Batteriverden - del 3

Historien om moderne batterier begynder i det nittende århundrede, og de fleste af de designs, der bruges i dag, stammer fra dette århundrede. Denne situation vidner på den ene side om de vidunderlige ideer fra videnskabsmænd på den tid, og på den anden side om de vanskeligheder, der opstår, når man udvikler nye modeller.

Få ting er så gode, at de ikke kan forbedres. Denne regel gælder også for batterier - modellerne fra det XNUMX. århundrede blev ændret mange gange, indtil de antog deres nuværende form. Dette gælder også for Leclanche celler.

Forbedringslink

Den franske kemikers design blev ændret Karl Gasner til en virkelig brugbar model: billig at producere og sikker at bruge. Der var dog stadig problemer - elementets zinkbelægning korroderede ved kontakt med den sure elektrolyt, der fyldte skålen, og sprøjten ud af det aggressive indhold kunne beskadige den drevne enhed. Løsningen blev sammenlægning indvendig overflade af zinklegemet (kviksølvbelægning).

Zinkamalgam reagerer praktisk talt ikke med syrer, men bevarer alle de elektrokemiske egenskaber af rent metal. Men på grund af miljøbestemmelser bliver denne metode til at forlænge cellelevetiden brugt mindre og mindre (du kan finde eller på kviksølvfri celler) (1).

2. Skematisk af en alkalisk celle: 1) hus (blykatode), 2) katode indeholdende mangandioxid, 3) elektrodeseparator, 4) anode indeholdende KOH og zinkstøv, 5) anodeterminal, 6) celletætning (elektrodeisolator) . .

En anden måde at øge cellens holdbarhed og levetid på er at tilføje zinkchlorid ZnCl₂ til pasta til at fylde kopper. Celler af dette design kaldes ofte Heavy Duty og (som navnet antyder) er designet til at drive mere strømkrævende enheder.

Gennembruddet inden for engangsbatterier kom i 1955. alkalisk celle. Opfindelsen af ​​en canadisk ingeniør Lewis Urry, der bruges af det nuværende Energizer-selskab, har en lidt anderledes struktur end Leclanche-cellestrukturen.

Først og fremmest finder du ikke en grafitkatode eller en zinkkop der. Begge elektroder er lavet i form af våde, adskilte pastaer (fortykningsmidler plus reagenser: katoden består af en blanding af mangandioxid og grafit, anoden er lavet af zinkstøv med en blanding af kaliumhydroxid), og deres terminaler er lavet af metal (2). De reaktioner, der opstår under drift, ligner dog meget dem, der opstår i Leclanche-cellen.

En opgave. Udfør en "kemisk obduktion" på den alkaliske celle for at fastslå, at indholdet faktisk er alkalisk (3). Husk, at de samme forholdsregler gælder ved demontering af Leclanche-cellen. Se feltet Batterikode for at bestemme den alkaliske celle.

3. "Skæringen" af den alkaliske celle bekræfter alkaliindholdet.

Hjemmelavede batterier

4. Indenlandske Ni-MH- og Ni-Cd-batterier.

Celler, der kan genoplades efter brug, har været designets mål siden elektricitetsvidenskabens begyndelse, deraf de mange typer af dem.

I øjeblikket er en af ​​de modeller, der bruges til at drive små husholdningsapparater nikkel-cadmium batterier. Deres prototype dukkede op i 1899, da en svensk opfinder gjorde det. Ernst Jungner har indgivet patent på et nikkel-cadmium-batteri, der kunne konkurrere med batterier, der allerede er meget brugt i bilindustrien. bly syre batteri.

Celleanoden er cadmium, katoden er en trivalent nikkelforbindelse, elektrolytten er en kaliumhydroxidopløsning (i moderne "tørre" designs, en våd pasta af fortykningsmidler mættet med en KOH-opløsning). Ni-Cd-batterier (dette er deres betegnelse) har en driftsspænding på cirka 1,2 V - det er mindre end engangscellers, hvilket dog ikke er et problem for de fleste applikationer. Den store fordel er evnen til at forbruge betydelig strøm (selv et par ampere) og en bred vifte af driftstemperaturer.

5. Inden opladning skal du kontrollere kravene til forskellige typer batterier.

Ulempen ved nikkel-cadmium-batterier er den belastende "hukommelseseffekt". Dette sker, når delvist afladede Ni-Cd-batterier ofte genoplades: Systemet opfører sig, som om dets kapacitet kun er lig med den opladning, der genoplades under genopladning. I nogle typer opladere kan "hukommelseseffekten" reduceres ved at oplade cellerne i en speciel tilstand.

Derfor bør afladede nikkel-cadmium-batterier oplades i en fuld cyklus: først aflades helt (ved at bruge den passende opladerfunktion) og derefter oplades. Hyppig genopladning reducerer også designlevetiden på 1000-1500 cyklusser (det er hvor mange engangsceller vil blive erstattet af et batteri i løbet af dets levetid, så de højere indkøbsomkostninger vil betale sig selv mange gange, for ikke at nævne, at det belaster meget mindre batteri). miljø med celleproduktion og bortskaffelse).

Ni-Cd-celler, der indeholder toksisk cadmium, er blevet erstattet nikkel metal hydrid batterier (betegnelse Ni-MH). Deres struktur ligner Ni-Cd-batterier, men i stedet for cadmium anvendes en porøs metallegering (Ti, V, Cr, Fe, Ni, Zr, sjældne jordarters metaller) med evnen til at absorbere brint (4). Driftsspændingen for Ni-MH-cellen er også omkring 1,2 V, hvilket gør det muligt at bruge dem i flæng med NiCd-batterier. Kapaciteten af ​​nikkel-metalhydridceller er større end nikkel-cadmium-celler af samme størrelse. NiMH-systemer selvaflader dog hurtigere. Der er allerede moderne designs, der ikke har denne ulempe, men de er meget dyrere end standardmodeller.

