Tế bào và pin Galvanic - thiết bị, nguyên tắc hoạt động, loại

Nguồn năng lượng điện năng thấp

Tế bào điện và pin được sử dụng để cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện và radio di động.

Các tế bào Galvanic - đây là những nguồn hành động một lần, ắc quy - các nguồn hành động có thể tái sử dụng.

Nguyên tố điện đơn giản nhất

Nguyên tố đơn giản nhất có thể được tạo thành từ hai dải: đồng và kẽm ngâm trong nước được axit hóa nhẹ bằng axit sunfuric. Nếu kẽm đủ tinh khiết để không có phản ứng cục bộ, thì sẽ không có thay đổi đáng chú ý nào xảy ra cho đến khi đồng và kẽm được kết hợp lại với nhau.

Tuy nhiên, các dải có điện thế khác nhau, cái này đối với cái kia và khi được nối bằng dây sẽ xuất hiện điện… Bằng hành động này, dải kẽm sẽ dần dần hòa tan và bọt khí sẽ hình thành gần điện cực đồng, tích tụ trên bề mặt của nó. Khí này là hydro được tạo ra bởi chất điện phân. Dòng điện chạy từ dải đồng dọc theo dây dẫn đến dải kẽm và từ nó qua chất điện phân trở lại đồng.

Dần dần, axit sunfuric của chất điện phân được thay thế bằng kẽm sunfat được hình thành từ phần hòa tan của điện cực kẽm. Điều này làm giảm điện áp của tế bào. Tuy nhiên, sự sụt giảm điện áp thậm chí còn lớn hơn là do sự hình thành bọt khí trên đồng. Cả hai hành động đều gây ra 'sự phân cực'. Những mặt hàng như vậy hầu như không có giá trị thực tế.

Các thông số quan trọng của tế bào mạ điện

Độ lớn của điện áp được cung cấp bởi các tế bào điện chỉ phụ thuộc vào loại và thiết bị của chúng, nghĩa là vào vật liệu của các điện cực và thành phần hóa học của chất điện phân, nhưng không phụ thuộc vào hình dạng và kích thước của các tế bào.

Dòng điện mà một tế bào điện có thể cung cấp bị giới hạn bởi điện trở trong của nó.

Một đặc tính rất quan trọng của tế bào điện là công suất điện… Công suất điện có nghĩa là lượng điện mà một tế bào mạ điện hoặc lưu trữ có khả năng cung cấp trong suốt quá trình hoạt động của nó, nghĩa là cho đến khi bắt đầu xả lần cuối.

Công suất do tế bào cung cấp được xác định bằng cách nhân cường độ của dòng phóng điện, được biểu thị bằng ampe, với thời gian tính bằng giờ mà tế bào được phóng điện cho đến khi bắt đầu phóng điện hoàn toàn. Do đó, công suất luôn được biểu thị bằng ampe-giờ (Ah).

Bằng giá trị dung lượng của ô, cũng có thể xác định trước nó sẽ hoạt động bao nhiêu giờ trước khi bắt đầu xả hết. Để làm điều này, bạn cần chia công suất cho cường độ của dòng xả cho phép đối với phần tử này.

Tuy nhiên, công suất không hoàn toàn cố định. Nó thay đổi trong giới hạn khá lớn tùy thuộc vào điều kiện hoạt động (chế độ) của phần tử và điện áp phóng điện cuối cùng.

Nếu tế bào được xả ở dòng điện tối đa và hơn nữa, không bị gián đoạn, nó sẽ cho công suất thấp hơn nhiều. Ngược lại, khi cùng một tế bào được xả ở dòng điện thấp hơn và bị gián đoạn thường xuyên và tương đối dài, tế bào sẽ từ bỏ toàn bộ công suất của nó.

Đối với ảnh hưởng của điện áp phóng điện cuối cùng đến dung lượng của tế bào, cần lưu ý rằng trong quá trình phóng điện của tế bào điện, điện áp hoạt động của nó không giữ nguyên ở mức cũ mà giảm dần.

Các loại pin điện hóa phổ biến

Các tế bào mạ điện phổ biến nhất là mangan-kẽm, mangan-không khí, không khí-kẽm và thủy ngân-kẽm với muối và chất điện phân kiềm. Tế bào mangan-kẽm khô với chất điện phân muối có điện áp ban đầu từ 1,4 đến 1,55 V, thời gian hoạt động ở nhiệt độ môi trường từ -20 đến -60 ОTừ 7 đến 340 sáng

Các tế bào kẽm-mangan và kẽm-không khí khô với chất điện phân kiềm có điện áp từ 0,75 đến 0,9 V và thời gian hoạt động từ 6 giờ đến 45 giờ.

Pin thủy ngân-kẽm khô có điện áp khởi động từ 1,22 đến 1,25 V và thời gian hoạt động từ 24 giờ đến 55 giờ.

