Akumulatoru pasaule — 3. daļa

Mūsdienu akumulatoru vēsture sākas deviņpadsmitajā gadsimtā, un lielākā daļa mūsdienās izmantoto dizainu ir cēlušies no šī gadsimta. Šī situācija liecina, no vienas puses, par izcilajām tā laika zinātnieku idejām, no otras puses, par grūtībām, kas rodas jaunu modeļu izstrādē.

Dažas lietas ir tik labas, ka tās nevar uzlabot. Šis noteikums attiecas arī uz baterijām - XNUMX. gadsimta modeļi tika daudzkārt pilnveidoti, līdz tie ieguva pašreizējo formu. Tas attiecas arī uz Leclanche šūnas.

Saite, lai uzlabotu

Franču ķīmiķa dizains ir mainīts Kārlis Gasners par patiešām noderīgu modeli: lēti ražot un droši lietot. Tomēr joprojām pastāvēja problēmas - elementa cinka pārklājums sarūsēja, saskaroties ar skābo elektrolītu, kas piepildīja bļodu, un agresīva satura izšļakstīšana varēja atspējot darbināmo ierīci. Lēmums kļuva apvienošana cinka korpusa iekšējā virsma (dzīvsudraba pārklājums).

Cinka amalgama praktiski nereaģē ar skābēm, bet saglabā visas tīra metāla elektroķīmiskās īpašības. Tomēr vides noteikumu dēļ šī šūnu kalpošanas laika pagarināšanas metode tiek izmantota arvien retāk (uz dzīvsudrabu nesaturošām šūnām var atrast uzrakstu vai) (1).

2. Sārma elementu izkārtojums: 1) korpuss (katoda vads), 2) katods, kas satur mangāna dioksīdu, 3) elektrodu separators, 4) anods, kas satur KOH un cinka putekļus, 5) anoda spaile, 6) elementu blīvējums (elektroda izolators). .

Vēl viens veids, kā palielināt šūnu ilgmūžību un dzīvi, ir pievienot cinka hlorīds ZnCl₂ krūzīšu pildīšanas pastai. Šādas konstrukcijas šūnas bieži tiek sauktas par Heavy Duty un (kā norāda nosaukums) ir paredzētas energoietilpīgāku ierīču darbināšanai.

Izrāviens vienreizlietojamo bateriju jomā bija celtniecība 1955. gadā sārma šūna. Kanādas inženiera izgudrojums Lūiss Urijs, ko izmanto pašreizējais uzņēmums Energizer, struktūra nedaudz atšķiras no Leclanchet šūnas struktūras.

Pirmkārt, jūs tur neatradīsit grafīta katodu vai cinka kausu. Abi elektrodi ir izgatavoti mitru, atdalītu pastu veidā (biezinātāji un reaģenti: katods sastāv no mangāna dioksīda un grafīta maisījuma, cinka putekļu anods ar kālija hidroksīda piejaukumu), un to spailes ir izgatavotas no metāla ( 2). Tomēr reakcijas, kas rodas darbības laikā, ir ļoti līdzīgas tām, kas notiek Leclanchet šūnā.

Uzdevums. Veiciet "ķīmisko autopsiju" sārmainai šūnai, lai noskaidrotu, vai saturs patiešām ir sārmains (3). Atcerieties, ka tie paši piesardzības pasākumi attiecas uz Leclanchet šūnas demontāžu. Lai noteiktu sārma elementu, skatiet lauku "Akumulatora kods".

3. Sārma elementa "sadaļa" apstiprina sārmu saturu.

Pašdarinātas baterijas

4. Sadzīves Ni-MH un Ni-Cd akumulatori.

Šūnas, kuras pēc lietošanas var uzlādēt, ir bijis dizaineru mērķis jau no pašiem elektroenerģijas zinātnes attīstības pirmsākumiem, līdz ar to arī to daudzie veidi.

Pašlaik viens no modeļiem, ko izmanto mazo sadzīves tehnikas darbināšanai, ir niķeļa-kadmija baterijas. Viņu prototips parādījās 1899. gadā, kad to izdarīja zviedru izgudrotājs. Ernsts Jungners iesniedza pieteikumu patentam niķeļa-kadmija akumulatoram, kas varētu konkurēt ar akumulatoriem, kas jau plaši tiek izmantoti automobiļu rūpniecībā. svina skābes akumulators.

