Батарея гальванических элементов: Гальванические элементы (батарейки). Виды и устройство. Работа

Содержание

Гальванические элементы (батарейки). Виды и устройство. Работа

В первых опытах ученых в емкость с кислотой опускали две металлические пластины: медную и цинковую. Пластины соединяли проводником, после чего на медной пластине появлялись газовые пузырьки, а цинковая пластина стала растворяться. Было доказано, что по проводнику проходит электрический ток. Это исследование начинал итальянский ученый Гальвани, от него и получили название гальванические элементы.

После этого ученый Вольта разработал цилиндрическую форму этого элемента в виде вертикального столбика, включающего в себя набор колец меди, цинка и сукна, соединенных друг с другом, и пропитанных кислотой. Разработанный Вольтом вертикальный элемент полуметровой высоты вырабатывал напряжение, которое мог почувствовать человек.

Гальванические элементы — это источники электрической энергии, вырабатывающие электрический ток методом химического взаимодействия двух металлов в электролите. Химическая энергия в гальванических элементах преобразуется в электрический ток.

Гальванические элементы широко используются для питания разных электронных устройств, приборов, цифровой техники и делятся на три основных вида:

Солевые.
Щелочные.
Литиевые.

Солевые батарейки

Такие батарейки относятся к марганцево-цинковым элементам питания, и являются наиболее применяемыми в настоящее время.

Достоинствами солевых батареек являются:

Приемлемые электрические параметры для многих областей использования.
Удобство применения.
Малая цена ввиду небольших расходов на изготовление.
Простая технология изготовления.
Дешевое и доступное сырье.

Длительное время этот вид батареек является наиболее популярным, благодаря соотношению качества и цены. Однако в последние годы заводы изготовители уменьшают производство солевых гальванических элементов, и даже отказываются от выпуска, так как требования к источникам питания повышаются производителями электронной техники.

Недостатками солевых батареек являются:

Малый срок хранения, не более 2-х лет.
Резкое падение свойств при снижении температуры.
Резкое уменьшение емкости при повышении рабочего тока до эксплуатационных значений современных потребителей.
Быстрое уменьшение напряжения во время работы.

Солевые гальванические элементы в конце своего разряда могут потечь, что связано с вытеканием электролита из-за увеличения объема положительного электрода, который выдавливает электролит. Активная масса плюсового электрода состоит из диоксида марганца и электролита. Сажа и графит, добавленный в активную смесь, повышают электропроводность активной смеси. Их доля равна от 8 до 20% в зависимости от марки батарейки. Для увеличения срока работы окислителя активную смесь насыщают электролитом.

Минусовой электрод изготавливают из очищенного цинка, устойчивого к коррозии. В нем остается небольшая доля кадмия или свинца, являющегося ингибиторами коррозии. Раньше в батарейках в качестве электролита использовали хлорид аммония. Он участвует в реакции образования тока, создает проходимость ионов. Но такой электролит не показал хороших результатов, и его заменили хлоридом цинка с примесями хлорида кальция. Марганцево-кислые элементы работают дольше, и показывают лучшие результаты при пониженных температурах.

В солевых гальванических элементах отрицательным полюсом является цинковый корпус 7. Плюсовой электрод 6 изготовлен из активной прессованной массы, пропитанной электролитом. По центру этой массы находится угольный стержень 5, обработанный парафином для удержания влаги в электролите. Верхняя часть стержня закрыта металлическим колпаком. В сепараторе 4 находится густой электролит. В газовую камеру 1 поступают газы, образованные при работе батарейки. Сверху батарейку закрывают прокладкой 3. Весь гальванический элемент заключают в футляр 2, выполненный из картона или фольги.

Щелочные батарейки

Щелочные элементы питания появились в середине прошлого века. В них в качестве окислителя выступает диоксид марганца, а в качестве восстановителя порошковый цинк. Это дает возможность увеличить поверхность. Для предохранения от коррозии раньше применялось амальгамирование. Но после запрета на ртуть используют очищенные цинковые порошки с добавлением других металлов и ингибиторов коррозии.

Активным веществом анода щелочной (алкалиновой) батарейки стал очищенный цинк в виде порошка с добавлением алюминия, индия или свинца. Активная смесь катода включает в себя диоксид марганца, ацетиленовую сажу или графит. Электролит алкалиновых батареек состоит из едкого натра или калия с добавлением оксида цинка.

Порошковый анод позволяет значительно повысить использование активной смеси, в отличие от солевых батареек. Алкалиновые батарейки обладают значительно большей емкостью, чем солевые, при равных габаритных размерах. Они хорошо себя показали в работе на морозе.

