Batareya dunyosi - 3-qism

Zamonaviy akkumulyatorlarning tarixi XIX asrda boshlanadi, bugungi kunda ishlatiladigan dizaynlarning aksariyati shu asrdan boshlab paydo bo'ladi. Bu holat, bir tomondan, o'sha davr olimlarining ajoyib g'oyalaridan, ikkinchi tomondan, yangi modellarni yaratishda yuzaga keladigan qiyinchiliklardan dalolat beradi.

Bir nechta narsa shunchalik yaxshiki, ularni yaxshilash mumkin emas. Ushbu qoida batareyalar uchun ham amal qiladi - XNUMX-asrning modellari hozirgi shaklini olguncha ko'p marta takomillashtirilgan. Bu ham amal qiladi Leklansh hujayralari.

Yaxshilash uchun havola

Fransuz kimyogarining dizayni o'zgartirildi Karl Gasner haqiqatan ham foydali modelga: ishlab chiqarish arzon va foydalanish xavfsiz. Biroq, hali ham muammolar mavjud edi - elementning sink qoplamasi idishni to'ldirgan kislotali elektrolit bilan aloqa qilganda korroziyaga uchradi va agressiv tarkibning sachrashi quvvatli qurilmani o'chirib qo'yishi mumkin. Qaror bo'ldi birikma sink tanasining ichki yuzasi (simob qoplamasi).

Rux amalgam amalda kislotalar bilan reaksiyaga kirishmaydi, lekin sof metallning barcha elektrokimyoviy xususiyatlarini saqlab qoladi. Biroq, atrof-muhit qoidalariga ko'ra, hujayralarning umrini uzaytirishning ushbu usuli kamroq va kamroq qo'llaniladi (simobsiz hujayralarda siz yozuvni topishingiz mumkin yoki) (1).

2. Ishqoriy hujayraning joylashuvi: 1) korpus (katod qo'rg'oshin), 2) marganets dioksidi bo'lgan katod, 3) elektrod ajratgich, 4) KOH va rux changi bo'lgan anod, 5) anod terminali, 6) hujayra muhri (elektrod izolyatori). .

Hujayra umrini va umrini oshirishning yana bir usuli - qo'shish sink xlorid ZnCl₂ stakanni to'ldirish uchun pasta uchun. Ushbu dizayndagi hujayralar ko'pincha og'ir yuk deb ataladi va (nomidan ko'rinib turibdiki) ko'proq energiya talab qiladigan qurilmalarni quvvatlantirish uchun mo'ljallangan.

Bir martali ishlatiladigan batareyalar sohasidagi yutuq 1955 yilda qurilish edi ishqoriy hujayra. Kanadalik muhandisning ixtirosi Lyuis Urri, hozirgi Energizer kompaniyasi tomonidan qo'llaniladigan, Leclanchet xujayrasidan bir oz farq qiladigan tuzilishga ega.

Birinchidan, siz u erda grafit katod yoki sink kosasini topa olmaysiz. Ikkala elektrod ham nam, ajratilgan pastalar shaklida tayyorlanadi (qalinlashtiruvchi moddalar va reagentlar: katod marganets dioksidi va grafit aralashmasidan, kaliy gidroksid aralashmasi bilan sink changining anodidan iborat) va ularning terminallari metalldan qilingan ( 2). Biroq, operatsiya vaqtida yuzaga keladigan reaktsiyalar Leclanchet hujayrasida sodir bo'lganlarga juda o'xshash.

Vazifa. Tarkibi haqiqatan ham ishqoriy ekanligini aniqlash uchun ishqoriy hujayrada "kimyoviy otopsiya" o'tkazing (3). Esda tutingki, xuddi shu ehtiyot choralari Leclanchet xujayrasini demontaj qilishda qo'llaniladi. Ishqoriy hujayrani aniqlash uchun Batareya kodi maydoniga qarang.

