Реферат: Гальванические элементы. Аккумуляторы

г.  Кызыл, ТГУ

РЕФЕРАТ

Тема:"Гальваническиеэлементы. Аккумуляторы."

Составила: СпиридоноваВ.А.

I курс, IV гр.,ФМФ

Проверила: КендиванО.Д.

2001 г.

СОДЕРЖАНИЕ:

<span Courier New"; mso-bidi-font-family:«Courier New»">I.<span Times New Roman"">     

Введение

<span Courier New"; mso-bidi-font-family:«Courier New»">II.<span Times New Roman"">   

Гальванические источникитока

<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Courier New»;mso-ansi-language:EN-US">1.<span Times New Roman"">  

Типы гальванических элементов

<span Courier New"; mso-bidi-font-family:«Courier New»;mso-ansi-language:EN-US">III.<span Times New Roman""> 

Аккумуляторы

<span Courier New"; mso-bidi-font-family:«Courier New»">1.<span Times New Roman"">  

Кислотные

<span Courier New"; mso-bidi-font-family:«Courier New»">2.<span Times New Roman"">  

Щелочные

<span Courier New"; mso-bidi-font-family:«Courier New»">3.<span Times New Roman"">  

Герметичные никель-кадмиевые

<span Courier New"; mso-bidi-font-family:«Courier New»">4.<span Times New Roman"">  

Герметичные

<span Courier New"; mso-bidi-font-family:«Courier New»">5.<span Times New Roman"">  

Аккумуляторы технологии «DRYFIT»

I

ВВЕДЕНИЕ

    Химические источники  тока  (ХИТ) в  течении  многих лет

прочно вошли  в  нашу жизнь. В быту потребитель редко обращает

внимание на отличия используемых ХИТ. Для него этобатарейки  и

аккумуляторы. Обычно они используются в устройствах таких, как

карманные фонари, игрушки, радиоприемники илиавтомобили.

В том случае, когда  потребляемая  мощность относительно

велика (10Ач), используются аккумуляторы, в основномкислотные,

а  также  никель-железные иникель-кадмиевые. Они применяются в

портативных ЭВМ (Laptop, Notebook, Palmtop), носимых  средствах

связи, аварийном освещении и пр.

     В последниегоды такие аккумуляторы широко применяются  в

резервных  источниках   питания   ЭВМ  и  электромеханических

системах, накапливающих энергию для возможныхпиковых  нагрузок

и аварийного питания электроэнергией жизненно-важныхсистем.

 

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), поэтомуони  называются

сухими элементами.  Этот  термин используется применительно ко

всем элементам, не содержащим жидкого  электролита. К  обычным

сухим  элементам  относятся  углеродно-цинковые  элементы.

     Сухиеэлементы применяются при малых токах и  прерывистых

режимах работы.  Поэтому  такие элементы широко используются в

телефонных аппаратах, игрушках, системахсигнализации и др.

     Действие любого гальванического элементаосновано на протекании в нем окислительно-восстановительной реакции. Впростейшем случае гальванический элемент состоит из двух пластин или стержней,изготовленных из различных металлов и погруженных в раствор электролита. Такаясистема делает возможным пространственное разделениеокислительно-восстановительной реакции:окисление протекает на одномметалле, а восстановление — на другом. Таким образом, электроны передаются отвосстановителя к окислителю по внешней цепи.

     Рассмотрим в качестве примерамедно-цинковый гальванический элемент, работающий за счет энергии приведеннойвыше реакции между цинком и сульфатом меди. Этот элемент (элемент Якоби-Даниэля) состоит из медной пластины, погруженной враствор сульфата меди (медный электрод), и цинковой пластины, погруженной враствор сульфата цинка (цинковый электрод). Оба раствора соприкасаются друг сдругом, но для предупреждения смешивания они разделены перегородкой,изготовленной из пористого материала.

     При работе элемента, т.е. при замкнутойцепи, цинк окисляется:на поверхности егосоприкосновения с раствором атомы цинка превращаются в ионы и, гидратируясь, переходят в раствор. Высвобождающиеся приэтом электроны движутся по внешней цепи к медному электроду. Вся совокупность этих процессов схематическиизображается уравнением полуреакции, илиэлектрохимическим уравнением:

Zn= Zn2+ + 2e-

    На медном электроде протекаетвосстановление ионов меди. Электроны, приходящие сюда от цинкового электрода,соединяются с выходящими из раствора дегидратирующимисяионами меди; образуются атомы меди, выделяющиеся в виде металла.Соответствующее электрохимическое уравнение имеет вид:

Cu2+ + 2e- = Cu

     Суммарное уравнение реакции,протекающей в элементе, получится при сложении уравнений обеих полуреакций. Таким образом, при работе гальваническогоэлемента, электроны от восстановителя переходят к окислителю по внешней цепи,на электродах идут электрохимические процессы, в растворе наблюдаетсянаправленное движение ионов.               

