهید فرآیندهایی را که در حین کار باتری KN ​​رخ می دهد در نظر بگیریم. هنگامی که باتری تخلیه می شود، کادمیوم اکسید می شود.

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

و NiOOH بازیابی می شود:

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

در این حالت، الکترون ها از الکترود کادمیوم به الکترود نیکل در طول مدار خارجی منتقل می شوند. الکترود کادمیوم به عنوان آند عمل می کند و بار منفی دارد و الکترود نیکل به عنوان کاتد عمل می کند و بار مثبت دارد.

کل واکنشی که در باتری KN ​​در طول عملکرد آن رخ می دهد را می توان با معادله ای که با اضافه کردن دو معادله الکتروشیمیایی آخر به دست می آید بیان کرد:

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

E.m.f. یک باتری نیکل-کادمیم شارژ شده تقریباً 1.4 ولت است. با کارکرد باتری (دشارژ)، ولتاژ در پایانه های آن کاهش می یابد. وقتی به زیر 1 ولت می‌رسد، باتری شارژ می‌شود.

هنگام شارژ باتری، فرآیندهای الکتروشیمیایی در الکترودهای آن "معکوس" می شوند. کاهش فلز در الکترود کادمیوم اتفاق می افتد

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

در مورد نیکل - اکسیداسیون هیدروکسید نیکل (P):

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

کل واکنش در طول شارژ برعکس واکنشی است که در هنگام تخلیه رخ می دهد:

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

باتری های نیکل کادمیوم مهر و موم شده

گروه خاصی از باتری های نیکل کادمیوم، باتری های مهر و موم شده هستند. اکسیژن آزاد شده در انتهای شارژ، کادمیوم را اکسید می کند، بنابراین فشار در باتری افزایش نمی یابد. سرعت تشکیل اکسیژن باید کم باشد، بنابراین باتری با جریان نسبتا کم شارژ می شود.

باتری های مهر و موم شده به دیسک تقسیم می شوند،

استوانه ای و مستطیلی.

باتری های نیکل-کادمیم مستطیلی مهر و موم شده

با الکترودهای اکسید کادمیوم غیر سرمتی منفی یا با الکترودهای کادمیوم سرمت تولید می شوند.

باتری های مهر و موم شده

باتری های اسیدی پرکاربرد،

ساخته شده با استفاده از تکنولوژی کلاسیک، باعث ایجاد مشکلات زیادی می شود

و تأثیرات مضری بر افراد و تجهیزات داشته باشد. آنها بیشترین هستند

ارزان، اما نیاز به هزینه های اضافی برای نگهداری آنها،

اماکن و پرسنل ویژه

باتری های فن آوری "DRYFIT".

راحت ترین و ایمن ترین باتری های اسیدی

باتری های مهر و موم شده کاملاً بدون نیاز به نگهداری هستند

VRLA (Valve Regulated Lead Acid) با استفاده از تکنولوژی تولید شده است

"خشک بودن". الکترولیت در این باتری ها حالت ژله ای دارد. این امر قابلیت اطمینان باتری ها و ایمنی عملکرد آنها را تضمین می کند.

مراجع:

1. دئوردیف اس.اس.

باتری ها و مراقبت از آنها

ک.: فناوری، 1985. 136 ص.

2. کتاب مرجع برق.

در 3 جلد T.2. محصولات و دستگاه های الکتریکی / زیر

کل ویرایش اساتید موسسه مهندسی برق مسکو (سردبیر I.N. Orlov) و دیگران ویرایش 7. 6کور. و اضافی

M.: Energoatomizdat, 1986. 712 p.

3. N.L.Glinka.

شیمی عمومی.

انتشارات "شیمی" 1977.

4. Bagotsky V.S., Skundin A.M.

منابع جریان شیمیایی

م.: انرژی‌زدات، 1981. 360 ص.

سلول گالوانیکیدستگاهی است که قادر به تبدیل انرژی آزاد گیبس یک واکنش ردوکس به انرژی الکتریکی است.

این عنصر از دو الکترود (به عنوان مثال، روی و مس) تشکیل شده است که در محلول های نمک خود (یا سایر الکترولیت ها) غوطه ور شده و توسط یک هادی به هم متصل می شوند.

محلول های نمک نیز توسط یک غشای نیمه تراوا یا یک کلید الکترولیتی به شکل یک لوله شیشه ای پر از محلول KCl اشباع شده در تماس الکتریکی قرار می گیرند.

در این حالت، جریان الکترونی از طریق هادی جریان می یابد و واکنش های ردوکس در الکترودهای محلول الکترولیت رخ می دهد. یک جریان یونی در بخش داخلی مدار الکتریکی یک سلول گالوانیکی (محلول های نمک و محلول KCl اشباع شده) جریان دارد.

به عنوان مثال، برای عنصر Daniel-Jacobi:

– در آند Zn 0 -2e=Zn 2+ – اکسیداسیون.

– در کاتد Cu 2+ +2e=Cu 0 – کاهش.

Zn 0 + Cu 2 + = Zn 2 + + Cu 0.

نمودار سلول گالوانیکی: .

نیروی الکتروموتور (EMF) یک سلول گالوانیکی (ε) با تفاوت در پتانسیل الکترود حالت پایدار کاتد و آند بیان می شود:

ε =E K -E A .

در شرایط استاندارد (زمانی که یک فلز در محلولی از یون خود با غلظت یک مولی در دمای T = 25 درجه سانتیگراد غوطه ور می شود)، پتانسیل الکترود فلز برابر با پتانسیل الکترود استاندارد آن است (پیوست 6).

در شرایطی متفاوت از شرایط استاندارد، پتانسیل الکترود یک فلز (E) به غلظت یون های آن در محلول (در دمای ثابت) بستگی دارد که با معادله نرنست بیان می شود:

جایی که E 0 - پتانسیل الکترود استاندارد، V. n تعداد الکترون های شرکت کننده در فرآیند (بار یون) است. C m غلظت مولی (فعالیت) یون های فلزی هیدراته در محلول، mol/kg H 2 O است.

مثال 1. نمودارهای دو سلول گالوانیکی را ترسیم کنید که در یکی از آنها فلز کاتد و در دیگری آند است. معادلات واکنش های رخ داده در الکترودهای سلول های گالوانیکی را بنویسید. اگر فعالیت یون های هر دو فلز در عنصر اول 0.01 مول بر کیلوگرم H 2 O و در دیگری 1.0 mol / kg H 2 O باشد، emf عناصر را در دمای 298 کلوین تعیین کنید.

راه حل.فلز - مس. بیایید عنصری بسازیم که در آن الکترود مس کاتد باشد. آند می تواند هر فلزی باشد که پتانسیل الکترود کمتری دارد، مثلاً منیزیم.

نمودار سلول گالوانیکی: (-) Mg/ Mg 2+ //Cu 2+ /Cu (+).

واکنش در آند: Mg (جامد) -2e=Mg 2+ (aq)

واکنش در کاتد: Cu 2+ (aq) +2e=Cu (sol)

معادله واکنش فعلی:

Mg (sol.) + Cu 2+ (aq.) =Mg 2+ (aq.) + Cu (sol.)

ما مقادیر پتانسیل های الکترود را با استفاده از معادله نرنست محاسبه می کنیم:

بیایید عنصری بسازیم که در آن الکترود مس آند باشد. کاتد می تواند هر فلزی باشد که پتانسیل الکترود بالاتری دارد، به عنوان مثال، جیوه:

(-) Cu / Cu 2+ //Hg 2+ / Hg (+).

بیایید معادله واکنش را بنویسیم:

Cu (جامد) -2e=Cu 2+ (aq) – در آند.

Hg 2+ (aq.) +2e=Hg (l.) – در کاتد.

معادله خلاصه:

Cu (sol.) + Hg 2+ (aq.) = Cu 2+ (aq.) + Hg (l.).

از آنجایی که فعالیت یون های فلزی در محلول ها برابر با 1 مول بر کیلوگرم آب است، بنابراین در این عنصر هر دو مقدار پتانسیل استاندارد هستند:

پاسخ: ε=0.51 V.