Особенностью устройства алкалиновых элементов является порошковый цинк, поэтому вместо цинкового стакана используют стальной корпус для положительного вывода. Активная смесь положительного электрода находится возле внутренней стенки стального корпуса. В алкалиновой батарейке есть возможность разместить больше активной смеси положительного электрода, в отличие от солевой.

В активную смесь вставляется целлофановый сепаратор, смоченный электролитом. По центру батарейки проходит латунный отрицательный электрод. Остальной объем между сепаратором и отрицательным токоотводом заполняется анодной пастой в виде порошкового цинка, пропитанного густым электролитом. Обычно в качестве электролита используют щелочь, насыщенную специальными соединениями цинка. Это дает возможность предотвратить потребление щелочи в начале работы элемента, и снизить коррозию. Масса щелочных батареек выше солевых из-за стального корпуса и большей плотности активной смеси.

По многим основным параметрам алкалиновые гальванические элементы превосходят солевые элементы. Поэтому в настоящее время увеличивается объем производства щелочных батареек.

Литиевые элементы питания

Литиевые гальванические элементы применяются в различных современных устройствах. Они выпускаются различных типоразмеров и видов.

Существуют литиевые батарейки и литиевые аккумуляторы, имеющие между собой большие отличия. Батарейки имеют в составе твердый органический электролит, в отличие от других видов элементов. Литиевые элементы используются в местах, где требуются средние и малые токи разряда, стабильное рабочее напряжение. Литиевый аккумулятор можно перезаряжать определенное количество раз, а батарейки не предназначены для этого, и используются только один раз. Их запрещается вскрывать или перезаряжать.

Основные требования к производству:

Надежная герметизация корпуса. Нельзя допускать утечки электролита и проникновения внутрь других веществ из внешней среды. Нарушение герметичности приводит к их возгоранию, так как литий является высоко активным элементом. Гальванические элементы с нарушенной герметичностью не годятся для эксплуатации.
Изготовление должно проходить в герметичных помещениях с аргоновой атмосферой и контролем влажности.

Форма литиевых аккумуляторов бывает цилиндрической, дисковой или призматической. Габариты практически не отличаются от других видов батареек.

Область использования

Литиевые гальванические элементы обладают более длительным сроком работы, по сравнению с другими элементами. Область применения очень широка:

Космическая промышленность.
Авиационное производство.
Оборонная промышленность.
Детские игрушки.
Медицинская техника.
Компьютеры.
Фото- и видеокамеры.

Преимущества

Широкий интервал рабочих температур.
Компактные размеры и масса.
Длительная эксплуатация.
Стабильные параметры в различных условиях.
Большая емкость.

Недостатки

Возможность внезапного возгорания при несоблюдении правил пользования.
Высокая цена, по сравнению с другими видами батареек.

Принцип работы

Действие гальванических элементов основано на том, что два разных металла в среде электролита взаимодействуют между собой, в результате чего во внешней цепи образуется электрический ток.

Такие химические элементы сегодня называют батарейками. Величина напряжения батарейки зависит от применяемых видов металлов и от числа элементов, находящихся в ней. Все устройство батарейки расположено в металлическом цилиндре. Электроды представляют собой металлические сетки с напылением восстановителя и окислителя.

Батарейки не могут восстанавливать утраченные свойства, так как в них осуществляется прямое преобразование химической энергии окислителя и восстановителя в электрическую. Химические реагенты при функционировании батарейки постепенно расходуются, а электрический ток уменьшается.

Отрицательный вывод батарейки выполнен из цинка или лития, он теряет электроны и является восстановителем. Другой положительный вывод играет роль окислителя, его изготавливают из оксида магния или солей металлов. Состав электролита в обычных условиях не пропускает через себя электрический ток. При замыкании электрической цепи начинается распад электролита на ионы, что обуславливает появление его электрической проводимости. Электролит состоит чаще всего из раствора кислоты или солей натрия и калия.

ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ: САМОДЕЛЬНАЯ БАТАРЕЯ

Каждому из нас знакомы химические источники тока различных типов и форм. Но как это часто случается, мы редко задумываемся о том, как устроен этот совершенно привычный и обыденный предмет. А между тем, появление первых химических источников тока, положило начало превращению электричества из лабораторной диковинки в нашего повседневного помощника.

В 1790 г. итальянский физиолог Луиджи Гальвани заметил, что лапка препарированной лягушки дергается, если к ней одновременно прикоснуться двумя инструментами из разных металлов. В то время уже было известно, что мышцы могут сокращаться под действием электрического тока, так, что Гальвани правильно приписал это явление действию электрического тока. Правда, он считал, что электрический ток появляется благодаря каким-то физиологическим процессам в лапке лягушки.

Правильное объяснение этому явлению смог дать другой итальянский ученый Алессандро Вольта. Он установил, что это явление связано с наличием двух разнородных металлов, соприкасающихся с электролитом, в роли которого выступала кровь лягушки, а сама лапка играла лишь роль чувствительного индикатора электрического тока [1]. Опираясь на свои исследования Вольта в 1799г. создал первый химический источник тока. В этом устройстве Вольта использовал медный и цинковый электроды, погруженные в раствор серной кислоты.

Цинк бурно реагирует с кислотами. В раствор переходят не атомы цинка, а положительные ионы, так что в электроде остается избыток электронов, следовательно, цинковая пластина заряжается отрицательно. Вообще, большинство металлов при погружении в электролит заряжается отрицательно, на поверхности медной пластинки протекает подобный процесс. Но избыток отрицательных зарядов на медном электроде гораздо меньше, а значит, относительно цинкового электрода его потенциал получается более высоким. Если соединить внешним проводником медную и цинковую пластины, то электроны начнут перемещаться с цинковой пластины на медную, т.е. в цепи потечет электрический ток [2].

Электрическое напряжение, возникающее между электродами, зависит от того, из каких металлов изготовлены электроды и от их взаимодействия с электролитом. Напряжение, даваемое элементом, никак не зависит от площади пластин.

Часто напряжения, даваемого одним гальваническим элементом, недостаточно. Тогда их можно соединять последовательно в батареи.

Вообще изготовить химический источник тока совсем нетрудно: надо поместить в электролит две пластинки из разных металлов [3]. Такие гальванические элементы возникают самопроизвольно. Например, намочил дождь крышу, покрытую оцинкованным железом, на железе наверняка имеются царапины, так, что и железо, и цинк вступили в контакт с водой, которая играет роль электролита. Цинк в такой паре начнёт активно разрушаться, а вот железо не пострадает, пока не разрушится весь цинк. Именно для этого и покрывают железо слоем цинка.

По той же самой причине скручивать вместе медные и алюминиевые провода, это, мягко говоря, не самая лучшая идея. В месте контакта начнется гальваническая коррозия, которая приведет к росту электрического сопротивления контакта, что в свою очередь приведет к большему выделению тепла и еще более быстрой коррозии. Все вместе это может стать причиной разрушения соединения и даже пожара.

Нагляднее всего можно пронаблюдать гальваническую коррозию на примере контактов железа с цинком и медью в растворе соли. Железные скрепки были надеты на цинковую и медную пластины и погружены в раствор соли.

Через сутки скрепка, соединенная с медной пластиной, покрылась ржавчиной. В то время, как скрепка, бывшая в контакте с цинком, совершенно не пострадала.

Ученые составили электрохимический ряд напряжений металлов. Чем дальше друг от друга отстоят металлы в этом ряду, тем более высокое напряжение дает гальванический элемент, составленный из этих металлов. Так пара золото – литий теоретически может дать электродвижущую силу (ЭДС) 4,72 В. Но такая пара в водной среде работать не сможет – литий это щелочной металл, легко реагирующий с водой, а золото стоит слишком дорого для подобного применения.

На практике элемент Вольта обладает рядом серьёзных недостатков.

Во-первых, электролитом ему служит весьма едкая жидкость – раствор серной кислоты. Жидкий электролит всегда представляет собой неудобство или даже опасность. Он может расплескаться, разлиться при повреждении корпуса.

Во-вторых, на медном электроде такого элемента будет выделяться водород. Это явление называется поляризацией. По многим свойствам водород весьма близок к металлам, так что его пузырьки создадут дополнительную ЭДС поляризации, стремящейся вызвать ток противоположного направления [2]. Кроме того, пузырьки газа не пропускают электрический ток, что тоже ведет к ослаблению тока. Поэтому приходится периодически встряхивать сосуд, удаляя пузырьки механически, или вводя в состав электролита специальные деполяризаторы.
В третьих, в процессе работы гальванического элемента Вольта, цинковый электрод постепенно растворяется. Теоретически, когда гальванический элемент не используют, разрушение цинкового электрода должно прекратиться, но поскольку почти всегда в составе цинка есть примеси других металлов, они при соприкосновении с электролитом играют роль второго электрода, образуя короткозамкнутый элемент, что ведет к гальванической коррозии цинкового электрода [2].
Для того, чтобы устранить этот недостаток, приходится использовать сверхчистый цинк или конструктивно предусматривать возможность извлечения цинкового электрода из электролита. Так что когда батарея не используется, электролит из нее следует сливать.

Но для демонстрационных целей всеми этими недостатками можно пренебречь, если заменить серную кислоту более безопасным электролитом.

Изготовление батарейки

При изготовлении демонстрационной батареи гальванических элементов будем использовать стандартную пару – медь и цинк. Медную фольгу можно найти в некоторых трансформаторах. В крайнем случае, можно сделать медный электрод из свернутой в спираль голой медной проволоки [4]. Цинк можно добыть из разрядившихся солевых элементов питания, как правило, в них остается достаточно много металлического цинка даже, когда элемент непригоден к дальнейшему использованию. Вместо раствора кислоты, возьмем 10% раствор поваренной соли. В качестве емкости для электролита взяты пластиковые емкости от витаминов объемом примерно 50-100 мл.

В качестве контактов использованы винты, которые одновременно закрепляю электроды на крышке. При этом крайне желательно крепить медные электроды латунным винтом. Цинковую пластину можно без проблем крепить стальным винтом. Для герметизации под гайку подложена подходящая по размеру резиновая сантехническая прокладка.

Батарея из трех гальванических элементов позволяет питать светодиод.

Напряжение на одном элементе батареи составляет около 1 В.

Ток, отдаваемый в нагрузку, составляет около 0,23 мА

Такого тока достаточно для свечения светодиода. Однако на фотографии это свечение можно заметить, только если снимать при большой светочувствительности.

Такую батарею можно использовать в школе, например для выполнения лабораторной работы, по определению внутреннего сопротивления источника тока [5].

Литература

Карцев В., Приключения знаменитых уравнений – М.: Просвещение, 2007 г.
Элементарный учебник физики: учеб. пособие. в 3 т. под ред. Г.С.Ландсберга: т.2 Электричество и магнетизм – М.: Физматлит, 2006 г.
Зверев И., Элемент? Элементарно!, «Юный техник» №6 2007 г.
Юрьев П., ХИТ-парад, но отнюдь не музыкальный, «Юный техник» №2 1994 г.

Лекомцев Д., Вокруг обычной батарейки, «Читаем, учимся, играем» №5 2014 г.

Автор материала Denev.

Форум

Гальванические элементы – Химия LibreTexts

Последнее обновление
Сохранить как PDF

Идентификатор страницы: 36507

Цели обучения

Объяснить: химию в работе батареи;
- реакции окисления и восстановления;
- техника, используемая для представления батареи;
- различные части батареи.
Классифицировать химические реакции как окисление, восстановление или другие типы.

Химия батарей

Химия — это движущая сила магии батарей. Батарея представляет собой комплект из одного или нескольких гальванических элементов, используемых для производства и хранения электроэнергии химическим путем. А 9Гальванический элемент 0042 состоит как минимум из двух полуэлементов, элемента восстановления и элемента окисления. Химические реакции в двух полуэлементах обеспечивают энергию для работы гальванического элемента.

Каждый полуэлемент состоит из электрода и раствора электролита. Обычно раствор содержит ионы, полученные из электрода в результате реакции окисления или восстановления.

Гальванический элемент также называется гальваническим элементом . Самопроизвольные реакции в нем обеспечивают электрическую энергию или ток.

Два полуячейки могут быть соединены вместе, чтобы сформировать электролитическую ячейку , которая используется для электролиза. В этом случае электрическая энергия используется для форсирования несамопроизвольных химических реакций.

Реакции окисления-восстановления

Реакциям окисления и восстановления можно дать множество определений. С точки зрения электрохимии наиболее подходящим является следующее определение, потому что оно позволяет нам увидеть то, как электроны выполняют свои роли в химии батарей.

Примечание

Потеря электронов – это окисление (LEO), а приобретение электронов – это восстановление (GER).

Реакции окисления и восстановления не могут проводиться отдельно. Они должны появиться вместе в химической реакции. Таким образом, реакции окисления и восстановления часто называют окислительно-восстановительными реакциями . С точки зрения окислительно-восстановительных реакций восстановитель и окислитель образуют окислительно-восстановительную пару , когда они подвергаются реакции:

\(\ce{Окислитель + n\: e^- \rightarrow Восстановитель}\) 9-}\)

Окислитель является окислителем, а восстановитель является восстановителем. Восстановитель

| окислитель или окислитель | восстановитель

Два члена пары представляют собой один и тот же элемент или соединение, но с разной степенью окисления.

Медно-цинковые гальванические элементы

В качестве введения в электрохимию давайте рассмотрим простой гальванический элемент или гальванический элемент.

Когда палочку цинка (\(\ce{Zn}\)) помещают в раствор соли, \(\ce{Zn}\) имеет тенденцию терять электроны в соответствии с реакцией 92+]} = \textrm{1.0 M}\),

измеренное напряжение между двумя клеммами для этой батареи составляет 1,100 В.

Батарея представляет собой набор из одного или нескольких гальванических элементов, используемых для производства и хранения электроэнергии. Простейшая батарея состоит из двух полуэлементов: полуэлемента восстановления и полуэлемента окисления.

Реакции окисления и восстановления. Обзор

Общая реакция гальванического элемента:

\(\ce{Zn + Cu^2+ \rightarrow Zn^2+ + Cu}\) 92+}\) или \(\ce{Zn}\)?

Что отвечает за проводимость электричества в растворе?

Соляной мост – путь к чему двигаться?

Растворы

Цинк окисляется.
Навык –
Определение и объяснение окислительно-восстановительных реакций. Потеря электронов \(\ce{Zn}\) означает, что \(\ce{Zn}\) окисляется, LEO .
Восстанавливается ион меди, а не металл.
Навык – 92+}\) уменьшается.
Цинк имеет сильную тенденцию терять электроны.
Обсуждение –
Металл \(\ce{Zn}\) более активен, чем медь. В кислом растворе атомы \(\ce{Zn}\) отдают электроны на ионы \(\ce{H+}\), а атомы меди – нет. Тенденция измеряется с точки зрения стандартного восстановительного потенциала.
Ответственны ионы электролита в растворе.
Навык –
Объяснить проводимость раствора. Положительные и отрицательные ионы движутся в противоположных направлениях в растворе, что приводит к проводимости электричества.
Солевой мостик — это путь для движения ионов в растворе.

Следующая страница: Степени окисления

Авторы и авторство

Galvanic Cells распространяется под лицензией CC BY-NC-SA 4. 0, автором, ремиксом и/или куратором является LibreTexts.

Наверх

Была ли эта статья полезной?

Тип изделия
Раздел или Страница
Лицензия
CC BY-NC-SA
Версия лицензии
4,0
Показать страницу TOC
№ на стр.
Теги

Коммерческие гальванические элементы — Химия LibreTexts

Последнее обновление
Сохранить как PDF

Идентификатор страницы: 6486

Поскольку гальванические элементы могут быть автономными и портативными, их можно использовать в качестве батарей и топливных элементов. Аккумулятор (аккумулятор) представляет собой гальванический элемент (или серию гальванических элементов), который содержит все реагенты, необходимые для производства электроэнергии. Напротив, топливный элемент представляет собой гальванический элемент, который требует постоянной внешней подачи одного или нескольких реагентов для выработки электроэнергии. В этом разделе мы описываем химический состав некоторых наиболее распространенных типов батарей и топливных элементов.

Батарейки

Существует два основных типа батарей: одноразовые или первичные батареи, в которых электродные реакции практически необратимы и которые нельзя перезаряжать; и перезаряжаемые или вторичные батареи, которые образуют нерастворимый продукт, прилипающий к электродам. Эти батареи можно заряжать, прикладывая электрический потенциал в обратном направлении. Процесс перезарядки временно превращает перезаряжаемую батарею из гальванического элемента в электролитический элемент.

Батареи — это искусно спроектированные устройства, основанные на тех же фундаментальных законах, что и гальванические элементы. Основное различие между батареями и гальваническими элементами, которые мы описали ранее, заключается в том, что в коммерческих батареях в качестве реагентов используются твердые вещества или пасты, а не растворы, чтобы максимизировать электрическую мощность на единицу массы. Использование высококонцентрированных или твердых реагентов имеет еще один положительный эффект: концентрации реагентов и продуктов не сильно изменяются по мере разрядки батареи; следовательно, выходное напряжение остается практически постоянным во время процесса разряда. Такое поведение отличается от поведения ячейки Zn/Cu, выход которой уменьшается логарифмически по мере протекания реакции (рис. \(\PageIndex{1}\)). Когда батарея состоит более чем из одного гальванического элемента, элементы обычно соединяются последовательно, то есть с положительной (+) клеммой одной ячейки, соединенной с отрицательной (-) клеммой следующей, и так далее. Таким образом, общее напряжение батареи представляет собой сумму напряжений отдельных ячеек.

Рисунок \(\PageIndex{1}\): Три типа первичных (неперезаряжаемых) батарей. (а) Сухая ячейка Лекланше на самом деле является «мокрой ячейкой», в которой электролит представляет собой кислую пасту на водной основе, содержащую MnO ₂ , NH ₄ Cl, ZnCl ₂ , графит и крахмал. Несмотря на дешевизну в производстве, элемент не очень эффективен в производстве электроэнергии и имеет ограниченный срок хранения. (b) В батарейке-таблетке анод представляет собой амальгаму цинка и ртути, а катод может быть либо HgO (показан здесь), либо Ag9.0320 2 О в качестве окислителя. Кнопочные батареи надежны и имеют высокое отношение выходной мощности к массе, что позволяет использовать их в таких приложениях, как калькуляторы и часы, где их небольшой размер имеет решающее значение. (c) Литий-йодная батарея состоит из двух элементов, разделенных металлической никелевой сеткой, собирающей заряд с анодов. Анод – металлический литий, катод – твердый комплекс I ₂ . Электролит представляет собой слой твердого LiI, который позволяет ионам Li ⁺ диффундировать от катода к аноду. Хотя этот тип батареи производит относительно небольшой ток, он очень надежен и долговечен.
Основное различие между батареями и гальваническими элементами заключается в том, что в коммерческих батареях в качестве реагентов обычно используются твердые вещества или пасты, а не растворы, чтобы максимизировать электрическую мощность на единицу массы. Очевидным исключением является стандартный автомобильный аккумулятор, в котором используется химия в растворенной фазе.
Сухой элемент Leclanché
Сухой элемент, безусловно, самый распространенный тип батареи, используется в фонариках, электронных устройствах, таких как Walkman и Game Boy, и многих других устройствах. Хотя сухой элемент был запатентован в 1866 году французским химиком Жоржем Лекланше и ежегодно продается более 5 миллиардов таких элементов, детали химии его электродов до сих пор полностью не изучены. Несмотря на свое название, 9{−}}\) ионов, присутствующих в растворе, поэтому общая реакция клетки выглядит следующим образом:
общая реакция:
\[\ce{2MnO2(тв) + 2Nh5Cl(вод) + Zn(тв) -> Mn2O3(тв) + Zn(Nh4)2Cl2(тв) + h3O(ж)} \label{Eq3} \]
Сухой элемент выдает около 1,55 В и недорог в производстве. Однако он не очень эффективен при производстве электроэнергии, потому что фактически восстанавливается только относительно небольшая часть \(\ce{MnO2}\), которая находится вблизи катода, и только небольшая часть цинкового катода фактически потребляется в качестве клетка разряжается. Кроме того, сухие элементы имеют ограниченный срок хранения, поскольку анод \(\ce{Zn}\) спонтанно реагирует с \(\ce{Nh5Cl}\) в электролите, вызывая коррозию корпуса и утечку содержимого. .
AA battery” data-cke-saved-src=”/@api/deki/files/16647/battery.jpg” src=”/@api/deki/files/16647/battery.jpg” data-quail-id= “34”> Источник: Фото предоставлено Mitchclanky2008, www.flickr. {-}(водн.)} \номер \] 9{−}} \номер \]
общая реакция:
\[\ce{Zn(s) + 2MnO2(s) -> ZnO(s) + Mn2O3(s)} \nonumber \]
Эта батарея также производит около 1,5 В, но имеет более длительный срок хранения и более постоянное выходное напряжение при разрядке элемента, чем у сухого элемента Лекланше. Хотя щелочная батарея дороже в производстве, чем сухая батарея Лекланше, улучшенная производительность делает эту батарею более рентабельной.
Батарейки-таблетки
Хотя некоторые маленькие батарейки-таблетки, используемые для питания часов, калькуляторов и камер, представляют собой миниатюрные щелочные элементы, большинство из них основаны на совершенно другом химическом составе. В этих «кнопочных» батареях анод представляет собой амальгаму цинка и ртути, а не чистый цинк, а катод использует в качестве окислителя либо \(\ce{HgO}\), либо \(\ce{Ag2O}\) в качестве окислителя, а не \ (\ce{MnO2}\) на рисунке \(\PageIndex{1b}\)).
Батарейки-таблетки. (Герхард Х. Вроднигг из Википедии)
Катодная, анодная и общие реакции, а также выход элемента для этих двух типов кнопочных батарей следующие (две полуреакции происходят на аноде, но показана общая полуреакция окисления): 9{−}} \номер\]
Суммарная реакция (серебряная батарея): \[\ce{Zn(s) + 2Ag2O(s) -> 2Ag(s) + ZnO(s)} \nonumber \] с \(E_{cell} = 1,6 \,V \).
Основными преимуществами ртутных и серебряных элементов являются их надежность и высокое отношение производительности к массе. Эти факторы делают их идеальными для приложений, где малый размер имеет решающее значение, например, в камерах и слуховых аппаратах. Недостатками являются стоимость и экологические проблемы, вызванные удалением тяжелых металлов, таких как \(\ce{Hg}\) и \(\ce{Ag}\).
Литий-йодная батарея
Ни одна из описанных выше батарей не является «сухой». Все они содержат небольшое количество жидкой воды, которая значительно увеличивает массу и вызывает потенциальные проблемы с коррозией. Следовательно, значительные усилия были затрачены на разработку безводных батарей. Одним из немногих коммерчески успешных безводных аккумуляторов является литий-йодный аккумулятор . Анод – металлический литий, катод – твердый комплекс \(I_2\). Их разделяет слой твердого вещества \(LiI\), который действует как электролит, обеспечивая диффузию Li 9− \label{Eq12} \]
всего:
\[2Li_{(s)}+ I_{2(s)} \rightarrow 2LiI_{(s)} \label{Eq12a} \]
с \(E_{cell} = 3,5 \, V\)
Кардиостимулятор: рентгенограмма пациента, показывающая расположение и размер кардиостимулятора, работающего от литий-йодной батареи.
Как показано в части (c) на рисунке \(\PageIndex{1}\), типичная литий-йодная батарея состоит из двух элементов, разделенных сеткой из металлического никеля, собирающей заряд с анода. Из-за высокого внутреннего сопротивления, вызванного твердым электролитом, может потребляться только небольшой ток. Тем не менее такие батареи зарекомендовали себя как долговечные (до 10 лет) и надежные. Поэтому они используются в приложениях, где частая замена затруднена или нежелательна, например, в кардиостимуляторах и других медицинских имплантатах, а также в компьютерах для защиты памяти. Эти батареи также используются в охранных передатчиках и пожарных извещателях. Разрабатываются и другие аккумуляторы на основе литиевых анодов и твердых электролитов с использованием \(TiS_2\), например, в качестве катода.
Сухие элементы, кнопочные батареи и литий-йодные батареи одноразового использования и не подлежат перезарядке после разрядки. Перезаряжаемые батареи, напротив, предлагают значительные экономические и экологические преимущества, поскольку их можно перезаряжать и разряжать много раз. В результате затраты на производство и утилизацию резко снижаются при заданном количестве часов использования батареи. Двумя распространенными перезаряжаемыми батареями являются никель-кадмиевая батарея и свинцово-кислотная батарея, которые мы опишем далее.

Никель-кадмиевая (NiCad) батарея
Никель-кадмиевая (NiCad) батарея используется в небольших электроприборах и устройствах, таких как дрели, портативные пылесосы и цифровые тюнеры AM/FM. -_{(aq)} \label {Eq13} \] 9- \label{Eq14} \]
всего:
\[Cd_{(т)} + 2NiO(OH)_{(т)} + 2H_2O_{(л)} \rightarrow Cd(OH)_{2(т)} + 2Ni(OH)_{2( s)} \label{Eq15} \]
\(E_{ячейка} = 1,4 В\)
Поскольку продукты разрядных полуреакций представляют собой твердые вещества, которые прилипают к электродам [Cd(OH) ₂ и 2Ni(OH) ₂ ], общая реакция легко обращается вспять при перезарядке элемента. Хотя никель-кадмиевые элементы легкие, перезаряжаемые и имеют большую емкость, они имеют определенные недостатки. Например, они, как правило, быстро теряют емкость, если их не полностью разрядить перед перезарядкой, они плохо хранятся в течение длительного времени при полной зарядке и представляют собой серьезные проблемы с окружающей средой и утилизацией из-за токсичности кадмия.

Разновидностью никель-кадмиевой батареи является никель-металлгидридная батарея (NiMH), используемая в гибридных автомобилях, устройствах беспроводной связи и мобильных компьютерах. Общее химическое уравнение для этого типа батареи выглядит следующим образом:
\[NiO(OH)_{(s)} + MH \rightarrow Ni(OH)_{2(s)} + M_{(s)} \ label{Eq16} \]
Емкость NiMH-аккумулятора на 30–40% выше, чем у NiCad-аккумулятора; он более экологичен, поэтому хранение, транспортировка и утилизация не подлежат экологическому контролю; и он не так чувствителен к подзарядке памяти. Однако у него скорость саморазряда на 50% выше, ограниченный срок службы и более высокое техническое обслуживание, и он дороже, чем никель-кадмиевый аккумулятор.
Директива 2006/66/ЕС Европейского Союза запрещает размещение на рынке портативных аккумуляторов, содержащих более 0,002% кадмия по весу. Целью этой директивы было улучшение «экологических характеристик батарей и аккумуляторов».

Свинцово-кислотная (свинцовая) батарея
Свинцово-кислотная батарея используется для обеспечения пусковой мощности практически в каждом автомобильном и судовом двигателе. в продаже. Морские и автомобильные аккумуляторы обычно состоят из нескольких элементов, соединенных последовательно. Общее напряжение, генерируемое батареей, представляет собой потенциал на ячейку (E° _ячейка ), умноженная на количество ячеек.
Рисунок \(\PageIndex{3}\): Один элемент свинцово-кислотного аккумулятора. Аноды в каждой ячейке перезаряжаемой батареи представляют собой пластины или сетки из свинца, содержащие губчатый металлический свинец, а катоды представляют собой аналогичные сетки, содержащие порошкообразный диоксид свинца (PbO ₂). Электролит представляет собой водный раствор серной кислоты. Значение E° для такого элемента составляет около 2 В. При последовательном соединении трех таких элементов получается аккумулятор на 6 В, тогда как типичный автомобильный аккумулятор на 12 В содержит шесть последовательно соединенных элементов. При правильном обращении этот тип аккумуляторов большой емкости может многократно разряжаться и перезаряжаться.
Как показано на рисунке \(\PageIndex{3}\), анод каждой ячейки свинцовой аккумуляторной батареи представляет собой пластину или сетку из губчатого металлического свинца, а катод – аналогичную сетку, содержащую порошкообразный диоксид свинца (\(PbO_2 \)). Электролит обычно представляет собой примерно 37% раствор (по массе) серной кислоты в воде с плотностью 1,28 г/мл (около 4,5 М \(H_2SO_4\)). Поскольку окислительно-восстановительные активные частицы представляют собой твердые вещества, нет необходимости разделять электроды. Электродные реакции в каждой ячейке во время разряда следующие: 9°_{ячейка} = 2,041 \; V\)
При разрядке элемента на электродах образуется порошок \(PbSO_4\). Кроме того, расходуется серная кислота и образуется вода, что снижает плотность электролита и обеспечивает удобный способ контроля состояния батареи путем простого измерения плотности электролита. Часто это делается с помощью ареометра.

Ареометр можно использовать для проверки удельного веса каждой ячейки в качестве меры ее состояния заряда (www.youtube.com/watch?v=SRcOqfL6GqQ).
Когда к свинцово-кислотному аккумулятору прикладывается внешнее напряжение, превышающее 2,04 В на элемент, электродные реакции меняются, и \(PbSO_4\) снова превращается в металлический свинец и \(PbO_2\). Однако, если батарея заряжается слишком энергично, может произойти электролиз воды:
\[ 2H_2O_{(l)} \rightarrow 2H_{2(g)} +O_{2(g)} \label{EqX} \]
Это приводит к выделению потенциально взрывоопасного газообразного водорода. Образовавшиеся таким образом газовые пузырьки могут выбивать часть частиц \(PbSO_4\) или \(PbO_2\) из сеток, позволяя им падать на дно ячейки, где они могут скапливаться и вызывать внутреннее короткое замыкание. . Таким образом, процесс перезарядки должен тщательно контролироваться, чтобы оптимизировать срок службы батареи. Однако при надлежащем уходе свинцово-кислотный аккумулятор можно разряжать и перезаряжать тысячи раз. В автомобилях генератор переменного тока подает электрический ток, который вызывает обратную реакцию разряда.
Топливные элементы
Топливный элемент — это гальванический элемент, требующий постоянного внешнего источника реагентов, поскольку продукты реакции постоянно удаляются. В отличие от батареи, он не хранит химическую или электрическую энергию; топливный элемент позволяет извлекать электрическую энергию непосредственно из химической реакции. В принципе, это должен быть более эффективный процесс, чем, например, сжигание топлива для привода двигателя внутреннего сгорания, который вращает генератор, который обычно имеет КПД менее 40%, и фактически КПД топливного элемента обычно от 40% до 60%. К сожалению, серьезные проблемы со стоимостью и надежностью препятствуют широкому внедрению топливных элементов. На практике их использование было ограничено приложениями, в которых масса может быть значительным фактором стоимости, например, 9+\) с образованием воды. Твердый электролит позволяет протонам диффундировать от анода к катоду. Хотя топливные элементы являются по существу экологически чистым средством получения электроэнергии, их стоимость и технологическая сложность до сих пор ограничивали их применение.
В этих космических аппаратах используется водородно-кислородный топливный элемент, для которого требуется непрерывная подача H ₂ (g) и O ₂ (g), как показано на рисунке \(\PageIndex{4}\). Электродные реакции следующие: 9− \label{Eq21} \]
всего:
\[2H_{2(г)} + O_{2(г)} \rightarrow 2H_2O_{(г)} \label{Eq22} \]
Общая реакция представляет собой практически незагрязняющую конверсию водорода и кислорода в воду, которая затем собирается и используется в космических аппаратах. Хотя этот тип топливного элемента должен производить 1,23 В при стандартных условиях, на практике устройство достигает только около 0,9 В. Одним из основных препятствий для достижения большей эффективности является тот факт, что четырехэлектронное восстановление \(O_2(g)\ ) на катоде по своей природе довольно медленный, что ограничивает ток, который может быть достигнут. У всех основных производителей автомобилей есть крупные исследовательские программы, связанные с топливными элементами: одной из наиболее важных целей является разработка лучшего катализатора для восстановления \(O_2(g)\).
Резюме
Коммерческие батареи представляют собой гальванические элементы, в которых в качестве реагентов используются твердые или пастообразные вещества для максимизации выходной электрической мощности на единицу массы. Аккумулятор — это изолированная единица, которая производит электричество, тогда как топливный элемент — это гальванический элемент, который требует постоянного внешнего источника одного или нескольких реагентов для производства электричества.