Галванске ћелије и батерије — уређај, принцип рада, врсте

Извори електричне енергије мале снаге

Галванске ћелије и батерије се користе за напајање преносне електричне и радио опреме.

Галванске ћелије — то су извори једнократних акција, акумулатори — вишекратни извори деловања.

Најједноставнији галвански елемент

Најједноставнији елемент се може направити од две траке: бакра и цинка потопљених у воду благо закисељену сумпорном киселином. Ако је цинк довољно чист да нема локалних реакција, неће доћи до приметне промене док се бакар и цинк не споје.

Међутим, траке имају другачији потенцијал, једна у односу на другу, а када су повезане жицом, појавиће се електрична енергија… Овим деловањем трака цинка ће се постепено растворити и у близини бакарне електроде ће се формирати мехурићи гаса који ће се скупљати на њеној површини. Овај гас је водоник који ствара електролит. Електрична струја тече од бакарне траке дуж жице до траке цинка, а од ње кроз електролит назад до бакра.

Постепено, сумпорна киселина електролита се замењује цинк сулфатом формираним из раствореног дела цинк електроде. Ово смањује напон ћелије. Међутим, још већи пад напона је узрокован стварањем гасних мехурића на бакру. Обе радње изазивају 'поларизацију'. Такви предмети немају скоро никакву практичну вредност.

Важни параметри галванских ћелија

Величина напона који дају галванске ћелије зависи само од њиховог типа и уређаја, односно од материјала електрода и хемијског састава електролита, али не зависи од облика и величине ћелија.

Струја коју галванска ћелија може да обезбеди ограничена је њеним унутрашњим отпором.

Веома важна карактеристика галванске ћелије је електрични капацитет… Електрични капацитет означава количину електричне енергије коју галванска или ћелија за складиштење може да испоручи током свог рада, односно до почетка коначног пражњења.

Капацитет који даје ћелија одређује се множењем јачине струје пражњења, изражене у амперима, временом у сатима током којег је ћелија била испражњена до почетка потпуног пражњења. Стога се капацитет увек изражава у ампер-сатима (Ах).

По вредности капацитета ћелије такође је могуће унапред одредити колико ће сати радити пре почетка потпуног пражњења. Да бисте то урадили, потребно је да поделите капацитет са јачином струје пражњења која је дозвољена за овај елемент.

Међутим, капацитет није стриктно константан. Она варира у прилично великим границама у зависности од услова рада (режима) елемента и коначног напона пражњења.

Ако се ћелија испразни максималном струјом и, штавише, без прекида, то ће дати много мањи капацитет. Напротив, када се иста ћелија празни при мањој струји и са честим и релативно дугим прекидима, ћелија ће одустати од свог пуног капацитета.

Што се тиче утицаја коначног напона пражњења на капацитет ћелије, треба имати у виду да током пражњења галванске ћелије њен радни напон не остаје на истом нивоу, већ се постепено смањује.

Уобичајени типови електрохемијских ћелија

Најзаступљеније галванске ћелије су манган-цинк, манган-ваздух, ваздух-цинк и жива-цинк системи са сланим и алкалним електролитима.Суве манган-цинк ћелије са сланим електролитом имају почетни напон од 1,4 до 1,55 В, трајање рада на температури околине од -20 до -60 Од 7 до 340 ујутру

Суве ћелије цинк-манган и цинк-ваздух са алкалним електролитом имају напон од 0,75 до 0,9 В и време рада од 6 сати до 45 сати.

Суве живино-цинк ћелије имају почетни напон од 1,22 до 1,25 В и време рада од 24 сата до 55 сати.

Суве ћелије живина-цинк имају најдужи гарантовани век трајања до 30 месеци.

Батерије

Батерије Ово су секундарне електрохемијске ћелије.За разлику од галванских ћелија, у батерији се не одвијају хемијски процеси одмах након склапања.

Да би батерија покренула хемијске реакције повезане са кретањем електричних наелектрисања, потребно је на одговарајући начин променити хемијски састав њених електрода (а делимично и електролита).Ова промена у хемијском саставу електрода настаје под дејством електричне струје која пролази кроз батерију.

Дакле, да би батерија производила електричну струју, прво се мора „напунити“ једносмерном електричном струјом из неког спољашњег извора струје.

Батерије се разликују од конвенционалних галванских ћелија и по томе што се након пражњења могу поново пунити. Уз добру негу и под нормалним условима рада, батерије могу да издрже и до неколико хиљада пуњења и пражњења.
Уређај на батерије

Тренутно се у пракси најчешће користе оловне и кадмијум-никл батерије. У првом раствор сумпорне киселине служи као електролит, ау другом раствор алкалија у води. Оловне батерије се називају и киселе, а никл-кадмијум-алкалне батерије.

Принцип рада батерија заснива се на поларизацији електрода током електролизе... Најједноставнија киселинска батерија је структурисана на следећи начин: то су две оловне плоче уроњене у електролит. Као резултат реакције хемијске супституције, плоче су прекривене танким слојем оловног сулфата ПбСО4, као што следи из формуле Пб + Х2СО4 = ПбСО4 + Х2.

Уређај за киселу батерију

Ово стање плоча одговара испражњеној батерији. Ако је батерија сада укључена за пуњење, односно повезана са генератором једносмерне струје, тада ће у њој почети поларизација плоча услед електролизе. Као резултат пуњења батерије, њене плоче су поларизоване, односно мењају супстанцу на својој површини и од хомогене (ПбСО4) до различите (Пб и ПбО2).

Батерија постаје извор струје, са плочом обложеном оловним диоксидом као позитивном електродом и чистом оловном плочом као негативном електродом.

До краја пуњења, концентрација електролита се повећава због појаве додатних молекула сумпорне киселине у њему.

Ово је једна од карактеристика оловне батерије: њен електролит не остаје неутралан и сам учествује у хемијским реакцијама током рада батерије.

До краја пражњења, обе плоче батерије су поново прекривене оловним сулфатом, због чега батерија престаје да буде извор струје. Батерија се никада не доводи у ово стање. Због формирања оловног сулфата на плочама, концентрација електролита се смањује на крају пражњења. Ако је батерија напуњена, онда се поларизација може поново изазвати да се поново испразни, итд.

Како напунити батерију

Постоји неколико начина за пуњење батерија. Најједноставније је нормално пуњење батерије, које се ради на следећи начин. У почетку, током 5-6 сати, пуњење се врши двоструком нормалном струјом док напон сваке батерије не достигне 2,4 В.

Нормална струја пуњења је одређена формулом Азтак = К / 16

где је К - називни капацитет батерије, Ах.

Након тога, струја пуњења се смањује на нормалну вредност и пуњење се наставља 15-18 сати док се не појаве знаци краја пуњења.

Модерне батерије

Никл-кадмијум или алкалне батерије појавиле су се много касније од оловних батерија, а у поређењу са њима су савременији извори хемијске струје.Главна предност алкалних батерија у односу на оловне лежи у хемијској неутралности њиховог електролита у односу на активне масе плоча. Због тога је самопражњење алкалних батерија знатно ниже него код оловно-киселинских батерија. Принцип рада алкалних батерија такође се заснива на поларизацији електрода током електролизе.

За напајање радио опреме производе се затворене кадмијум-никл батерије које су ефикасне на температурама од -30 до +50 ОЦ и издржавају 400 — 600 циклуса пуњења-пражњења. Ови акумулатори су направљени у облику компактних паралелепипеда и дискова тежине од неколико грама до килограма.

Никл-водоник батерије се производе за напајање аутономних објеката. Специфична енергија никл-водоникове батерије је 50 — 60 Вх кг-1.