الکترولیز

الکترولیز فرآیند اکسیداسیون و کاهش جداگانه روی الکترودهای غوطه ور در محلول الکترولیت است که توسط جریان جریان از منبع خارجی EMF. در این حالت اکسیداسیون در آند اتفاق می افتد و کاهش و آزادسازی فلز در کاتد اتفاق می افتد. در طی الکترولیز مذاب الکترولیت در کاتد، کاهش کاتیون ها همیشه اتفاق می افتد:

Ме n+ + ne= Ме 0

در آند - اکسیداسیون آنیونهای مربوطه:

Аn m- - me - = Аn 0

به عنوان یک قاعده، فرآیند آندی با واکنش های شیمیایی ثانویه همراه است - ترکیب مجدد اتم ها به مولکول ها:

2An 0 =(Аn 0) 2

یا تجزیه یک ذره پیچیده خنثی به دو ماده که یکی از آنها ساده است:

به عنوان مثال:

SO 4 2- - 2 e → → SO 2 + O 2

NO 3 - - e → NO + O 2

مثال 1.معادلاتی را برای فرآیندهای انجام شده در طول الکترولیز فلوراید آلومینیوم مذاب AlF 3 بنویسید (مواد کاتد – آلومینیوم، ماده آند – گرافیت).

راه حل:

در مذاب، AlF 3 بر اساس معادله تفکیک می شود:

AlF 3 ↔Al 3+ +3F -

تحت تأثیر میدان الکتریکی، کاتیون های Al 3+ به سمت کاتد حرکت می کنند و الکترون ها را از آن می گیرند:

Al 3+ + 3е - → Al 0 – فرآیند کاهش.

آنیون F - به سمت آند حرکت می کند و الکترون ها را رها می کند:

F - - e - → F 0 - فرآیند اکسیداسیون،

2 AlF 3 2 Al 0 + 3 F 2 0

در محلول های الکترولیت، الکترولیز با امکان مشارکت مولکول های حلال (به عنوان مثال، آب) در فرآیندهای الکترود پیچیده می شود. اگر سیستمی که در آن الکترولیز انجام می شود حاوی عوامل اکسید کننده مختلف باشد، فعال ترین آنها در کاتد کاهش می یابد، یعنی شکل اکسید شده سیستم الکتروشیمیایی که مربوط به آن است. بالاترین ارزشپتانسیل الکترود

بسته به ترکیب الکترولیت، واکنش های زیر می تواند در کاتد (از جمله به صورت موازی) رخ دهد:

1) احیای کاتیون های فلزی:

Ме n+ + ne= Ме 0

2) بازیابی مولکول های آب:

2H 2 O + 2 e → H 2 + 2 OH -

اولین واکنش منحصراً در محلول‌های نمک‌های فلزاتی رخ می‌دهد که بعد از هیدروژن در سری ولتاژ قرار دارند، یعنی پتانسیل الکترودی بالاتری نسبت به هیدروژن دارند.

مورد دوم فقط در محلول های فعال ترین فلزات است که در ابتدای سری تنش تا آلومینیوم قرار دارد. پتانسیل الکترود آنها به طور قابل توجهی منفی تر از پتانسیل یک الکترود هیدروژن در یک محیط آبی خنثی است (-0.41 V). برای محلول‌های نمک‌های فلزی که پتانسیل الکترودی نزدیک به -0.41 ولت دارند و در وسط محدوده ولتاژ قرار دارند، هر دو واکنش کاتدی رخ می‌دهد.

در محلول های اسیدی، واکنش هیدروژن در کاتد رخ می دهد:

2H + + 2 e → H 2

لازم به ذکر است که از هر ماده رسانایی می توان به عنوان کاتد استفاده کرد، به جز فعال ترین فلزات قلیایی و قلیایی خاکی. اکثر فلزات دیگر، و همچنین گرافیت، در هر الکترولیت زمانی که به صورت کاتدی شارژ می شوند، پایدار هستند.

به طور مشابه، اگر چندین عامل کاهنده در سیستم تحت الکترولیز وجود داشته باشد، فعال ترین آنها در آند اکسید می شود، به عنوان مثال. شکل کاهش یافته آن سیستم الکتروشیمیایی، که با کمترین مقدار پتانسیل الکترود مشخص می شود. چندین فرآیند اکسیداتیو می تواند در آند رخ دهد:

1) انحلال مواد آند (به جز پلاتین و گرافیت):

Ме 0 - ne= Ме n+

2) اکسیداسیون نمک یا آنیون های اسیدی

Аn m- - me - = Аn 0

2An 0 =(Аn 0) 2

3) اکسیداسیون مولکول های آب:

2H 2 0 - 4 e - →O 2 + 4 H +

روی آندهای نامحلول (پلاتین، گرافیت و برخی فلزات که یک لایه اکسید رسانای محافظ را روی سطح خود تشکیل می‌دهند، مثلاً سرب در محلول H2SO4 PbO2 را تشکیل می‌دهد) واکنش‌های 2 و 3 برای اسیدهای بدون اکسیژن و آنها رقابت می‌کنند نمک ها، واکنش 2 ترجیح داده می شود، به عنوان مثال:

2Cl - - 2 e → Cl 2

در محلول‌های اسیدهای اکسیژن و نمک‌های آنها و همچنین فلوریدهای فلزی، تنها واکنش اکسیداسیون مولکول‌های آب رخ می‌دهد.

در محلول های آبی قلیاها، یک واکنش هیدروکسیل روی آندهای نامحلول رخ می دهد:

4OH - - 4e = 2H 2 O + O 2

مثال 2.معادلات فرآیندهای رخ داده در طول الکترولیز محلول کلرید مس (آند - صفحه مسی ناهموار) را بنویسید.

راه حل.اگر آند از فلزی ساخته شده باشد که می تواند تحت شرایط الکترولیز اکسید شود، مانند این مورد، یون های حاصل از محلول در آند، با انتقال یون های مس در آند اکسید نمی شوند داخل محلول: Cu 0 -2e = Cu 2+ و در کاتد مس خالص از محلول آزاد می شود: Cu 2+ + 2e = Cu 0 . به عنوان یک قاعده، معادله کلی الکترولیز در این مورد نوشته نشده است.

مثال 3.معادلات فرآیندهای رخ داده در طول الکترولیز محلول آبی سولفات سدیم (آند پلاتین) را بنویسید.

راه حل.پتانسیل استاندارد سیستم الکترود

Na + + e - → Na 0 (-2.71 V)

به طور قابل توجهی منفی تر از پتانسیل الکترود هیدروژن در یک محیط آبی خنثی (-0.41 V). بنابراین، کاهش الکتروشیمیایی آب در کاتد همراه با آزاد شدن هیدروژن رخ می دهد:

2H 2 0 + 2 e → H 2 + 2 OH -

و یونهای Na + که به کاتد می رسند در قسمتی از محلول مجاور آن (فضای کاتد) تجمع می یابند.

اکسیداسیون الکتروشیمیایی آب در آند رخ می دهد که همراه با آزاد شدن اکسیژن است

2H 2 0 - 4 e - →O 2 + 4 H +

از آنجایی که پتانسیل الکترود استاندارد مربوط به این سیستم (1.23 V) به طور قابل توجهی کمتر از پتانسیل الکترود استاندارد (2.01 V) است که سیستم را مشخص می کند.

2SO 4 2- → S 2 O 8 2- + 2 e -

SO 4 2- یونهایی که در حین الکترولیز به سمت آند حرکت می کنند در فضای آند جمع می شوند.

با ضرب معادله فرآیند کاتدی در دو و جمع کردن آن با معادله فرآیند آندی، معادله کل فرآیند به دست می آید:

6H 2 0 → 2H 2 + 4OH - + O 2 + 4 H +

با توجه به اینکه یون های Na + به طور همزمان در فضای کاتد و یون های SO 4 2- در فضای آند تجمع می یابند، معادله کلی فرآیند را می توان به شکل زیر نوشت:

6H 2 0 + 2 Na 2 SO 4 → 2H 2 + 4 Na + + 4OH - + O 2 + 4 H + + 2SO 4 2-

بازسازی سلول های گالوانیکی و باتری ها

ایده بازیابی سلول های گالوانیکی تخلیه شده مشابه است باتری هاجدید نیست بازیابی عناصر با استفاده از ویژه شارژرها. عملاً ثابت شده است که رایج‌ترین سلول‌ها و باتری‌های منگنز-روی نوع فنجانی، مانند 3336L (KBS-L-0.5)، 3336X (KBS-X-0.7)، 373، 336، می‌توانند بهتر از سایرین بازسازی شوند. باتری های منگنز روی "Krona VTs"، BASG و دیگران.

بهترین راه برای احیای منابع انرژی شیمیایی، عبور جریان متناوب نامتقارن با مولفه مستقیم مثبت است. ساده ترین منبع جریان نامتقارن، یکسو کننده نیمه موج است که از یک دیود شنت شده توسط یک مقاومت استفاده می کند. یکسو کننده به سیم پیچ ثانویه ولتاژ پایین (5-10 ولت) یک ترانسفورماتور کاهنده که توسط شبکه جریان متناوب تغذیه می شود وصل می شود. با این حال، چنین شارژر دارای راندمان پایینی است - حدود 10٪ و علاوه بر این، اگر ولتاژ تامین کننده ترانسفورماتور به طور تصادفی خاموش شود، باتری در حال شارژ می تواند تخلیه شود.

اگر از شارژر ساخته شده بر اساس نمودار نشان داده شده استفاده کنید، می توان نتایج بهتری به دست آورد برنج 1. در این دستگاه سیم پیچ ثانویه II دو یکسو کننده مجزا را روی دیودهای D1 و D2 تغذیه می کند که دو باتری قابل شارژ B1 و B2 به خروجی آنها متصل می شوند.

برنج 1

ویژگی های برخی از انواع سلول های گالوانیکی و آنها ویژگی های مختصر

عنصر بیسموت - منیزیم

آند منیزیم، کاتد اکسید بیسموت و الکترولیت محلول آبی برمید منیزیم است. دارای شدت انرژی بسیار بالا و ولتاژ افزایش یافته (1.97-2.1 ولت).

گزینه ها

شدت انرژی نظری:

شدت انرژی ویژه: حدود 103-160 Wh/kg.

چگالی انرژی ویژه: حدود 205-248 Wh/dm3.

EMF: 2.1 ولت.

دمای کارکرد: -20+55 درجه سانتیگراد.

عنصر دی اکسی سولفات-جیوه

سلول دی اکسی سولفات جیوه یک منبع جریان شیمیایی اولیه است که در آن آند روی است، آند مخلوطی از اکسید جیوه و سولفات جیوه با گرافیت (5٪) و الکترولیت محلول آبی سولفات روی است. با قدرت و چگالی انرژی بالا مشخص می شود.

خصوصیات

شدت انرژی نظری:

شدت انرژی ویژه: 110-140 وات/ساعت/کیلوگرم.

چگالی انرژی ویژه: 623-645 W/hour/dm3.

EMF: 1.358 ولت.

دمای کارکرد: -14 + 60 درجه سانتی گراد.

دفع

این مورد باید مطابق با دور ریخته شود قوانین کلیدفع تجهیزات، آماده سازی، آلیاژها و ترکیبات حاوی جیوه.

باتری لیتیوم یونی (Li-ion)

نوعی باتری الکتریکی که به طور گسترده در خانه های مدرن استفاده می شود تکنولوژی الکترونیکی. در حال حاضر، این محبوب ترین نوع باتری در دستگاه هایی مانند تلفن های همراه، لپ تاپ، دوربین های دیجیتال.

طراحی پیشرفته‌تر باتری لیتیوم یونی باتری لیتیوم پلیمری نامیده می‌شود.

اولین باتری لیتیوم یونی توسط شرکت سونیدر سال 1991

خصوصیات

چگالی انرژی: 110 ... 160 W*h/kg

مقاومت داخلی: 150 ... 250 میلی اهم (برای باتری 7.2 ولت)

تعداد چرخه های شارژ/دشارژ تا زمانی که ظرفیت 80% از بین برود: 500-1000

زمان شارژ سریع: 2-4 ساعت

اضافه شارژ مجاز: بسیار کم

خود تخلیه در دمای اتاق: 10% در ماه

ولتاژ سلول: 3.6 ولت

جریان بار نسبت به ظرفیت:

اوج: بیش از 2 درجه سانتیگراد

قابل قبول ترین: تا 1C

محدوده دمای کارکرد: -20 - +60 درجه سانتیگراد

دستگاه

در ابتدا از کک (محصول فرآوری زغال سنگ) به عنوان صفحات منفی استفاده می شد و بعداً از گرافیت استفاده می شد. آلیاژهای لیتیوم با کبالت یا منگنز به عنوان صفحات مثبت استفاده می شود. ویفرهای لیتیوم کبالت ماندگاری بیشتری دارند، در حالی که ویفرهای لیتیوم منگنز بسیار ایمن تر هستند و معمولاً دارای فیوز حرارتی و سنسور دما هستند.

هنگام شارژ باتری های لیتیوم یون، واکنش های زیر رخ می دهد:

در صفحات مثبت: LiCoO2 > Li1-xCoO2 + xLi+ + xe-

در صفحات منفی: C + xLi + + xe- > CLix

در هنگام تخلیه، واکنش های معکوس رخ می دهد.

مزیت

چگالی انرژی بالا.

خود تخلیه کم.

هیچ اثر حافظه ای وجود ندارد.

نگهداری آسان

ایرادات

باتری‌های لیتیوم یونی در صورت پاره شدن کیس باتری می‌توانند خطرناک باشند، و اگر با دقت کار نشوند ممکن است چرخه عمر کوتاه‌تری نسبت به انواع دیگر باتری‌ها داشته باشند. تخلیه عمیق باتری لیتیوم یون را به طور کامل از بین می برد. تلاش برای شارژ چنین باتری هایی ممکن است منجر به انفجار شود. شرایط ذخیره سازی بهینه برای باتری های Li-ion با شارژ 70 درصد ظرفیت باتری به دست می آید. علاوه بر این، باتری لیتیوم یونی در معرض پیری است، حتی اگر از آن استفاده نشود: تنها پس از دو سال، باتری بیشتر ظرفیت خود را از دست می دهد.

باتری لیتیوم پلیمری(Li-pol یا Li-polymer)

این یک طراحی پیشرفته تر از باتری لیتیوم یونی است. استفاده شده در تلفن های همراه، فناوری دیجیتال.

معمولی، خانگی باتری های لیتیوم پلیمریقادر به ارائه جریان بالا نیستند، اما باتری های لیتیوم پلیمری با قدرت ویژه وجود دارند که قادر به ارائه جریانی 10 و حتی 20 برابر مقدار عددی ظرفیت (10-20 درجه سانتیگراد) هستند. آنها به طور گسترده در ابزارهای برقی قابل حمل و مدل های رادیو کنترل استفاده می شوند.

مزایا: قیمت پاییندر واحد ظرفیت؛ چگالی انرژی بالا در واحد حجم و جرم؛ خود تخلیه کم؛ ضخامت عناصر تا 1 میلی متر؛ توانایی به دست آوردن فرم های بسیار انعطاف پذیر؛ سازگار با محیط زیست؛ افت ولتاژ جزئی با پیشرفت تخلیه

نقص: محدوده دمای کارکرد محدود است: سلول ها در شرایط سرد عملکرد خوبی ندارند و در صورت گرم شدن بیش از حد بالای 70 درجه سانتیگراد ممکن است منفجر شوند. آنها به الگوریتم های شارژ ویژه (شارژرها) نیاز دارند و در صورت استفاده نادرست، خطر آتش سوزی را افزایش می دهند.

عنصر منیزیم-m-DNB

این یک منبع جریان شیمیایی اولیه است که در آن آند منیزیم، کاتد متا دی‌نیتروبنزن و الکترولیت محلول آبی پرکلرات منیزیم است.

گزینه ها

شدت انرژی نظری: 1915 وات/ساعت/کیلوگرم.

شدت انرژی ویژه: 121 W/hour/kg.

چگالی انرژی ویژه: 137-154 W/hour/dm3.

EMF: 2 ولت.

تولید کنندگان

پیشرو در تولید این عنصر و بهبود طراحی آن ماراتن است.

عنصر پرکلرات منیزیم

این یک منبع جریان شیمیایی پشتیبان اولیه است که در آن منیزیم به عنوان آند، دی اکسید منگنز مخلوط با گرافیت (تا 12٪) به عنوان کاتد، و محلول آبی پرکلرات منیزیم به عنوان الکترولیت عمل می کند.

گزینه ها

شدت انرژی نظری: 242W/hour/kg.

شدت انرژی ویژه: 118 W/h/kg.

چگالی انرژی ویژه: 130-150 W/hour/dm3.

EMF: 2 ولت.

عنصر منگنز روی

این یک منبع جریان شیمیایی اولیه است که در آن آند روی، روی، الکترولیت محلول آبی هیدروکسید پتاسیم KOH، و کاتد اکسید منگنز MnO2 (پیرولوزیت) در مخلوطی از گرافیت (حدود 9.5٪) است.

