ბატარეის სამყარო - ნაწილი 3

თანამედროვე ბატარეების ისტორია მეცხრამეტე საუკუნიდან იწყება და დღეს გამოყენებული დიზაინის უმეტესობა ამ საუკუნიდან მოდის. ეს ვითარება მოწმობს, ერთი მხრივ, იმდროინდელი მეცნიერების შესანიშნავ იდეებზე და, მეორე მხრივ, იმ სირთულეებზე, რომლებიც წარმოიქმნება ახალი მოდელების შემუშავებისას.

ცოტა რამ არის ისეთი კარგი, რომ მათი გაუმჯობესება შეუძლებელია. ეს წესი ასევე ეხება ბატარეებს - XNUMX საუკუნის მოდელები ბევრჯერ დაიხვეწა, სანამ არ მიიღებდნენ ამჟამინდელ ფორმას. ეს ასევე ეხება ლეკლანის უჯრედები.

ბმული გასაუმჯობესებლად

ფრანგი ქიმიკოსის დიზაინი შეიცვალა კარლ გასნერი მართლაც სასარგებლო მოდელად: წარმოებაში იაფი და გამოსაყენებლად უსაფრთხო. თუმცა, ჯერ კიდევ იყო პრობლემები - ელემენტის თუთიის საფარი კოროზირდება მჟავე ელექტროლიტთან შეხებისას, რომელიც ავსებდა თასს, და აგრესიული შიგთავსის გამოფრქვევამ შეიძლება გამორთოს ელექტრომოწყობილობა. გადაწყვეტილება გახდა გაერთიანება თუთიის სხეულის შიდა ზედაპირი (ვერცხლისწყლის საფარი).

თუთიის ამალგამი პრაქტიკულად არ რეაგირებს მჟავებთან, მაგრამ ინარჩუნებს სუფთა ლითონის ყველა ელექტროქიმიურ თვისებას. თუმცა, გარემოსდაცვითი რეგულაციებიდან გამომდინარე, უჯრედების სიცოცხლის გახანგრძლივების ეს მეთოდი სულ უფრო ნაკლებად გამოიყენება (ვერცხლისწყლისგან თავისუფალი უჯრედებზე შეგიძლიათ იპოვოთ წარწერა ან) (1).

2. ტუტე უჯრედის განლაგება: 1) კორპუსი (კათოდური ტყვია), 2) კათოდი, რომელიც შეიცავს მანგანუმის დიოქსიდს, 3) ელექტროდის გამყოფი, 4) ანოდი, რომელიც შეიცავს KOH და თუთიის მტვერს, 5) ანოდის ტერმინალი, 6) უჯრედის დალუქვა (ელექტროდის იზოლატორი). .

უჯრედის ხანგრძლივობისა და სიცოცხლის გაზრდის კიდევ ერთი გზაა დამატება თუთიის ქლორიდი ZnCl₂ ჭიქის შემავსებელი პასტისთვის. ამ დიზაინის უჯრედებს ხშირად უწოდებენ Heavy Duty და (როგორც სახელიდან ჩანს) შექმნილია უფრო ენერგო ინტენსიური მოწყობილობებისთვის.

გარღვევა ერთჯერადი ბატარეების სფეროში იყო მშენებლობა 1955 წელს ტუტე უჯრედი. კანადელი ინჟინრის გამოგონება ლუის ური, რომელსაც იყენებს ამჟამინდელი Energizer კომპანია, აქვს სტრუქტურა ოდნავ განსხვავებული Leclanchet უჯრედისგან.

ჯერ ერთი, იქ ვერ იპოვით გრაფიტის კათოდს ან თუთიის ჭიქას. ორივე ელექტროდი დამზადებულია სველი, განცალკევებული პასტების სახით (გასქელება და რეაგენტები: კათოდი შედგება მანგანუმის დიოქსიდისა და გრაფიტის ნარევისგან, თუთიის მტვრის ანოდისგან კალიუმის ჰიდროქსიდის ნაზავით) და მათი ტერმინალები დამზადებულია ლითონისგან ( 2). თუმცა, რეაქციები, რომლებიც წარმოიქმნება ოპერაციის დროს, ძალიან ჰგავს მათ, რაც ხდება ლეკლანშეტის უჯრედში.

Დავალება. ჩაატარეთ "ქიმიური გაკვეთა" ტუტე უჯრედზე, რათა გაარკვიოთ, რომ შინაარსი ნამდვილად ტუტეა (3). დაიმახსოვრეთ, რომ იგივე სიფრთხილის ზომები ვრცელდება ლეკლაშეტის უჯრედის დემონტაჟზე. იხილეთ ბატარეის კოდის ველი, თუ როგორ უნდა ამოიცნოთ ტუტე უჯრედი.

3. ტუტე უჯრედის „სექცია“ ადასტურებს ტუტეს შემცველობას.

ხელნაკეთი ბატარეები

4. შიდა Ni-MH და Ni-Cd ბატარეები.

უჯრედები, რომელთა დატენვა შესაძლებელია გამოყენების შემდეგ, იყო დიზაინერების მიზანი ელექტროენერგიის მეცნიერების განვითარების თავიდანვე, აქედან გამომდინარე, მათი მრავალი სახეობა.

ამჟამად არის ერთ-ერთი მოდელი, რომელიც გამოიყენება მცირე საყოფაცხოვრებო ტექნიკის გასაძლიერებლად ნიკელ-კადმიუმის ბატარეები. მათი პროტოტიპი გამოჩნდა 1899 წელს, როდესაც ეს გააკეთა შვედმა გამომგონებელმა. ერნსტ იუნგნერი მიმართა პატენტს ნიკელ-კადმიუმის ბატარეაზე, რომელსაც შეუძლია კონკურენცია გაუწიოს საავტომობილო ინდუსტრიაში უკვე ფართოდ გამოყენებულ ბატარეებს. ტყვიის მჟავა ბატარეა.

უჯრედის ანოდი არის კადმიუმი, კათოდი არის სამვალენტიანი ნიკელის ნაერთი, ელექტროლიტი არის კალიუმის ჰიდროქსიდის ხსნარი (თანამედროვე "მშრალ" დიზაინში, გასქელებათა სველი პასტა, რომელიც გაჯერებულია KOH ხსნარით). Ni-Cd ბატარეებს (ეს არის მათი აღნიშვნა) აქვთ სამუშაო ძაბვა დაახლოებით 1,2 ვ - ეს არის ერთჯერადი უჯრედების ძაბვაზე ნაკლები, რაც, თუმცა, არ წარმოადგენს პრობლემას უმეტეს აპლიკაციებში. დიდი უპირატესობა არის მნიშვნელოვანი დენის მოხმარების შესაძლებლობა (თუნდაც რამდენიმე ამპერი) და ოპერაციული ტემპერატურის ფართო დიაპაზონი.

5. დატენვამდე შეამოწმეთ მოთხოვნები სხვადასხვა ტიპის ბატარეებზე.

ნიკელ-კადმიუმის ბატარეების მინუსი არის დამამძიმებელი "მეხსიერების ეფექტი". ეს ხდება ნაწილობრივ დათხოვნილი Ni-Cd ბატარეების ხშირად დატენვისას: სისტემა ისე იქცევა, თითქოს მისი სიმძლავრე მხოლოდ დატენვის შედეგად შევსებული დამუხტვის ტოლია. ზოგიერთი ტიპის დამტენში „მეხსიერების ეფექტი“ შეიძლება შემცირდეს უჯრედების სპეციალურ რეჟიმში დატენვით.

ამიტომ, დათხოვნილი ნიკელ-კადმიუმის ბატარეები უნდა დაიტენოს სრული ციკლით: ჯერ მთლიანად დაცლილი (დამტენის შესაბამისი ფუნქციის გამოყენებით) და შემდეგ დატენვა. ხშირი დატენვა ასევე ამცირებს 1000-1500 ციკლის სავარაუდო ხანგრძლივობას (რომ ბევრი ერთჯერადი ელემენტი შეიცვლება ერთი ბატარეით მისი სიცოცხლის ხანგრძლივობის განმავლობაში, ასე რომ, შესყიდვის მაღალი ღირებულება ბევრჯერ გადაიხდის თავის თავს, რომ აღარაფერი ვთქვათ ბატარეის გაცილებით ნაკლებ დატვირთვაზე. ). გარემო უჯრედების წარმოებითა და განკარგვით).

შეიცვალა ტოქსიკური კადმიუმის შემცველი Ni-Cd ელემენტები ნიკელ-მეტალის ჰიდრიდის ბატარეები (Ni-MH აღნიშვნა). მათი სტრუქტურა ჰგავს Ni-Cd ბატარეებს, მაგრამ კადმიუმის ნაცვლად გამოიყენება ფოროვანი ლითონის შენადნობი (Ti, V, Cr, Fe, Ni, Zr, იშვიათი დედამიწის ლითონები) წყალბადის შთანთქმის უნარით (4). Ni-MH უჯრედის ოპერაციული ძაბვა ასევე არის დაახლოებით 1,2 ვ, რაც საშუალებას აძლევს მათ გამოიყენონ მონაცვლეობით NiCd ბატარეებთან. ნიკელის მეტალის ჰიდრიდის უჯრედების ტევადობა უფრო დიდია, ვიდრე იმავე ზომის ნიკელის კადმიუმის უჯრედები. თუმცა, NiMH სისტემები უფრო სწრაფად იხსნება. უკვე არის თანამედროვე დიზაინები, რომლებსაც ეს ნაკლი არ აქვთ, მაგრამ სტანდარტულ მოდელებზე ბევრად მეტი ღირს.

ნიკელ-მეტალის ჰიდრიდის ბატარეები არ ავლენენ "მეხსიერების ეფექტს" (ნაწილობრივ დაცლილი უჯრედების დატენვა შესაძლებელია). თუმცა, ყოველთვის აუცილებელია თითოეული ტიპის დატენვის მოთხოვნების შემოწმება დამტენის ინსტრუქციებში (5).

Ni-Cd და Ni-MH ბატარეების შემთხვევაში, ჩვენ არ გირჩევთ მათ დაშლას. ჯერ ერთი, ჩვენ ვერაფერს ვიპოვით მათში სასარგებლო. მეორეც, ნიკელი და კადმიუმი არ არის უსაფრთხო ელემენტები. ნუ მიიღებთ რისკს ზედმეტად და მიანდეთ განკარგულებაში გაწვრთნილ პროფესიონალებს.

აკუმულატორების მეფე, ანუ...

6. "ბატარეების მეფე" სამსახურში.

… ტყვიის მჟავა ბატარეააშენდა 1859 წელს ფრანგი ფიზიკოსის მიერ გასტონ პლანტეგო (დიახ, დიახ, მოწყობილობა წელს 161 წლის გახდება!). ბატარეის ელექტროლიტი არის დაახლოებით 37% გოგირდმჟავას (VI) ხსნარი, ხოლო ელექტროდები არის ტყვიის (ანოდი) და ტყვიის დაფარული ტყვიის დიოქსიდის PbO ფენით.₂ (კათოდი). ექსპლუატაციის დროს ელექტროდებზე წარმოიქმნება ტყვიის(II)(II)PbSO სულფატის ნალექი.₄. დატენვისას ერთ უჯრედს აქვს 2 ვოლტზე მეტი ძაბვა.

ტყვიის ბატარეა მას რეალურად აქვს ყველა უარყოფითი მხარე: მნიშვნელოვანი წონა, მგრძნობელობა გამონადენისა და დაბალი ტემპერატურის მიმართ, დამუხტულ მდგომარეობაში შენახვის აუცილებლობა, ელექტროლიტების აგრესიული გაჟონვის რისკი და ტოქსიკური ლითონის გამოყენება. გარდა ამისა, საჭიროა ფრთხილად მოპყრობა: ელექტროლიტის სიმკვრივის შემოწმება, წყლის დამატება კამერებში (გამოიყენეთ მხოლოდ გამოხდილი ან დეიონიზებული), ძაბვის კონტროლი (ერთ პალატაში 1,8 ვ-ზე დაბლა ჩავარდნამ შეიძლება დააზიანოს ელექტროდები) და სპეციალური დატენვის რეჟიმი.

მაშ, რატომ არის უძველესი სტრუქტურა ჯერ კიდევ გამოყენებული? „აკუმულატორების მეფეს“ აქვს ის, რაც ნამდვილი მმართველის ატრიბუტია - ძალაუფლება. მაღალი დენის მოხმარება და მაღალი ენერგოეფექტურობა 75%-მდე (დამუხტვის ამ რაოდენობის ენერგიის აღდგენა შესაძლებელია ექსპლუატაციის დროს), ასევე მარტივი დიზაინი და წარმოების დაბალი ღირებულება, ნიშნავს, რომ ტყვიის ბატარეა იგი გამოიყენება არა მხოლოდ შიდა წვის ძრავების დასაწყებად, არამედ როგორც საგანგებო ელექტრომომარაგების ელემენტი. 160 წლიანი ისტორიის მიუხედავად, ტყვიის ბატარეა ჯერ კიდევ კარგად მუშაობს და არ იქნა ჩანაცვლებული ამ მოწყობილობების სხვა ტიპებით (და ამასთან, თავად ტყვია, რომელიც ბატარეის წყალობით ერთ-ერთი ყველაზე დიდი რაოდენობით წარმოებული ლითონია) . სანამ შიდა წვის ძრავებზე დაფუძნებული მოტორიზაცია განაგრძობს განვითარებას, მის პოზიციას ალბათ საფრთხე არ დაემუქრება (6).

გამომგონებლები არ წყვეტდნენ ტყვიის მჟავა ბატარეის შემცვლელის შექმნას. ზოგიერთი მოდელი პოპულარული გახდა და დღესაც გამოიყენება საავტომობილო ინდუსტრიაში. მეცხრამეტე და მეოცე საუკუნეების მიჯნაზე შეიქმნა დიზაინები, რომლებშიც H ხსნარი არ იყო გამოყენებული.₂SO₄მაგრამ ტუტე ელექტროლიტები. ამის მაგალითია ერნსტ იუნგნერის ნიკელ-კადმიუმის ბატარეა, რომელიც ნაჩვენებია ზემოთ. 1901 წელს თომას ალვა ედისონი შეიცვალა დიზაინი და გამოიყენა რკინა კადმიუმის ნაცვლად. მჟავე ბატარეებთან შედარებით, ტუტე ბატარეები გაცილებით მსუბუქია, შეუძლიათ დაბალ ტემპერატურაზე მუშაობა და არც ისე რთული მოსავლელი. თუმცა მათი წარმოება უფრო ძვირია, ენერგოეფექტურობა კი დაბალი.

მაშ, რა არის შემდეგი?

რა თქმა უნდა, სტატიები ბატარეებზე არ ამოწურავს კითხვებს. ისინი არ განიხილავენ, მაგალითად, ლითიუმის უჯრედებს, რომლებიც ასევე ხშირად გამოიყენება საყოფაცხოვრებო ტექნიკის დასამუშავებლად, როგორიცაა კალკულატორები ან კომპიუტერის დედაპლატები. მათ შესახებ მეტი შეგიძლიათ გაიგოთ იანვრის სტატიაში ქიმიის დარგში გასული წლის ნობელის პრემიის შესახებ, ხოლო პრაქტიკულ ნაწილზე - ერთ თვეში (დანგრევისა და გამოცდილების ჩათვლით).

კარგი პერსპექტივებია უჯრედებისთვის, განსაკუთრებით ბატარეებისთვის. სამყარო სულ უფრო და უფრო მობილური ხდება, რაც ნიშნავს დენის კაბელებისგან დამოუკიდებლობის აუცილებლობას. ასევე დიდი გამოწვევაა ელექტრომობილების ეფექტური ენერგომომარაგების უზრუნველყოფა. - რათა მათ კონკურენცია გაუწიონ შიდაწვის ძრავის მქონე მანქანებს ასევე ეკონომიურობით.

აკუმულატორის აკუმულატორი

უჯრედის ტიპის იდენტიფიკაციის გასაადვილებლად, დაინერგა სპეციალური ალფანუმერული კოდი. იმ ტიპებისთვის, რომლებიც ყველაზე ხშირად გვხვდება ჩვენს სახლებში მცირე ტექნიკისთვის, მას აქვს ფორმა რიცხვი-ასო-ასო-რიცხვი.

და ეს:

- პირველი ციფრი არის უჯრედების რაოდენობა; იგნორირებულია ცალკეული უჯრედებისთვის;

- პირველი ასო მიუთითებს უჯრედის ტიპზე. როცა ის აკლია, საქმე გაქვს ლეკლაშის ბმულთან. უჯრედების სხვა ტიპები ეტიკეტირებულია შემდეგნაირად:

C - ლითიუმის უჯრედი (ყველაზე გავრცელებული ტიპი),

H - Ni-MH ბატარეა,

K - ნიკელ-კადმიუმის ბატარეა,

L - ტუტე უჯრედი;

- შემდეგი ასო მიუთითებს ბმულის ფორმაზე:

F - ფირფიტა,

R - ცილინდრული,

P - ცილინდრულის გარდა სხვა ფორმის მქონე ბმულების ზოგადი აღნიშვნა;

- საბოლოო ფიგურა ან ფიგურები მიუთითებს ბმულის ზომაზე (კატალოგის მნიშვნელობები ან პირდაპირ მიუთითებს ზომები) (7).

7. პოპულარული უჯრედების და ბატარეების ზომები.

მარკირების მაგალითები:

R03
- თუთია-გრაფიტის უჯრედი პატარა თითის ზომით. კიდევ ერთი აღნიშვნა არის AAA ან.

LR6 - თითის ზომის ტუტე უჯრედი. კიდევ ერთი აღნიშვნა არის AA ან.

HR14 – Ni-MH ბატარეა; ასო C ასევე გამოიყენება ზომის აღსანიშნავად.

KR20 – Ni-Cd ბატარეა, რომლის ზომაც ასევე აღინიშნება ასო D.

3LR12 – ბრტყელი ბატარეა ძაბვით 4,5 ვ, რომელიც შედგება სამი ცილინდრული ტუტე უჯრედისგან.

6F22 - 9 ვოლტიანი ბატარეა, რომელიც შედგება ექვსი ლეკლაშტის ბრტყელი უჯრედისგან.

CR2032 - ლითიუმის უჯრედი 20 მმ დიამეტრით და 3,2 მმ სისქით.

აგრეთვე იხილე: