Cèl·lules i bateries galvàniques: dispositiu, principi de funcionament, tipus

Fonts d'energia elèctrica de baixa potència

Les cèl·lules i bateries galvàniques s'utilitzen per alimentar equips elèctrics i de ràdio portàtils.

Cèl·lules galvàniques: són fonts d'accions puntuals, acumuladors — Fonts d'acció reutilitzables.

L'element galvànic més senzill

L'element més senzill es pot fer de dues tires: coure i zinc submergits en aigua lleugerament acidificada amb àcid sulfúric. Si el zinc és prou pur com per no tenir reaccions locals, no es produirà cap canvi notable fins que el coure i el zinc s'uneixin.

No obstant això, les tires tenen un potencial diferent, una respecte a l'altra, i quan es connecten per un cable, apareixerà electricitat… Amb aquesta acció, la tira de zinc es dissol gradualment i es formaran bombolles de gas prop de l'elèctrode de coure, acumulant-se a la seva superfície. Aquest gas és hidrogen generat per l'electròlit. El corrent elèctric flueix des de la tira de coure al llarg del cable fins a la tira de zinc, i des d'aquesta a través de l'electròlit torna al coure.

A poc a poc, l'àcid sulfúric de l'electròlit es substitueix per sulfat de zinc format a partir de la part dissolta de l'elèctrode de zinc. Això redueix la tensió de la cèl·lula. Tanmateix, una caiguda de tensió encara més gran és causada per la formació de bombolles de gas al coure. Ambdues accions provoquen "polarització". Aquests articles gairebé no tenen valor pràctic.

Paràmetres importants de les cèl·lules galvàniques

La magnitud de la tensió donada per les cèl·lules galvàniques depèn només del seu tipus i dispositiu, és a dir, del material dels elèctrodes i de la composició química de l'electròlit, però no depèn de la forma i la mida de les cèl·lules.

El corrent que pot proporcionar una cèl·lula galvànica està limitat per la seva resistència interna.

Una característica molt important de la cèl·lula galvànica és capacitat elèctrica… Capacitat elèctrica significa la quantitat d'electricitat que una cèl·lula galvànica o d'emmagatzematge és capaç de lliurar al llarg del seu funcionament, és a dir, fins a l'inici de la descàrrega final.

La capacitat donada per la cèl·lula es determina multiplicant la força del corrent de descàrrega, expressada en amperes, pel temps en hores durant el qual es va descarregar la cèl·lula fins a l'inici de la descàrrega total. Per tant, la capacitat sempre s'expressa en amperes-hora (Ah).

Pel valor de la capacitat de la cèl·lula, també és possible determinar per endavant quantes hores funcionarà abans de l'inici de la descàrrega total. Per fer-ho, cal dividir la capacitat per la intensitat del corrent de descàrrega admissible per a aquest element.

Tanmateix, la capacitat no és estrictament constant. Varia dins de límits força grans segons les condicions de funcionament (mode) de l'element i la tensió de descàrrega final.

Si la cel·la es descarrega al màxim corrent i, a més, sense interrupcions, donarà una capacitat molt menor. Al contrari, quan la mateixa cèl·lula es descarrega amb un corrent menor i amb interrupcions freqüents i relativament llargues, la cèl·lula renunciarà a la seva capacitat total.

Pel que fa a la influència de la tensió de descàrrega final sobre la capacitat de la cel·la, cal tenir en compte que durant la descàrrega de la cel·la galvànica, la seva tensió de funcionament no es manté al mateix nivell, sinó que disminueix gradualment.

Tipus comuns de cèl·lules electroquímiques

Les cèl·lules galvàniques més habituals són els sistemes manganès-zinc, manganès-aire, aire-zinc i mercuri-zinc amb electròlits de sal i alcalins.Les cèl·lules seques de manganès-zinc amb electròlit de sal tenen una tensió inicial d'1,4 a 1,55 V, la durada de funcionament. a una temperatura ambient de -20 a -60 ОDe 7 a 340 del matí

Les cèl·lules seques de zinc-manganès i zinc-aire amb electròlit alcalí tenen una tensió de 0,75 a 0,9 V i un temps de funcionament de 6 hores a 45 hores.

Les cèl·lules seques de mercuri-zinc tenen una tensió d'arrencada d'1,22 a 1,25 V i un temps de funcionament de 24 hores a 55 hores.

Les cèl·lules seques de mercuri-zinc tenen la vida útil més llarga garantida de fins a 30 mesos.

Bateries

Bateries Són cèl·lules electroquímiques secundàries, a diferència de les cel·les galvàniques, no es produeix cap procés químic a la bateria immediatament després del muntatge.

Perquè la bateria comenci reaccions químiques associades al moviment de càrregues elèctriques, cal canviar adequadament la composició química dels seus elèctrodes (i en part de l'electròlit).Aquest canvi en la composició química dels elèctrodes es produeix sota l'acció d'un corrent elèctric que travessa la bateria.

Per tant, perquè una bateria produeixi corrent elèctric, primer s'ha de "carregar" amb corrent elèctric directe d'alguna font de corrent externa.

Les bateries també es diferencien de les cèl·lules galvàniques convencionals pel fet que, després de la descàrrega, es poden recarregar. Amb una bona cura i en condicions de funcionament normals, les bateries poden durar fins a milers de càrregues i descàrregues.
Dispositiu amb bateria

Actualment, les bateries de plom i cadmi-níquel s'utilitzen amb més freqüència a la pràctica. En la primera solució d'àcid sulfúric serveix com a electròlit, i en la segona solució d'àlcali en aigua. Les bateries de plom-àcid també s'anomenen àcids i les de níquel-cadmi-alcalines.

El principi de funcionament de les bateries es basa en la polarització dels elèctrodes durant l'electròlisi... La bateria d'àcid més senzilla s'estructura de la següent manera: es tracta de dues plaques de plom immerses en un electròlit. Com a resultat de la reacció de substitució química, les plaques es cobreixen amb una fina capa de sulfat de plom PbSO4, com es desprèn de la fórmula Pb + H2SO4 = PbSO4 + H2.

Dispositiu de bateria àcida

Aquest estat de les plaques correspon a una bateria descarregada. Si ara la bateria està encès per carregar, és a dir, connectada a un generador de corrent continu, la polarització de les plaques començarà a causa de l'electròlisi. Com a conseqüència de la càrrega de la bateria, les seves plaques es polaritzan, és a dir, canvien la substància a la seva superfície i d'homogènia (PbSO4) a diferent (Pb i PbO2).

La bateria es converteix en la font de corrent, amb una placa recoberta de diòxid de plom com a elèctrode positiu i una placa de plom neta com a elèctrode negatiu.

Al final de la càrrega, la concentració de l'electròlit augmenta a causa de l'aparició de molècules addicionals d'àcid sulfúric.

Aquesta és una de les característiques de la bateria de plom-àcid: el seu electròlit no es manté neutre i ell mateix participa en reaccions químiques durant el funcionament de la bateria.

Al final de la descàrrega, ambdues plaques de la bateria tornen a estar cobertes de sulfat de plom, de manera que la bateria deixa de ser una font de corrent. La bateria mai es porta a aquest estat. A causa de la formació de sulfat de plom a les plaques, la concentració de l'electròlit disminueix al final de la descàrrega. Si la bateria està carregada, es pot tornar a provocar la polarització per tornar-la a descarregar, etc.

Com carregar la bateria

Hi ha diverses maneres de carregar les bateries. El més senzill és la càrrega normal de la bateria, que es fa de la següent manera. Inicialment, durant 5-6 hores, la càrrega es porta a terme a doble corrent normal fins que la tensió de cada bateria arriba a 2,4 V.

El corrent de càrrega normal es determina mitjançant la fórmula Aztax = Q / 16

on Q — capacitat nominal de la bateria, Ah.

Després d'això, el corrent de càrrega es redueix a un valor normal i la càrrega continua durant 15-18 hores fins que apareixen senyals de finalització de la càrrega.

Piles modernes

Les bateries de níquel-cadmi o alcalines van aparèixer molt més tard que les bateries de plom, i en comparació amb elles hi ha fonts més modernes de corrent químic.El principal avantatge de les bateries alcalines respecte a les de plom rau en la neutralitat química del seu electròlit en relació amb les masses actives de les plaques. Per tant, l'autodescàrrega de les bateries alcalines és significativament menor que la de les bateries de plom-àcid. El principi de funcionament de les piles alcalines també es basa en la polarització dels elèctrodes durant l'electròlisi.

Per alimentar els equips de ràdio, es produeixen bateries segellades de cadmi-níquel, que són efectives a temperatures de -30 a +50 ОC i resisteixen entre 400 i 600 cicles de càrrega-descàrrega. Aquests acumuladors es fabriquen en forma de paral·lelepípedes compactes i discos que pesen des d'uns grams fins a quilograms.

Les bateries de níquel-hidrogen es produeixen per alimentar objectes autònoms. L'energia específica de la bateria de níquel-hidrogen és de 50 - 60 Wh kg-1.