گزینه ها

شدت انرژی نظری:

شدت انرژی ویژه: 67-99 وات/ساعت/کیلوگرم

چگالی انرژی ویژه: 122--263 W/hour/dmі.

EMF: 1.51 ولت.

دمای کارکرد: 40+55 درجه سانتی گراد.

سلول گالوانیکی اکسید مس

یک منبع جریان شیمیایی که در آن آند روی (کمتر قلع)، الکترولیت هیدروکسید پتاسیم و کاتد آن اکسید مس است (گاهی اوقات با افزودن اکسید باریم برای افزایش ظرفیت یا اکسید بیسموت).

تاریخچه اختراع

تاریخچه اختراع سلول گالوانیکی اکسید مس به سال 1882 باز می گردد.

مخترع این عنصر Lalande است. گاهی اوقات عنصر اکسید مس را عنصر ادیسون و ودکیند نیز می‌نامند، اما این Lalande است که افتخار این اختراع را دارد.

گزینه ها

شدت انرژی نظری: حدود 323.2W/hour/kg

شدت انرژی ویژه (W/hour/kg): حدود - 84-127W/hour/kg

چگالی انرژی ویژه (W/hour/dm3): حدود - 550 W/hour/dm3)

EMF: 1.15 ولت.

دمای کارکرد: -30+45 C.

باتری نیکل-کامدمیوم (NiCd)

یک منبع جریان شیمیایی ثانویه که سیستم الکتروشیمیایی آن به شرح زیر است: آند فلز کادمیوم Cd (به شکل پودر)، الکترولیت هیدروکسید پتاسیم KOH با افزودن لیتیوم هیدروکسید LiOH (برای تشکیل نیکل های لیتیوم و افزایش ظرفیت). 21-25٪، کاتد -- اکسید نیکل هیدرات NiOOH با پودر گرافیت (حدود 5-8٪).

EMF یک باتری نیکل کادمیوم حدود 1.45 ولت است، انرژی ویژه حدود 45-65 وات ساعت بر کیلوگرم است. بسته به طراحی، حالت کارکرد (تخلیه طولانی یا کوتاه)، و خلوص مواد مورد استفاده، عمر سرویس از 100 تا 3500 چرخه شارژ-تخلیه متغیر است.

گزینه ها

محتوای انرژی نظری: 237 Wh/kg.

شدت انرژی ویژه: 45--65 Wh/kg.

چگالی انرژی ویژه: 50--150 Wh/dm3.

توان ویژه: 150 وات بر کیلوگرم

EMF: 1.2--1.35 V.

خود تخلیه: 10 درصد در ماه.

دمای کارکرد: -15…+40 درجه سانتی گراد.

برخلاف باتری‌های معمولی و یکبار مصرف، یک باتری NiCd ولتاژ را «تا آخر» حفظ می‌کند و سپس، وقتی انرژی باتری تمام شد، ولتاژ به سرعت کاهش می‌یابد.

مطلوب ترین حالت برای باتری NiCd تخلیه با جریان های متوسط ​​(دوربین)، شارژ به مدت 14 ساعت با جریانی برابر با 0.1 ظرفیت باتری است که بر حسب آمپر ساعت بیان می شود.

باتری هایی از این نوع مستعد اثر حافظه هستند و اگر باتری ناقص تخلیه مکرر شارژ شود، به سرعت از کار می افتند.

باتری های NiCd باید دشارژ ذخیره شوند.

برنامه های کاربردی

باتری های نیکل کادمیوم کوچک در تجهیزات مختلف به عنوان جایگزینی برای سلول های گالوانیکی استاندارد استفاده می شود.

باتری‌های نیکل کادمیوم در خودروهای برقی، تراموا و واگن برقی (برای تامین برق مدارهای کنترل)، کشتی‌های رودخانه‌ای و دریایی استفاده می‌شوند.

تولید کنندگان

باتری های Ni-Cd توسط بسیاری از شرکت ها از جمله شرکت های بزرگ بین المللی مانند: GP Batteries Int. Ltd.، VARTA، KONNOC، METABO، EMM، Advanced Battery Factory، Panasonic/Matsushita Electric Industrial، ANSMANN و دیگران.

مزایا: دفع ایمن

باتری نیکل متال هیدرید (Ni-MH)

یک منبع جریان شیمیایی ثانویه که در آن آند یک الکترود هیدروژن فلز هیدروژن (معمولاً نیکل-لانتانیم یا هیدرید نیکل-لیتیوم)، الکترولیت هیدروکسید پتاسیم و کاتد اکسید نیکل است.

تاریخچه اختراع

تحقیقات در مورد فناوری باتری NiMH در دهه هفتاد آغاز شد و به عنوان تلاشی برای غلبه بر کاستی های باتری های نیکل-کادمیم انجام شد.

با این حال، ترکیبات هیدرید فلزی مورد استفاده در آن زمان ناپایدار بوده و ویژگی های مورد نیاز به دست نیامده است. در نتیجه، توسعه باتری های NiMH متوقف شده است.

ترکیبات هیدرید فلزی جدید که به اندازه کافی برای استفاده از باتری پایدار بودند در دهه 1980 توسعه یافتند.

از اواخر دهه هشتاد، باتری های NiMH به طور مداوم از نظر چگالی انرژی بهبود یافته اند.

توسعه دهندگان آنها خاطرنشان کردند که فناوری NiMH پتانسیل دستیابی به تراکم انرژی حتی بالاتر را دارد.

گزینه ها

محتوای انرژی نظری (Wh/kg): 300 Wh/kg.

شدت انرژی ویژه: حدود 60-72 وات ساعت بر کیلوگرم.

چگالی انرژی ویژه (Wh/dm): حدود -- 150 Wh/dm.

دمای کارکرد: -40...+55 درجه سانتی گراد.

باتری که توسط جریان های ضعیف تخلیه می شود (مثلاً در یک کنترل از راه دور) کنترل از راه دورتلویزیون)، به سرعت ظرفیت خود را از دست می دهد و از کار می افتد.

ذخیره سازی

باتری ها باید کاملا شارژ نگه داشته شوند! در طول ذخیره سازی، لازم است ولتاژ را به طور منظم (هر 1-2 ماه یک بار) بررسی کنید. نباید کمتر از 1 ولت باشد. اگر ولتاژ کاهش یابد، باید دوباره باتری ها را شارژ کنید. تنها نوع باتری که می توان دشارژ ذخیره کرد، باتری های Ni-Cd هستند.

برنامه های کاربردی

باتری پرقدرت Ni-MH تویوتا NHW20 پریوس ژاپن

باتری نیکل هیدرید فلز ساخته شده توسط Varta، "Museum Autovision"، AltluЯheim

جایگزینی سلول گالوانیکی استاندارد، وسایل نقلیه الکتریکی.

تولید کنندگان

باتری های نیکل متال هیدرید تولید می شود شرکت های مختلفاز جمله: GP، Varta، Sanyo، TDK

عنصر ایندیوم جیوه-بیسموت

(عنصری از سیستم «اکسید جیوه-ایندیوم-بیسموت») یک منبع جریان شیمیایی با شدت انرژی ویژه بالا بر حسب جرم و حجم است و دارای ولتاژ پایدار است. آند آلیاژی از بیسموت با ایندیم، الکترولیت هیدروکسید پتاسیم، کاتد اکسید جیوه با گرافیت است.

گزینه ها

شدت انرژی نظری:

شدت انرژی ویژه (W/hour/kg): حدود - 77-109 W/h/kg

چگالی انرژی ویژه (W/hour/dm3): حدود - 201--283 W/hour/dm3.

EMF: 1.17 ولت

برنامه

این منبع بسیار قابل اعتماد ولتاژ مرجع در نظر گرفته می شود و در تجهیزات نظامی و در موارد به خصوص مهم (تجهیزات کنترلی راکتورهای هسته ای و واحدهای با دمای بالا، مورد استفاده در سیستم های تله متری و سایر مناطق مهم) استفاده می شود. در سال های اخیر، این سیستم الکتروشیمیایی به طور قابل توجهی بهبود یافته است و به عنوان منبع تغذیه برای سیستم های قابل حمل (موبایل) استفاده می شود. ارتباطات ماهواره ایو ناوبری در حوزه نظامی، و برای تامین انرژی کامپیوترهای قابل حمل.

تولید کنندگان

رهبر در تولید سلول ها و باتری های جیوه-بیسموت-ایندیوم، کرامپتون پارکینسون است.