Nikkel-metalhydrid-batterier udviser ikke en "hukommelseseffekt" (delvis afladede celler kan genoplades). Du bør dog altid tjekke opladningskravene for hver type i opladervejledningen (5).

I tilfælde af Ni-Cd- og Ni-MH-batterier anbefaler vi ikke at skille dem ad. For det første finder vi ikke noget nyttigt i dem. For det andet er nikkel og cadmium ikke sikre grundstoffer. Tag ikke unødvendige risici og overlad bortskaffelse til uddannede fagfolk.

Kongen af ​​batterier, altså...

6. "Kongen af ​​batterier" på arbejde.

...Bly-syre batteri, bygget i 1859 af en fransk fysiker Gastona Plantego (ja, ja, enheden fylder 161 år i år!). Batterielektrolytten er omkring 37 % svovlsyre (VI) opløsning, og elektroderne er bly (anode) og bly belagt med et lag blydioxid PbO.₂ (katode). Under drift dannes et bundfald af bly(II)(II)PbSO-sulfat på elektroderne₄. Ved opladning har en celle en spænding på mere end 2 volt.

Blybatteri det har faktisk alle ulemperne: betydelig vægt, følsomhed over for afladning og lave temperaturer, behovet for at opbevare i ladet tilstand, risikoen for aggressiv elektrolytlækage og brugen af ​​et giftigt metal. Derudover kræver det omhyggelig håndtering: kontrol af elektrolyttens tæthed, tilsætning af vand til kamrene (brug kun destilleret eller deioniseret vand), spændingskontrol (et fald under 1,8 V i et kammer kan beskadige elektroderne) og en speciel opladningstilstand.

Så hvorfor er den gamle struktur stadig i brug? "Kongen af ​​Akkumulatorer" har, hvad der er en egenskab af en ægte hersker - magt. Højt strømforbrug og høj energieffektivitet op til 75 % (denne mængde energi, der bruges til opladning kan genvindes under drift), samt enkelt design og lave produktionsomkostninger, betyder, at bly batteri bruges ikke kun til at starte forbrændingsmotorer, men også som et element i nødstrømforsyning. På trods af sin 160-årige historie klarer blybatteriet sig stadig godt og er ikke blevet erstattet af andre typer af disse enheder (og sammen med det selve bly, som takket være batteriet er et af de metaller, der produceres i de største mængder). Så længe den forbrændingsmotorbaserede motorisering fortsætter med at udvikle sig, er dens position sandsynligvis ikke truet (6).

Opfindere holdt aldrig op med at forsøge at skabe en erstatning for bly-syre-batteriet. Nogle af modellerne blev populære og bruges stadig i bilindustrien. Ved overgangen til det nittende og tyvende århundrede blev der skabt design, hvor H-løsning ikke blev brugt.₂SO₄men alkaliske elektrolytter. Et eksempel er Ernst Jungner nikkel-cadmium-batteriet vist ovenfor. I 1901 Thomas Alva Edison ændret designet til at bruge jern i stedet for cadmium. Sammenlignet med syrebatterier er alkaliske modeller meget lettere, kan fungere ved lave temperaturer og er ikke så svære at håndtere. Deres produktion er dog dyrere, og energieffektiviteten er lavere.

Så hvad er det næste?

Naturligvis udtømmer artiklerne om batterier ikke spørgsmålene. De diskuterer for eksempel ikke lithiumceller, der også almindeligvis bruges til at drive husholdningsapparater såsom lommeregnere eller computerbundkort. Du kan lære mere om dem i januar-artiklen om sidste års Nobelpris i kemi, og om den praktiske del - om en måned (inklusive nedrivning og erfaring).

Der er gode udsigter for celler, især batterier. Verden bliver mere og mere mobil, og det betyder behovet for at blive uafhængig af strømkabler. At sikre en effektiv strømforsyning til elbiler er også en stor udfordring. - så de kan konkurrere med biler med forbrændingsmotor også rent økonomisk.

akkumulatorbatteri

For at lette celletypeidentifikation er der indført en særlig alfanumerisk kode. For de typer, der oftest findes i vores hjem til små apparater, har den formen tal-bogstav-bogstav-tal.

Og ja:

- det første ciffer er antallet af celler; ignoreret for enkeltceller;

– det første bogstav angiver celletypen. Når det mangler, har du at gøre med Leclanche-linket. Andre celletyper er mærket som følger:

C - lithiumcelle (den mest almindelige type),

H – Ni-MH batteri,

K – nikkel-cadmium batteri,

L - alkalisk celle;

- følgende bogstav angiver formen på linket:

F - tallerken,

R - cylindrisk,

P - den generelle betegnelse for led med en anden form end cylindrisk;

– den eller de endelige tal angiver størrelsen af ​​linket (katalogværdier eller direkte angivelse af dimensioner) (7).

7. Dimensioner af populære celler og batterier.

Markeringseksempler:

R03
- en zink-grafitcelle på størrelse med en lillefinger. En anden betegnelse er AAA eller.

LR6 - en alkalisk celle på størrelse med en finger. En anden betegnelse er AA eller.

HR14 – Ni-MH batteri; bogstavet C bruges også til at angive størrelse.

KR20 – Ni-Cd-batteri, hvis størrelse også er markeret med bogstavet D.

3LR12 – et fladt batteri med en spænding på 4,5 V, bestående af tre cylindriske alkaliske celler.

6F22 - 9-volts batteri, bestående af seks Leclanchet fladceller.

CR2032 – lithiumcelle med en diameter på 20 mm og en tykkelse på 3,2 mm.

Se også: