Химические источники тока: основные характеристики

Химические источники тока: основные характеристики

Принцип работы

Окислительно-восстановительная реакция, протекающая между веществами, обладающими свойствами окислителя и восстановителя, сопровождаются выделением электронов, движение которых образует электрический ток.

Однако, чтобы использовать его энергию, необходимо создать условия для прохождения электронов через внешнюю цепь, в противном случае она при простом смешивании окислителя и восстановителя выделяется во внешнюю среду теплом.

Поэтому все химические источники тока имеют два электрода:

  • анод, на котором происходит окисление;
  • катод, осуществляющий восстановление вещества.

Электроды на расстоянии помещены в сосуд с электролитом — веществом, проводящим электрический ток за счет процессов диссоциации среды на ионы.

Химические источники тока: основные характеристики

Принцип преобразования химической энергии в электрическую

На рисунке показано, что электроды размещены в отдельных сосудах, соединенных солевым мостиком, через который создается движение ионов по внутренней цепи. Когда внешняя и внутренняя цепь разомкнуты, то на электродах протекают два процесса: переход ионов из металла электрода в электролит и переход ионов из электролита в кристаллическую решетку электродов.

Скорости протекания этих процессов одинаковы и на каждом электроде накапливаются потенциалы напряжения противоположных знаков.

Если их соединить через солевой мостик и приложить нагрузку, то возникнет электрическая цепь. По внутреннему контуру электрический ток создается движением ионов между электродами через электролит и солевой мостик.

По внешней цепи возникает движение электронов по направлению от анода на катод.

Практически все окислительно-восстановительные реакции сопровождаются выработкой электроэнергии. Но ее величина зависит от многих факторов, включающих объемы и массы используемых химических веществ, примененных материалов для изготовления электродов, типа электролита, концентрации ионов, конструкции.

Наибольшее применение в современных химических источниках тока нашли:

  • для материала анода (восстановителя) — цинк (Zn), свинец (Pb), кадмий (Cd) и некоторые другие металлы;
  • для материала катода (окислителя) — оксид свинца PbO2, оксид марганца MnO2, гидроксооксид никеля NiOOH и другие;
  • электролиты на основе растворов кислот, щелочей или соли.

Способы классификации

Одна часть химических источников тока может повторно использоваться, а другая нет. Этот принцип взят за основу их классификации.

Химические источники тока: основные характеристики

Классификация химических элементов

Электродвижущая сила гальванических элементов, в зависимости от конструкции, достигает 1,2÷1,5 вольта. Для получения больших значений их объединяют в батареи, соединяя последовательно. При параллельном подключении батарей увеличивается ток и мощность.

Принято считать, что первичные химические источники тока не поддерживают повторную зарядку, хотя более точно это положение можно сформулировать по-другому: ее проведение экономически не целесообразно.

Резервные первичные химические источники тока хранятся в состоянии, когда электролит изолирован от электродов. Это исключает протекание окислительно-восстановительной реакции и обеспечивает готовность к вводу в работу. Они не используются повторно. Срок хранения резервных химических источников тока ограничен в 10÷15 лет.

Аккумуляторы успешно перезаряжаются приложением внешней электрической энергии. Благодаря этой возможности их называют вторичными источниками тока. Они способны выдерживать сотни и тысячи циклов заряда-разряда. ЭДС аккумулятора может быть в пределах 1,0÷1,5 вольта. Их тоже объединяют в батареи.

Электрохимические генераторы работают по принципу гальванических элементов, но у них для проведения электрохимической реакции вещества поступают извне, а все выделяющиеся продукты удаляются из электролита. Это позволяет организовать непрерывный процесс.

Основные рабочие характеристики химических источников тока

1. Величина напряжения на разомкнутых клеммах

В зависимости от конструкции единичный источник может создавать только определенную разность потенциалов. Для использования в электрических устройствах их объединяют в батареи.

  • 2. Удельная емкость
  • За определенное время (в часах) один химический источник тока может выработать ограниченное количество тока (в амперах), которые относят к единице веса либо объема.
  • 3. Удельная мощность
  • Характеризует способность единицы веса или объема химического источника тока вырабатывать мощность, образованную произведением напряжения на силу тока.
  • 4. Продолжительность эксплуатации
  • Еще этот параметр называют сроком годности.
  • 5. Значение токов саморазряда
  • Эти побочные процессы электрохимических реакций приводят к расходу активной массы элементов, вызывают коррозию, снижают удельную емкость.
  • 6. Цена на изделие
  • Зависит от конструкции, применяемых материалов и ряда других факторов.
  • Лучшими химическими источниками тока считаются те, у которых высокие значения первых четырех параметров, а саморазряд и стоимость низкие.
  • Принципы заряда аккумуляторов

Среди вторичных химических источников тока большую популярность набирают литий ионные модели, которые стали массово применяться для питания электронных устройств. У них материалом положительного электрода используется LiMO2 (M Co, Ni, Mn), а отрицательного — графит.