عنصر جیوه روی ("نوع RC")

یک سلول گالوانیکی که در آن آند روی، کاتد اکسید جیوه و الکترولیت محلولی از هیدروکسید پتاسیم است.

مزایا: ولتاژ ثابت و شدت انرژی عظیم و چگالی انرژی.

ایرادات: قیمت بالا، سمیت جیوه در صورت شکستن مهر و موم.

گزینه ها

محتوای انرژی نظری: 228.72 Wh/kg

شدت انرژی ویژه: تا 135 Wh/kg

چگالی انرژی ویژه: 550--750 Wh/dmі).

EMF: 1.36 ولت.

دمای عملیاتی: -- 12…+80 درجه سانتیگراد.

با مقاومت داخلی کم، ولتاژ پایدار، شدت انرژی بالا و چگالی انرژی مشخص می شود.

برنامه

به دلیل چگالی انرژی بسیار زیادشان، تا دهه 1980، عناصر جیوه-روی به عنوان منابع انرژی در ساعت‌ها، ضربان‌سازها، سمعک‌ها، نوردهی سنج‌ها، دستگاه‌های دید در شب نظامی، تجهیزات رادیویی قابل حمل برای مقاصد نظامی و در فضاپیماها کاربرد نسبتاً گسترده‌ای پیدا کردند. . توزیع به دلیل سمی بودن جیوه و هزینه بالا محدود است، در حالی که در عین حال حجم تولید باتری ها و عناصر جیوه روی، تقریباً در همان سطح باقی مانده است، حدود یک تا یک و نیم میلیون در سال در سراسر جهان است.

به طور جداگانه، لازم به ذکر است که عنصر جیوه-روی برگشت پذیر است، یعنی می تواند به عنوان باتری کار کند. اما در حین دوچرخه سواری (شارژ- تخلیه)، تخریب عنصر و کاهش ظرفیت آن مشاهده می شود.

این عمدتا به دلیل جریان و جمع شدن جیوه به قطرات بزرگ در هنگام تخلیه و رشد دندریت روی در هنگام شارژ است. برای کاهش این پدیده ها، پیشنهاد شده است که هیدروکسید منیزیم به الکترود روی وارد شود، پودر نقره ریز (تا 9٪) به الکترود اکسید جیوه وارد شود و تا حدی گرافیت با کاربین جایگزین شود.

تولید کنندگان

شرکت ها در تولید باتری های جیوه-روی پیشرو هستند: Union Carbide، VARTA، BEREC، Mallory.

ویژگی های زیست محیطی

سمیت جیوه هنگام شکستن مهر و موم

عناصر از نوع RC اخیراً با موارد ایمن تر جایگزین شده اند، زیرا مشکل جمع آوری جداگانه آنها و به خصوص دفع ایمن بسیار پیچیده است.

عنصر سرب - فلوراید

این یک منبع جریان شیمیایی اولیه و پشتیبان است که در آن آند سرب، کاتد دی اکسید سرب مخلوط با گرافیت (حدود 3.5٪) و الکترولیت محلول آبی اسید هیدروفلوئوروسیلیک است. با توانایی کارکرد خوب در منطقه دماهای منفی و توانایی تخلیه جریان های با قدرت بسیار زیاد (تا 60 آمپر بر dm3 سطح الکترود) متمایز می شود.

گزینه ها

شدت انرژی نظری:

شدت انرژی ویژه: 34--50 Wh/kg

چگالی انرژی ویژه: 95--112 Wh/dm3.

EMF: 1.95 ولت.

دمای کارکرد: -50+55°C.

باتری سرب اسید

رایج ترین نوع باتری امروزه در سال 1859 توسط فیزیکدان فرانسوی گاستون پلانته اختراع شد. زمینه های اصلی کاربرد: باتری های استارت در وسایل نقلیه موتوری، منابع برق اضطراری.

اصل عملیات

اصل عملکرد باتری های اسید سرب بر اساس واکنش های الکتروشیمیایی سرب و دی اکسید سرب در محیط اسید سولفوریک است. در طول تخلیه، دی اکسید سرب در کاتد کاهش می یابد و سرب در آند اکسید می شود. در حین شارژ، واکنش های معکوس رخ می دهد، که در پایان شارژ، واکنش الکترولیز آب، همراه با آزاد شدن اکسیژن روی الکترود مثبت و هیدروژن در الکترود منفی، اضافه می شود.

دستگاه

یک سلول باتری سرب اسید از الکترودهای مثبت و منفی، جداکننده ها (شبکه های جداسازی) و الکترولیت تشکیل شده است. الکترودهای مثبت یک شبکه سربی هستند و ماده فعال آن اکسید سرب (PbO2) است. الکترودهای منفی نیز شبکه سربی هستند و ماده فعال سرب اسفنجی (Pb) است. در عمل برای افزایش استحکام، آنتیموان به مقدار 2-1 درصد به توری های سرب اضافه می شود. الکترودها در یک الکترولیت متشکل از اسید سولفوریک رقیق (H2SO4) غوطه ور می شوند. بالاترین رسانایی این محلول در دمای اتاق (که به معنای کمترین مقاومت داخلی و کمترین تلفات داخلی است) در چگالی آن 1.26 گرم بر سانتی متر مکعب است. با این حال، در عمل، اغلب در مناطق با آب و هوای سرد، غلظت های بالاتر اسید سولفوریک، تا 1.29-1.31 گرم بر سانتی متر مکعب استفاده می شود. (این کار به این دلیل انجام می شود که وقتی یک باتری سرب اسیدی تخلیه می شود، چگالی الکترولیت کاهش می یابد و نقطه انجماد آن بالاتر می رود؛ باتری تخلیه شده ممکن است در برابر سرما مقاومت نکند.)

در نسخه های جدید، صفحات سربی (شبکه ها) با فوم کربن پوشش داده شده با یک فیلم نازک سرب * جایگزین می شوند و الکترولیت مایع را می توان با ژل سیلیکا به حالت خمیری تبدیل کرد.

گزینه ها

شدت انرژی ویژه (Wh/kg): حدود 30-40 Wh/kg.

چگالی انرژی ویژه (Wh/dm): حدود 60-75 Wh/dm.

دمای کارکرد: از منفی 40 تا مثبت 40

ذخیره سازی

باتری های سرب اسیدی باید در حالت شارژ نگهداری شوند. در دماهای کمتر از 20 درجه سانتیگراد، باتری ها باید با ولتاژ ثابت 2.275 V/ac، سالی یک بار و به مدت 48 ساعت شارژ شوند. در دمای اتاق - هر 8 ماه یک بار با ولتاژ ثابت 2.4 V/ac به مدت 6-12 ساعت. نگهداری باتری ها در دمای بالای 30 درجه سانتی گراد توصیه نمی شود.

باتری نقره روی

یک منبع جریان الکتروشیمیایی ثانویه که در آن روی آند، هیدروکسید پتاسیم الکترولیت و اکسید نقره کاتد است. دارای مقاومت داخلی بسیار کم و ظرفیت انرژی ویژه بالا (150 Wh/kg، 650 Wh/dm3). EMF 1.85 ولت (ولتاژ کاری 1.55 ولت). در هوانوردی، فضا، تجهیزات نظامی، ساعت و غیره استفاده می شود. یکی از مهم ترین ویژگی های باتری نقره-زینک توانایی (با طراحی مناسب) در رساندن جریان های عظیم به بار (تا 50 آمپر در هر آمپر) است. ساعت ظرفیت).

گزینه ها

شدت انرژی نظری: تا 425 وات ساعت بر کیلوگرم.

شدت انرژی ویژه: تا 150 Wh/kg.

چگالی انرژی ویژه: تا 650 Wh/dm3.

EMF: 1.85 ولت.

دمای عملیاتی: -40…+50 درجه سانتی گراد.

برنامه

دو باتری نقره-روی با ظرفیت 120 Ah و ولتاژ 366 ولت در Lunokhod استفاده شد که برای انتقال فضانوردان در ماه در برنامه آپولو مورد استفاده قرار گرفت. حداکثر برد نظری روی ماه 92 کیلومتر بود.

تولید کنندگان

رهبر در تولید باتری های نقره-روی با ظرفیت های مختلف در روسیه شرکت "RIGEL"، سنت پترزبورگ است.

16) عنصر گوگرد - منیزیم

این منبع جریان شیمیایی اولیه پشتیبان است که در آن آند منیزیم، کاتد گوگرد مخلوط با گرافیت (تا 10٪) و الکترولیت محلول کلرید سدیم است.

