Реферат: Батареи и элементы питания (Аккумуляторы)
В последние годы выпускаются еще сухие герметичные МЦ-элементы со щелочным электролитом (КОН). Они бывают цилиндрические, дисковые и галетные, ёмкостъ у них в три – пять раз больше, чем у элементов с электролитом из нашатыря. Кроме того, они допускают несколько циклов подзаряда током с отдачей 10% емкости. У таких элементов центральный электрод цинковый и является минусом, то есть полярность выводов противоположна полярности выводов обычных МЦ-элементов. Элементы со щелочным электролитом применяются для длительной работы, например, в электронных часах. В обозначениях таких элементов впереди ставится буква А.
У всех элементов начальное напряжение составляет примерно 1,3 – 1,5 В, а конечное напряжение равно 0,7 – 1 В. Хранение сухих элементов или батарей в бездействующем состоянии перед их использованием не должно продолжаться более срока, указанного на них; в противном случае сохранение работоспособности не гарантируется. Однако при хранении в течение указанного срока происходит некоторое снижение емкости, но не больше, чем на одну треть.
В последнее время выпускаются ещё малогабаритные оксидно – ртутные (ртутно – цинковые) герметичные элементы, имеющие более высокие качества, нежели элементы типа МЦ. Устройство оксидно – ртутных элементов показано на рис. 5. Элемент имеет стальной корпус состоящий из двух половин, отделенных друг от друга герметизирующей изоляционной прокладкой из резины.
В одну половину корпуса впрессована активная масса из оксида ртути (HgO) с графитом, являющаяся положительным электродом. Отрицательным электродом служит цинковый порошок, впрессованный в другую половину корпуса. Щелочной электролит (КОН) пропитывает пористую прокладку, разделяющую электроды. Эти элементы выпускаются разных размеров и разной емкости (от десятых долей ампер-часа до нескольких ампер-
часов). ЭДС у них составляет примерно 1,35 В. Срок хранения этих элементов 2,5 года. Саморазряд не превышает 1 % в год. По сравнению с МЦ-элементами ртут-
 |
Рис. 5. Устройство герметичного оксиднво-ртутного элемента;
1 – стальной корпус с положительным электродом; 2 – пористая прокладка; 3 – резиновая уплотняющая прокладка; 4 – крышка корпуса с отрицательным электродом.
но – цинковые элементы имеют большую емкость, меньшее внутреннее сопротивление, но более высокую стоимость. Они широко применяются в электронных часах, кардиостимуляторах, фотоэкспонометрах, измерительных приборах. У самых малогабаритных элементов размеры составляют всего лишь несколько миллиметров, а масса – десятые доли грамма.
Важной особенностью оксидно-ртутных элементов является стабильность напряжения при разряде. Только в самом конце разряда напряжение резко падает до нуля.
3. СОЕДИНЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ В БАТАРЕИ.
Выше говорилось, что ЭДС обычного химического элемента приблизительно равна 1,5 В. Для увеличения ЭДС применяют батарею с последовательным соединением элементов. В этом случае “+” одного элемента соединяют с “–” другого и т. д. “Минус” первого и “плюс” последнего являются полюсами всей батареи (рис. 6.).
При последовательном соединении элементов ЭДС возрастает во столько раз, сколько соединено элементов.
Рис.6. Последовательное и параллельное соединение элементов в батарею.
Реже встречается параллельное соединение элементов, при котором положительные полюсы всех элементов соединяются вместе, образуя положительный полюс батареи, а отрицательный полюс батареи получается путем соединения отрицательных полюсов элементов (рис. 6). При параллельном соединении элементов ЭДС батареи не увеличивается, но возрастают емкость и максимальный разрядный ток. Поэтому параллельное соединение применяют, когда нужно получить больший разрядный ток и большую емкость, чем у одного элемента.
Значительно чаще прибегают к смешанному соединению, при котором увеличиваются и ЭДС, и емкость, и максимальный разрядный ток. В этом случае обычно соединяют параллельно несколько групп элементов, а в каждой группе соединяют последовательно столько элементов сколько нужно для получения необходимой ЭДС.
Рис. 7. Смешанное соединение элементов в батарею.
Число параллельных групп определяется необходимой величиной максимального разрядного тока (рис. 7). Вообще желательно составлять батареи из последовательно соединённых элементов с достаточным разрядным током. И только в случае, когда необходимо получить больший ток или увеличенную емкость, прибегают к смешанному соединению. Включение дополнительных элементов по принципу смешанного соединения применяется также для повышения напряжения, если элементы сильно разрядились.