При заряде ионы лития от приложенной внешней энергии выделяются из металла катода, проходят через электролит и проникают в пространство между слоями графита, накапливаясь там.

Химические источники тока: основные характеристики

Когда энергия зарядного устройства отсутствует, а к электродам подключена нагрузка, то ионы лития в электролите двигаются в противоположную сторону.

Если заряд и разряд не проводятся, то энергия в аккумуляторе не расходуется, а сохраняется. Но ее количество ограничивается свойствами применяемых материалов. К примеру, у литий-ионных аккумуляторов значение удельной электроемкости составляет 130÷150 мАч/г. Оно лимитировано свойствами материала анода. Для графита емкость выше примерно в два раза.

Ученые сейчас ищут способы повышения емкости аккумулятора, изучают возможности использования химической реакции, проходящей между литием и кислородом воздуха. Для этого разрабатываются конструкции с воздушным, не расходуемым катодом, используемые в отдельных аккумуляторах. Этот метод может до 10 раз увеличить плотность энергии.

Эксплуатация химических источников тока требует знания основ электротехники, электрохимии, материаловедения и физики твердых тел.

Химические источники электрического тока

Химические источники тока – это устройства, работа которых обусловлена преобразованием выделяемой при окислительно-восстановительном процессе химической энергии в энергию электрическую.

К преимуществам химических источников тока относится универсальность их применения.

Источником питания многих бытовых устройств, а также приборов, используемых в научных лабораториях или на производстве, являются именно химические источники питания.

Востребованность химических источников тока в обеспечении функционирования аппаратуры связи или портативной электронной аппаратуры заслуживает особого внимания, так как в этом случае они являются незаменимыми.

Химические источники тока: основные характеристики

Химические источники электротока

Конструктивно химические источники тока представляют собой два металлических электрода, разделенных электролитом. Электроды изготавливаются из металла, который является проводником электронов (электронная проводимость), а электролит изготавливается из жидкого или твердого вещества, являющегося проводником ионов (ионная проводимость).

Если для питания, какого либо потребителя, требуется высокое напряжение, то электрические аккумуляторы соединяются последовательно. В случае, когда для электропитания требуется большой ток, электрические аккумуляторы соединяются параллельно и носят название аккумуляторной батареи.

Химические источники тока: основные характеристики

Последовательное соединение (согласное включение)

Еобщ = Е1 + Е2 + Е3

Химические источники тока: основные характеристики

Смешанное соединение (встречное)

Еобщ = Е1 – Е2 + Е3

Химические источники тока: основные характеристики

  • Параллельное соединение источников питания. ( Такое соединение применяется
  • для увеличения тока в цепи. )

Еобщ = Е1 = Е2 = Е3

В зависимости от характера работы различные типы химических источников питания носят название гальванических элементов либо электрических аккумуляторов.

К отличительной особенности химических источников тока, называемых гальваническими элементами, относится возможность одноразового применения, так как их выделяющие электрическую энергию активные вещества подлежат полному распаду в процессе химической реакции. При полном разряде гальванического элемента его дальнейшее применение невозможно.

Особенностью таких химических источников тока, как электрические аккумуляторы, является их многоразовое использование за счет обратимости основных действующих процессов.

Разряженный электрический аккумулятор обладает способностью регенерировать свои дающие электрическую энергию активные вещества за счет процесса пропускания через него постоянного тока, источником которого служит другое устройство.

При заряде электрического аккумулятора постоянный тока другого источника должен протекать в направлении, противоположном разрядному току. Такое условие способствует замене реакции окисления на реакцию восстановления на положительном электроде, и наоборот, на отрицательном электроде реакция окисления заменяется на реакцию восстановления.

К химическим источникам тока предъявляется ряд общих и специальных технических требований. Все требования оговорены в соответствующей нормативной документации.

Читайте также:  Что такое микроконтроллеры - назначение, устройство, софт

Общими являются требования: к габаритно-массовым характеристикам; к надежности; к отсутствию вредного влияния на окружающую среду; к безопасному использованию обслуживающим персоналом; к сроку службы; к минимальному саморазряду.

Специальными техническими условиями являются требования к удельным характеристикам, к механической прочности, к температурному диапазону рабочего режима, к невысокому значению внутреннего сопротивления, к работоспособности в любом положении, к удобству в эксплуатации.