     Электрод,на котором протекает окисление, называется анодом(цинк). Электрод, на котором протекаетвосстановление, называется катодом (медь).

     В принципеэлектрическую энергию может дать любаяокислительно-восстановительная реакция.Однако, число реакций,

практическииспользуемых в химических источниках электрической энергии, невелико. Это связано с тем,что не всякаяокислительно-восстановительная реакцияпозволяет создать гальванический элемент, обладающий технически ценными свойствами. Кроме того, многиеокислительно-восстановительные реакциитребуют расхода дорогостоящих веществ.

     В отличие от медно-цинкового элемента, во всехсовременных гальванических элементах и аккумуляторах используют не два,а один электролит; такие источники токазначительно удобнее в эксплуатации.

ТИПЫ ГАЛЬВАНИЧЕСКИХЭЛЕМЕНТОВ

Угольно-цинковыеэлементы

    Угольно-цинковые  элементы  (марганец-цинковые)   являются

самыми распространенными сухими элементами. В угольно-цинковых

элементах используется пассивный (угольный)  коллектор тока  в

контакте с  анодом  из двуокиси марганца (MnO2), электролит из

хлорида аммония и катодом  из цинка.  Электролит  находится в

пастообразном состоянии  или  пропитывает пористую диафрагму.

Такой электролит  мало  подвижен и  не  растекается, поэтому

элементы называются 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 службыэлемента продлевается.

    Достоинством угольно-цинковых   элементов   является  их

относительно  низкая  стоимость.  К существенным  недостаткам

следует отнести значительное снижениенапряжения  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. Повышениетемпературы вызываетхимическую коррозию цинкового электрода водой,  содержащейся вэлектролите,  и  высыхание электролита.  Эти  факторы удаетсянесколько  компенсировать  выдержкой батареи  при   повышеннойтемпературе  и введением внутрь элемента, через предварительнопроделанное отверстие,солевого раствора.

Щелочные элементы

     Как и в угольно-цинковых, в щелочныхэлементах используется анод из MnO2и цинковый катод с разделенным электролитом.

     Отличиещелочных элементов от угольно-цинковых заключается

в применении  щелочного   электролита,   вследствие   чего

газовыделение  при разряде  фактически отсутствует, иих можно

выполнять герметичными, что очень  важно для  целого  ряда их

применений.

Ртутныеэлементы

     Ртутныеэлементы очень похожи на щелочные элементы. В них

используется оксид ртути (HgO). Катод состоит из смесипорошка

цинка и ртути. Анод и катод разделены сепаратором идиафрагмой,

пропитанной 40% раствором щелочи.

Так как ртуть дефицитна и токсична,  ртутные элементы  не

следует выбрасывать после их полного использования. Они должны

поступать на вторичную переработку.

    

Серебряныеэлементы

     Они имеют«серебряные» катоды из Ag2O и AgO.

Литиевыеэлементы

     В нихприменяются литиевые аноды, органический электролит

и  катоды  из различных материалов. Они обладают оченьбольшими

сроками хранения, высокими плотностями энергии иработоспособны

в широком интервале температур, поскольку несодержат воды.

     Так каклитий обладает наивысшим отрицательным потенциалом

по отношению   ко    всем    металлам,   литиевые    элементы

характеризуются   наибольшим   номинальным   напряжением  при

минимальных габаритах. 

    Ионная    проводимость    обеспечивается    введением   в

растворители солей, имеющих анионы больших размеров.

     К   недостаткам литиевых  элементов  следует отнести  их

относительно высокую стоимость,  обусловленную  высокой ценой

лития, особыми  требованиями  к их производству (необходимость

инертной атмосферы, очистка  неводных растворителей).  Следует

также  учитывать,  что  некоторые литиевые  элементы  при  их

вскрытии взрывоопасны.

Литиевые  элементы широко  применяются в резервныхисточниках питания   схем  памяти, измерительных приборах и прочих высокотехнологичных системах.

III

АККУМУЛЯТОРЫ

  

     Аккумуляторы      являются     химическими     источниками

электрической энергии многоразового действия.  Они состоят  из

двух электродов (положительного и отрицательного), электролита

и корпуса. Накопление энергии  в аккумуляторе  происходит  при

протекании   химической    реакции    окисления-восстановления

электродов. При  разряде  аккумулятора  происходят   обратные

процессы. Напряжение  аккумулятора — эторазность потенциалов

между полюсами аккумулятора при фиксированнойнагрузке.

     Дляполучения 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-кадмиевых и 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 нем протекает окислительно-восстановительная реакция, в ходе которойметаллический свинец окисляется:

                           2-

Pb + SO4  = PbSO4+ 2e-

А диоксид свинцавосстанавливается:

                            2-

Pb + SO4+ 4H+ + 2e- = PbSO4+ 2H2O

   Электроны, отдаваемые атомами металлическогосвинца при окислении, принимаются атомами свинца PbO2при восстановлении;электроны передаются от одного электрода к другому по внешней цепи.

     Такимобразом, металлический свинец служит в свинцовом аккумуляторе анодом и заряжен отрицательно, а PbO2служит катодом и заряженположительно.

     Во внутренней цепи (в растворе H2SO4) при работе аккумуляторапроисходит перенос ионов. Ионы SO42-  движутся к аноду, а ионы H+  — к катоду. Направление этого движенияобусловлено электрическим полем, возникающим в результате протеканияэлектродных процессов:у анода расходуются анионы,а у катода — катионы. В итоге раствор остается электронейтральным.

     Если сложить уравнения, отвечающиеокислению свинца и восстановлению PbO2, то получится суммарное уравнение реакции,

протекающей в свинцовомаккумуляторе при его работе (разряде):

 

                                  2-

Pb+ PbO2+4H+ + 2SO4  = 2PbSO4+2H2O

     Э.д.с. заряженного свинцовогоаккумулятора равна приблизительно 2В. По мере разряда аккумулятора материалыего катода (PbO2) ианода (Pb) расходуются. Расходуется исерная кислота. При этом напряжение на зажимах аккумулятора падает. Когда оностановится меньше значения, допускаемого условиями эксплуатации, аккумуляторвновь заряжают.

     Длязарядки (или заряда) аккумулятор подключают к внешнему источнику тока (плюсом к плюсу и минусом к минусу). При этом токпротекаетчерез аккумулятор в направлении, обратном тому, в котором он проходил приразряде аккумулятора. В результате этого электрохимические процессы на электродах "обращаются".На свинцовом электроде теперь происходит процесс восстановления

                                         2-

PbSO4 + 2e- = Pb + SO4

т.е. этод электрод становится катодом. На электроде из PbO2идет процесс окисления

PbSO4+ 2H2O = PbO2+ 4H+ + 2e-

следовательноэтот электрод является теперь анодом. Ионы в растворе движутся в направлениях,обратных тем, в которых они перемещались при работе аккумулятора.

     Складывая два последниеуравнения, получим уравнение реакции, протекающей при зарядке аккумулятора:

                                                2-

2PbSO4+ 2H2O = Pb + PbO2+4H+ + 2SO4

     Нетрудно заметить, что этотпроцесс противоположен тому, который протекает при работе аккумулятора:призарядке аккумулятора в нем вновь получаются вещества, необходимые для егоработы.

     Свинцовыеаккумуляторы обычно соединяют в батарею, которую

помещают в  моноблок  из эбонита, термопласта, полипропилена,

полистирола, полиэтилена, асфальтопековойкомпозиции,  керамики

или стекла.

    Одной  из  важнейших характеристик  аккумулятораявляется

срок службы или  ресурс-наработка  (число циклов).  Ухудшение

параметров аккумулятора  и выход из строяобусловлены в первую

очередь коррозией  решетки   и   оползанием   активной   массы

положительного электрода. Срок службы аккумулятораопределяется

в  первую  очередь типом  положительных  пластин и  условиями

эксплуатации.

    Совершенствование  свинцовых  аккумуляторов идет  по пути

изыскания новых сплавов  для решеток (например свинцово- кальциевых),облегченных и прочных материалов корпусов

(например, на основе сополимера пропилена иэтилена), улучшения

качества сепараторов.

ЩЕЛОЧНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

Серебряно-цинковые.

     Обладают хорошими электрическимихарактеристиками, имеют малую массу и объем. В них электродами служат оксидысеребра Ag2O, AgO(катод) и губчатый цинк(анод);электролитом служит раствор KOH.

     При работе аккумулятора цинк окисляется,превращаясь в ZnOиZn(OH)2, а оксид серебравосстанавливается до металла. Суммарную реакцию, протекающую при разрядеаккумулятора, можно приближенно выразить уравнением:

AgO+ Zn = Ag + ZnO

     Э.д.с. заряженногосеребряно-цинкового аккумулятора приближенно равна 1,85 В. При снижениинапряжения до 1,25 В аккумулятор заряжают. При этом процессы на электродах "обращаются": цинквосстанавливается, серебро окисляется — вновь получаются вещества, необходимыедля работы аккумулятора.

Кадмиево-никелевые и железно-никелевые.

     КН и ЖН весьма сходны между собой.Основное их различие состоит в материале пластин отрицательного электрода;ваккумуляторах КН они кадмиевые, а в аккумуляторах ЖН — железные. Наиболееширокое применение имеют аккумуляторы КН.

     Щелочные аккумуляторы в основномвыпускаются с ламельными электродами. В них активныемассы заключены в ламели — плоские коробочки сотверстиями. Активная масса положительных пластин заряженного аккумулятора восновном состоит из гидротированного оксида никеля(Ш) Ni2O3x H2Oили NiOOH. Кроме того, в нейсодержится графит, добавляемый для увеличения электропроводности. Активнаямасса отрицательных пластин аккумуляторов КН состоит из смеси губчатого кадмияс порошком железа, а аккумуляторов ЖН — из порошка восстановленного железа.Электролитом служит раствор гидроксида калия,содержащий небольшое количество LiOH.

     Рассмотрим процессы, протекающие приработе аккумулятора КН. При разряде аккумулятора кадмий окисляется.

Cd+ 2OH- = Cd(ОН)2+ 2е-

А NiOOHвосстанавливается:

 

2NiOOH+ 2H2O + 2e- = 2Ni(ОН)2+ 2ОН-

     По внешней цепи при этом происходитперенос электронов от кадмиевого электрода к никелевому. Кадмиевый электродслужит анодом и заряжен отрицательно, а никелевый — катодом и заряженположительно.

     Суммарную реакцию, протекающую ваккумуляторе КН при его работе, можно выразить уравнением, которое получитсяпри сложении двух последних электрохимических уравнений:

2NiOOH+ 2H2O + Cd = 2NI(OH)2+ CD(OH)2

     Э.д.с. заряженногокадмиево-никелевого аккумулятора равна приблизительно 1,4 В. По мере работы(разряда) аккумулятора напряжение на его зажимах падает. Когда оно становитсяниже 1В, аккумулятор заряжают.

     При зарядке аккумулятора электрохимическиепроцессы на его электродах "обращаются".На кадмиевом электроде происходит восстановление металла

Cd(OH)2+2e- = CD + 2OH-

На никелевом — окисление гидроксиданикеля (П):

2Ni(OH)2+2OH- = 2NiOOH + 2H2O + 2e-

     Суммарная реакция призарядке обратна реакции, протекающей при разряде:

2Ni(OH)2 + Cd(OH)2= 2NiOOH + 2H2O + Cd

ГЕРМЕТИЧНЫЕ НИКЕЛЬ-КАДМИЕВЫЕАККУМУЛЯТОРЫ

     Особую группу  никель-кадмиевых  аккумуляторов составляют герметичныеаккумуляторы. Выделяющийся  в концезаряда кислород  окисляет  кадмий, поэтому давление в аккумуляторе не повышается.  Скорость  образования кислорода должна быть невелика, поэтому аккумулятор заряжаютотносительно небольшим током.

     Герметичные   аккумуляторы подразделяются   на дисковые,

цилиндрические  и прямоугольные.

     Герметичные  прямоугольные никель-кадмиевые аккумуляторы

производятся    с    отрицательными    неметаллокерамическими электродами из оксида кадмияили   с металлокерамическимикадмиевыми  электродами.

ГЕРМЕТИЧНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

    Широко     распространенные     кислотные    аккумуляторы,

выполненные по классической технологии, доставляютмного хлопот

и оказывают вредное влияние на людей и аппаратуру.Они наиболее

дешевы, но требуют дополнительных затрат  на их  обслуживание,

специальных помещений и персонал.

 

АККУМУЛЯТОРЫ ТЕХНОЛОГИИ«DRYFIT»

     Наиболееудобными 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.

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Деордиев С.С.

Аккумуляторыи уход за ними.

К.: Техника,1985. 136 с.

2.Электротехнический справочник.

В 3-х т.Т.2. Электротехнические изделия и устройства/под

общ. ред. профессоров МЭИ (гл. ред. И. Н. Орлов) идр. 7    изд. 6испр. и доп.

М.: Энергоатомиздат, 1986. 712 с.

3. Н.Л.Глинка.

Общаяхимия.

Издательство"Химия" 1977.

4. Багоцкий В.С., Скундин А.М.

Химическиеисточники тока.

М.: Энергоиздат, 1981. 360 с.

еще рефераты
Еще работы по технике