Galvanski članci i baterije — uređaj, princip rada, vrste

Izvori električne energije male snage

Galvanske ćelije i baterije koriste se za napajanje prijenosne električne i radio opreme.

Galvanske ćelije — to su izvori jednokratnih radnji, akumulatori — višekratni radni izvori.

Najjednostavniji galvanski element

Najjednostavniji element može biti izrađen od dvije trake: bakrene i cinkove uronjene u vodu blago zakiseljenu sumpornom kiselinom. Ako je cink dovoljno čist da nema lokalnih reakcija, neće doći do primjetnih promjena dok se bakar i cink ne spoje.

Međutim, trake imaju različit potencijal, jedna u odnosu na drugu, a kada su spojene žicom, pojavit će se struja… Ovim će se djelovanjem cinkova traka postupno otopiti i formirat će se mjehurići plina u blizini bakrene elektrode, skupljajući se na njezinoj površini. Ovaj plin je vodik koji stvara elektrolit. Električna struja teče od bakrene trake duž žice do cinkove trake, a od nje kroz elektrolit natrag do bakra.

Postupno se sumporna kiselina elektrolita zamjenjuje cinkovim sulfatom koji nastaje iz otopljenog dijela cinkove elektrode. Time se smanjuje napon ćelije. Međutim, još veći pad napona uzrokuje stvaranje plinskih mjehurića na bakru. Oba postupka uzrokuju 'polarizaciju'. Takvi predmeti nemaju gotovo nikakvu praktičnu vrijednost.

Važni parametri galvanskih članaka

Veličina napona koju daju galvanski članci ovisi samo o njihovoj vrsti i uređaju, odnosno o materijalu elektroda i kemijskom sastavu elektrolita, ali ne ovisi o obliku i veličini članaka.

Struja koju galvanski članak može dati ograničena je njegovim unutarnjim otporom.

Vrlo važna karakteristika galvanskog članka je električni kapacitet… Električni kapacitet znači količinu električne energije koju galvanska ili spremnička ćelija može isporučiti tijekom svog rada, odnosno do početka konačnog pražnjenja.

Kapacitet koji daje ćelija određuje se množenjem jakosti struje pražnjenja, izražene u amperima, s vremenom u satima tijekom kojeg je ćelija bila pražnjena do početka potpunog pražnjenja. Stoga se kapacitet uvijek izražava u amper-satima (Ah).

Po vrijednosti kapaciteta ćelije također je moguće unaprijed odrediti koliko će sati raditi prije početka potpunog pražnjenja. Da biste to učinili, morate podijeliti kapacitet snagom struje pražnjenja dopuštenom za ovaj element.

Međutim, kapacitet nije strogo konstantan. Ona varira u prilično velikim granicama ovisno o radnim uvjetima (načinu) elementa i konačnom naponu pražnjenja.

Ako se ćelija isprazni maksimalnom strujom i, štoviše, bez prekida, dat će mnogo manji kapacitet. Naprotiv, kada se ista ćelija prazni manjom strujom i uz česte i relativno duge prekide, ćelija će izgubiti svoj puni kapacitet.

Što se tiče utjecaja konačnog napona pražnjenja na kapacitet ćelije, treba imati na umu da tijekom pražnjenja galvanskog članka njegov radni napon ne ostaje na istoj razini, već postupno opada.

Uobičajeni tipovi elektrokemijskih ćelija

Najčešći galvanski članci su sustavi mangan-cink, mangan-zrak, zrak-cink i živa-cink sa soli i alkalnim elektrolitima.Suhi mangan-cinkovi članci sa slanim elektrolitom imaju početni napon od 1,4 do 1,55 V, trajanje rada na temperaturi okoline od -20 do -60 OD 7 do 340 ujutro

Suhe cink-manganske i cink-zračne ćelije s alkalnim elektrolitom imaju napon od 0,75 do 0,9 V i vrijeme rada od 6 do 45 sati.

Suhe živino-cink ćelije imaju početni napon od 1,22 do 1,25 V i vrijeme rada od 24 do 55 sati.

Suhe žive-cink ćelije imaju najdulji zajamčeni vijek trajanja do 30 mjeseci.

Baterije

Baterije To su sekundarne elektrokemijske ćelije.Za razliku od galvanskih ćelija, u bateriji se ne odvijaju nikakvi kemijski procesi odmah nakon sastavljanja.