Химические источники тока на все случаи жизни: литиевые батарейки

29 мая 2013

Химические источники тока (ХИТ) прочно вошли в нашу повседневную жизнь. Практически каждый из нас имел дело с гальваническими элементами, но не каждому эта встреча могла оставить приятные воспоминания.

Случалось, что батарейки почему-то работали меньше, чем ожидалось, у них быстро снижалось напряжение, или нагрузка просто отказывалась нормально функционировать с некоторыми типами элементов.

В этом случае, как правило, мы считали виноватым производителя элементов и редко допускали, что могла быть и доля нашей собственной вины. Может быть, в данном случае элемент повел себя так, как и должен был? Ведь различные нагрузки нуждаются и в различных источниках тока.

Например, фотоаппарат со вспышкой требует кратковременного, но достаточно большого тока, а цифровому аудиоплееру, наоборот, требуется длительный ток небольшой величины.

Если в бытовом применении потребитель редко обращает внимание на отличия используемых химических источников тока — для него они просто батарейки и аккумуляторы, то для применения в промышленном оборудовании необходимо обладать полной информацией о существующих источниках и их различиях между собой. Это требуется для того, чтобы избежать возможных ошибок, связанных с неправильным применением источников тока в том или ином приложении.

Химический источник тока — это устройство, непосредственно преобразующее энергию химической реакции, протекающей между анодом и катодом, в электрическую энергию.

Все химические источники по способности к повторному использованию подразделятся на две большие группы: первичные источники тока и вторичные источники тока. Первичные источники тока (элементы) обеспечивают только разряд и не могут заряжаться — они используются однократно.

Вторичные источники тока (аккумуляторы) могут заряжаться и использоваться многократно в циклическом режиме «заряд-разряд».

В мире производится несколько основных типов химических источников тока (солевые, щелочные, литиевые и др.

) и достаточно большое количество их разновидностей, различающихся типом электрохимической системы, электрической емкостью, допустимыми токами разряда и саморазряда, а также — другими параметрами.

Некоторые параметры основных типов первичных источников тока приведены в таблице 1 (ориентировочная электрическая емкость указана при непрерывном разряде тока 10 мА).

Таблица 1. Параметры первичных ХИТ 

Типы ХИТ
Рабочее
напряжение, В

Электрическая
емкость, мАч

Диапазон
рабочей температуры, °С

Саморазряд,
% в год

Солевые (тип корпуса АА)   1,5   1000…1100   -20…60   >10  
Щелочные (тип корпуса АА)   1,5   2400…2500   -30…60   5…8  
Литий-тионилхлоридные (тип корпуса АА)   3,3…3,6   2000…2100   -55…85 (150)   макс. ток депассивации < 2 х макс. рабочий ток При длительном хранении литий-тионилхлоридных элементов можно предупредить образование пленки хлорида лития с помощью регулярной кратковременной нагрузки элемента током не менее 1,25% от номинальной емкости в течение трех секунд один раз в сутки. Следует отметить, что процессу пассивации подвержены практически все литиевые источники тока, но у литий-тионилхлоридных он выражен наиболее остро, а эти источники, ввиду их непревзойденной удельной плотности энергии, очень востребованы на рынке. Батареи и аккумуляторы, например, компании EEMB, выпускаются с различными выводами для разных вариантов монтажа на печатную плату. Каждая версия выводов имеет свои буквенные обозначения — дополнительные символы в конце наименования. Некоторые, наиболее популярные из них, приведены на рисунках 4 и 5. На рисунке 4 показаны варианты выводов элементов питания «таблеточного» типа, а на рисунке 5 — цилиндрического типа. Если в наименовании отсутствует кодировка выводов — это означает, что элементы питания предназначены для установки в обычные держатели батарей (стандартный элемент). Химические источники тока: основные характеристики

Рис. 4. Варианты выводов для элементов таблеточного типа

Химические источники тока: основные характеристики

Рис. 5. Варианты выводов для элементов цилиндрического типа

Говоря о достоинствах литиевых источниках тока, следует сказать и об их недостатках. К недостаткам литиевых элементов следует отнести пока еще относительно высокую стоимость по сравнению с другими типами элементов, обусловленную высокой ценой лития и особыми требованиями к производству (необходимость инертной атмосферы, очистка неводных растворителей), а также пассивацию. Следует также учитывать, что некоторые литиевые элементы при вскрытии взрывоопасны. Однако, это не должно препятствовать использованию данного вида источников тока. Необходимо только помнить об особенностях их применения.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка — e-mail: ac-dc-ac.vesti@compel.ru

Химические источники тока: основные характеристики

GS05E-USB — источник питания от MEAN WELL для USB-устройств

Химические источники тока: основные характеристики

В настоящее время трудно представить нашу повседневную жизнь без носимых устройств с USB-портом: мобильные телефоны, электронные книги, планшетники и др. Подобные устройства питаются от химического источника тока, как правило, аккумулятора и, соответственно, требуют периодической подзарядки. Если рядом всегда имеется какое-либо устройство, подключаемое к сети 220 В/50 Гц с USB портом (ноутбук, стационарный компьютер или другое устройство), то проблемы с зарядкой носимого устройства не возникает. Но зачем специально подключать к сети достаточно мощное устройство, прилично расходующее электроэнергию для собственного питания, если можно обойтись специальным экономичным источником питания?

