เซลล์กัลวานิกและแบตเตอรี่ — อุปกรณ์ หลักการทำงาน ประเภท

แหล่งพลังงานไฟฟ้าต่ำ

เซลล์กัลวานิกและแบตเตอรี่ใช้สำหรับจ่ายไฟให้กับอุปกรณ์ไฟฟ้าและวิทยุแบบพกพา

เซลล์กัลวานิก — เซลล์เหล่านี้เป็นแหล่งของการกระทำเพียงครั้งเดียว สะสม - แหล่งการกระทำที่ใช้ซ้ำได้

องค์ประกอบไฟฟ้าที่ง่ายที่สุด

องค์ประกอบที่ง่ายที่สุดสามารถทำจากสองแถบ: ทองแดงและสังกะสีที่แช่อยู่ในน้ำที่มีกรดเล็กน้อยด้วยกรดซัลฟิวริก ถ้าสังกะสีบริสุทธิ์พอที่จะไม่เกิดปฏิกิริยาเฉพาะที่ การเปลี่ยนแปลงที่สังเกตได้จะไม่เกิดขึ้นจนกว่าทองแดงและสังกะสีจะถูกนำมารวมกัน

อย่างไรก็ตาม แถบมีศักยภาพที่แตกต่างกัน แถบหนึ่งเมื่อเทียบกับอีกแถบหนึ่ง และเมื่อเชื่อมต่อด้วยลวด จะปรากฏขึ้น ไฟฟ้า… ด้วยการกระทำนี้ แถบสังกะสีจะค่อยๆ ละลายและฟองก๊าซจะก่อตัวขึ้นใกล้กับขั้วไฟฟ้าทองแดง รวมตัวกันบนพื้นผิวของมัน ก๊าซนี้คือไฮโดรเจนที่เกิดจากอิเล็กโทรไลต์ กระแสไฟฟ้าไหลจากแถบทองแดงไปตามเส้นลวดไปยังแถบสังกะสี และจากนั้นผ่านอิเล็กโทรไลต์กลับไปที่ทองแดง

กรดซัลฟิวริกของอิเล็กโทรไลต์จะค่อยๆ แทนที่ด้วยซิงค์ซัลเฟตที่เกิดขึ้นจากส่วนที่ละลายของอิเล็กโทรดสังกะสี สิ่งนี้จะลดแรงดันไฟฟ้าของเซลล์ อย่างไรก็ตาม แรงดันตกที่มากขึ้นนั้นเกิดจากการก่อตัวของฟองก๊าซบนทองแดง การกระทำทั้งสองทำให้เกิด 'โพลาไรซ์' รายการดังกล่าวแทบไม่มีค่าในทางปฏิบัติ

พารามิเตอร์ที่สำคัญของเซลล์กัลวานิก

ขนาดของแรงดันไฟฟ้าที่กำหนดโดยเซลล์กัลวานิกขึ้นอยู่กับชนิดและอุปกรณ์เท่านั้น กล่าวคือ วัสดุของอิเล็กโทรดและองค์ประกอบทางเคมีของอิเล็กโทรไลต์ แต่ไม่ได้ขึ้นอยู่กับรูปร่างและขนาดของเซลล์

กระแสที่เซลล์กัลวานิกสามารถให้ได้จะถูกจำกัดโดยความต้านทานภายใน

ลักษณะที่สำคัญมากของเซลล์กัลวานิกคือ ความจุไฟฟ้า… ความจุไฟฟ้า หมายถึงปริมาณไฟฟ้าที่เซลล์กัลวานิกหรือเซลล์กักเก็บสามารถส่งได้ตลอดการทำงาน นั่นคือจนถึงจุดเริ่มต้นของการคายประจุขั้นสุดท้าย

ความจุที่กำหนดโดยเซลล์ถูกกำหนดโดยการคูณความแรงของกระแสไฟฟ้าที่คายประจุซึ่งแสดงเป็นแอมแปร์ตามเวลาเป็นชั่วโมงที่เซลล์ถูกคายประจุจนถึงจุดเริ่มต้นของการคายประจุเต็ม ดังนั้น ความจุจะแสดงเป็นแอมแปร์-ชั่วโมง (Ah) เสมอ

ด้วยค่าความจุของเซลล์คุณสามารถกำหนดล่วงหน้าได้ว่าจะทำงานกี่ชั่วโมงก่อนที่จะเริ่มปล่อยประจุเต็ม ในการทำเช่นนี้คุณต้องแบ่งความจุตามความแรงของกระแสไฟที่อนุญาตสำหรับองค์ประกอบนี้

อย่างไรก็ตาม ความจุไม่คงที่อย่างเคร่งครัด มันแตกต่างกันไปภายในขอบเขตที่ค่อนข้างใหญ่ขึ้นอยู่กับสภาพการทำงาน (โหมด) ขององค์ประกอบและแรงดันการคายประจุขั้นสุดท้าย

