Batterivärld - del 3

Historien om moderna batterier börjar på artonhundratalet, och de flesta av de mönster som används idag kommer från detta århundrade. Denna situation vittnar å ena sidan om dåtidens vetenskapsmäns utmärkta idéer, och å andra sidan om de svårigheter som uppstår vid utvecklingen av nya modeller.

Få saker är så bra att de inte kan förbättras. Denna regel gäller även för batterier - XNUMX-talsmodeller förfinades många gånger tills de tog sin nuvarande form. Detta gäller även för Leclanche-celler.

Förbättringslänk

Den franska kemistens design har ändrats Carl Gasner till en riktigt användbar modell: billig att tillverka och säker att använda. Det fanns dock fortfarande problem - elementets zinkbeläggning korroderade vid kontakt med den sura elektrolyten som fyllde skålen, och stänk ut aggressivt innehåll kunde skada den drivna enheten. Beslutet blev sammanslagning den inre ytan av zinkkroppen (kvicksilverbeläggning).

Zinkamalgam reagerar praktiskt taget inte med syror, men behåller alla de elektrokemiska egenskaperna hos ren metall. Men på grund av miljöbestämmelser används denna metod för att förlänga livslängden på cellerna allt mindre (på kvicksilverfria celler kan du hitta inskriptionen eller) (1).

2. Alkalisk celllayout: 1) hölje (katodledning), 2) katod innehållande mangandioxid, 3) elektrodseparator, 4) anod innehållande KOH och zinkdamm, 5) anodterminal, 6) celltätning (elektrodisolator). .

Ett annat sätt att öka cellernas livslängd och liv är att lägga till zinkklorid ZnCl₂ för koppfyllningspasta. Celler av denna design kallas ofta Heavy Duty och (som namnet antyder) är designade för att driva mer energikrävande enheter.

Ett genombrott inom området för engångsbatterier var konstruktionen 1955 av alkalisk cell. Kanadensisk ingenjörs uppfinning Lewis Urry, som används av det nuvarande Energizer-företaget, har en struktur som skiljer sig något från den för Leclanchet-cellen.

För det första hittar du inte en grafitkatod eller en zinkkopp där. Båda elektroderna är gjorda i form av våta, separerade pastor (förtjockningsmedel plus reagens: katoden består av en blandning av mangandioxid och grafit, anoden av zinkdamm med en blandning av kaliumhydroxid), och deras terminaler är gjorda av metall ( 2). Reaktionerna som uppstår under drift är dock väldigt lika de som uppstår i Leclanchet-cellen.

En uppgift. Utför en "kemisk obduktion" på en alkalisk cell för att ta reda på att innehållet verkligen är alkaliskt (3). Kom ihåg att samma försiktighetsåtgärder gäller vid demontering av Leclanchet-cellen. Se fältet Batterikod för hur du identifierar en alkalisk cell.

3. "Sektion" av den alkaliska cellen bekräftar alkalihalten.

Hemgjorda batterier

4. Inhemska Ni-MH- och Ni-Cd-batterier.

Celler som kan laddas efter användning har varit målet för designers från början av utvecklingen av vetenskapen om elektricitet, därav de många typerna av dem.

För närvarande är en av modellerna som används för att driva små hushållsapparater nickel-kadmium batterier. Deras prototyp dök upp 1899 när en svensk uppfinnare gjorde det. Ernst Jungner ansökte om patent på ett nickel-kadmium-batteri som skulle kunna konkurrera med batterier som redan används i stor utsträckning inom bilindustrin. blybatteri.

Cellanoden är kadmium, katoden är en trevärd nickelförening, elektrolyten är en kaliumhydroxidlösning (i moderna "torra" konstruktioner, en våt pasta av förtjockningsmedel mättad med en KOH-lösning). Ni-Cd-batterier (detta är deras beteckning) har en driftspänning på cirka 1,2 V - detta är mindre än för engångsceller, vilket dock inte är ett problem för de flesta applikationer. Den stora fördelen är förmågan att förbruka betydande ström (även några ampere) och ett brett spektrum av driftstemperaturer.

5. Kontrollera kraven för olika typer av batterier innan laddning.

Nackdelen med nickel-kadmium-batterier är en betungande "minneseffekt". Detta inträffar när du ofta laddar delvis urladdade Ni-Cd-batterier: systemet beter sig som om dess kapacitet bara är lika med laddningen som fylls på genom laddning. I vissa typer av laddare kan "minneseffekten" minskas genom att ladda cellerna i ett speciellt läge.

Därför bör urladdade nickel-kadmium-batterier laddas i en hel cykel: först helt urladdade (med lämplig laddarfunktion) och sedan laddas om. Frekvent laddning minskar också den beräknade livslängden på 1000-1500 cykler (att många engångsceller kommer att ersättas av ett enda batteri under dess livstid, så den högre inköpskostnaden kommer att betala sig själv många gånger om, för att inte tala om mycket mindre belastning på batteriet ). miljö med produktion och bortskaffande av celler).

Ni-Cd-element som innehåller giftigt kadmium har ersatts nickel-metallhydridbatterier (Ni-MH-beteckning). Deras struktur liknar Ni-Cd-batterier, men istället för kadmium används en porös metallegering (Ti, V, Cr, Fe, Ni, Zr, sällsynta jordartsmetaller) med förmåga att absorbera väte (4). Driftspänningen för Ni-MH-cellen är också cirka 1,2 V, vilket gör att de kan användas omväxlande med NiCd-batterier. Kapaciteten hos nickelmetallhydridceller är större än nickelkadmiumceller av samma storlek. NiMH-system självurladdar dock snabbare. Det finns redan moderna mönster som inte har denna nackdel, men de kostar mycket mer än standardmodeller.

Nickel-metallhydridbatterier uppvisar ingen "minneseffekt" (delvis urladdade celler kan laddas). Det är dock alltid nödvändigt att kontrollera laddningskraven för varje typ i instruktionerna för laddaren (5).

När det gäller Ni-Cd- och Ni-MH-batterier rekommenderar vi inte att demonteras. För det första kommer vi inte att hitta något användbart i dem. För det andra är nickel och kadmium inte säkra grundämnen. Ta inte risker i onödan och lämna bortskaffandet till utbildad personal.

Kungen av ackumulatorer, det vill säga...

6. "Kung av batterier" på jobbet.

… Bly-syra batteri, byggd 1859 av en fransk fysiker Gastona Plantego (ja, ja, enheten fyller 161 år i år!). Batterielektrolyten är ca 37% svavelsyra (VI) lösning, och elektroderna är bly (anod) och bly belagda med ett lager av blydioxid PbO.₂ (katod). Under drift bildas en fällning av bly(II)(II)PbSO-sulfat på elektroderna₄. Vid laddning har en cell en spänning på mer än 2 volt.

blybatteri det har faktiskt alla nackdelar: betydande vikt, känslighet för urladdning och låga temperaturer, behovet av att lagra i laddat tillstånd, risken för aggressivt elektrolytläckage och användningen av giftig metall. Dessutom kräver det noggrann hantering: kontroll av elektrolytens densitet, tillsätt vatten till kamrarna (använd endast destillerat eller avjoniserat), spänningskontroll (att sjunka under 1,8 V i en kammare kan skada elektroderna) och ett speciellt laddningsläge.

Så varför är den antika strukturen fortfarande i bruk? "Kungen av ackumulatorer" har vad som är en egenskap hos en verklig härskare - makt. Hög strömförbrukning och hög energieffektivitet upp till 75 % (denna mängd energi som används för laddning kan återvinnas under drift), samt enkel design och låg produktionskostnad, gör att blybatteri Den används inte bara för att starta förbränningsmotorer, utan också som en del av nödströmförsörjningen. Trots 160 års historia går blybatteriet fortfarande bra och har inte ersatts av andra typer av dessa enheter (och med det blyet självt, som tack vare batteriet är en av de metaller som produceras i de största kvantiteterna) . Så länge som motorisering baserad på förbränningsmotorer fortsätter att utvecklas är det inte troligt att dess ställning är hotad (6).

Uppfinnare slutade inte försöka skapa en ersättning för blybatteriet. Några av modellerna blev populära och används än idag inom fordonsindustrin. Vid sekelskiftet XNUMX och XNUMX-talet skapades mönster där H-lösning inte användes.₂SO₄men alkaliska elektrolyter. Ett exempel är Ernst Jungners nickel-kadmiumbatteri som visas ovan. År 1901 Thomas Alva Edison ändrade designen till att använda järn istället för kadmium. Jämfört med sura batterier är alkaliska batterier mycket lättare, kan fungera vid låga temperaturer och är inte lika svåra att hantera. Deras produktion är dock dyrare och energieffektiviteten är lägre.

Så, vad är nästa?

Naturligtvis uttömmer inte artiklarna om batterier frågorna. De diskuterar till exempel inte litiumceller, som också vanligtvis används för att driva hushållsapparater som miniräknare eller datormoderkort. Du kan lära dig mer om dem i januariartikeln om förra årets Nobelpris i kemi, och om den praktiska delen - om en månad (inklusive rivning och erfarenhet).

Det finns goda möjligheter för celler, särskilt batterier. Världen blir mer och mer mobil, vilket innebär behovet av att bli oberoende av elkablar. Att säkerställa effektiv energiförsörjning för elfordon är också ett stort problem. – så att de kan konkurrera med bilar med förbränningsmotor även ekonomimässigt.

ackumulatorbatteri

För att underlätta identifiering av celltyp har en speciell alfanumerisk kod införts. För de typer som oftast finns i våra hem för små apparater, har den formen siffra-bokstav-bokstav-siffra.

Och ja:

- den första siffran är antalet celler; ignoreras för enstaka celler;

– den första bokstaven anger celltypen. När den saknas har du att göra med Leclanche-länken. Andra celltyper är märkta enligt följande:

C – litiumcell (den vanligaste typen),

H – Ni-MH batteri,

K – nickel-kadmium batteri,

L – alkaliska celler;

- följande bokstav anger formen på länken:

F - tallrik,

R - cylindrisk,

P - den allmänna beteckningen på länkar med annan form än cylindrisk;

– den slutliga siffran eller siffrorna anger storleken på länken (katalogvärden eller direkt anger mått) (7).

7. Mått på populära celler och batterier.

Markeringsexempel:

R03
- en zink-grafitcell på storleken av ett lillfinger. En annan beteckning är AAA eller.

LR6 - en alkalisk cell lika stor som ett finger. En annan beteckning är AA eller.

HR14 – Ni-MH-batteri; bokstaven C används också för att ange storlek.

KR20 – Ni-Cd-batteri, vars storlek också är märkt med bokstaven D.

3LR12 – ett tomt batteri med en spänning på 4,5 V, bestående av tre cylindriska alkaliska celler.

6F22 - 9-volts batteri, bestående av sex Leclanchet platta celler.

CR2032 – litiumcell med en diameter på 20 mm och en tjocklek på 3,2 mm.

Se även: