2-18. Химические источники питания

а) Гальванические (первичные) элементы

Между электродом и электролитом, в который он погружен, всегда возникает некоторая разность потенциалов, зависящая от материала электрода и состава электролита.

Появление электродного потенциала объясняется тем, что щцество электрода под действием, химических сил растворяется в электролите (например, цинк в растворе серной кислоты) и положительные ионы его переходят в электролит.

Преобладание отрицательных зарядов на электроде и положительных в прилегающем к нему пограничном слое электролита вызывает появление двойного электрического слоя, а следовательно, и электрического поля на границе электрода. Электрические силы этого поля противодействуют переходу положительных ионов с электрода в раствор, уравновешивая химические силы растворения электрода. Таким образом, возникает электродный потенциал.

Помещая в электролит два электрода из разных металлов, получим между ними также разность потенциалов (э. д. с.).

Рис. 2-12. Элемент Вольта и схема его включения.

Следовательно, устройство, состоящее из двух разнородных электродов, помещенных в электролит, является источником э. д. с. — гальваническим, или первичным элементом, в котором происходит необратимый процесс преобразования химической энергии в электрическую.

Из многих типов элементов в качестве примера рассмотрим элемент Вольта (рис. 2-12). Он состоит из погруженных в водный раствор серной кислоты цинкового (Zn) и медного (Сu) электродов. Первый имеет отрицательный заряд (катод), второй — положительный (анод). Электродвижущая сила элемента около 1,1 В.

При нагрузке элемента, т. е. при прохождении по нему тока, отрицательные иоиы и положительные ионы цинка сближаются и, соединяясь, образуют молекулы цинкового, купороса Одновременно положительные ионы водорода Снимают у анода электроны и превращаются в нейтральные атомы водорода, Атомы водорода, покрывая тонким слоем анод, вызывают увеличение внутреннего сопротивления элемента Н уменьшение его э. д. с. Это явление называется поляризщией. Водородный слой у анода устраняют, применяя деполяризаторы — вещества, легко отдающие кислород (например, перекись марганца), который, соединяясь с водородом, образует воду.

Большое распространение получили сухие и лаливные марганцево-цинковые элементы. По конструкции марганцево-цинковые элементы бывают стаканчиковые и галетные.

В элементе стаканчиковой конструкции цинковый электрод имеет форму стакана (рис. 2-13), внутри которого расположен положительный электрод — угольный стержень.

Угольный электрод окружен деполяризатором из двуокиси марганца, графита и сажи. Цинковый стакан заполняется электролитом — водным раствором хлористого аммония (нашатыря) с добавлением крахмала в качестве загустителя. Электродвижущая сила элемента Е = 1,5 В.

Рис. 2-13. Марганцево-цинковый элемент (МЦЭ) стаканчикового типа.

Номинальным разрядным током элемента называется наибольший длительный ток, допускаемый при его эксплуатации. Емкостью элемента называется количество электричества, выраженное в ампер-часах (А•ч), которое можно получить от элемента за весь период его работы. Как отдельные элементы, так и собранные из них батареи широко применяются В радиотехнике, аппаратуре проводной связи, для карманных фонарей, слуховых аппаратов и т. д.

б) Аккумуляторы (вторичные элементы)

Гальванические элементы, у которых после их разряда возможен обратный процесс заряда, с преобразованием электрической энергии в химическую, называются аккумуляторами или вторичными элементами.

Наибольшее распространение получили аккумуляторы: свинцовые (кислотные) и кадмиево-никелевые, железо-никелевые и серебряно-цинковые (щелочные).

Свинцовый аккумулятор состоит из двух блоков — пластин (рис. 2-14), погруженных в электролит — 25-35%-ный водный раствор серной кислоты.

Положительные пластины из металлического свинца для увеличения поверхности соприкосновения с электролитом имеют ребристую поверхность или выполнены из свинцовых каркасов, заполненных активной массой (перекись свинца).

Отрицательные пластины представляют собой свинцовые каркасы, заполненные активной массой в виде губчатого свинца. Пластины после изготовления подвергаются электролитической обработке — формировке.

Рис. 2-14. Свинцовый аккумулятор.

При разряде, т. е. в режиме, когда заряженный аккумулятор замкнут на внешнюю цепь, проходит разрядный ток, аккумулятор работает в режиме источника. При этом активная масса положительной пластины, состоящая из перекиси свинца и активная масса отрицательной пластины — губчатый свинец РЬ переходят в сернокислые соединения свинца с выделением воды. Это приводит к уменьшению концентрации электролита, его проводимости и э. д. с. аккумулятора. Напряжение (э. д. с.) аккумулятора с 2,2 В сначала быстро падает до 2 В, а затем медленно до 1,8 В, после чего необходимо прекратить разряд во избежание сульфатации пластин — образования на них нерастворимого сернокислого свинца.

При заряде аккумулятора через него проходит ток, имеющий направление, противоположное разрядному току, для чего зажимы источника, заряжающего аккумулятор, соединяются с одноименными зажимами аккумулятора.

При заряде аккумулятора происходит обратная химическая реакция и на электродах восстанавливаются перекись свинца и губчатый свинец. Напряжение сначала быстро увеличивается до 2,2 В, затем медленно до 2,3 В и, наконец, до 2,6-2,7 В, при котором следует прекращать заряд. При этом напряжении наблюдается интенсивное выделение водорода, пузырьки которого, поднимаясь на поверхность электролита, создают впечатление его кипения.

Внутреннее сопротивление свинцовых аккумуляторов мало, поэтому токи короткого замыкания недопустимо велики.

Емкость аккумулятора, так же как и первичного элемента, определяется в ампер-часах за время нормального разряда.

Коэффициентом отдачи аккумулятора называется отношение отданного им при разряде количества электричества к полученному им при заряде, т. е.

(2-54)

Коэффициент отдачи свинцового аккумулятора 0,9-0,95.

Коэффициентом полезного действия аккумулятора называете. отношение полученной от негр при разряде энергии к затраченной при заряде т. е.

Коэффициент полезного действия свинцового аккумулятора 0,75-0,8.

Рис. 2-15. Щелочный аккумулятор: а — общий вид; б — пластины.

Во избежание сульфатации аккумулятора необходимо содержать его в заряженном состоянии и периодически проверять уровень и плотность электролита, напряжение под нагрузкой, а при необходимости дозаряжать его.

Щелочные аккумуляторы получили такое название по их электролиту щелочи — 21%-ный водный раствор едкого кали (КОН) или едкого натра Они состоят из двух блоков пластин, расположенных в стальном сосуде с электролитом (рис. 2-15). Пластины — это стальные рамки с вставленными в них стальными коробочками, заполненными активной массой. Активная масса отрицательных пластин кадмиево-никелевых элементов состоит из губчатого кадмия, а железо-никелевых — из губчатого железа.

Активная масса положительных пластин у обоих аккумуляторов состоит из гидрата окиси никеля

При разряде гидрат окиси никеля переходит в гидрат закиси никеля, а губчатый кадмий (железо) — в гидрат его закиси. При заряде реакция идет в обратном направлении, и следовательно, происходит восстановление активной массы электродов. Концентрация электролита при разряде и заряде остается неизменной.

При разряде напряжение с 1,4 В Сначала быстро уменьшается до 1,3 В, а затем медленно до 1,15 В, при котором необходимо прекращать разряд. При заряде напряжение с 1,15 В быстро увеличивается до 1,75 В, а затем после незначительного понижения медленно увеличивается до 1,85 В.

В нутреннее сопротивление щелочных аккумуляторов больше, чем кислотных, поэтому они имеют более низкий к. п. д. и меньшую чувствительность к коротким замыканиям. Щелочные аккумуляторы имеют большую механическую прочность, больший срок службы и меньшую требовательность, к уходу по сравнению с кислотными аккумуляторами.

Серебряно-цинковый аккумулятор состоит из двух блоков «пластин, расположенных в пластмассовом баке с электролитом. Электроды аккумулятора представляют собой пористые пластины — положительная из окиси серебра а отрицательная из цинка (Zn). Электролит — водный раствор едкого кали (КОН) плотностью 1,4.

При разряде аккумулятора окись серебра переходит в металлическое серебро, а металлический цинк — в окись цинка. При заряде имеет, место обратный процесс.

При заряде напряжение вначале почти неизменно (1,65 В), а затем быстро повышается примерно до 1,9 В и далее медленно до 2,1 В; при этом напряжении следует прекращать заряд. При разряде напряжение с 1,75 В медленно падает до 1,5 В и в конце разряда до В; при этой величине разряд следует прекращать.

Из положительных свойств этих аккумуляторов необходимо отметить: 1) значительно большие емкость и мощность на единицу массы по сравнению с другими типами аккумуляторов; 2) стабильное напряжение при разряде (1,5 В) и возможность получения очень больших токов при кратковременных разрядах; 3) высокий к. п. д.