Гальванические элементы. Аккумуляторы


	Загрузить архив:
	Файл: ref-7903.zip (16kb [zip], Скачиваний: 274) скачать

г.Кызыл, ТГУ

РЕФЕРАТ

Тема:"Гальванические элементы. Аккумуляторы."

Составила: Спиридонова В.А.

I курс, IV гр., ФМФ

Проверила: Кендиван О.Д.

2001 г.

СОДЕРЖАНИЕ:

I.Введение

II.Гальванические источники тока

1. Типы гальванических элементов

III.Аккумуляторы

1.Кислотные

2.Щелочные

3.Герметичные никель-кадмиевые

4.Герметичные

5.Аккумуляторы технологии "DRYFIT"

ВВЕДЕНИЕ

Химические источникитока(ХИТ) втечениимногих лет

прочно вошливнашу жизнь. В быту потребитель редко обращает

внимание на отличия используемых ХИТ. Для него это батарейкии

аккумуляторы. Обычно они используются в устройствах таких, как

карманные фонари, игрушки, радиоприемники или автомобили.

В том случае, когдапотребляемаямощность относительно

велика (10Ач), используются аккумуляторы, в основном кислотные,

атакженикель-железные и никель-кадмиевые. Они применяются в

портативных ЭВМ (Laptop, Notebook, Palmtop), носимыхсредствах

связи, аварийном освещении и пр.

В последние годы такие аккумуляторы широко применяютсяв

резервных источниках питания ЭВМ иэлектромеханических

системах, накапливающих энергию для возможных пиковыхнагрузок

и аварийного питания электроэнергией жизненно-важных систем.

ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА

Гальванические источники тока одноразовогодействия

представляют собойунифицированный контейнер, в котором

находятся электролит, абсорбируемый активным материалом

сепаратора, и электроды (анод и катод), поэтому ониназываются

сухими элементами.Этоттермин используется применительно ко

всем элементам, не содержащим жидкогоэлектролита. Кобычным

сухим элементамотносятсяуглеродно-цинковыеэлементы.

Сухие элементы применяются при малых токах ипрерывистых

режимах работы.Поэтомутакие элементы широко используются в

телефонных аппаратах, игрушках, системах сигнализации и др.

Действие любого гальванического элемента основано на протекании в нем окислительно-восстановительной реакции. В простейшем случае гальванический элемент состоит из двух пластин или стержней, изготовленных из различных металлов и погруженных в раствор электролита. Такая система делает возможным пространственное разделение окислительно-восстановительной реакции:окисление протекает на одном металле, а восстановление - на другом. Таким образом, электроны передаются от восстановителя к окислителю по внешней цепи.

Рассмотрим в качестве примера медно-цинковый гальванический элемент, работающий за счет энергии приведенной выше реакции между цинком и сульфатом меди. Этот элемент (элемент Якоби-Даниэля) состоит из медной пластины, погруженной в раствор сульфата меди (медный электрод), и цинковой пластины, погруженной в раствор сульфата цинка (цинковый электрод). Оба раствора соприкасаются друг с другом, но для предупреждения смешивания они разделены перегородкой, изготовленной из пористого материала.

При работе элемента, т.е. при замкнутой цепи, цинк окисляется: на поверхности его соприкосновения с раствором атомы цинка превращаются в ионы и, гидратируясь, переходят в раствор. Высвобождающиеся при этом электроны движутся по внешней цепи к медному электроду. Вся совокупность этих процессов схематически изображается уравнением полуреакции, или электрохимическим уравнением:

Zn = Zn2+ + 2e-

На медном электроде протекает восстановление ионов меди. Электроны, приходящие сюда от цинкового электрода, соединяются с выходящими из раствора дегидратирующимися ионами меди; образуются атомы меди, выделяющиеся в виде металла. Соответствующее электрохимическое уравнение имеет вид:

Cu2++ 2e-= Cu

Суммарное уравнение реакции, протекающей в элементе, получится при сложении уравнений обеих полуреакций. Таким образом, при работе гальванического элемента, электроны от восстановителя переходят к окислителю по внешней цепи, на электродах идут электрохимические процессы, в растворе наблюдается направленное движение ионов.

Электрод, на котором протекает окисление, называется анодом(цинк). Электрод, на котором протекает восстановление, называется катодом (медь).

В принципе электрическую энергию может дать любая окислительно-восстановительная реакция. Однако, число реакций,

практически используемых в химических источниках электрической энергии, невелико. Это связано с тем, что не всякая окислительно-восстановительная реакция позволяет создать гальванический элемент, обладающий технически ценными свойствами. Кроме того, многие окислительно-восстановительные реакции требуют расхода дорогостоящих веществ.

В отличие от медно-цинкового элемента, во всех современных гальванических элементах и аккумуляторах используют не два, а один электролит; такие источники тока значительно удобнее в эксплуатации.

ТИПЫ ГАЛЬВАНИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Угольно-цинковые элементы

Угольно-цинковыеэлементы(марганец-цинковые) являются

самыми распространенными сухими элементами. В угольно-цинковых

элементах используется пассивный (угольный)коллектор токав

контакте санодомиз двуокиси марганца (MnO2), электролит из

хлорида аммония и катодомиз цинка.Электролитнаходится в

пастообразном состоянииилипропитывает пористую диафрагму.

Такой электролитмалоподвижен инерастекается, поэтому

элементы называются сухими.

Угольно-цинковые элементы "восстанавливаются" втечении

перерыва в работе. Это явлениеобусловленопостепенным

выравниванием локальных неоднородностей в композиции

электролита, возникающихвпроцессе разряда.Врезультате

периодического "отдыха" срок службы элемента продлевается.

Достоинством угольно-цинковых элементов является их

относительно низкаястоимость.К существеннымнедостаткам

следует отнести значительное снижение напряженияприразряде,

невысокую удельнуюмощность(5...10 Вт/кг) ималыйсрок

хранения.

Низкиетемпературыснижают эффективностьиспользования

гальванических элементов,авнутренний разогрев батареи его

повышает. Повышение температуры вызываетхимическую коррозию цинкового электрода водой,содержащейся вэлектролите,ивысыхание электролита.Этифакторы удаетсянесколькокомпенсироватьвыдержкой батареипри повышеннойтемпературеи введением внутрь элемента, через предварительнопроделанное отверстие, солевого раствора.

Щелочные элементы

Как и в угольно-цинковых, в щелочных элементах используется анод из MnO2 и цинковый катод с разделенным электролитом.

Отличие щелочных элементов от угольно-цинковых заключается

в применении щелочного электролита, вследствие чего

газовыделениепри разрядефактически отсутствует, и их можно

выполнять герметичными, что оченьважно дляцелогоряда их

применений.

Ртутные элементы

Ртутные элементы очень похожи на щелочные элементы. В них

используется оксид ртути (HgO). Катод состоит из смеси порошка

цинка и ртути. Анод и катод разделены сепаратором и диафрагмой,

пропитанной 40% раствором щелочи.

Так как ртуть дефицитна и токсична,ртутные элементыне

следует выбрасывать после их полного использования. Они должны

поступать на вторичную переработку.

Серебряные элементы

Они имеют "серебряные" катоды из Ag2O и AgO.

Литиевые элементы

В них применяются литиевые аноды, органический электролит

икатодыиз различных материалов. Они обладают очень большими

сроками хранения, высокими плотностями энергии и работоспособны

в широком интервале температур, поскольку не содержат воды.

Так как литий обладает наивысшим отрицательным потенциалом

по отношению ко всем металлам, литиевые элементы

характеризуются наибольшим номинальным напряжением при

минимальных габаритах.

Ионная проводимость обеспечивается введением в

растворители солей, имеющих анионы больших размеров.

К недостаткам литиевыхэлементовследует отнестиих

относительно высокую стоимость,обусловленнуювысокой ценой

лития, особымитребованиямик их производству (необходимость

инертной атмосферы, очистканеводных растворителей).Следует

также учитывать,чтонекоторые литиевыеэлементы приих

вскрытии взрывоопасны.

Литиевыеэлементы широкоприменяются в резервных источниках питания схемпамяти, измерительных приборах и прочих высокотехнологичных системах.

III

АККУМУЛЯТОРЫ

Аккумуляторы являются химическими источниками

электрической энергии многоразового действия.Они состоятиз

двух электродов (положительного и отрицательного), электролита

и корпуса. Накопление энергиив аккумуляторепроисходитпри

протекании химической реакции окисления-восстановления

электродов. Приразрядеаккумулятора происходят обратные

процессы. Напряжениеаккумулятора - это разность потенциалов

между полюсами аккумулятора при фиксированной нагрузке.

Для получения достаточно больших значений напряженийили

заряда отдельные аккумуляторы соединяются между собой

последовательно илипараллельнов батареи.Существуетряд

общепринятых напряженийдляаккумуляторных батарей: 2; 4; 6;

12; 24 В.

Ограничимся рассмотрением следующих аккумуляторов:

кислотныхаккумуляторов,выполненных по традиционной

технологии;

стационарных свинцовых и приводных(автомобильныхи

тракторных);

герметичныхнеобслуживаемыхаккумуляторов, герметичных

никель-кадмиевых и кислотных "dryfit" А400 и А500 (желеобразный

электролит).

КИСЛОТНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

В качестве примера рассмотрим готовый к употреблению свинцовый аккумулятор. Он состоит из решетчатых свинцовых пластин, одни из которых заполнены диоксидом свинца, а другие - металлическим губчатым свинцом. Пластины погружены в 35-40%раствор H2SO4; при этой концентрации удельная электропроводность раствора серной кислоты максимальна.

При работе аккумулятора - при его разряде - в нем протекает окислительно-восстановительная реакция, в ходе которой металлический свинец окисляется:

Pb+ SO4= PbSO4 + 2e-

А диоксид свинца восстанавливается:

Pb+ SO4 + 4H++ 2e-= PbSO4 + 2H2O

Электроны, отдаваемые атомами металлического свинца при окислении, принимаются атомами свинца PbO2при восстановлении; электроны передаются от одного электрода к другому по внешней цепи.

Таким образом, металлический свинец служит в свинцовом аккумуляторе анодом и заряжен отрицательно, а PbO2служит катодом и заряжен положительно.

Во внутренней цепи (в растворе H2SO4) при работе аккумулятора происходит перенос ионов. Ионы SO42-движутся к аноду, а ионы H+- к катоду. Направление этого движения обусловлено электрическим полем, возникающим в результате протекания электродных процессов: у анода расходуются анионы, а у катода - катионы. В итоге раствор остается электронейтральным.

Если сложить уравнения, отвечающие окислению свинца и восстановлению PbO2, то получится суммарное уравнение реакции,

протекающей в свинцовом аккумуляторе при его работе (разряде):

Pb + PbO2 + 4H++ 2SO4= 2PbSO4 + 2H2O

Э.д.с. заряженного свинцового аккумулятора равна приблизительно 2В. По мере разряда аккумулятора материалы его катода (PbO2) и анода (Pb) расходуются. Расходуется и серная кислота. При этом напряжение на зажимах аккумулятора падает. Когда оно становится меньше значения, допускаемого условиями эксплуатации, аккумулятор вновь заряжают.

Для зарядки (или заряда) аккумулятор подключают к внешнему источнику тока (плюсом к плюсу и минусом к минусу). При этом ток протекает через аккумулятор в направлении, обратном тому, в котором он проходил при разряде аккумулятора. В результате этого электрохимические процессы на электродах "обращаются". На свинцовом электроде теперь происходит процесс восстановления

PbSO4+ 2e- = Pb + SO4

т.е. этод электрод становится катодом. На электроде из PbO2 идет процесс окисления

PbSO4 + 2H2O = PbO2 + 4H++ 2e-

следовательно этот электрод является теперь анодом. Ионы в растворе движутся в направлениях, обратных тем, в которых они перемещались при работе аккумулятора.

Складывая два последние уравнения, получим уравнение реакции, протекающей при зарядке аккумулятора:

2PbSO4 + 2H2O = Pb + PbO2 + 4H++ 2SO4

Нетрудно заметить, что этот процесс противоположен тому, который протекает при работе аккумулятора: при зарядке аккумулятора в нем вновь получаются вещества, необходимые для его работы.

Свинцовые аккумуляторы обычно соединяют в батарею, которую

помещают вмоноблокиз эбонита, термопласта, полипропилена,

полистирола, полиэтилена, асфальтопековой композиции,керамики

или стекла.

Однойизважнейших характеристикаккумулятора является

срок службы илиресурс-наработка(число циклов).Ухудшение

параметров аккумулятораи выход из строя обусловлены в первую

очередь коррозиейрешетки и оползанием активной массы

положительного электрода. Срок службы аккумулятора определяется

впервуюочередь типомположительныхпластин иусловиями

эксплуатации.

Совершенствованиесвинцовыхаккумуляторов идетпо пути

изыскания новых сплавовдля решеток (например свинцово- кальциевых), облегченных и прочных материалов корпусов

(например, на основе сополимера пропилена и этилена), улучшения

качества сепараторов.

ЩЕЛОЧНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

Серебряно-цинковые.

Обладают хорошими электрическими характеристиками, имеют малую массу и объем. В них электродами служат оксиды серебра Ag2O, AgO (катод) и губчатый цинк (анод); электролитом служит раствор KOH.

При работе аккумулятора цинк окисляется, превращаясь в ZnOи Zn(OH)2, а оксид серебра восстанавливается до металла. Суммарную реакцию, протекающую при разряде аккумулятора, можно приближенно выразить уравнением:

AgO + Zn = Ag + ZnO

Э.д.с. заряженного серебряно-цинкового аккумулятора приближенно равна 1,85 В. При снижении напряжения до 1,25 В аккумулятор заряжают. При этом процессы на электродах "обращаются": цинк восстанавливается, серебро окисляется - вновь получаются вещества, необходимые для работы аккумулятора.

Кадмиево-никелевые и железно-никелевые.

КН и ЖН весьма сходны между собой. Основное их различие состоит в материале пластин отрицательного электрода; в аккумуляторах КН они кадмиевые, а в аккумуляторах ЖН - железные. Наиболее широкое применение имеют аккумуляторы КН.

Щелочные аккумуляторы в основном выпускаются с ламельными электродами. В них активные массы заключены в ламели - плоские коробочки с отверстиями. Активная масса положительных пластин заряженного аккумулятора в основном состоит из гидротированного оксида никеля (Ш) Ni2O3 x H2O или NiOOH. Кроме того, в ней содержится графит, добавляемый для увеличения электропроводности. Активная масса отрицательных пластин аккумуляторов КН состоит из смеси губчатого кадмия с порошком железа, а аккумуляторов ЖН - из порошка восстановленного железа. Электролитом служит раствор гидроксида калия, содержащий небольшое количество LiOH.

Рассмотрим процессы, протекающие при работе аккумулятора КН. При разряде аккумулятора кадмий окисляется.

Cd + 2OH-= Cd(ОН)2 + 2е-

А NiOOHвосстанавливается:

2NiOOH + 2H2O + 2e-= 2Ni(ОН)2 + 2ОН-

По внешней цепи при этом происходит перенос электронов от кадмиевого электрода к никелевому. Кадмиевый электрод служит анодом и заряжен отрицательно, а никелевый - катодом и заряжен положительно.

Суммарную реакцию, протекающую в аккумуляторе КН при его работе, можно выразить уравнением, которое получится при сложении двух последних электрохимических уравнений:

2NiOOH + 2H2O + Cd = 2NI(OH)2 + CD(OH)2

Э.д.с. заряженного кадмиево-никелевого аккумулятора равна приблизительно 1,4 В. По мере работы (разряда) аккумулятора напряжение на его зажимах падает. Когда оно становится ниже 1В, аккумулятор заряжают.

При зарядке аккумулятора электрохимические процессы на его электродах "обращаются". На кадмиевом электроде происходит восстановление металла

Cd(OH)2 + 2e-= CD + 2OH-

На никелевом - окисление гидроксида никеля (П):

2Ni(OH)2 + 2OH-= 2NiOOH + 2H2O + 2e-

Суммарная реакция при зарядке обратна реакции, протекающей при разряде:

2Ni(OH)2 + Cd(OH)2 = 2NiOOH + 2H2O + Cd

ГЕРМЕТИЧНЫЕ НИКЕЛЬ-КАДМИЕВЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

Особую группуникель-кадмиевыхаккумуляторов составляют герметичные аккумуляторы. Выделяющийсяв конце заряда кислородокисляеткадмий, поэтому давление в аккумуляторе не повышается.Скоростьобразования кислорода должна быть невелика, поэтому аккумулятор заряжают относительно небольшим током.

Герметичные аккумуляторы подразделяются на дисковые,

цилиндрическиеи прямоугольные.

Герметичныепрямоугольные никель-кадмиевые аккумуляторы

производятся с отрицательными неметаллокерамическими электродами из оксида кадмия или с металлокерамическими кадмиевымиэлектродами.

ГЕРМЕТИЧНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

Широко распространенные кислотные аккумуляторы,

выполненные по классической технологии, доставляют много хлопот

и оказывают вредное влияние на людей и аппаратуру. Они наиболее

дешевы, но требуют дополнительных затратна ихобслуживание,

специальных помещений и персонал.

АККУМУЛЯТОРЫ ТЕХНОЛОГИИ "DRYFIT"

Наиболее удобными и безопасными из кислотных аккумуляторов

являются абсолютнонеобслуживаемыегерметичные аккумуляторы

VRLA (Valve Regulated Lead Acid) произведенныепотехнологии

"dryfit". Электролит в этих аккумуляторах находится в желеобразном состоянии. Это гарантирует надежность аккумуляторов и безопасность их эксплуатации.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Деордиев С.С.

Аккумуляторы и уход за ними.

К.: Техника, 1985. 136 с.

2. Электротехнический справочник.

В 3-х т. Т.2. Электротехнические изделия и устройства/под

общ. ред. профессоров МЭИ (гл. ред. И. Н. Орлов) и др. 7 изд. 6испр. и доп.

М.: Энергоатомиздат, 1986. 712 с.

3. Н.Л.Глинка.

Общая химия.

Издательство "Химия" 1977.

4. Багоцкий В.С., Скундин А.М.

Химические источники тока.

М.: Энергоиздат, 1981. 360 с.