Во время бездействия батареи параллельные группы элементов надо отсоединять друг от друга, так как за счет даже незначительной разницы в ЭДС одна группа может разряжаться на другую.
4. КИСЛОТНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ.
По сравнению с гальваническими элементами аккумулятор обладают более постоянным напряжением и могут давать большие разрядные токи. Недостатком аккумуляторов является необходимость периодического заряда их от какого-либо источника постоянного тока.
Срок службы аккумуляторов значительно выше, чем гальванических элементов. При правильном уходе аккумуляторы могут работать несколько лет и допускают до нескольких сотен циклов заряд-разряд.
Простейший кислотный (свинцовый) аккумулятор состоит из двух свинцовых пластин, опущенных в раствор серной кислоты. В таком виде он не дает никакой разности потенциалов. Чтобы в аккумуляторе возникла ЭДС, его нужно зарядить, то есть пропустить через него постоянный ток от какого-либо источника. Во время заряда в аккумуляторе происходит химическое разложение серной кислоты, причем на катоде выделяется водород, а на аноде – кислород. Последний окисляет поверхность анодной пластины, и она покрывается коричневым слоем диоксида свинца; катодная пластина остается чисто свинцовой. В результате получается элемент с двумя разнородными пластинами в растворе кислоты. Если теперь отсоединить заряжающий источник, то окажется, что аккумулятор обладает некоторой ЭДС и при включении на внешнюю цепь может дать ток.
Во время разряда аккумулятора направление тока противоположно направлению зарядного тока и химические процессы при разряде происходят в обратном порядке: на положительной пластине выделяется водород, а на отрицательной – кислород. Вследствие этого через некоторое время обе пластины становятся одинаковыми и ЭДС аккумулятора уменьшается до нуля. Если аккумулятор снова зарядить, то он опять будет давать ток, пока не разрядится.
При заряде аккумулятор накапливает энергию, а при разряде отдает ее. Само слово «аккумулятор» означает накопитель. Однако электрическая энергия накапливается в аккумуляторе не непосредственно. Энергия зарядного тока расходуется на создание новых химических веществ, а при разряде они разлагаются и почти полностью отдают энергию, затраченную на их образование. В нормальном режиме работы аккумулятор отдает около 75 % энергии, полученной при заряде.
Свинцовый аккумулятор имеет ЭДС примерно 2 В. Внутреннее сопротивление у него очень невелико, рабочее напряжение можно считать равным ЭДС. К концу заряда ЭДС аккумулятора увеличивается до 2,7 В, но при разряде сначала быстро снижается до 2 В, а затем остается почти постоянной. Лишь в конце разряда ЭДС довольно быстро уменьшается до 1,8 В. Ниже этого напряжения разряжать аккумулятор не следует.
Рассмотрим процессы, происходящие в свинцовом аккумуляторе. Свинцовые пластинки в воздухе всегда покрыты пленкой оксида свинца PbO. Под действием серной кислоты оксид свинца превращается в сернокислый свинец (сульфат свинца) PbSO4 , по уравнению
PbO+ Н2 SO4 = PbSO4 + Н2 О.
При заряде серная кислота разлагается на ионы Н2 и SO4 . Отрицательные ионы SO4 подходят к аноду и превращают сульфат свинца в диокид свинца PbO2 :
PbSO4 + SO2 + 2Н2 О = PbO2 + 2Н2 SO4 .
Ионы водорода во время заряда подходят к катоду и восстанавливают на его поверхности чистый свинец:
PbSO4 + Н2 = Pb + Н2 SO4 .
Как видно, при заряде образуется серная кислота, то есть концентрация ее в растворе возрастает. Так как разрядный ток противоположен по направлению зарядному, то все реакции при разряде происходят в обратную сторону (написанные выше уравнения надо читать в обратном направлении). Поэтому в конце разряда пластины снова будут покрыты сульфатом свинца. Концентрация серной кислоты при разряде уменьшается.
Аккумулятор из двух свинцовых пластин мало пригоден для практического использования. Он обладает слишком небольшой емкостью и может давать ток весьма непродолжительное время, так как диоксида свинца при заряде получается мало.
Пластины современных аккумуляторов изготовляются решетчатыми (рис.8) и заполняются активной массой, состоящей из диоксида свинца для положительных пластик и губчатого (мелко раздробленного) свинца для отрицательных.
Применение пластин с активной массой значительно повышает ёмкость аккумулятора. Кроме того, для увеличения емкости в аккумуляторе устанавливают не две пластины, а большее их количество (например, пять