گزینه ها

شدت انرژی نظری:

شدت انرژی ویژه: 103-128 وات/ساعت/کیلوگرم.

چگالی انرژی ویژه: 155-210 W/hour/dm3.

EMF: 1.65 ولت.

عنصر کلرید - مس - منیزیم

این منبع جریان شیمیایی پشتیبان اولیه است که در آن منیزیم آند، تک کلرید مس کاتد و محلول آبی کلرید سدیم الکترولیت است.

گزینه ها

شدت انرژی ویژه: 38-50 وات/ساعت/کیلوگرم.

چگالی انرژی ویژه: 63-90 W/hour/dm3.

EMF: 1.8 ولت.

عنصر کلرید - سرب - منیزیم

این منبع جریان شیمیایی پشتیبان اولیه است که در آن منیزیم آند، کلرید سرب مخلوط با گرافیت کاتد و محلول کلرید سدیم الکترولیت است.

گزینه ها

شدت انرژی ویژه: 45-50 وات/ساعت/کیلوگرم.

چگالی انرژی ویژه: 70-98 W/hour/dm3.

EMF: 1.1 ولت

کلرو - عنصر نقره

این یک منبع شیمیایی اولیه جریان است که در آن آند روی، کاتد کلرید نقره، و الکترولیت محلول آبی کلرید آمونیوم (آمونیاک) یا کلرید سدیم است.

این سلول گالوانیکی توسط De La Rue در سال 1868 برای انجام آزمایشات خود با الکتریسیته به کار گرفته شد. De La Rue در آن زمان قدرتمندترین و پرولتاژترین باتری گالوانیکی را ساخت.

گزینه ها

شدت انرژی ویژه: تا 127 وات/ساعت/کیلوگرم

چگالی انرژی ویژه: تا 500 W/hour/dm3.

EMF: 1.05 ولت.

دمای کارکرد: -15 +70 درجه سانتی گراد.

کلرید نقره - عنصر منیزیم

این منبع جریان شیمیایی پشتیبان اولیه است که در آن منیزیم آند، کلرید نقره کاتد و محلول آبی کلرید سدیم الکترولیت است.

شدت انرژی نظری:

شدت انرژی ویژه: 45-64 وات/ساعت/کیلوگرم.

چگالی انرژی ویژه: 83-125 W/hour/dm3.

"موسسه آموزشی دولتی آرزوماس به نام A.P. Gaidar"

کار درسی

در شیمی

موضوع: سلول های گالوانیک

تکمیل شده توسط: دانشجوی سال پنجم

EHF 52 گرم زیرگرم B2 شیرشین ن.و.

پذیرفته شده توسط: Kinderov A.P.

برنامه ریزی کنید

مقدمه

I. تاریخچه ایجاد منابع جریان شیمیایی

II. اصل عملیات

III. طبقه بندی، طراحی و اصل عملکرد منابع جریان شیمیایی

1. سلول گالوانیکی

2. باتری های برقی

الف) باتری های قلیایی

3. پیل سوختی

الف) اصل عملیات

ب) اصل تفکیک سوخت و جریان سوخت

ب) نمونه ای از پیل سوختی هیدروژن-اکسیژن

د) تاریخچه تحقیقات در روسیه

د) کاربرد پیل های سوختی

ه) مشکلات پیل سوختی

IV. سلول های عامل و باتری ها

V. بازسازی سلول های گالوانیکی و باتری ها

VI. ویژگی های برخی از انواع سلول های گالوانیکی و ویژگی های مختصر آنها

نتیجه گیری

فهرست ادبیات استفاده شده

مقدمه

منابع جریان شیمیایی سالهاست که بخشی از زندگی ما شده است. در زندگی روزمره، مصرف کنندگان به ندرت به تفاوت بین منابع انرژی شیمیایی مورد استفاده توجه می کنند. برای او، این باتری ها و باتری ها هستند. آنها معمولاً در وسایلی مانند چراغ قوه، اسباب بازی، رادیو یا اتومبیل استفاده می شوند. در مواردی که مصرف برق نسبتاً زیاد است (10Ah) از باتری ها استفاده می شود که عمدتاً باتری های اسیدی و همچنین نیکل-آهن و نیکل-کادمیم هستند. آنها در الکترونیک قابل حمل استفاده می شوند کامپیوترها(لپ تاپ، نوت بوک، پالم تاپ)، ارتباطات پوشیدنی، روشنایی اضطراری و غیره.

با توجه به تعدادی از شرایط، مولدهای شیمیایی انرژی الکتریکی امیدوار کننده ترین هستند. مزایای آنها از طریق پارامترهایی مانند بازده انرژی بالا آشکار می شود. بی صدا و بی ضرر؛ امکان استفاده در هر شرایطی از جمله در فضا و زیر آب، در وسایل ثابت و قابل حمل، در حمل و نقل و غیره.

در سال‌های اخیر، چنین باتری‌هایی به طور گسترده در منابع تغذیه پشتیبان برای رایانه‌ها و سیستم‌های الکترومکانیکی استفاده شده‌اند که انرژی را برای بارهای اوج احتمالی و منبع تغذیه اضطراری سیستم‌های حیاتی انباشته می‌کنند.

اهداف و مقاصد. در این کار، من باید اصل عملکرد سلول های گالوانیکی را تجزیه و تحلیل کنم، با تاریخچه ایجاد آنها، ویژگی های طبقه بندی و ساختار انواع سلول های گالوانیکی و همچنین استفاده از انواع خاصی از منابع جریان شیمیایی در آنها آشنا شوم. زندگی روزمرهو زمینه های مختلف تولید.

من. تاریخچه ایجاد منابع جریان شیمیایی

منابع جریان شیمیایی(مخفف HIT) - دستگاه هایی که در آنها انرژی واکنش های شیمیایی رخ داده در آنها مستقیماً به انرژی الکتریکی تبدیل می شود.

تاریخچه خلقت

قطب ولتاییک

اولین منبع جریان شیمیایی توسط دانشمند ایتالیایی الساندرو ولتا در سال 1800 اختراع شد. این عنصر ولتا بود - ظرفی با آب نمک با صفحات روی و مس که داخل آن فرو رفته و با سیم به هم متصل شده بودند. سپس دانشمند از این عناصر باتری را جمع آوری کرد که بعدها ستون ولتایی نامیده شد. این اختراع متعاقباً توسط سایر دانشمندان در تحقیقات خود مورد استفاده قرار گرفت. به عنوان مثال، در سال 1802، آکادمیک روسی V.V. Petrov یک ستون ولتایی از 2100 عنصر برای تولید یک قوس الکتریکی ساخت. در سال 1836، جان دانیل شیمیدان انگلیسی، عنصر ولتاییک را با قرار دادن الکترودهای روی و مس در محلول اسید سولفوریک بهبود بخشید. این طرح به «عنصر دانیل» معروف شد. در سال 1859، گاستون پلانت، فیزیکدان فرانسوی، باتری سرب اسیدی را اختراع کرد. امروزه از این نوع سلول در باتری خودروها استفاده می شود. در سال 1865، شیمیدان فرانسوی J. Leclanchet سلول گالوانیکی خود (عنصر Leclanchet) را پیشنهاد کرد که شامل یک فنجان روی پر از محلول آبی کلرید آمونیوم یا نمک کلرید دیگری بود که در آن تجمعی از اکسید منگنز (IV) MnO2 قرار داده شده بود. با هادی کربن اصلاح این طرح هنوز در باتری های نمکی برای دستگاه های مختلف خانگی استفاده می شود. در سال 1890، در نیویورک، کنراد هوبرت، یک مهاجر از روسیه، اولین چراغ قوه الکتریکی جیبی را ساخت. و در حال حاضر در سال 1896، شرکت ملی کربن تولید انبوه اولین سلول های خشک جهان، Leclanche "Columbia" را آغاز کرد.

II. اصل عملیات

دستگاه «باتری های بغداد» (200 ق.م).

اساس منابع جریان شیمیایی دو الکترود (یک کاتد حاوی یک عامل اکسید کننده و یک آند حاوی یک عامل کاهنده) در تماس با الکترولیت هستند. یک تفاوت پتانسیل بین الکترودها ایجاد می شود - یک نیروی محرکه الکتریکی مربوط به انرژی آزاد واکنش ردوکس. عمل منابع جریان شیمیایی بر اساس وقوع فرآیندهای جدا شده فضایی در یک مدار خارجی بسته است: در کاتد، عامل کاهنده اکسید می شود، الکترون های آزاد حاصل عبور می کنند، جریان تخلیه ایجاد می کنند، در امتداد مدار خارجی به آند، جایی که آنها در واکنش کاهشی عامل اکسید کننده شرکت می کنند.