หากเซลล์ถูกคายประจุที่กระแสสูงสุดและยิ่งกว่านั้นโดยไม่หยุดชะงัก มันจะให้ความจุที่ต่ำกว่ามาก ในทางตรงกันข้าม เมื่อเซลล์เดียวกันถูกคายประจุที่กระแสต่ำกว่าและมีการหยุดชะงักบ่อยครั้งและค่อนข้างนาน เซลล์จะสูญเสียความจุเต็ม

สำหรับอิทธิพลของแรงดันดิสชาร์จสุดท้ายต่อความจุของเซลล์ ควรระลึกไว้เสมอว่าในระหว่างการคายประจุของเซลล์กัลวานิก แรงดันใช้งานจะไม่คงอยู่ในระดับเดิม แต่จะค่อยๆ ลดลง

ประเภทของเซลล์ไฟฟ้าเคมีทั่วไป

เซลล์กัลวานิกที่พบมากที่สุดคือระบบแมงกานีส-สังกะสี, แมงกานีส-แอร์, แอร์-ซิงค์ และปรอท-สังกะสีที่มีเกลือและอิเล็กโทรไลต์อัลคาไลน์ เซลล์แมงกานีส-สังกะสีแบบแห้งที่มีอิเล็กโทรไลต์เกลือมีแรงดันไฟฟ้าเริ่มต้น 1.4 ถึง 1.55 V ระยะเวลาการทำงาน ที่อุณหภูมิแวดล้อม -20 ถึง -60 Оจาก 7 ถึง 340 ในตอนเช้า

เซลล์สังกะสี-แมงกานีสและสังกะสี-อากาศแห้งที่มีอิเล็กโทรไลต์อัลคาไลน์มีแรงดันไฟฟ้า 0.75 ถึง 0.9 V และเวลาทำงาน 6 ชั่วโมงถึง 45 ชั่วโมง

เซลล์สังกะสีปรอทแบบแห้งมีแรงดันไฟฟ้าเริ่มต้นที่ 1.22 ถึง 1.25 V และเวลาทำงาน 24 ชั่วโมงถึง 55 ชั่วโมง

เซลล์สังกะสี-ปรอทแบบแห้งมีการรับประกันอายุการเก็บรักษานานที่สุดถึง 30 เดือน

แบตเตอรี่

แบตเตอรี่ เซลล์เหล่านี้คือเซลล์ไฟฟ้าเคมีทุติยภูมิซึ่งแตกต่างจากเซลล์กัลวานิกตรงที่ไม่มีกระบวนการทางเคมีเกิดขึ้นในแบตเตอรี่ทันทีหลังการประกอบ

เพื่อให้แบตเตอรี่เริ่มปฏิกิริยาเคมีที่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้า จำเป็นต้องเปลี่ยนองค์ประกอบทางเคมีของอิเล็กโทรด (และอิเล็กโทรไลต์บางส่วน) อย่างเหมาะสมการเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบทางเคมีของอิเล็กโทรดนี้เกิดขึ้นภายใต้การกระทำของกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านแบตเตอรี่

ดังนั้นเพื่อให้แบตเตอรี่ผลิตกระแสไฟฟ้าได้ จะต้อง "ชาร์จ" ด้วยไฟฟ้ากระแสตรงจากแหล่งจ่ายกระแสภายนอกก่อน

แบตเตอรี่ยังแตกต่างจากเซลล์กัลวานิกทั่วไปตรงที่ว่าหลังจากคายประจุแล้วสามารถชาร์จใหม่ได้ ด้วยการดูแลที่ดีและภายใต้สภาวะการทำงานปกติ แบตเตอรี่สามารถอยู่ได้นานถึงหลายพันการชาร์จและคายประจุ
อุปกรณ์ขับเคลื่อนแบตเตอรี่

ปัจจุบันแบตเตอรี่ตะกั่วและแคดเมียม - นิกเกิลมักใช้ในทางปฏิบัติ ในสารละลายแรกของกรดซัลฟิวริกทำหน้าที่เป็นอิเล็กโทรไลต์และในสารละลายอัลคาไลในน้ำที่สอง แบตเตอรี่กรดตะกั่วเรียกอีกอย่างว่าแบตเตอรี่กรดและแบตเตอรี่นิกเกิลแคดเมียมอัลคาไลน์

หลักการทำงานของแบตเตอรี่ขึ้นอยู่กับโพลาไรเซชันของอิเล็กโทรด ระหว่างอิเล็กโทรลิซิส... แบตเตอรี่กรดที่ง่ายที่สุดมีโครงสร้างดังนี้: เป็นแผ่นตะกั่วสองแผ่นที่แช่อยู่ในอิเล็กโทรไลต์ อันเป็นผลมาจากปฏิกิริยาการแทนที่ทางเคมี แผ่นเพลตถูกเคลือบด้วยตะกั่วซัลเฟต PbSO4 แบบบาง ตามสูตร Pb + H2SO4 = PbSO4 + H2

อุปกรณ์แบตเตอรี่กรด

สถานะของแผ่นนี้สอดคล้องกับแบตเตอรี่ที่คายประจุ หากแบตเตอรี่เปิดอยู่สำหรับการชาร์จนั่นคือเชื่อมต่อกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรงโพลาไรเซชันของแผ่นจะเริ่มขึ้นเนื่องจากการอิเล็กโทรไลซิส อันเป็นผลมาจากการชาร์จแบตเตอรี่ แผ่นของแบตเตอรี่จะถูกโพลาไรซ์ เช่น เปลี่ยนสารบนพื้นผิวและจากที่เป็นเนื้อเดียวกัน (PbSO4) เป็นชนิดอื่น (Pb และ PbO2)

แบตเตอรี่กลายเป็นแหล่งจ่ายกระแสไฟฟ้า โดยมีแผ่นเคลือบตะกั่วไดออกไซด์เป็นขั้วบวกและแผ่นตะกั่วสะอาดเป็นขั้วลบ

เมื่อสิ้นสุดการชาร์จ ความเข้มข้นของอิเล็กโทรไลต์จะเพิ่มขึ้นเนื่องจากการปรากฏตัวของโมเลกุลของกรดซัลฟิวริกเพิ่มเติมในนั้น

นี่คือหนึ่งในคุณลักษณะของแบตเตอรี่กรดตะกั่ว: อิเล็กโทรไลต์จะไม่คงสภาพเป็นกลางและตัวมันเองมีส่วนร่วมในปฏิกิริยาเคมีระหว่างการทำงานของแบตเตอรี่

ในตอนท้ายของการคายประจุแผ่นแบตเตอรี่ทั้งสองจะถูกปกคลุมด้วยตะกั่วซัลเฟตอีกครั้งซึ่งเป็นผลมาจากการที่แบตเตอรี่หยุดเป็นแหล่งกระแส แบตเตอรี่ไม่เคยเข้าสู่สถานะนี้ เนื่องจากการก่อตัวของตะกั่วซัลเฟตบนจาน ความเข้มข้นของอิเล็กโทรไลต์จะลดลงเมื่อสิ้นสุดการคายประจุ หากชาร์จแบตเตอรี่แล้ว อาจเกิดโพลาไรเซชันอีกครั้งเพื่อปล่อยประจุอีกครั้ง เป็นต้น

วิธีชาร์จแบตเตอรี่

มีหลายวิธีในการชาร์จแบตเตอรี่ วิธีที่ง่ายที่สุดคือการชาร์จแบตเตอรี่ตามปกติซึ่งทำได้ดังนี้ ในขั้นต้นเป็นเวลา 5 - 6 ชั่วโมง การชาร์จจะดำเนินการด้วยกระแสไฟปกติสองเท่าจนกว่าแรงดันของแบตเตอรี่แต่ละก้อนจะสูงถึง 2.4 V

กระแสไฟชาร์จปกติถูกกำหนดโดยสูตร Aztax = Q / 16

โดยที่ Q — ความจุเล็กน้อยของแบตเตอรี่ Ah

หลังจากนั้นกระแสการชาร์จจะลดลงเป็นค่าปกติและการชาร์จจะดำเนินต่อไปเป็นเวลา 15-18 ชั่วโมงจนกว่าสัญญาณการสิ้นสุดการชาร์จจะปรากฏขึ้น

แบตเตอรี่ที่ทันสมัย

แบตเตอรี่นิกเกิลแคดเมียมหรืออัลคาไลน์ปรากฏขึ้นช้ากว่าแบตเตอรี่ตะกั่วมากและเมื่อเปรียบเทียบกับพวกมันแล้วเป็นแหล่งกระแสเคมีที่ทันสมัยกว่าข้อได้เปรียบหลักของแบตเตอรี่อัลคาไลน์เหนือแบตเตอรี่ตะกั่วอยู่ที่ความเป็นกลางทางเคมีของอิเล็กโทรไลต์ซึ่งสัมพันธ์กับมวลที่ใช้งานของแผ่นเปลือกโลก ดังนั้น การคายประจุเองของแบตเตอรี่อัลคาไลน์จึงต่ำกว่าแบตเตอรี่ตะกั่วกรดอย่างมาก หลักการทำงานของแบตเตอรี่อัลคาไลน์ยังขึ้นอยู่กับโพลาไรเซชันของอิเล็กโทรดในระหว่างการอิเล็กโทรไลซิส

เพื่อจ่ายไฟให้กับอุปกรณ์วิทยุ มีการผลิตแบตเตอรี่แคดเมียม-นิเกิลแบบปิด ซึ่งมีประสิทธิภาพที่อุณหภูมิตั้งแต่ -30 ถึง +50 ОC และทนทานต่อรอบการชาร์จ-ดิสชาร์จ 400 — 600 รอบ ตัวสะสมเหล่านี้ทำขึ้นในรูปแบบของแผ่นขนานและดิสก์ขนาดกะทัดรัดที่มีน้ำหนักตั้งแต่ไม่กี่กรัมถึงกิโลกรัม

แบตเตอรี่นิกเกิลไฮโดรเจนผลิตขึ้นเพื่อใช้ขับเคลื่อนวัตถุที่เป็นอิสระ พลังงานจำเพาะของแบตเตอรี่นิกเกิล-ไฮโดรเจนคือ 50 — 60 Wh kg-1