Pin thủy ngân-kẽm khô có thời hạn sử dụng được đảm bảo lâu nhất lên đến 30 tháng.

pin

pin Đây là các tế bào điện hóa thứ cấp, không giống như các tế bào điện, không có quá trình hóa học nào diễn ra trong pin ngay sau khi lắp ráp.

Để pin bắt đầu các phản ứng hóa học liên quan đến chuyển động của các điện tích, cần phải thay đổi một cách thích hợp thành phần hóa học của các điện cực (và một phần của chất điện phân).Sự thay đổi thành phần hóa học của các điện cực này xảy ra dưới tác động của dòng điện chạy qua pin.

Do đó, để pin tạo ra dòng điện, trước tiên nó phải được "sạc" bằng dòng điện trực tiếp từ một số nguồn dòng điện bên ngoài.

Pin cũng khác với các tế bào điện thông thường ở chỗ, sau khi xả, chúng có thể được sạc lại. Với sự chăm sóc tốt và trong điều kiện hoạt động bình thường, pin có thể kéo dài tới vài nghìn lần sạc và xả.
Thiết bị chạy bằng pin

Hiện nay, pin chì và cadmium-niken thường được sử dụng trong thực tế. Trong dung dịch đầu tiên, axit sunfuric đóng vai trò là chất điện phân và trong dung dịch kiềm thứ hai trong nước. Pin chì-axit còn được gọi là axit và pin niken-cadmium-kiềm.

Nguyên tắc hoạt động của pin dựa trên sự phân cực của các điện cực trong quá trình điện phân... Pin axit đơn giản nhất có cấu tạo như sau: đó là hai bản chì ngâm trong chất điện phân. Do phản ứng thay thế hóa học, các tấm được phủ một lớp chì sunfat PbSO4 mỏng, như sau từ công thức Pb + H2SO4 = PbSO4 + H2.

Thiết bị ắc quy axit

Trạng thái này của các tấm tương ứng với pin đã xả. Nếu pin hiện được bật để sạc, tức là được kết nối với máy phát điện một chiều, thì quá trình phân cực của các bản cực sẽ bắt đầu trong đó do quá trình điện phân. Kết quả của việc sạc pin, các tấm của nó bị phân cực, tức là thay đổi chất trên bề mặt của chúng và từ đồng nhất (PbSO4) sang khác (Pb và PbO2).

Pin trở thành nguồn điện, với một tấm phủ chì điôxit làm điện cực dương và một tấm chì sạch làm điện cực âm.

Khi kết thúc quá trình sạc, nồng độ của chất điện phân tăng lên do sự xuất hiện của các phân tử axit sunfuric bổ sung trong đó.

Đây là một trong những đặc điểm của pin chì-axit: chất điện phân của nó không ở trạng thái trung tính và bản thân nó tham gia vào các phản ứng hóa học trong quá trình hoạt động của pin.

Khi kết thúc quá trình phóng điện, cả hai tấm pin lại được phủ chì sunfat, do đó pin không còn là nguồn dòng điện. Pin không bao giờ được đưa đến trạng thái này. Do sự hình thành chì sunfat trên các tấm, nồng độ của chất điện phân giảm khi kết thúc quá trình xả. Nếu pin đã được sạc, thì sự phân cực có thể được gây ra một lần nữa để xả pin lần nữa, v.v.

Cách sạc pin

Có một số cách để sạc pin. Đơn giản nhất là sạc pin bình thường, được thực hiện như sau. Ban đầu, trong 5 - 6 giờ, quá trình sạc được thực hiện ở dòng điện gấp đôi bình thường cho đến khi điện áp của mỗi pin đạt 2,4 V.

Dòng sạc thông thường được xác định theo công thức Aztax = Q/16

trong đó Q - dung lượng danh nghĩa của pin, Ah.

Sau đó, dòng sạc được giảm xuống giá trị bình thường và quá trình sạc tiếp tục trong 15-18 giờ cho đến khi có dấu hiệu kết thúc quá trình sạc.

pin hiện đại

Pin niken-cadmium hoặc pin kiềm xuất hiện muộn hơn nhiều so với pin chì và so với chúng là các nguồn dòng điện hóa học hiện đại hơn.Ưu điểm chính của pin kiềm so với pin chì nằm ở tính trung lập hóa học của chất điện phân so với khối lượng hoạt động của các tấm. Do đó, khả năng tự xả của pin kiềm thấp hơn đáng kể so với pin axit-chì. Nguyên lý hoạt động của pin kiềm cũng dựa trên sự phân cực của các điện cực trong quá trình điện phân.

Để cung cấp năng lượng cho thiết bị vô tuyến, pin cadmium-niken kín được sản xuất, có hiệu quả ở nhiệt độ từ -30 đến +50 ОC và chịu được 400 - 600 chu kỳ phóng điện. Các bộ tích lũy này được chế tạo dưới dạng các ống và đĩa song song nhỏ gọn có trọng lượng từ vài gam đến kilôgam.

Pin niken-hydro được sản xuất để cung cấp năng lượng cho các vật thể tự trị. Năng lượng riêng của pin niken-hydro là 50 — 60 Wh kg-1.