С другой стороны, часто бывает ситуация когда носимое устройство разрядилось в самый неподходящий момент, а другое USB устройство, подключаемое к сети, от которого можно бы было подзарядить «севший» аккумулятор, отсутствует. Для исключения подобных нежелательных ситуаций компания MEAN WELL разработала специальный источник питания GS05E-USB для устройств с USB-портом или устройств питающихся от USB-порта. Данный источник на выходе обеспечивает ток 1 А при напряжении 5 В; соответствует классу II по защите от поражения электрическим током (двойная изоляция) и характеризуется крайне малым энергопотреблением без нагрузки (менее 0,3 Вт).

Устройство имеет компактный размер и небольшую массу, что позволяет его носить с собой и всегда иметь возможность (при наличии 220 В/50 Гц) подключить разряженное USB-устройство, чтобы им воспользоваться.

Основные параметры:

  • Диапазон входного напряжения 90…264В
  • Выходное напряжение 5В
  • Выходной ток 1А
  • Выход USB
  • Размер 42x30x20мм

•••

Химические источники тока

Химические источники тока, устройства, вырабатывающие электрическую энергию за счёт прямого преобразования химической энергии окислительно-восстановительных реакций. Первые химические источники тока созданы в 19 в. (Вольтов столб, 1800; элемент Даниела — Якоби, 1836; Лекланше элемент, 1865, и др.). До 60-х гг. 19 в.

химические источники тока были единственными источниками электроэнергии для питания электрических приборов и для лабораторных исследований. Основу химических источников тока составляют два электрода (один — содержащий окислитель, другой — восстановитель), контактирующие с электролитом.

Между электродами устанавливается разность потенциалов — электродвижущая сила (эдс), соответствующая свободной энергии окислительно-восстановительной реакции.

Действие химических источников тока основано на протекании при замкнутой внешней цепи пространственно разделённых процессов: на отрицательном электроде восстановитель окисляется, образующиеся свободные электроны переходят по внешней цепи (создавая разрядный ток) к положительному электроду, где участвуют в реакции восстановления окислителя.

  В зависимости от эксплуатационных особенностей и от электрохимической системы (совокупности реагентов и электролита) химические источники тока делятся на гальванические элементы (обычно называются просто элементами), которые, как правило, после израсходования реагентов (после разрядки) становятся неработоспособными, и аккумуляторы, в которых реагенты регенерируются при зарядке — пропускании тока от внешнего источника (см. Зарядное устройство). Такое деление условно, т.к. некоторые элементы могут быть частично заряжены. К важным и перспективным химическим источникам тока относятся топливные элементы (электрохимические генераторы), способные длительно непрерывно работать за счёт постоянного подвода к электродам новых порций реагентов и отвода продуктов реакции. Конструкция резервных химических источников тока позволяет сохранять их в неактивном состоянии 10—15 лет (см. также Источники тока).

  С начала 20 в. производство химических источников тока непрерывно расширяется в связи с развитием автомобильного транспорта, электротехники, растущим использованием радиоэлектронной и др. аппаратуры с автономным питанием.

Промышленность выпускает химические источники тока, в которых преимущественно используются окислители PbO2, NiOOH, MnO2 и др., восстановителями служат Pb, Cd. Zn и др. металлы, а электролитами — водные растворы щелочей, кислот или солей (см.

, например, Свинцовый аккумулятор).

  Основные характеристики ряда химических источников тока приведены в табл. Лучшие характеристики имеют разрабатываемые химические источники тока на основе более активных электрохимических систем.

Так, в неводных электролитах (органических растворителях, расплавах солей или твёрдых соединениях с ионной проводимостью) в качестве восстановителей можно применять щелочные металлы (см. также Расплавные источники тока).

Топливные элементы позволяют использовать энергоёмкие жидкие или газообразные реагенты.

  Лит.: Дасоян М. А., Химические источники тока, 2 изд., Л., 1969: Романов В. В., Хашев Ю. М., Химические источники тока, М., 1968; Орлов В. А., Малогабаритные источники тока, 2 изд., М., 1970; Вайнел Д. В., Аккумуляторные батареи, пер. с англ., 4 изд., М. — Л., 1960; The Primary Battery, ed. G. W. Heise, N. C. Cahoon, v. 1, N. Y. — L., 1971.

  В. С. Багоцкий.

Характеристики химических источников тока

Тип источника тока
  • Состоя-
  • ние разра-
  • ботки*
Электрохи- мическая  система
  1. Разряд- ное напря-
  2. жение, в
Удельная энергия, вт·ч/кг Удельная мощность, вт/кг Другие показатели
Номи- нальная Макси- мальная
Гальванические элементы Сохранность, годы
Марганцевые солевые А (+) MnO2  |  NH4Cl, ZnCl2 | Zn(-) 1,5-1,0 20-60 2-5 20 1-3
Марганцевые щелочные А (+)MnO2| KOH | Nn(-) 1,5-1,1 60-90 5 20 1-3
Ртутно-цинковые А (+)HgO | KOH  |  Zn 1,3-1,1 110-120 2-5 10 3-5
Литиевые неводные Б (+) (C) | SOCl2, LiAlCl4 | Li(-) 3,2-2,6 300-450 10-20 50 1-5
Аккумуляторы Срок службы, циклы
Свинцовые кислотные А (+)PbO2 | H2SO4 | Pb(-)    2,0-1,8 25-40 4 100 300
Кадмиево- и железо-никелевые щелочные А
  • (+)NiOOH |
  • KOH | Cd,
  • Fe(-)
1,3-1,0 25-35 4 100 2000
Серебряно-цинковые А (+)Ag2O AgO | KOH | Zn(-) 1,7-1,4 100-120 10-30 600 100
Никель-цинковые Б (+)NiOOH | KOH | Zn(-) 1,6-1,4 60 5-10 200 100-300
Никель-водородные Б (+)NiOOH | KOH | H2(Ni) (-) 1,3-1,1 60 10 40 1000
Цинк-воздушные В (+)O2(C) | KOH | Zn(-) 1,2-1,0 100 5 20 (100)
Серно-натриевые В (+)SnaO• 9Al2O3| Na(-) 2,0-1,8 200 50 200 (1000)
Топливные элементы Ресурс работы, ч
Водородно-кислородные Б
  1. (+)O2(C,Ag) |
  2. KOH |
  3. H2(Ni)(-)
0,9-0,8 30-60 1000-5000
Гидразино-кислородные Б (+)O2(C,Ag) | KOH | N2H4(Ni)(-) 0,9-0,8 30-60 1000-2000

* A — серийное производство, Б — опытное производство, В — в стадии разработки (характеристики ожидаемые).

  Примечание. Характеристики (особенно удельная мощность) ориентировочные, так как данные разных фирм и разных авторов не совпадают.

Химические источники тока: основные характеристики

Химический источник тока

Хими́ческий исто́чник то́ка (аббр. ХИТ) — источник ЭДС, в котором энергия протекающих в нём химических реакций непосредственно превращается в электрическую энергию.

История создания

Вольтов столб

Первый химический источник тока был изобретён итальянским учёным Алессандро Вольта в 1800 году. Это был «элемент Вольта» — сосуд с серной кислотой с опущенными в него цинковой и медной пластинками, с проволочными токовыводами. Затем учёный собрал батарею из этих элементов, которая впоследствии была названа «вольтовым столбом». Это изобретение впоследствии использовали другие учёные в своих исследованиях. Так, например, в 1802 году русский академик В. В. Петров сконструировал вольтов столб из 2100 элементов для получения электрической дуги. В 1836 году английский химик Джон Даниель усовершенствовал элемент Вольта, поместив цинковый и медный электроды в раствор серной кислоты. Эта конструкция стала называться «элементом Даниеля».

В 1859 году французский физик Гастон Плантэ изобрёл свинцово-кислотный аккумулятор, поместив скрученную в рулон тонкую свинцовую пластину в серную кислоту. Этот тип элемента и по сей день используется в автомобильных аккумуляторах.

В 1865 году французский химик Ж.

Лекланше предложил свой гальванический элемент (элемент Лекланше), состоявший из цинкового стаканчика, заполненного водным раствором хлористого аммония или другой хлористой соли, в который был помещён агломерат из оксида марганца(IV) MnO2 в качестве деполяризатора с угольным токоотводом. Модификация этой конструкции используется до сих пор в солевых батарейках для различных бытовых устройств.

В 1890 году в Нью-Йорке Конрад Хьюберт, иммигрант из России, создаёт первый карманный электрический фонарик. А уже в 1896 году компания National Carbon приступает к массовому производству первых в мире сухих элементов Лекланше «Columbia».

Самый старый, поныне работающий гальванический элемент — серебряно-цинковая батарея, изготовленная в Лондоне в 1840 году. Подключенный к двум таким последовательно соединенным батареям звонок работает и по сей день в Кларендонской лаборатории Оксфорда[1].

Принцип действия

Основу химических источников тока составляют два электрода (положительно заряженный анод, содержащий восстановитель, и отрицательно заряженный катод, содержащий окислитель), контактирующие с электролитом. Между электродами устанавливается разность потенциалов — электродвижущая сила, соответствующая свободной энергии окислительно-восстановительной реакции.

Действие химических источников тока основано на протекании при замкнутой внешней цепи пространственно-разделённых процессов: на отрицательном аноде восстановитель окисляется, образующиеся свободные электроны переходят по внешней цепи к положительному катоду, создавая разрядный ток, где они участвуют в реакции восстановления окислителя.

Таким образом, поток отрицательно заряженных электронов по внешней цепи идет от анода к катоду, то есть от отрицательного электрода (отрицательного полюса химического источника тока) к положительному.

Это соответствует протеканию электрического тока в направлении от положительного полюса к отрицательному, так как направление тока совпадает с направлением движения положительных зарядов в проводнике.

В современных химических источниках тока используются:

  • в качестве восстановителя (материал анода) — свинец Pb, кадмий Cd, цинк Zn и другие металлы;
  • в качестве окислителя (материал катода) — оксид свинца(IV) PbO2, гидроксооксид никеля NiOOH, оксид марганца(IV) MnO2 и другие;
  • в качестве электролита — растворы щелочей, кислот или солей[2].

Классификация

По возможности или невозможности повторного использования химические источники тока делятся на:

  • гальванические элементы (первичные ХИТ), которые из-за необратимости протекающих в них реакций невозможно перезарядить;
  • электрические аккумуляторы (вторичные ХИТ) — перезаряжаемые гальванические элементы, которые с помощью внешнего источника тока (зарядного устройства) можно перезарядить;
  • топливные элементы (электрохимические генераторы) — устройства, подобные гальваническому элементу, но отличающееся от него тем, что вещества для электрохимической реакции подаются в него извне, а продукты реакций удаляются из него, что позволяет ему функционировать непрерывно, пока обеспечивается подача реагентов.

Следует заметить, что деление элементов на гальванические и аккумуляторы до некоторой степени условное, так как некоторые гальванические элементы, например щелочные батарейки, поддаются подзарядке, но эффективность этого процесса крайне низка.

По типу используемого электролита химические источники тока делятся на кислотные (например свинцово-кислотный аккумулятор, свинцово-плавиковый элемент), щелочные (например ртутно-цинковый элемент, ртутно-кадмиевый элемент, никель-цинковый аккумулятор, никель-кадмиевый аккумулятор) и солевые (например, марганцево-магниевый элемент, цинк-хлорный аккумулятор).

Некоторые виды химических источников тока

Гальванические элементы

Основная статья: Гальванический элемент

Гальванический элемент — химический источник электрического тока, названный в честь Луиджи Гальвани. Принцип действия гальванического элемента основан на взаимодействии двух металлов через электролит, приводящем к возникновению в замкнутой цепи электрического тока.

См. также Категория: Гальванические элементы.

Тип

Катод

Электролит

Анод

Напряжение,В

Литий-железо-дисульфидный элемент FeS2 Li 1,50
Марганцево-цинковый элемент MnO2 KOH Zn 1,56
Марганцево-оловянный элемент MnO2 KOH Sn 1,65
Марганцево-магниевый элемент MnO2 MgBr2 Mg 2,00
Свинцово-цинковый элемент PbO2 H2SO4 Zn 2,55
Свинцово-кадмиевый элемент PbO2 H2SO4 Cd 2,42
Свинцово-хлорный элемент PbO2 HClO4 Pb 1,92
Ртутно-цинковый элемент HgO KOH Zn 1,36
Ртутно-кадмиевый элемент HgO2 KOH Cd 1,92
Окисно-ртутно-оловянный элемент HgO2 KOH Sn 1,30
Хром-цинковый элемент K2Cr2O7 H2SO4 Zn 1,8—1,9

Другие типы:

  • Свинцово-плавиковый элемент
  • Медно-окисный гальванический элемент
  • Висмутисто-магниевый элемент
  • Ртутно-висмутисто-индиевый элемент
  • Литий-хромсеребряный элемент
  • Литий-висмутатный элемент
  • Литий-окисномедный элемент
  • Литий-йодсвинцовый элемент
  • Литий-йодный элемент
  • Литий-тионилхлоридный элемент
  • Литий-оксидванадиевый элемент
  • Литий-фторомедный элемент
  • Литий-двуокисносерный элемент
  • Диоксисульфатно-ртутный элемент
  • Серно-магниевый элемент
  • Хлористосвинцово-магниевый элемент
  • Хлорсеребряно-магниевый элемент
  • Хлористомедно-магниевый элемент
  • Иодатно-цинковый элемент
  • Магний-перхлоратный элемент
  • Магний-м-ДНБ элемент
  • Цинк-хлоросеребряный элемент
  • Хлор-серебряный элемент
  • Бром-серебряный элемент
  • Йод-серебряный элемент
  • Магний-ванадиевый элемент
  • Кальций-хроматный элемент

Электрические аккумуляторы

Основная статья: Электрический аккумулятор

Электрический аккумулятор — химический источник тока многоразового действия (то есть в отличие от гальванического элемента химические реакции, непосредственно превращаемые в электрическую энергию, многократно обратимы). Электрические аккумуляторы используются для накопления энергии и автономного питания различных устройств.

См. также Категория: Аккумуляторы.

  • Железо-воздушный аккумулятор
  • Железо-никелевый аккумулятор
  • Лантан-фторидный аккумулятор
  • Литий-железо-сульфидный аккумулятор[источник не указан 460 дней]
  • Литий-ионный аккумулятор
  • Литий-полимерный аккумулятор
  • Литий-фторный аккумулятор
  • Литий-хлорный аккумулятор
  • Литий-серный аккумулятор
  • Марганцево-оловянный элемент
  • Натрий-никель-хлоридный аккумулятор
  • Натрий-серный аккумулятор
  • Никель-кадмиевый аккумулятор
  • Никель-металл-гидридный аккумулятор
  • Никель-цинковый аккумулятор
  • Свинцово-водородный аккумулятор
  • Свинцово-кислотный аккумулятор
  • Свинцово-оловянный аккумулятор
  • Серебряно-кадмиевый аккумулятор
  • Серебряно-цинковый аккумулятор
  • Цинк-бромный аккумулятор
  • Цинк-воздушный аккумулятор
  • Цинк-хлорный аккумулятор

Топливные элементы

Основная статья: Топливный элемент

Топливный элемент — электрохимическое устройство, подобное гальваническому элементу, но отличающееся от него тем, что вещества для электрохимической реакции подаются в него извне — в отличие от ограниченного количества энергии, запасенного в гальваническом элементе или аккумуляторе.

См. также Категория: Топливные элементы.

  • Прямой метанольный топливный элемент.
  • Твердооксидный топливный элемент.
  • Щелочной топливный элемент.

Примечания

  1. ↑ Exhibit 1 — The Clarendon Dry Pile». Oxford Physics Teaching, History Archive. Retrieved 18 January 2008
  2. ↑ В демонстрационных экспериментах зачастую используют мякоть плодов апельсина, яблоки и пр.

Литература

  • Дасоян М. А. Химические источники тока. — 2-е изд. — Л., 1969.
  • Романов В. В., Хашев Ю. М. Химические источники тока. — М., 1968.
  • Орлов В. А. Малогабаритные источники тока. — 2-е изд. — М., 1970.
  • Вайнел Д. В. Аккумуляторные батареи. — пер. с англ., 4-е изд. — М. — Л., 1960.
  • The Primary Battery / ed. G. W. Heise, N. C. Cahoon. — N. Y. — L., 1971. — Т. v. 1.

Ссылки

  • Химические источники тока — статья из Большой советской энциклопедии. 
  • О химических источниках тока
  • Аккумуляторные батареи различных электрохимических систем
  • ГОСТ Р МЭК 60050-482-2011. Источники тока химические. Термины и определения.

Химические источники тока

Категория: Бытовые товары

Химическими источниками тока называют устройства, в которых химическая энергия заложенных в них активных веществ преобразуется в электрическую энергию при протекании электрохимических реакций. Их используют для автономного питания малогабаритной радиоэлектронной аппаратуры, часов, мобильных телефонов, видеокамер и для местного освещения.

Химические источники тока подразделяются на первичные и вторичные.

Первичными химическими источниками тока являются гальванические элементы и батареи, предназначенные для разового непрерывного или прерывистого разряда.

Гальванический элемент представляет собой химический источник тока, состоящий из электродов с разным электрическим потенциалом и электролита, заключенных в один сосуд.

Гальваническая батарея — это химический источник тока, состоящий из двух или более гальванических элементов, соединенных между собой электрически.

  • Ко вторичным химическими источниками тока относятся аккумуляторы, предназначенные для многократного использования за счет перезарядки электрическим током.
  • По материалу электродов, химические источники тока подразделяются на марганцево-цинковые, ртутно-цинковые, литиево-ионные (Li-ion), медно-литиевые, никель-кадмиевые (Ni-Cd), никель-металло-гидридные (Ni-MH) и др.
  • По форме корпуса химические источники тока бывают цилиндрические, призматические и дисковые.
  • Основными параметрами химических источников тока являются: емкость, напряжение разомкнутой цепи, сохранность заряда.
  • Емкость химического источника тока представляет собой величину, соответствующую количеству электричества в ампер-часах (А-ч), которое химический источник тока может отдать при разряде от начального до конечного напряжения.

В процессе хранения, химические источники тока теряют энергию из-за протекания в них самопроизвольных процессов. В этом случае говорят о саморазряде химического источника тока. Время, в течение которого химический источник тока сохраняет свои параметры в установленных пределах при соблюдении условий хранения, называется сроком сохраняемости.

На каждом элементе и батарее должны быть указаны: условное обозначение изделия; товарный знак предприятия-изготовителя; дата изготовления (месяц и год); номинальное напряжение; гарантийный срок хранения.

Маркировка и наружные неметаллические покрытия элементов должны быть устойчивы к воздействию спирто-бензиновой смеси. Химические источники рекомендуется хранить в диапазоне температур от 10°С до минус 20°С.

17.1.1 Основные электрические характеристики химических источников питания

К
основным электрическим характеристикам
химических источников питания следует
отнести следующих параметры.

  1. Напряжение разомкнутой цепи (U) – это напряжение источника тока без нагрузки. Его значение определяется видом химической системы. На состояние напряжения разомкнутой цепи влияет также температура, концентрация электролита и степень разряженности химического источника тока.

  2. Номинальное напряжение (UH) – это напряжение источника тока в средней части его разрядной характеристики при разряде в номинальном (стандартном) режиме, который устанавливается согласно технической документации на данный ХИТ.

  3. Номинальная емкость (CH) – это количество электричества, которое может отдать химический источник тока во внешнюю цепь при его разряде в номинальном режиме при температуре 200 С. Измеряется в А·час.

Для
аккумуляторов номинальная емкость
зависит также от тока заряда и
продолжительности паузы между процессом
заряда и разряда.

  1. Номинальный ток разряда (IP) – это ток разряда, который регламентируется документацией на химический источник тока. Обычно он составляет долю от номинальной емкости. Например, 0,1СН – номинальный ток составляет одну десятую от номинальной емкости.

Для
аккумуляторов электрическим параметром
является также ток
заряда (
)–
это ток
заряда, который регламентируется
документацией на аккумулятор.

  1. Рабочее напряжение (U) – это напряжение источника тока под заданной нагрузкой. Оно существенно меньше напряжения разомкнутой цепи, т.к. потенциалы электродов при протекании тока отличаются от потенциалов электродов разомкнутой цепи, и кроме того имеет место падение напряжения на внутреннем сопротивлении источника тока. В общем виде:

  • где R
    – полное внутреннее сопротивление
    источника тока;

  • – сопротивление металлических
    токопроводящих деталей и материала
    электродов;
  • RПОЛ
    – поляризационное сопротивление
    электродов.
  1. Напряжение в конце разряда (UК) – это минимальное напряжение разряда химического источника тока, ниже которого в нем происходят необратимые изменения. Разряжать химические источники тока ниже этого напряжения не рекомендуется. Разряд аккумуляторов до напряжений ниже UК значительно сокращает срок их службы.

  2. Разрядная характеристика – это изменение напряжения источника тока во времени при разряде постоянным током (чаще всего при постоянной активной нагрузке).

    Форма разрядной характеристики зависит от электрохимической природы источника тока, условий его разряда, технологии изготовления (рис.17.3). Для стабильной работы электронной аппаратуры с автономным питанием наилучшим является источник тока со стабильным напряжением на протяжении большей части разрядной кривой.

    Обычно разрядную характеристику снимают при разных токах разряда и температуры окружающей среды.

  3. Зарядная характеристика – это изменение источника тока во времени при заряде его при различных токовых режимах и температурных условиях. Это характеристика характерна только для аккумуляторов и позволяет понять все ограничения процесса заряда и возможности его контроля (рис.17.4).

  4. Коэффициент отдачи по емкости – показывает эффективность зарядно-разрядного цикла источника тока при различных режимах его эксплуатации и определяется как:

  1. где СР
    – отдаваемая емкость;
  2. СЗ
    – зарядная емкость.
  3. Этот
    параметр характерен только для
    аккумуляторов.
  1. Удельная энергия – характеризует энергию, которую может отдать источник тока на единицу веса (Вт·час/кг) или объема (Вт·час/м3). Эта характеристика применяется для сравнительной оценки различных источников тока.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Adblock
detector