Elementa anods ir kadmijs, katods ir trīsvērtīgā niķeļa savienojums, elektrolīts ir kālija hidroksīda šķīdums (mūsdienu “sausajā” konstrukcijā mitra biezinātāju pasta, kas piesātināta ar KOH šķīdumu). Ni-Cd akumulatoru (tas ir to apzīmējums) darba spriegums ir aptuveni 1,2 V - tas ir mazāks nekā vienreizējās lietošanas elementiem, kas tomēr nav problēma lielākajai daļai lietojumu. Liela priekšrocība ir iespēja patērēt ievērojamu strāvu (pat dažus ampērus) un plašu darba temperatūru diapazonu.

5. Pirms uzlādes pārbaudiet prasības dažādu veidu akumulatoriem.

Niķeļa-kadmija bateriju trūkums ir apgrūtinošais "atmiņas efekts". Tas notiek, bieži atkārtoti uzlādējot daļēji izlādētus Ni-Cd akumulatorus: sistēma darbojas tā, it kā tās kapacitāte būtu vienāda ar uzlādi, kas papildināta ar uzlādi. Dažos lādētāju veidos "atmiņas efektu" var samazināt, uzlādējot šūnas īpašā režīmā.

Tāpēc izlādējušās niķeļa-kadmija baterijas jāuzlādē pilnā ciklā: vispirms pilnībā jāizlādē (izmantojot atbilstošu lādētāja funkciju) un pēc tam jāuzlādē. Bieža uzlāde samazina arī paredzamo 1000-1500 ciklu kalpošanas laiku (ka daudzas vienreizējās lietošanas šūnas tiks aizstātas ar vienu akumulatoru tā darbības laikā, tāpēc augstākas pirkuma izmaksas atmaksāsies daudzkārt, nemaz nerunājot par daudz mazāku akumulatora slodzi ). vide ar šūnu ražošanu un iznīcināšanu).

Ir aizstāti Ni-Cd elementi, kas satur toksisku kadmiju niķeļa-metāla hidrīda akumulatori (Ni-MH apzīmējums). To uzbūve ir līdzīga Ni-Cd akumulatoriem, taču kadmija vietā tiek izmantots porains metālu sakausējums (Ti, V, Cr, Fe, Ni, Zr, retzemju metāli) ar spēju absorbēt ūdeņradi (4). Arī Ni-MH elementa darba spriegums ir aptuveni 1,2 V, kas ļauj tos izmantot aizvietojami ar NiCd baterijām. Niķeļa metāla hidrīda elementu kapacitāte ir lielāka nekā tāda paša izmēra niķeļa kadmija elementu kapacitāte. Tomēr NiMH sistēmas pašizlāde notiek ātrāk. Jau ir moderni dizaini, kuriem nav šī trūkuma, taču tie maksā daudz vairāk nekā standarta modeļi.

Niķeļa-metāla hidrīda akumulatoriem nav "atmiņas efekta" (daļēji izlādētus elementus var uzlādēt). Tomēr vienmēr ir jāpārbauda katra veida uzlādes prasības lādētāja instrukcijās (5).

Ni-Cd un Ni-MH akumulatoru gadījumā mēs neiesakām tos izjaukt. Pirmkārt, mēs tajos neatradīsim neko noderīgu. Otrkārt, niķelis un kadmijs nav droši elementi. Neuzņemieties nevajadzīgu risku un atstājiet iznīcināšanu apmācītu speciālistu ziņā.

Akumulatoru karalis, tas ir...

6. "Bateriju karalis" darbā.

… Svina-skābes akumulators, kuru 1859. gadā uzbūvēja franču fiziķis Gastona Plantego (jā, jā, ierīcei šogad apritēs 161 gads!). Akumulatora elektrolīts ir aptuveni 37% sērskābes (VI) šķīdums, un elektrodi ir svins (anods) un svins, kas pārklāts ar svina dioksīda PbO slāni.₂ (katods). Darbības laikā uz elektrodiem veidojas svina(II)(II)PbSO sulfāta nogulsnes₄. Uzlādes laikā vienai šūnai ir spriegums, kas pārsniedz 2 voltus.

svina akumulators tam faktiski ir visi trūkumi: ievērojams svars, jutība pret izlādi un zemām temperatūrām, nepieciešamība uzglabāt uzlādētā stāvoklī, agresīvas elektrolīta noplūdes risks un toksiska metāla izmantošana. Turklāt ir nepieciešama rūpīga apstrāde: elektrolīta blīvuma pārbaude, ūdens pievienošana kamerām (izmantojiet tikai destilētu vai dejonizētu), sprieguma kontrole (nokrītot zem 1,8 V vienā kamerā, var sabojāt elektrodus) un īpašu uzlādes režīmu.