3. Ishqoriy hujayraning "bo'limi" gidroksidi tarkibini tasdiqlaydi.

Uy qurilishi batareyalari

4. Mahalliy Ni-MH va Ni-Cd batareyalari.

Foydalanishdan keyin qayta zaryadlanishi mumkin bo'lgan hujayralar elektr energiyasi fanining rivojlanishining boshidanoq dizaynerlarning maqsadi bo'lib kelgan, shuning uchun ularning ko'p turlari.

Hozirgi vaqtda kichik maishiy texnikani quvvatlantirish uchun ishlatiladigan modellardan biri nikel-kadmiy batareyalari. Ularning prototipi 1899 yilda shved ixtirochi buni qilganda paydo bo'ldi. Ernst Jungner avtomobil sanoatida allaqachon keng qo'llaniladigan akkumulyatorlar bilan raqobatlasha oladigan nikel-kadmiy batareyasi uchun patent olish uchun ariza topshirdi. qo'rg'oshin kislotali akkumulyator.

Hujayra anodi kadmiy, katod - uch valentli nikel birikmasi, elektrolit - kaliy gidroksid eritmasi (zamonaviy "quruq" dizaynlarda KOH eritmasi bilan to'yingan quyuqlashtiruvchilarning nam pastasi). Ni-Cd batareyalari (bu ularning belgilanishi) taxminan 1,2 V ish kuchlanishiga ega - bu bir martalik hujayralarga qaraganda kamroq, ammo bu ko'pchilik ilovalar uchun muammo emas. Katta afzallik - bu muhim oqim (hatto bir necha amper) va keng ish haroratini iste'mol qilish qobiliyati.

5. Zaryad qilishdan oldin har xil turdagi batareyalar uchun talablarni tekshiring.

Nikel-kadmiyli batareyalarning kamchiliklari og'ir "xotira effekti" dir. Bu qisman zaryadsizlangan Ni-Cd batareyalarini tez-tez zaryad qilganda sodir bo'ladi: tizim o'zini quvvati faqat zaryadlash orqali to'ldirilgan zaryadga teng bo'lgandek tutadi. Zaryadlovchilarning ayrim turlarida hujayralarni maxsus rejimda zaryadlash orqali “xotira effekti”ni kamaytirish mumkin.

Shuning uchun zaryadsizlangan nikel-kadmiy batareyalari to'liq tsiklda zaryadlanishi kerak: birinchi navbatda to'liq zaryadsizlangan (tegishli zaryadlovchi funktsiyasidan foydalangan holda) va keyin qayta zaryadlangan. Tez-tez zaryadlash, shuningdek, 1000-1500 tsiklning taxminiy ishlash muddatini qisqartiradi (ko'p bir martali ishlatiladigan hujayralar uning ishlash muddati davomida bitta batareyaga almashtiriladi, shuning uchun yuqori xarid narxi o'zini ko'p marta to'laydi, batareyaning kamroq kuchlanishi haqida gapirmasa ham bo'ladi. ). hujayralarni ishlab chiqarish va yo'q qilish bilan muhit).

Zaharli kadmiyni o'z ichiga olgan Ni-Cd elementlari almashtirildi nikel-metall gidridli batareyalar (Ni-MH belgisi). Ularning tuzilishi Ni-Cd batareyalariga o'xshaydi, lekin kadmiy o'rniga vodorodni singdirish qobiliyatiga ega bo'lgan g'ovakli metall qotishmasi (Ti, V, Cr, Fe, Ni, Zr, nodir tuproq metallari) ishlatiladi (4). Ni-MH xujayrasining ish kuchlanishi ham taxminan 1,2 V ni tashkil qiladi, bu ularni NiCd batareyalari bilan almashtirish imkonini beradi. Nikel-metall gidrid hujayralarining sig'imi bir xil o'lchamdagi nikel-kadmiy hujayralaridan kattaroqdir. Biroq, NiMH tizimlari o'z-o'zidan tezroq zaryadsizlanadi. Bu kamchilikka ega bo'lmagan zamonaviy dizaynlar allaqachon mavjud, ammo ular standart modellarga qaraganda ancha qimmatga tushadi.

Nikel-metall gidridli batareyalar "xotira effekti" ko'rsatmaydi (qisman zaryadsizlangan hujayralarni qayta zaryadlash mumkin). Shu bilan birga, har doim zaryadlovchi uchun ko'rsatmalarda har bir turdagi zaryadlash talablarini tekshirish kerak (5).

Ni-Cd va Ni-MH batareyalari bo'lsa, biz ularni qismlarga ajratishni tavsiya etmaymiz. Birinchidan, biz ulardan foydali narsa topa olmaymiz. Ikkinchidan, nikel va kadmiy xavfsiz elementlar emas. Keraksiz tavakkal qilmang va utilizatsiyani malakali mutaxassislarga topshiring.

Akkumulyatorlar qiroli, ya'ni...

6. "Batareyalar qiroli" ish joyida.

… Qo'rg'oshin kislotali akkumulyator, 1859 yilda frantsuz fizigi tomonidan qurilgan Gaston Plantego (ha, ha, bu yil qurilma 161 yoshga to'ladi!). Akkumulyator elektrolitlari taxminan 37% sulfat kislota (VI) eritmasidan iborat bo'lib, elektrodlar qo'rg'oshin (anod) va qo'rg'oshin dioksidi PbO qatlami bilan qoplangan.₂ (katod). Ish paytida elektrodlarda qo'rg'oshin (II) (II) PbSO sulfat cho'kmasi hosil bo'ladi.₄. Zaryad olayotganda, bitta hujayra 2 voltdan ortiq kuchlanishga ega.

qo'rg'oshin batareyasi u aslida barcha kamchiliklarga ega: sezilarli og'irlik, tushirish va past haroratlarga nisbatan sezgirlik, zaryadlangan holatda saqlash zarurati, agressiv elektrolitlar oqish xavfi va zaharli metalldan foydalanish. Bunga qo'shimcha ravishda, ehtiyotkorlik bilan ishlashni talab qiladi: elektrolitlar zichligini tekshirish, kameralarga suv qo'shish (faqat distillangan yoki deionizatsiya qilinganidan foydalaning), kuchlanish nazorati (bir kamerada 1,8 V dan pastga tushish elektrodlarga zarar etkazishi mumkin) va maxsus zaryadlash rejimi.

Xo'sh, nega qadimiy tuzilma hanuzgacha qo'llanilmoqda? "Akkumulyatorlar qiroli" haqiqiy hukmdorning o'ziga xos xususiyati - kuchga ega. Yuqori oqim iste'moli va 75% gacha bo'lgan yuqori energiya samaradorligi (zaryadlash uchun ishlatiladigan energiyaning bu miqdori ish paytida tiklanishi mumkin), shuningdek, oddiy dizayn va ishlab chiqarishning arzonligi shuni anglatadi. qo'rg'oshin batareyasi U nafaqat ichki yonish dvigatellarini ishga tushirish uchun, balki favqulodda elektr ta'minoti elementi sifatida ham qo'llaniladi. 160 yillik tarixga qaramay, qo'rg'oshin akkumulyatori hali ham yaxshi ishlaydi va ushbu qurilmalarning boshqa turlari bilan almashtirilmagan (va u bilan birga batareya tufayli eng ko'p ishlab chiqarilgan metallardan biri bo'lgan qo'rg'oshinning o'zi) . Ichki yonish dvigatellariga asoslangan motorizatsiya rivojlanishda davom etar ekan, uning pozitsiyasi, ehtimol, tahdid solmaydi (6).

Ixtirochilar qo'rg'oshin-kislotali akkumulyator o'rnini bosuvchi qurilma yaratishga urinishlarini to'xtatmadilar. Ba'zi modellar mashhur bo'lib, bugungi kunda ham avtomobil sanoatida qo'llanilmoqda. O'n to'qqizinchi va yigirmanchi asrlarning oxirida H eritmasi ishlatilmaydigan dizaynlar yaratildi.₂SO₄lekin ishqoriy elektrolitlar. Masalan, yuqorida ko'rsatilgan Ernst Jungnerning nikel-kadmiy batareyasi. 1901 yilda Tomas Alva Edison dizaynni kadmiy o'rniga temirdan foydalanish uchun o'zgartirdi. Kislota batareyalari bilan solishtirganda, gidroksidi batareyalar ancha engilroq, past haroratlarda ishlay oladi va ishlov berish unchalik qiyin emas. Biroq, ularni ishlab chiqarish qimmatroq, energiya samaradorligi esa pastroq.

Va undan keyin nima?

Albatta, batareyalar haqidagi maqolalar savollarni tugatmaydi. Ular, masalan, kalkulyatorlar yoki kompyuter anakartlari kabi maishiy texnikani quvvatlantirish uchun ishlatiladigan lityum xujayralarni muhokama qilmaydi. Ular haqida ko'proq ma'lumotni kimyo bo'yicha o'tgan yilgi Nobel mukofoti haqidagi yanvar maqolasida va amaliy qismda - bir oy ichida (shu jumladan buzish va tajriba) bilib olishingiz mumkin.

Hujayralar, ayniqsa batareyalar uchun yaxshi istiqbollar mavjud. Dunyo tobora mobil bo'lib bormoqda, bu esa elektr kabellaridan mustaqil bo'lish zarurligini anglatadi. Elektr transport vositalarini samarali energiya bilan ta'minlash ham katta muammo hisoblanadi. - ular samaradorlik bo'yicha ham ichki yonuv dvigatelli avtomobillar bilan raqobatlasha olishlari uchun.

akkumulyator batareyasi

Hujayra turini aniqlashni osonlashtirish uchun maxsus alfanumerik kod joriy etildi. Kichik uy jihozlari uchun uylarimizda eng ko'p uchraydigan turlar uchun u raqam-harf-harf-raqam shakliga ega.

Va bu:

- birinchi raqam - hujayralar soni; bitta hujayralar uchun e'tiborga olinmaydi;

– birinchi harf hujayra turini bildiradi. Agar u yo'qolsa, siz Leclanche havolasi bilan shug'ullanasiz. Boshqa hujayra turlari quyidagicha etiketlanadi:

C - lityum hujayra (eng keng tarqalgan turi),

H - Ni-MH batareyasi,

K - nikel-kadmiy batareyasi,

L - ishqoriy hujayra;

- quyidagi harf havola shaklini bildiradi:

F - plastinka,

R - silindrsimon,

P - silindrsimon bo'lmagan shaklga ega bo'lgan bo'g'inlarning umumiy belgilanishi;

- yakuniy rasm yoki raqamlar havolaning o'lchamini ko'rsatadi (katalog qiymatlari yoki to'g'ridan-to'g'ri o'lchamlarni ko'rsatadigan) (7).

7. Mashhur hujayralar va batareyalarning o'lchamlari.

Belgilash misollari:

R03
- kichik barmoq o'lchamidagi sink-grafit hujayrasi. Boshqa belgi - AAA yoki.

LR6 - barmoq o'lchamidagi ishqoriy hujayra. Boshqa belgi AA yoki.

HR14 - Ni-MH batareyasi; C harfi o'lchamni ko'rsatish uchun ham ishlatiladi.

KR20 – Ni-Cd batareyasi, uning hajmi ham D harfi bilan belgilangan.

3LR12 - uchta silindrsimon gidroksidi hujayradan tashkil topgan 4,5 V kuchlanishli tekis batareya.

6F22 - 9 voltli akkumulyator, oltita Leclanchet yassi hujayradan iborat.

CR2032 – diametri 20 mm va qalinligi 3,2 mm bo‘lgan lityum xujayrasi.

Shuningdek qarang: