Galvanikus cellák és akkumulátorok — készülék, működési elv, típusok
Alacsony teljesítményű elektromos energiaforrások
A galvanikus cellákat és akkumulátorokat hordozható elektromos és rádióberendezések táplálására használják.
Galvanikus cellák – ezek egyszeri hatások forrásai, akkumulátorok — újrafelhasználható akcióforrások.
A legegyszerűbb galvanikus elem
A legegyszerűbb elem két csíkból készülhet: rézből és kénsavval enyhén savanyított vízbe merített cinkből. Ha a cink elég tiszta ahhoz, hogy ne legyen helyi reakció, akkor nem történik észrevehető változás, amíg a réz és a cink össze nem jön.
A csíkok azonban eltérő potenciállal rendelkeznek, egyik a másikhoz képest, és ha vezetékkel csatlakoztatják, akkor megjelennek elektromosság… Ezzel a művelettel a cinkcsík fokozatosan feloldódik, és a rézelektróda közelében gázbuborékok képződnek, amelyek összegyűlnek a felületén. Ez a gáz az elektrolit által termelt hidrogén. Az elektromos áram a rézszalagból a huzalon keresztül a cinkcsíkba folyik, és onnan az elektroliton keresztül vissza a rézbe.
Az elektrolit kénsavait fokozatosan a cinkelektróda oldott részéből képződött cink-szulfát váltja fel. Ez csökkenti a cella feszültségét. Azonban még nagyobb feszültségesést okoz a rézen képződő gázbuborékok. Mindkét tevékenység „polarizációt” okoz. Az ilyen tárgyaknak szinte nincs gyakorlati értéke.
A galvánelemek fontos paraméterei
A galvánelemek által adott feszültség nagysága csak azok típusától és eszközétől, azaz az elektródák anyagától és az elektrolit kémiai összetételétől függ, de nem függ a cellák alakjától és méretétől.
A galvanikus cella által biztosítható áramot a belső ellenállása korlátozza.
A galvánelem nagyon fontos jellemzője az elektromos kapacitás… Az elektromos kapacitás az a villamosenergia-mennyiség, amelyet egy galván- vagy tárolócella működése során, azaz a végső kisütés kezdetéig képes leadni.
A cella által megadott kapacitást úgy határozzuk meg, hogy megszorozzuk a kisülési áram erősségét, amperben kifejezve, azzal az órákban mért idővel, amely alatt a cella a teljes kisütés kezdetéig kisütt. Ezért a kapacitást mindig amperórában (Ah) fejezzük ki.
A cella kapacitásának értékével azt is előre meg lehet határozni, hogy hány órát fog működni a teljes kisütés megkezdése előtt. Ehhez el kell osztani a kapacitást az ehhez az elemhez megengedett kisülési áram erősségével.
A kapacitás azonban nem szigorúan állandó. Meglehetősen nagy határok között változik az elem működési körülményeitől (üzemmódjától) és a végső kisülési feszültségtől függően.
Ha a cellát maximális áramerősséggel, ráadásul megszakítás nélkül kisütjük, sokkal kisebb kapacitást ad. Ellenkezőleg, ha ugyanazt a cellát kisebb áramerősséggel, gyakori és viszonylag hosszú megszakításokkal kisütjük, a cella feladja teljes kapacitását.
Ami a végső kisülési feszültség cellakapacitásra gyakorolt hatását illeti, szem előtt kell tartani, hogy a galvánelem kisülése során az üzemi feszültség nem marad ugyanazon a szinten, hanem fokozatosan csökken.
Az elektrokémiai cellák gyakori típusai
A legelterjedtebb galvanikus cellák a mangán-cink, mangán-levegő, levegő-cink és higany-cink rendszerek sóval és lúgos elektrolittal A száraz mangán-cink cellák sóelektrolittal 1,4-1,55 V kezdeti feszültséggel rendelkeznek, a működés időtartama -20 és -60 közötti környezeti hőmérsékleten, reggel 7 és 340 között
A lúgos elektrolitot tartalmazó száraz cink-mangán és cink-levegő cellák feszültsége 0,75-0,9 V, működési ideje 6-45 óra.
A száraz higany-cink cellák indítófeszültsége 1,22-1,25 V, működési ideje 24-55 óra.
A száraz higany-cink cellák garantált eltarthatósága a leghosszabb, akár 30 hónap.
Elemek
Elemek Ezek másodlagos elektrokémiai cellák, a galvánelemekkel ellentétben az akkumulátorban közvetlenül az összeszerelés után nem mennek végbe kémiai folyamatok.
Ahhoz, hogy az akkumulátor az elektromos töltések mozgásával összefüggő kémiai reakciókat indítson el, szükséges az elektródák (és részben az elektrolit) kémiai összetételének megfelelő megváltoztatása.Az elektródák kémiai összetételének ez a változása az akkumulátoron áthaladó elektromos áram hatására következik be.
Ezért ahhoz, hogy egy akkumulátor elektromos áramot tudjon termelni, először valamilyen külső áramforrásból származó egyenárammal kell "tölteni".
Az akkumulátorok abban is különböznek a hagyományos galvanikus celláktól, hogy kisütés után újratölthetők. Megfelelő gondossággal és normál működési körülmények között az akkumulátorok akár több ezer töltést és kisütést is kibírnak.
Akkumulátoros készülék
Jelenleg a gyakorlatban leggyakrabban ólom- és kadmium-nikkel akkumulátorokat használnak. Az első oldatban a kénsav elektrolitként, a másodikban a lúg vizes oldata szolgál. Az ólom-savas akkumulátorokat savas és nikkel-kadmium-alkáli akkumulátoroknak is nevezik.
Az akkumulátorok működési elve az elektródák polarizációján alapul elektrolízis során... A legegyszerűbb savas akkumulátor a következőképpen épül fel: két elektrolitba merített ólomlemez. A kémiai szubsztitúciós reakció eredményeként a lemezeket vékony PbSO4 ólom-szulfát bevonat borítja, a Pb + H2SO4 = PbSO4 + H2 képlet szerint.
Savas akkumulátoros készülék
A lemezek ilyen állapota lemerült akkumulátornak felel meg. Ha az akkumulátor most be van kapcsolva a töltéshez, vagyis egy egyenáramú generátorhoz csatlakozik, akkor az elektrolízis következtében megindul benne a lemezek polarizációja. Az akkumulátor töltése következtében a lemezei polarizálódnak, azaz a felületükön lévő anyagot homogénről (PbSO4) különbözőre (Pb és PbO2) változtatják.
Az akkumulátor válik áramforrássá, pozitív elektródaként egy ólom-dioxiddal bevont lemezzel, negatív elektródaként pedig tiszta ólomlemezzel.
A töltés végére az elektrolit koncentrációja megnő, mivel további kénsavmolekulák jelennek meg benne.
Ez az egyik jellemzője az ólom-savas akkumulátornak: elektrolitja nem marad semleges, és maga is részt vesz a kémiai reakciókban az akkumulátor működése során.
A kisütés végén az akkumulátor mindkét lemezét ismét ólom-szulfát borítja, aminek következtében az akkumulátor megszűnik áramforrás lenni. Az akkumulátor soha nem kerül ebbe az állapotba. A lemezeken ólom-szulfát képződése miatt a kisülés végén az elektrolit koncentrációja csökken. Ha az akkumulátor fel van töltve, akkor a polarizáció ismét előidézheti, hogy ismét lemerül, stb.
Hogyan kell feltölteni az akkumulátort
Az akkumulátorok töltésének többféle módja van. A legegyszerűbb az akkumulátor normál töltése, amely a következőképpen történik. Kezdetben 5-6 órán keresztül a töltés kétszeres normálárammal történik, amíg az egyes akkumulátorok feszültsége el nem éri a 2,4 V-ot.
A normál töltőáramot az Aztax = Q / 16 képlet határozza meg
ahol Q – az akkumulátor névleges kapacitása, Ah.
Ezt követően a töltőáram normál értékre csökken, és a töltés 15-18 órán keresztül folytatódik, amíg a töltés befejezésének jelei meg nem jelennek.
Modern akkumulátorok
A nikkel-kadmium vagy alkáli elemek sokkal később jelentek meg, mint az ólomelemek, és ezekhez képest modernebb kémiai áramforrások.Az alkáli elemek fő előnye az ólomelemekkel szemben az elektrolit kémiai semlegességében rejlik a lemezek aktív tömegéhez viszonyítva. Ezért az alkáli elemek önkisülése lényegesen alacsonyabb, mint az ólom-savas akkumulátoroké. Az alkáli elemek működési elve az elektródák polarizációján is alapul az elektrolízis során.
A rádióberendezések táplálására zárt kadmium-nikkel akkumulátorokat gyártanak, amelyek -30 és +50 °C közötti hőmérsékleten hatékonyak, és 400-600 töltési-kisütési ciklust bírnak. Ezek az akkumulátorok kompakt paralelepipedonok és korongok formájában készülnek, amelyek súlya néhány grammtól kilogrammig terjed.
A nikkel-hidrogén akkumulátorokat autonóm tárgyak táplálására gyártják. A nikkel-hidrogén akkumulátor fajlagos energiája 50-60 Wh kg-1.