Kako bi baterija pokrenula kemijske reakcije povezane s kretanjem električnih naboja, potrebno je na odgovarajući način promijeniti kemijski sastav njenih elektroda (i dijelom elektrolita).Ova promjena kemijskog sastava elektroda događa se pod djelovanjem električne struje koja prolazi kroz bateriju.

Dakle, da bi baterija proizvodila električnu struju, prvo se mora "napuniti" istosmjernom električnom strujom iz nekog vanjskog izvora struje.

Baterije se od konvencionalnih galvanskih članaka razlikuju i po tome što se nakon pražnjenja mogu ponovno puniti. Uz dobru brigu iu normalnim uvjetima rada, baterije mogu izdržati do nekoliko tisuća punjenja i pražnjenja.
Uređaj na baterije

Trenutno se u praksi najčešće koriste olovne i kadmij-nikal baterije. U prvoj otopina sumporne kiseline služi kao elektrolit, a u drugoj otopina lužine u vodi. Olovne baterije nazivaju se još i kiselinske, a nikal-kadmij-alkalne baterije.

Princip rada baterija temelji se na polarizaciji elektroda tijekom elektrolize... Najjednostavnija kiselinska baterija strukturirana je na sljedeći način: to su dvije olovne ploče uronjene u elektrolit. Kao rezultat kemijske reakcije supstitucije, ploče su prekrivene tankim slojem olovnog sulfata PbSO4, kao što slijedi iz formule Pb + H2SO4 = PbSO4 + H2.

Uređaj za kiselinske baterije

Ovo stanje ploča odgovara ispražnjenoj bateriji. Ako je baterija sada uključena za punjenje, odnosno spojena na generator istosmjerne struje, tada će u njoj uslijed elektrolize započeti polarizacija ploča. Kao rezultat punjenja akumulatora dolazi do polarizacije njegovih ploča, odnosno mijenjanja tvari na njihovoj površini i iz homogene (PbSO4) postaje različita (Pb i PbO2).

Baterija postaje izvor struje, s pločom obloženom olovnim dioksidom kao pozitivnom elektrodom i čistom olovnom pločom kao negativnom elektrodom.

Do kraja punjenja koncentracija elektrolita se povećava zbog pojave dodatnih molekula sumporne kiseline u njemu.

Ovo je jedna od karakteristika olovnog akumulatora: njegov elektrolit ne ostaje neutralan i sam sudjeluje u kemijskim reakcijama tijekom rada akumulatora.

Do kraja pražnjenja, obje ploče baterije ponovno su prekrivene olovnim sulfatom, zbog čega baterija prestaje biti izvor struje. Baterija se nikada ne dovodi u ovo stanje. Zbog stvaranja olovnog sulfata na pločama, koncentracija elektrolita se smanjuje na kraju pražnjenja. Ako je baterija napunjena, onda se polarizacija može ponovno izazvati da se ponovno isprazni, itd.

Kako napuniti bateriju

Postoji nekoliko načina za punjenje baterija. Najjednostavnije je normalno punjenje baterije, koje se radi na sljedeći način. U početku, 5-6 sati, punjenje se provodi dvostrukom normalnom strujom dok napon svake baterije ne dosegne 2,4 V.

Normalna struja punjenja određena je formulom Aztax = Q / 16

gdje je Q - nazivni kapacitet baterije, Ah.

Nakon toga se struja punjenja smanjuje na normalnu vrijednost i punjenje se nastavlja 15-18 sati dok se ne pojave znakovi kraja punjenja.

Moderne baterije

Nikal-kadmijeve ili alkalne baterije pojavile su se mnogo kasnije od olovnih baterija iu usporedbi s njima su moderniji izvori kemijske struje.Glavna prednost alkalnih baterija u odnosu na olovne baterije leži u kemijskoj neutralnosti njihovog elektrolita u odnosu na aktivne mase ploča. Stoga je samopražnjenje alkalnih baterija znatno niže nego kod olovnih baterija. Princip rada alkalnih baterija također se temelji na polarizaciji elektroda tijekom elektrolize.

Za napajanje radijske opreme proizvode se zatvorene kadmij-nikal baterije koje su učinkovite na temperaturama od -30 do +50 OC i podnose 400 — 600 ciklusa punjenja i pražnjenja. Ovi akumulatori se izrađuju u obliku kompaktnih paralelopipeda i diskova težine od nekoliko grama do kilograma.

Nikal-vodikove baterije proizvode se za napajanje autonomnih objekata. Specifična energija nikal-vodikove baterije je 50 — 60 Wh kg-1.