11

Источники тока (аккумуляторные батареи)

Первым источником тока после изобретения электрофорной машины, был элемент Вольта названный в честь своего создателя. Итальянский физик А. Вольта объяснил причину гальванического эффекта, открытого его соотечественником Л. Гальвани. В марте 1800 г. он сообщил о создании устройства, названного впоследствии «вольтов столб». Так началась эра электричества, подарившая миру свет, тепло и опасность поражения электрическим током.

Именно гальванические элементы позволили начать изучение электричества. В первой половине XIX века они являлись единственными источниками электрической энергии. До их появления были известны только законы электростатики, не существовало понятия электрического тока и его проявлений.

Химическими источниками тока называются устройства, в которых свободная энергия пространственно разделенного окислительно-восстановительного процесса, протекающего между активными веществами, превращается в электрическую энергию.

После создания принципиально нового источника энергии - электромагнитного генератора - химические источники тока потеряли свое первостепенное значение. Генераторы превзошли своих предшественников по экономическим и техническим параметрам, но ХИТ продолжали совершенствоваться и развиваться как автономные источники для средств связи.

Примечателен тот факт, что при одновременном включении всех ХИТ, находящихся в эксплуатации, можно получить мощность, соизмеримую с суммарной мощностью всех электростанций мира.

Утилизация отработавших срок службы ХИТ вызвала определенные экологические проблемы. В производстве ХИТ используются ртуть, кадмий, сурьма и другие токсичные химические элементы. Сбор и переработка большого количества источников тока затруднительна. Это послужило причиной для поиска новых материалов и разработки источников тока, свободных от токсичных элементов.

Принцип действия

Основу химических источников тока составляют два электрода (катод, содержащий окислитель и анод, содержащий восстановитель), контактирующих с электролитом. Между электродами устанавливается разность потенциалов -- электродвижущая сила, соответствующая свободной энергии окислительно-восстановительной реакции. Действие химических источников тока основано на протекании при замкнутой внешней цепи пространственно разделённых процессов: на катоде восстановитель окисляется, образующиеся свободные электроны переходят, создавая разрядный ток, по внешней цепи к аноду, где они участвуют в реакции восстановления окислителя.

В современных химических источниках тока используются:

§ в качестве восстановителя (на аноде) -- свинец Pb, кадмий Cd, цинк Zn и другие металлы;

§ в качестве окислителя (на катоде) -- оксид свинца(IV) PbO₂, гидрооксид никеля NiOOH, оксид марганца(IV) MnO₂ и другие;

§ в качестве электролита -- растворы щелочей, кислот или солей.

Классификация

§ гальванические элементы (первичные ХИТ), которые из-за необратимости протекающих в них реакций, невозможно перезарядить;

§ электрические аккумуляторы (вторичные ХИТ) -- перезаряжаемые гальванические элементы, которые с помощью внешнего источника тока (зарядного устройства) можно перезарядить;

§ топливные элементы (электрохимические генераторы) -- устройства, подобные гальваническому элементу, но отличающееся от него тем, что вещества для электрохимической реакции подаются в него извне, а продукты реакций удаляются из него, что позволяет ему функционировать непрерывно.

Следует заметить, что деление элементов на гальванические и аккумуляторы до некоторой степени условное, так как некоторые гальванические элементы, например щелочные батарейки, поддаются перезарядке, но эффективность этого процесса крайне низка.

По типу используемого электролита химические источники тока делятся на кислотные (например свинцово-кислотный аккумулятор, свинцово-плавиковый элемент), щелочные (например ртутно-кадмиевый элемент, никель-цинковый аккумулятор) и солевые (например, марганцево-магниевый элемент, цинк-хлорный аккумулятор).

Некоторые виды химических источников тока:

· Свинцово-плавиковый элемент

· Медно-окисный гальванический элемент

· Висмутисто-магниевый элемент

· Ртутно-висмутисто-индиевый элемент

· Литий-хромсеребряный элемент

· Литий-висмутатный элемент

· Литий-окисномедный элемент

· Литий-йодсвинцовый элемент

· Литий-йодный элемент

· Литий-тионилхлоридный элемент

· Литий-оксидванадиевый элемент

· Литий-фторомедный элемент

· Литий-двуокисносерный элемент

· Диоксисульфатно-ртутный элемент

· Серно-магниевый элемент

· Хлористосвинцово-магниевый элемент

· Хлорсеребряно-магниевый элемент

· Хлористомедно-магниевый элемент

· Йодатно-цинковый элемент

· Магний-перхлоратный элемент

· Магний-м-ДНБ элемент

· Цинк-хлоросеребряный элемент

· Хлор-серебряный элемент

· Бром-серебряный элемент

· Йод-серебряный элемент

· Магний-ванадиевый элемент

· Кальций-хроматный элемент

Аккумуляторы

· Лантан-фторидный аккумулятор

· Литий-ионный аккумулятор

· Литий-полимерный аккумулятор

· Марганцево-оловянный элемент

· Никель-цинковый аккумулятор

· Никель-кадмиевый аккумулятор

· Никель-металл-гидридный аккумулятор

· Свинцово-кислотный аккумулятор

· Свинцово-оловянный аккумулятор

· Серебряно-цинковый аккумулятор

· Серебряно-кадмиевый аккумулятор

· железо-никелевый аккумулятор

· железо-воздушный аккумулятор

· цинк-воздушный аккумулятор

· цинк-хлорный аккумулятор

· натрий-серный аккумулятор

· литий-хлорный аккумулятор

· свинцово-водородный аккумулятор

· Цинк-бромный аккумулятор

· Натрий-Никель-Хлоридный аккумулятор

· Литий-железо-сульфидный аккумулятор

· Литий-фторный аккумулятор

Топливные элементы

· Прямой метанольный топливный элемент

· Твердооксидный топливный элемент

· Щелочной топливный элемент

Аккумуляторами называются химические источники тока, предназначенные для многократного использования их активных веществ, регенерируемых путем заряда.

Из разработанных за последние десятилетия новых химических источников тока наибольший интерес для самых различных отраслей науки и техники представляют серебряно-цинковые аккумуляторы.

Благодаря высокому разрядному напряжению, большой энергоемкости активных масс, а также достаточно хорошей электропроводности активной массы положительного электрода, возрастающей в процессе разряда, они обладают удельными характеристиками в 4 - 5 большими, чем кислотные или щелочные аккумуляторы. Рост электропроводности позволяет проводить разряды источника тока очень интенсивными режимами.

Электрический аккумулятор -- химический источник тока многоразового действия. Электрические аккумуляторы используются для накопления энергии и автономного питания различных потребителей.

Принцип действия аккумулятора основан на обратимости химической реакции. Работоспособность аккумулятора может быть восстановлена путём заряда, то есть пропусканием тока в направлении, обратном направлению тока при разряде. Несколько аккумуляторов, объединенных в одну электрическую цепь, называют Аккумуля?торная батаре?я. Заряд аккумуляторов обычно измеряют в ампер-часах.

Электрические и эксплуатационные характеристики аккумулятора зависят от материала электродов и состава электролита. Сейчас наиболее распространены следующие аккумуляторы:

По мере исчерпания химической энергии напряжение и ток падают, аккумулятор перестаёт действовать. Зарядить аккумулятор (батарею аккумуляторов) можно от любого источника постоянного тока с бо?льшим напряжением при ограничении тока. Стандартным считается зарядный ток в 1/10 номинальной емкости аккумулятора. Многие типы аккумуляторов имеют различные ограничения, которые необходимо учитывать при зарядке и последующей эскплуатации, например NiMH аккумуляторы чувствительны к перезаряду, литиевые -- к перезаряду, напряжению и температуре. NiCd и NiMH аккумуляторы имеют так называемый эффект памяти, заключающийся в снижении ёмкости, в случае когда зарядка осуществляется при не полностью разряженном аккумуляторе. Также эти типы аккумуляторов обладают заметным саморазрядом, то есть они постепенно теряют заряд даже не будучи подключенными к нагрузке. Для борьбы с этим эффектом может применяться Капельная подзарядка

В настоящее время серебряно-цинковые аккумуляторы находят довольно широкое применение в науке и технике, а также в военном деле.

Они применяются в управляемых снарядах и ракетах, в торпедах, для различной переносной аппаратуры и т. п.

В качестве примера экономии веса при использовании серебряно-цинковых аккумуляторов вместо кислотных в иностранной литературе приводятся данные о том, что на одном из проектировавшихся снарядов предполагалась установка серебряно-цинковой аккумуляторной батареи весом 33,1 кг. Вместо свинцово кислотной батареи весом 106,5 кг.

Конструкция серебряно-цинковых аккумуляторов существенно отличается от конструкции обычных щелочных или кислотных аккумуляторов. В серебряно-цинковых аккумуляторов положительные пластины изготавливаются из чистого тем или иным способом приготовленного серебра, а отрицательные - из окиси цинка в смеси с порошком металлического цинка. Положительные пластины отделены от отрицательных несколькими слоями гидратцелюлозной пленки, применение которой обусловлено тем, что через неё, с одной стороны хорошо диффундирует электролит, а с другой стороны она препятствует миграции коллоидных частиц окислов серебра от положительного электрода к отрицательному и произрастанию дендритов цинка в противоположном направлении.

Собранный пакет электродов помещается в пластмассовый сосуд и заливается химически чистой калиевой щелочью. Размеры электродов и сосудов подбираются таким образом, чтобы при заполнении аккумулятора электролитом электроды испытывали соответствующее боковое давление, обеспечивающее механическую устойчивость, предупреждающую осыпание активной массы электродов. Кроме того, при наличии бокового давления отпадает необходимость использования каких-либо жестких решёток и стоек, как это делается у обычных кислотных аккумуляторов.

Другие типы аккумуляторов.

Лантан-фторидный аккумулятор -- Очень мощный химический источник тока с твёрдым электролитом. Анод -- металлический лантан, электролит фторид лантана-фторид бария, катод фторид висмута или фторид свинца.

Ёмкость на единицу объёма свыше 1330 Вт·ч/дм³, энергия свыше 290--350 Вт·ч/кг.

Параметры

§ Теоретическая энергоёмкость: 750 Вт·ч/кг.

§ Удельная энергоёмкость(Вт·час/кг): около -- до 350 Вт·ч/кг.

§ Удельная энергоплотность(Вт·час/дм3): около - 1330 Вт·ч/дм³.

§ ЭДС:

§ Рабочая температура:

Литий-ионный аккумулятор (Li-ion) -- тип электрического аккумулятора широко распространенный в современной бытовой электронной технике. В настоящее время это самый популярный тип аккумуляторов в таких устройствах как сотовые телефоны, ноутбуки. Литий-ионные аккумуляторы обладают одним из лучших соотношений веса и запасенной энергии, у них нет эффекта памяти и они медленно теряют заряд при отсутствии электрической нагрузки. Более совершенная конструкция литий-ионного аккумулятора называется литий-полимерным аккумулятором. Первый литий-ионный аккумулятор разработала корпорация Sony в 1991 году.

Недостатки

Li-Ion аккумуляторы могут быть опасны при разрушении корпуса аккумулятора, и при неаккуратном обращении могут иметь более короткий жизненный цикл в сравнении с другими типами аккумуляторов. Глубокий разряд полностью выводит из строя литий-ионный аккумулятор. Попытки заряда таких аккумуляторов могут повлечь за собой взрыв. Храниться Li-Ion-аккумуляторы должны в полностью заряженном состоянии.

Никель-цинковый аккумулятор -- это химический источник тока, в котором анодом является цинк, электролит гидроксид калия с добавкой гидроксида лития, а катодом -- оксид никеля.

Достоинства: большая энергоёмкость и напряжение наибольшее из щёлочных аккумуляторов.

Недостатки: небольшой ресурс (250-370 циклов заряд-разряд).

Параметры

§ Теоретическая энергоёмкость:

§ Удельная энергоёмкость(Вт·ч/кг): около - 60 Вт·ч/кг.

§ Удельная энергоплотность: около - до 255 Вт·ч/дм³.

§ ЭДС: 1,78 В.

§ Рабочая температура: -30…+40 °С.

Железо-никелевый аккумулятор -- это вторичный химический источник тока, в котором железо анод, электролит водный раствор гидроксида натрия или калия (с добавками гидроксида лития), катод -- гидрат окиси никеля.

Параметры

§ Теоретическая энергоемкость:

§ Удельная энергоемкость(Вт·ч/кг): около -- 35--50 Вт·ч/кг.

§ Удельная энергоплотность(Вт·ч/дм3):

§ ЭДС:

§ Рабочая температура: -20 +30 °С.