Гальванические элементы. Аккумуляторы

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»

I
ВВЕДЕНИЕ
    Химические источники  тока  (ХИТ)  в  течении  многих  лет
прочно вошли  в  нашу жизнь. В быту потребитель редко обращает
вниманиена отличия используемых ХИТ. Для него это батарейки  и
аккумуляторы. Обычно они используются в устройствах таких, как
карманныефонари, игрушки, радиоприемники или автомобили.
Втом случае,  когда  потребляемая  мощность  относительно
велика(10Ач), используются аккумуляторы, в основном кислотные,
а также  никель-железные и никель-кадмиевые. Они применяются в
портативныхЭВМ (Laptop, Notebook, Palmtop), носимых  средствах
связи,аварийном освещении и пр.
    В последние годы такие аккумуляторы широко  применяются  в
резервных  источниках   питания   ЭВМ   и  электромеханических
системах,накапливающих энергию для возможных пиковых  нагрузок
иаварийного питания электроэнергией жизненно-важных систем.
 
II
ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА
    Гальванические   источники   тока   одноразового  действия
представляют собой  унифицированный   контейнер,   в   котором
находятся  электролит,   абсорбируемый   активным   материалом
сепаратора,и электроды (анод и катод), поэтому они  называются
сухими элементами.  Этот  термин используется применительно ко
всемэлементам, не содержащим жидкого  электролита.  К  обычным
сухим  элементам  относятся  углеродно-цинковые  элементы.
    Сухие элементы применяются при малых токах  и  прерывистых
режимах работы.  Поэтому  такие элементы широко используются в
телефонныхаппаратах, игрушках, системах сигнализации и др.
     Действие любого гальванического элемента основанона протекании в нем окислительно-восстановительной реакции. В простейшем случаегальванический элемент состоит из двух пластин или стержней, изготовленных изразличных металлов и погруженных в раствор электролита. Такая система делаетвозможным пространственное разделение окислительно-восстановительной реакции: окисление протекает на одномметалле, а восстановление — на другом. Таким образом, электроны передаются отвосстановителя к окислителю по внешней цепи.
     Рассмотрим в качестве примера медно-цинковыйгальванический элемент, работающий за счет энергии приведенной выше реакциимежду цинком и сульфатом меди. Этот элемент (элемент Якоби-Даниэля) состоит измедной пластины, погруженной в раствор сульфата меди (медный электрод), ицинковой пластины, погруженной в раствор сульфата цинка (цинковый электрод). Обараствора соприкасаются друг с другом, но для предупреждения смешивания ониразделены перегородкой, изготовленной из пористого материала.
     При работе элемента, т.е. при замкнутой цепи,цинк окисляется: на поверхности его соприкосновения с раствором атомыцинка превращаются в ионы и, гидратируясь, переходят в раствор.Высвобождающиеся при этом электроны движутся по внешней цепи  к медномуэлектроду. Вся совокупность этих процессов схематически изображается уравнениемполуреакции, или электрохимическим уравнением:
Zn = Zn2+ + 2e-
    На медном электроде протекает восстановление ионовмеди. Электроны, приходящие сюда от цинкового электрода, соединяются свыходящими из раствора дегидратирующимися ионами меди; образуютсяатомы меди, выделяющиеся в виде металла. Соответствующее электрохимическоеуравнение имеет вид:
Cu2+ + 2e- =Cu
     Суммарноеуравнение реакции, протекающей в элементе, получится при сложении уравненийобеих полуреакций. Таким образом, при работе гальванического элемента,электроны от восстановителя переходят к окислителю по внешней цепи, наэлектродах идут электрохимические процессы, в растворе наблюдается направленноедвижение ионов.               
     Электрод, на котором протекаетокисление, называется анодом(цинк). Электрод, на котором протекаетвосстановление, называется катодом (медь).
     В принципе электрическую энергию можетдать любая окислительно-восстановительная реакция. Однако, число реакций,
практически используемых в химическихисточниках электрической энергии, невелико. Это связано с тем, что не всякаяокислительно-восстановительная реакция позволяет создать гальваническийэлемент, обладающий технически ценными свойствами. Кроме того, многиеокислительно-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 токазначительно удобнее в эксплуатации.
 
ТИПЫ ГАЛЬВАНИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ
 
Угольно-цинковые элементы
    Угольно-цинковые  элементы  (марганец-цинковые)   являются
самыми распространенными сухими элементами. В угольно-цинковых
элементахиспользуется пассивный (угольный)  коллектор  тока  в
контакте с  анодом  из двуокиси марганца (MnO2),электролит из
хлоридааммония и катодом  из  цинка.  Электролит  находится  в
пастообразном состоянии  или  пропитывает  пористую диафрагму.
Такой электролит  мало  подвижен  и  не  растекается,  поэтому
элементыназываются сухими.
    Угольно-цинковые элементы  «восстанавливаются»  в  течении
перерыва  в   работе.   Это  явление  обусловлено  постепенным
выравниванием  локальных    неоднородностей    в    композиции
электролита, возникающих  в  процессе  разряда.  В  результате
периодического«отдыха» срок службы элемента продлевается.
    Достоинством  угольно-цинковых   элементов   является   их
относительно  низкая  стоимость.  К  существенным  недостаткам
следуетотнести значительное снижение напряжения  при  разряде,
невысокую  удельную  мощность  (5...10  Вт/кг)  и  малый  срок
хранения.
    Низкие  температуры  снижают  эффективность  использования
гальванических элементов,  а  внутренний  разогрев батареи его
повышает. Повышение температуры вызывает химическуюкоррозию цинкового электрода водой,  содержащейся  в электролите, и  высыхание  электролита.  Эти  факторы  удается несколько  компенсировать выдержкой  батареи  при   повышенной температуре  и  введением внутрь элемента, черезпредварительно проделанное отверстие, солевого раствора.
Щелочные элементы
     Как и в угольно-цинковых, в щелочных элементахиспользуется анод из MnO2 и цинковыйкатод с разделенным электролитом.
    Отличие щелочных элементов от угольно-цинковых заключается
вприменении   щелочного   электролита,   вследствие    чего
газовыделение при  разряде  фактически отсутствует, и их можно
выполнятьгерметичными, что очень  важно  для  целого  ряда  их
применений.
Ртутные элементы
    Ртутные элементы очень похожи на щелочные элементы. В  них
используется оксид ртути (HgO). Катод состоит из смеси порошка
цинкаи ртути. Анод и катод разделены сепаратором и диафрагмой,
пропитанной40% раствором щелочи.
Таккак ртуть дефицитна и токсична,  ртутные  элементы  не
следует выбрасывать после их полного использования. Они должны
поступатьна вторичную переработку.
    
Серебряные элементы
    Они имеют «серебряные» катоды из Ag2O и AgO.
Литиевые элементы
    В них применяются литиевые аноды, органический  электролит
и катоды  из различных материалов. Они обладают очень большими
срокамихранения, высокими плотностями энергии и работоспособны
вшироком интервале температур, поскольку не содержат воды.
    Так как литий обладает наивысшим отрицательным потенциалом
поотношению    ко    всем    металлам,    литиевые    элементы
характеризуются   наибольшим   номинальным   напряжением   при
минимальныхгабаритах. 
    Ионная    проводимость    обеспечивается    введением    в
растворители солей, имеющих анионы больших размеров.
    К   недостаткам  литиевых  элементов  следует  отнести  их
относительновысокую  стоимость,  обусловленную  высокой  ценой
лития, особыми  требованиями  к их производству (необходимость
инертнойатмосферы, очистка  неводных  растворителей).  Следует
также  учитывать,  что  некоторые  литиевые  элементы  при  их
вскрытиивзрывоопасны.
Литиевые  элементы  широко  применяются в резервныхисточниках питания   схем  памяти,  измерительных приборах и прочихвысокотехнологичных системах.
III
АККУМУЛЯТОРЫ
  
     Аккумуляторы     являются     химическими     источниками
электрическойэнергии многоразового действия.  Они  состоят  из
двух электродов (положительного и отрицательного), электролита
икорпуса. Накопление энергии  в  аккумуляторе  происходит  при
протекании   химической    реакции    окисления-восстановления
электродов. При  разряде  аккумулятора   происходят   обратные
процессы. Напряжение  аккумулятора — это разность потенциалов
междуполюсами аккумулятора при фиксированной нагрузке.
    Для получения достаточно больших значений  напряжений  или
заряда  отдельные   аккумуляторы   соединяются   между   собой
последовательно или  параллельно  в  батареи.  Существует  ряд
общепринятых напряжений  для  аккумуляторных батарей: 2; 4; 6;
12;24 В.
    Ограничимся рассмотрением следующих аккумуляторов:
    кислотных  аккумуляторов,  выполненных   по   традиционной
технологии;
    стационарных   свинцовых   и  приводных  (автомобильных  и
тракторных);
    герметичных  необслуживаемых  аккумуляторов,   герметичных
никель-кадмиевыхи кислотных «dryfit» А400 и А500 (желеобразный
электролит).
КИСЛОТНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
     В качестве примера рассмотрим готовый купотреблению свинцовый аккумулятор. Он состоит из решетчатых свинцовых пластин,одни из которых заполнены диоксидом свинца, а другие — металлическим губчатымсвинцом. Пластины погружены в 35-40% раствор H2SO4; при этой концентрации удельная электропроводностьраствора серной кислоты максимальна.
     При работе аккумулятора — при его разряде — в немпротекает окислительно-восстановительная реакция, в ходе которой металлическийсвинец окисляется:
                           2-
Pb + SO4  = PbSO4 + 2e-
А диоксид свинца восстанавливается:
                            2-
Pb + SO4 + 4H+ + 2e- =PbSO4+ 2H2O
   Электроны,отдаваемые атомами металлического свинца при окислении, принимаются атомамисвинца PbO2 при восстановлении; электроныпередаются от одного электрода к другому по внешней цепи.
     Таким образом, металлический свинецслужит в свинцовом аккумуляторе анодом и заряжен отрицательно, а PbO2 служит катодом и заряжен положительно.
     Во внутренней цепи (в растворе H2SO4) при работе аккумулятора происходит перенос ионов.Ионы SO42-  движутся каноду, а ионы H+ - к катоду. Направление этого движения обусловлено электрическимполем, возникающим в результате протекания электродных процессов: уанода расходуются анионы, а у катода — катионы. В итоге раствор остаетсяэлектронейтральным.
     Если сложить уравнения, отвечающие окислениюсвинца и восстановлению PbO2, то получится суммарноеуравнение реакции,
протекающей в свинцовом аккумуляторе при его работе(разряде):
 
                                  2-
Pb + PbO2 + 4H+ + 2SO4  = 2PbSO4 + 2H2O
     Э.д.с.заряженного свинцового аккумулятора равна приблизительно 2В. По мере разрядааккумулятора материалы его катода (PbO2) ианода (Pb) расходуются. Расходуется и серная кислота. При этомнапряжение на зажимах аккумулятора падает. Когда оно становится меньшезначения, допускаемого условиями эксплуатации, аккумулятор вновь заряжают.
     Для зарядки (или заряда) аккумуляторподключают к внешнему источнику тока (плюсом к плюсу и минусом к минусу). Приэтом ток протекает через аккумулятор в направлении, обратномтому, в котором он проходил при разряде аккумулятора. В результате этогоэлектрохимические процессы на электродах «обращаются». На свинцовом электроде теперь происходит процессвосстановления
                                         2-
PbSO4 + 2e- = Pb + SO4
т.е. этод электрод становится катодом. На электроде изPbO2 идет процесс окисления
PbSO4 + 2H2O = PbO2 + 4H+ + 2e-
следовательно этот электрод является теперь анодом.Ионы в растворе движутся в направлениях, обратных тем, в которых ониперемещались при работе аккумулятора.
     Складывая два последние уравнения,получим уравнение реакции, протекающей при зарядке аккумулятора:
                                                2-
2PbSO4 + 2H2O = Pb + PbO2 + 4H+ + 2SO4
     Нетруднозаметить, что этот процесс противоположен тому, который протекает при работеаккумулятора: при зарядке аккумулятора в нем вновь получаютсявещества, необходимые для его работы.
    Свинцовые аккумуляторы обычно соединяют в батарею, которую
помещают в  моноблок  из  эбонита, термопласта, полипропилена,
полистирола,полиэтилена, асфальтопековой композиции,  керамики
илистекла.
    Одной  из  важнейших  характеристик  аккумулятора является
срокслужбы  или  ресурс-наработка  (число  циклов).  Ухудшение
параметров аккумулятора  и выход из строя обусловлены в первую
очередь коррозией  решетки   и   оползанием   активной   массы
положительногоэлектрода. Срок службы аккумулятора определяется
в первую  очередь  типом  положительных  пластин  и  условиями
эксплуатации.
    Совершенствование  свинцовых  аккумуляторов  идет  по пути
изыскания новых сплавов  для решеток (напримерсвинцово- кальциевых), облегченных и прочных материалов корпусов
(например,на основе сополимера пропилена и этилена), улучшения
качествасепараторов.
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 ZnO и Zn(OH)2, а оксидсеребра восстанавливается до металла. Суммарную реакцию, протекающую приразряде аккумулятора, можно приближенно выразить уравнением:
AgO + Zn = Ag + ZnO
     Э.д.с.заряженного серебряно-цинкового аккумулятора приближенно равна 1,85 В. Приснижении напряжения до 1,25 В аккумулятор заряжают. При этом процессы наэлектродах «обращаются»: цинк восстанавливается,серебро окисляется — вновь получаются вещества, необходимые для работыаккумулятора.
Кадмиево-никелевые и железно-никелевые.
     КН и ЖН весьма сходны между собой. Основное ихразличие состоит в материале пластин отрицательного электрода; ваккумуляторах КН они кадмиевые, а в аккумуляторах ЖН — железные. Наиболееширокое применение имеют аккумуляторы КН.
     Щелочные аккумуляторы в основном выпускаются сламельными электродами. В них активные массы заключены в ламели — плоскиекоробочки с отверстиями. Активная масса положительных пластин заряженногоаккумулятора в основном состоит из гидротированного оксида никеля (Ш) Ni2O3 x H2O илиNiOOH. Кроме того, в ней содержится графит, добавляемый дляувеличения электропроводности. Активная масса отрицательных пластинаккумуляторов КН состоит из смеси губчатого кадмия с порошком железа, ааккумуляторов ЖН — из порошка восстановленного железа. Электролитом служитраствор гидроксида калия, содержащий небольшое количество LiOH.
     Рассмотрим процессы, протекающие при работеаккумулятора КН. При разряде аккумулятора кадмий окисляется.
Cd + 2OH- =Cd(ОН)2 + 2е-
АNiOOH восстанавливается:
 
2NiOOH + 2H2O + 2e- = 2Ni(ОН)2 + 2ОН-
     По внешней цепи при этом происходит переносэлектронов от кадмиевого электрода к никелевому. Кадмиевый электрод служитанодом и заряжен отрицательно, а никелевый — катодом и заряжен положительно.
     Суммарную реакцию, протекающую в аккумуляторе КНпри его работе, можно выразить уравнением, которое получится при сложении двухпоследних электрохимических уравнений:
2NiOOH + 2H2O + Cd = 2NI(OH)2 + CD(OH)2
     Э.д.с.заряженного кадмиево-никелевого аккумулятора равна приблизительно 1,4 В. Помере работы (разряда) аккумулятора напряжение на его зажимах падает. Когда оностановится ниже 1В, аккумулятор заряжают.
     При зарядке аккумулятора электрохимическиепроцессы на его электродах «обращаются». На кадмиевом электродепроисходит восстановление металла
Cd(OH)2 + 2e- = CD + 2OH-
Наникелевом — окисление гидроксида никеля (П):
2Ni(OH)2 + 2OH- = 2NiOOH + 2H2O + 2e-
     Суммарнаяреакция при зарядке обратна реакции, протекающей при разряде:
2Ni(OH)2 + Cd(OH)2 = 2NiOOH + 2H2O + Cd
ГЕРМЕТИЧНЫЕ НИКЕЛЬ-КАДМИЕВЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
 
     Особую  группу  никель-кадмиевых  аккумуляторовсоставляют герметичные аккумуляторы. Выделяющийся  в конце заряда кислород окисляет  кадмий,  поэтому давление в аккумуляторе  не повышается.  Скорость образования  кислорода должна быть невелика, поэтому аккумулятор заряжаютотносительно небольшим током.
     Герметичные   аккумуляторы  подразделяются   надисковые,
цилиндрические  и прямоугольные.
     Герметичные  прямоугольные  никель-кадмиевыеаккумуляторы
производятся    с     отрицательными   неметаллокерамическими электродами из оксида кадмия или   сметаллокерамическими кадмиевыми  электродами.
ГЕРМЕТИЧНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
 
    Широко     распространенные     кислотные    аккумуляторы,
выполненныепо классической технологии, доставляют много хлопот
иоказывают вредное влияние на людей и аппаратуру. Они наиболее
дешевы,но требуют дополнительных затрат  на  их  обслуживание,
специальныхпомещений и персонал.
 
АККУМУЛЯТОРЫ ТЕХНОЛОГИИ «DRYFIT»
 
    Наиболее удобными и безопасными из кислотных аккумуляторов
являются абсолютно  необслуживаемые  герметичные  аккумуляторы
VRLA(Valve Regulated Lead Acid)  произведенные  по  технологии
«dryfit». Электролит в этих аккумуляторах  находится   в желеобразном   состоянии.   Это гарантирует   надежностьаккумуляторов   и   безопасность  их эксплуатации.
 
СПИСОКЛИТЕРАТУРЫ:
1.Деордиев С.С.
Аккумуляторы и уход за ними.
К.: Техника, 1985. 136 с.
2. Электротехнический справочник.
В 3-х т. Т.2. Электротехнические изделияи  устройства/под
общ.ред. профессоров МЭИ (гл. ред. И. Н. Орлов) и др. 7    изд. 6 испр. 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.