منابع فعلی شیمیایی مدرن استفاده می کنند:

به عنوان یک عامل کاهنده (در آند) - سرب سرب، کادمیوم Cd، روی روی و سایر فلزات.

به عنوان یک عامل اکسید کننده (در کاتد) - اکسید سرب (IV) PbO2، هیدروکسید نیکل NiOOH، اکسید منگنز (IV) MnO2 و دیگران.

به عنوان یک الکترولیت - محلول های قلیایی، اسیدها یا نمک ها.

III. طبقه بندی، دستگاه و اصل عملکرد

بسته به امکان یا عدم امکان استفاده مجدد، منابع جریان شیمیایی به موارد زیر تقسیم می شوند:

1. سلول گالوانیکی

سلول گالوانیکی - منبع شیمیایی جریان الکتریکی به نام لوئیجی گالوانی. اصل عملکرد یک سلول گالوانیکی مبتنی بر تعامل دو فلز از طریق یک الکترولیت است که منجر به تولید جریان الکتریکی در یک مدار بسته می شود. EMF یک سلول گالوانیکی به مواد الکترودها و ترکیب الکترولیت بستگی دارد. اینها CIT های اولیه هستند که به دلیل برگشت ناپذیری واکنش های رخ داده در آنها، نمی توان آنها را دوباره شارژ کرد.

سلول های گالوانیکی منابع یکبار مصرف انرژی الکتریکی هستند. معرف ها (عامل اکسید کننده و عامل کاهنده) مستقیماً در ترکیب سلول گالوانیکی قرار می گیرند و در طول عملیات آن مصرف می شوند. یک سلول گالوانیکی با emf، ولتاژ، توان، ظرفیت و انرژی منتقل شده به مدار خارجی و همچنین قابلیت ذخیره سازی و ایمنی محیطی مشخص می شود.

EMF با ماهیت فرآیندهای رخ داده در عنصر گالوانیکی تعیین می شود. ولتاژ یک سلول گالوانیکی U همیشه کمتر از EMF آن است که دلیل آن قطبش الکترودها و تلفات مقاومت است:

U = Eе – I(r1–r2) – ΔE،

جایی که Ee EMF عنصر است. I - قدرت جریان در حالت عملکرد عنصر؛ r1 و r2 - مقاومت رساناهای نوع اول و دوم در داخل سلول گالوانیکی. ΔE قطبش یک سلول گالوانیکی است که از قطبش الکترودهای آن (آند و کاتد) تشکیل شده است. پلاریزاسیون با افزایش چگالی جریان (i) افزایش می یابد که با فرمول i = I/S تعیین می شود، جایی که S سطح مقطع الکترود است و مقاومت سیستم افزایش می یابد.

در حین کار یک سلول گالوانیکی، emf آن و بر این اساس، ولتاژ به تدریج به دلیل کاهش غلظت معرف ها و افزایش غلظت محصولات فرآیندهای ردوکس روی الکترودها کاهش می یابد (معادله نرنست را به خاطر بسپارید). با این حال، هر چه ولتاژ در هنگام تخلیه سلول گالوانیکی کندتر کاهش یابد، امکان استفاده از آن در عمل بیشتر است. ظرفیت یک عنصر، مقدار کل الکتریسیته Q است که یک سلول گالوانیکی قادر است در حین کار (در حین تخلیه) تحویل دهد. ظرفیت توسط جرم معرف های ذخیره شده در سلول گالوانیکی و درجه تبدیل آنها تعیین می شود. با افزایش جریان تخلیه و کاهش دمای عملیاتی المنت به ویژه زیر 00 درجه سانتی گراد، درجه تبدیل معرف ها و ظرفیت عنصر کاهش می یابد.

انرژی یک سلول گالوانیکی برابر با حاصلضرب ظرفیت و ولتاژ آن است: ΔН = Q.U. عناصر با مقدار EMF بالا، جرم کم و درجه بالاتبدیل معرف ها

قابلیت ذخیره سازی طول دوره ذخیره سازی یک عنصر است که در طی آن ویژگی های آن در پارامترهای مشخص شده باقی می ماند. با افزایش دمای ذخیره سازی و عملکرد یک عنصر، عمر مفید آن کاهش می یابد.

ترکیب سلول گالوانیکی: عوامل کاهنده (آند) در سلول های گالوانیکی قابل حمل، به عنوان یک قاعده، روی روی، لیتیوم لی، منیزیم منیزیم هستند. اکسید کننده ها (کاتدها) - اکسیدهای منگنز MnO2، مس CuO، نقره Ag2O، گوگرد SO2، و همچنین نمک CuCl2، PbCl2، FeS و اکسیژن O2.

عظیم ترین در جهانآنچه باقی می ماند تولید عناصر منگنز-روی Mn-Zn است که به طور گسترده برای تامین انرژی تجهیزات رادیویی، دستگاه های ارتباطی، ضبط صوت، چراغ قوه و غیره استفاده می شود. طراحی چنین سلول گالوانیکی در شکل نشان داده شده است.

واکنش های مولد جریان در این عنصر هستند:

روشن آند(–): Zn – 2ē → Zn2+ (در عمل، پوسته روی بدن عنصر به تدریج حل می شود).

روشن کاتد(+): 2MnO2 + 2NH4+ + 2ē → Mn2O3 + 2NH3 + H2O.

فرآیندهای زیر نیز در فضای الکترولیتی انجام می شود:

U آند Zn2+ + 2NH3 →2+;

U کاتد Mn2O3 + H2O → یا 2.

در شکل مولکولی، سمت شیمیایی عملکرد یک سلول گالوانیکی را می توان با واکنش کل نشان داد:

روی + 2MnO2 + 2NH4Cl → Cl2 + 2.

نمودار سلول گالوانیکی:

(–) Zn|Zn(NH3)2]2+|||MnO2 (C) (+).

EMF چنین سیستمی E = 1.25 ÷ 1.50V است.

منابع انرژی الکتریکی کم مصرف

سلول ها و باتری های گالوانیکی برای تامین انرژی تجهیزات الکتریکی و رادیویی قابل حمل استفاده می شوند.

سلول های گالوانیکی- اینها منابع اقدام واحد هستند، باتری ها- منابع قابل استفاده مجدد

ساده ترین عنصر گالوانیکی

ساده ترین عنصر را می توان از دو نوار تهیه کرد: مس و روی، غوطه ور در آب کمی اسیدی شده با اسید سولفوریک. اگر روی به اندازه کافی خالص باشد که از واکنش های موضعی عاری باشد، تا زمانی که مس و روی توسط سیم به هم وصل نشوند، تغییر محسوسی رخ نخواهد داد.

با این حال، نوارها نسبت به یکدیگر پتانسیل های متفاوتی دارند و هنگامی که توسط سیم به یکدیگر متصل می شوند، یک علامت در آن ظاهر می شود. با ادامه این عمل، نوار روی به تدریج حل می‌شود و حباب‌های گاز در نزدیکی الکترود مس تشکیل می‌شوند و روی سطح آن جمع می‌شوند. این گاز هیدروژن است که از الکترولیت تشکیل شده است. جریان الکتریکی از نوار مسی از طریق سیم به نوار روی، و از آن از طریق الکترولیت به مس باز می گردد.

به تدریج، اسید سولفوریک الکترولیت با سولفات روی که از قسمت محلول الکترود روی تشکیل می شود، جایگزین می شود. به همین دلیل ولتاژ المنت کاهش می یابد. با این حال، افت ولتاژ حتی بیشتر به دلیل تشکیل حباب های گاز روی مس ایجاد می شود. هر دوی این کنش ها «قطبی شدن» را تولید می کنند. چنین عناصری تقریباً هیچ اهمیت عملی ندارند.

پارامترهای مهم سلول های گالوانیکی

مقدار ولتاژ ارائه شده توسط سلول های گالوانیکی فقط به نوع و طراحی آنها بستگی دارد، یعنی به مواد الکترودها و ترکیب شیمیایی الکترولیت، اما به شکل و اندازه عناصر بستگی ندارد.

مقدار جریانی که یک سلول گالوانیکی می تواند تولید کند به دلیل مقاومت داخلی آن محدود می شود.

یک ویژگی بسیار مهم یک سلول گالوانیکی است. ظرفیت الکتریکی به معنای مقدار الکتریسیته ای است که یک سلول گالوانیکی یا باتری قادر است در تمام مدت کارکرد خود، یعنی تا زمانی که تخلیه نهایی رخ دهد، ارائه دهد.

ظرفیت داده شده توسط المنت با ضرب قدرت جریان تخلیه، که بر حسب آمپر بیان می شود، در زمان بر حسب ساعتی که در طی آن عنصر تا شروع تخلیه کامل تخلیه شده است، تعیین می شود. بنابراین ظرفیت الکتریکی همیشه بر حسب آمپر ساعت (A x h) بیان می شود.

بر اساس ظرفیت المنت، می توانید از قبل تعیین کنید که چند ساعت قبل از تخلیه کامل آن کار کند. برای انجام این کار، باید ظرفیت را بر جریان تخلیه مجاز برای این عنصر تقسیم کنید.

با این حال، ظرفیت الکتریکی یک مقدار کاملاً ثابت نیست. بسته به شرایط عملیاتی (حالت) عنصر و ولتاژ تخلیه نهایی، در محدوده های نسبتاً گسترده ای تغییر می کند.

اگر المنت با حداکثر جریان و بدون وقفه تخلیه شود، ظرفیت بسیار پایین تری را ایجاد می کند. برعکس، زمانی که همان عنصر با جریان کمتر و با وقفه های مکرر و نسبتا طولانی تخلیه شود، المنت تمام ظرفیت خود را رها می کند.

در مورد تأثیر ولتاژ تخلیه نهایی بر ظرفیت عنصر، باید در نظر داشت که در هنگام تخلیه سلول گالوانیکی، ولتاژ کاری آن در همان سطح باقی نمی ماند، بلکه به تدریج کاهش می یابد.

انواع رایج سلول های گالوانیکی

رایج ترین سلول های گالوانیکی منگنز-روی، منگنز-هوا، روی-هوا و جیوه-روی با نمک و الکترولیت های قلیایی هستند. سلول های خشک منگنز روی با الکترولیت نمک دارای ولتاژ اولیه 1.4 تا 1.55 ولت، زمان کارکرد در دمای محیط از 20- تا 60- درجه سانتیگراد از 7 ساعت تا 340 ساعت می باشد.

سلول های خشک منگنز-روی و روی-هوا با الکترولیت قلیایی دارای ولتاژ 0.75 تا 0.9 ولت و زمان کارکرد از 6 ساعت تا 45 ساعت هستند.

سلول های جیوه روی خشک دارای ولتاژ اولیه 1.22 تا 1.25 ولت و زمان کارکرد 24 ساعت تا 55 ساعت هستند.

بزرگترین دوره گارانتیعناصر جیوه روی خشک تا 30 ماه ماندگاری دارند.

اینها سلولهای گالوانیکی ثانویه هستند.برخلاف سلول های گالوانیکی، هیچ فرآیند شیمیایی بلافاصله پس از مونتاژ در باتری رخ نمی دهد.

برای اینکه واکنش‌های شیمیایی مرتبط با حرکت بارهای الکتریکی در باتری شروع شود، ترکیب شیمیایی الکترودهای آن (و تا حدی الکترولیت) باید مطابق با آن تغییر کند. این تغییر در ترکیب شیمیایی الکترودها تحت تأثیر جریان الکتریکی عبور داده شده از باتری رخ می دهد.

بنابراین، برای اینکه باتری بتواند جریان الکتریکی تولید کند، ابتدا باید با یک ثابت "شارژ" شود شوک الکتریکیاز برخی منابع جریان خارجی

باطری‌ها همچنین با سلول‌های گالوانیکی معمولی متفاوت هستند زیرا پس از تخلیه می‌توانند دوباره شارژ شوند. با مراقبت خوب و در شرایط کارکرد معمولی، باتری ها می توانند تا چندین هزار بار شارژ و دشارژ را تحمل کنند.
دستگاه باتری

در حال حاضر، باتری های سرب و کادمیوم نیکل اغلب در عمل استفاده می شوند. برای اولی، الکترولیت محلولی از اسید سولفوریک است و برای دومی، محلولی از قلیاها در آب. باتری های سرب را باتری اسیدی و باتری های نیکل کادمیومی را باتری های قلیایی می نامند.

اصل عملکرد باتری ها بر اساس پلاریزاسیون الکترودها است. ساده ترین باتری اسیدی به شرح زیر طراحی شده است: این دو صفحه سربی هستند که در یک الکترولیت فرو رفته اند. در نتیجه واکنش جایگزینی شیمیایی، صفحات با پوشش اندکی از سولفات سرب PbSO4 پوشیده می شوند، همانطور که از فرمول Pb + H 2 SO 4 = PbSO 4 + H 2 به شرح زیر است.

دستگاه باتری اسیدی

این حالت صفحات مربوط به یک باتری تخلیه شده است. اگر اکنون باتری را برای شارژ روشن کرده اید، یعنی آن را به ژنراتور وصل کنید دی سیسپس پلاریزاسیون صفحات در اثر الکترولیز در آن آغاز خواهد شد. در نتیجه شارژ باتری، صفحات آن پلاریزه می شوند، یعنی ماده سطح خود را تغییر می دهند و از همگن (PbSO 4) به غیر مشابه (Pb و Pb O 2) تبدیل می شوند.

باتری تبدیل به منبع جریان می شود و الکترود مثبت آن صفحه ای است که با دی اکسید سرب پوشانده شده است و الکترود منفی یک صفحه سربی تمیز است.

در پایان شارژ، غلظت الکترولیت به دلیل ظهور مولکول های اضافی اسید سولفوریک در آن افزایش می یابد.

این یکی از ویژگی های باتری سرب اسیدی است: الکترولیت آن خنثی نمی ماند و خود در واکنش های شیمیایی در حین کار باتری شرکت می کند.

در انتهای تخلیه، هر دو صفحه باتری دوباره با سولفات سرب پوشانده می شوند که در نتیجه باتری منبع جریان نیست. باتری هرگز به این حالت نمی رسد. به دلیل تشکیل سولفات سرب بر روی صفحات، غلظت الکترولیت در انتهای تخلیه کاهش می یابد. اگر باتری را روی شارژ قرار دهید، می توانید دوباره باعث قطبش شوید تا دوباره آن را در حالت تخلیه قرار دهید و غیره.

نحوه شارژ باتری

روش های مختلفی برای شارژ باتری ها وجود دارد. ساده ترین آن شارژ معمولی باتری است که به شرح زیر انجام می شود. در ابتدا، به مدت 5 تا 6 ساعت، شارژ با جریان عادی دو برابر انجام می شود تا ولتاژ هر بانک باتری به 2.4 ولت برسد.

جریان شارژ عادی با فرمول شارژ I = Q/16 تعیین می شود

جایی که Q - ظرفیت اسمی باتری، Ah.

پس از این، جریان شارژ به مقدار نرمال کاهش می یابد و شارژ و جریان به مدت 15 تا 18 ساعت ادامه می یابد، تا زمانی که علائم پایان شارژ ظاهر شود.

باتری های مدرن

باتری‌های کادمیم نیکل یا قلیایی بسیار دیرتر از باتری‌های سرب ظاهر شدند و در مقایسه با آنها، منابع جریان شیمیایی پیشرفته‌تری هستند. مزیت اصلی باتری های قلیایی نسبت به باتری های سرب، خنثی بودن شیمیایی الکترولیت آنها نسبت به جرم فعال صفحات است. به همین دلیل، خود تخلیه باتری های قلیایی به طور قابل توجهی کمتر از باتری های سرب است. اصل عملکرد باتری های قلیایی نیز بر پایه پلاریزاسیون الکترودها در طول الکترولیز است.

برای تامین انرژی تجهیزات رادیویی، باتری های کادمیم نیکل مهر و موم شده تولید می شود که در دمای 30- تا 50+ درجه سانتی گراد کار می کنند و می توانند 400 تا 600 سیکل شارژ-دشارژ را تحمل کنند. این باتری ها به صورت موازی پاهای فشرده و دیسک هایی با جرم چند گرم تا کیلوگرم ساخته می شوند.

آنها باتری های نیکل-هیدروژنی را برای تامین برق تاسیسات مستقل تولید می کنند. انرژی ویژه یک باتری نیکل هیدروژنی 50 تا 60 وات ساعت کیلوگرم -1 است.