Tātad, kāpēc senā struktūra joprojām tiek izmantota? “Akumulatoru karalim” piemīt īsta valdnieka atribūts – vara. Liels strāvas patēriņš un augsta energoefektivitāte līdz 75% (šo uzlādei izmantoto enerģijas daudzumu var atgūt darbības laikā), kā arī vienkārša konstrukcija un zemas ražošanas izmaksas nozīmē, ka svina akumulators To izmanto ne tikai iekšdedzes dzinēju iedarbināšanai, bet arī kā avārijas barošanas avota elementu. Neskatoties uz 160 gadu vēsturi, svina akumulators joprojām darbojas labi, un to nav aizstājuši citi šo ierīču veidi (un līdz ar to arī pats svins, kas, pateicoties akumulatoram, ir viens no lielākajos daudzumos saražotajiem metāliem) . Kamēr motorizācija, kuras pamatā ir iekšdedzes dzinēji, turpinās attīstīties, tās pozīcija, visticamāk, netiks apdraudēta (6).

Izgudrotāji nebeidza mēģināt radīt svina-skābes akumulatora nomaiņu. Daži modeļi kļuva populāri un joprojām tiek izmantoti automobiļu rūpniecībā. Deviņpadsmitā un divdesmitā gadsimta mijā tika radīti dizaini, kuros H risinājums netika izmantots.₂SO₄bet sārmaini elektrolīti. Piemērs ir iepriekš parādītais Ernsta Jungnera niķeļa-kadmija akumulators. 1901. gadā Tomass Alva Edisons mainīja dizainu, lai kadmija vietā izmantotu dzelzi. Salīdzinot ar skābes akumulatoriem, sārma baterijas ir daudz vieglākas, var darboties zemā temperatūrā un nav tik grūti apstrādājamas. Taču to ražošana ir dārgāka, un energoefektivitāte ir zemāka.

Tātad, kas būs tālāk?

Protams, raksti par baterijām neizsmeļ jautājumus. Tie neapspriež, piemēram, litija elementus, ko parasti izmanto arī sadzīves tehnikas, piemēram, kalkulatoru vai datoru mātesplates, barošanai. Vairāk par tiem var uzzināt janvāra rakstā par pagājušā gada Nobela prēmiju ķīmijā, bet par praktisko daļu - pēc mēneša (ieskaitot demolēšanu un pieredzi).

Labas izredzes ir elementiem, īpaši akumulatoriem. Pasaule kļūst arvien mobilāka, kas nozīmē nepieciešamību kļūt neatkarīgam no strāvas kabeļiem. Liels izaicinājums ir arī efektīvas energoapgādes nodrošināšana elektriskajiem transportlīdzekļiem. - lai tie spētu konkurēt ar mašīnām ar iekšdedzes dzinēju arī ekonomijas ziņā.

akumulatora akumulators

Lai atvieglotu šūnu tipa identificēšanu, ir ieviests īpašs burtciparu kods. Mūsu mājās visbiežāk sastopamajiem mazo ierīču veidiem ir šāda forma: cipars-burts-burts-numurs.

Un jā:

- pirmais cipars ir šūnu skaits; ignorēts atsevišķām šūnām;

– pirmais burts norāda šūnas tipu. Ja tā trūkst, jums ir darīšana ar Leclanche saiti. Citi šūnu veidi ir marķēti šādi:

C - litija šūnas (visizplatītākais veids),

H - Ni-MH akumulators,

K - niķeļa-kadmija akumulators,

L – sārma šūna;

- šāds burts norāda saites formu:

F - šķīvis,

R - cilindrisks,

P - vispārīgais apzīmējums saitēm, kuru forma nav cilindriska;

– gala cipars vai skaitļi norāda saites izmēru (kataloga vērtības vai tieši norādot izmērus) (7).

7. Populāru elementu un bateriju izmēri.

Marķēšanas piemēri:

R03
- cinka-grafīta šūna mazā pirkstiņa lielumā. Vēl viens apzīmējums ir AAA vai.

LR6 - sārma šūna pirksta lielumā. Cits apzīmējums ir AA vai.

HR14 – Ni-MH akumulators; burtu C izmanto arī, lai norādītu izmēru.

KR20 – Ni-Cd akumulators, kura izmērs arī apzīmēts ar burtu D.

3LR12 – izlādējies akumulators ar spriegumu 4,5 V, kas sastāv no trim cilindriskiem sārma elementiem.

6F22 - 9 voltu akumulators, kas sastāv no sešiem Leclanchet plakanajiem elementiem.

CR2032 – litija šūna ar diametru 20 mm un biezumu 3,2 mm.

Skatīt arī: