Гальванический элемент батарейка как источник энергии

Гальванический элемент батарейка -это энергетическое устройство, которое преобразует накопленную химическую энергию непосредственно в электрическую с помощью электрохимического процесса, включающего реакции окисления.

Каковы основные компоненты батареи как генератора энергии?

Гальванический элемент может состоять из многих  электрохимических элементов, называемых батарейными элементами. Элементы или ячейки могут быть соединены и расположены последовательно или параллельно в соответствии с требуемым выходным напряжением и током, образуя емкость батареи.

Гальванический элемент батарейка состоит из трех основных компонентов:

  1. Анод (отрицательный электрод). Это восстановительный электрод, который отдает электроны во внешнюю электрическую цепь и окисляется в ходе электрохимической реакции. Таким образом, анодные электроды также называют “топливным электродом”.
  2. Катод (положительный электрод). Катод-это окислительный электрод, который принимает электроны от внешней цепи и восстанавливается в ходе электрохимической реакции.
  3. Электролит (электродная среда). Электролит представляет собой среду или сепаратор между анодом и катодом, который служит ионным проводником для переноса ионов или зарядов между двумя электродами. Обычно это жидкость с кислотами или щелочами для придания ионной проводимости.

Необходимо отметить, что некоторые батареи используют твердые электролиты, поэтому мы обычно называли их “сухими ячейками” или “сухими батареями”.
Первые компоненты типичного сухого элемента  в качестве анода использовали цинк, а в качестве катода-графитовый (углеродный) стержень, окруженный влажным электролитом (химическая смесь).

Другие более современные распространенные сухие гальванические элементы батарейки включают цинк-хлоридные, ртутные, оксид серебра, цинк-воздушные батареи и т. д.

Классификация источников питания

Как правило, батареи можно разделить на первичные, вторичные и топливный элемент.
Первичные батареи не могут быть заряжены, в то время как вторичные являются перезаряжаемыми или аккумуляторами.

В отличие от первичных и вторичных батарей, топливные элементы, с другой стороны, относятся к классу которые работают с непрерывной внешней подачей топлива.
Поэтому количество энергии для первичной батареи ограничено имеющимися в ней реагентами; вторичная может работать в прерывистом режиме, т. е. она может быть перезаряжена при достижении низкого уровня заряда.

Топливный элемент, по существу, имеет наибольшее количество энергии, так как топливо, обычно водород, может непрерывно подаваться в “топливный” элемент.

Марганцево-цинковый сухой элемент или угольно-цинковая батарейка

Гальванический элемент батарейка электролитом которого является сухой или в форме пасты/геля был изобретен французский инженером Жоржем Лекланшем в 1866 году.
Стаканчик из цинка – минусовой электрод, электролитом служил диоксид марганца, графитовый электрод в качестве плюсового электрода.Гальванический элемент батарейка
Электрохимическая реакция Zn + 2MnO2 + 2NH4Cl → 2MnO(OH) + [Zn(NH3)2]Cl2
Применяются солевые батарейки в приборах со средним и низким энергопотреблением.

Щелочная (алкалиновая) батарейка

Щелочной диоксид цинка-марганца или ”щелочной” гальванический элемент батарейка обеспечивает гораздо более высокую плотность энергии и, следовательно, емкость, чем углерод-цинковый или марганцево-цинковый-хлоридный тип. Она также способна к более высокому разрядному току. Гальванический элемент батарейка

Диоксид марганца (MnO2) и углерод образуют положительный электрод, в то время как цинк находится в порошкообразной форме, как отрицательный электрод (анод), который фактически смешивается с образованием геля/пасты с гидроксидом калия (KOH) с цинковым порошком в качестве электролита. Несмотря на то, что щелочная батарея дороже и несколько тяжелее, она превосходит углерод-цинковые или хлоридные типы. Кроме того, щелочные батареи, как известно, долговечны из-за их способности избегать коррозионного воздействия из-за кислого иона аммония на цинк. Щелочные гальванические элементы батарейки особенно подходят для применений, которые включают в себя сравнительно высокие уровни тока разряда.

Литиевая батарейка

Литий-марганцевая диоксид батарейка -это относительно недавняя разработка, использующая преимущества высокого электродного потенциала и плотности энергии металлического лития. Она предлагает значительно большую плотность энергии и емкость, чем “щелочная” и угольная, при относительно небольшом увеличении стоимости.

Литий находится в форме очень тонкой фольги и запрессован внутри банки из нержавеющей стали, чтобы сформировать отрицательный электрод.

Положительный электрод – диоксид марганца, смешанный с углеродом для улучшения его проводимости, а электролит-перхлорат лития растворен в пропиленкарбонате.

Номинальное напряжение на клеммах литиевого элемента составляет 3,0 в, что в два раза больше, чем у “щелочных” и других гальванических элементов. Он также имеет очень низкую скорость саморазряда, что дает ему очень длительный срок хранения. Внутреннее сопротивление также довольно низкое и остается таким в течение всего срока службы.литиевая батарейка

Литиевая батарея хорошо работает при низких температурах, даже ниже -60 °C, и передовые разработки используют их в спутниках связи, космических аппаратах, военных и медицинских приложениях. Медицинские приложения, требующие длительного срока службы критически важных устройств, таких как искусственные кардиостимуляторы и другие имплантируемые электронные медицинские устройства, используют специализированные литий-ионные батареи, которые могут работать в течение многих лет.

Литиевые гальванические элементы батарейки подходят для менее важных применений для работы с игрушками, часами и камерами. Хотя литиевые батареи стоят дороже, они обеспечивают более длительный срок службы, чем “щелочные” батареи, и сводят к минимуму их замену.

На практике, однако, напряжение на клеммах уменьшается по мере уменьшения заряда. Именно по этой причине, в отличие от вторичных батарей, первичные, как правило, не получают спецификации емкости ни в ампер-часах, ни в миллиампер-часах от большинства производителей вместо этого обычно задается только максимальный ток разряда.
Литиевые гальванические элементы обладают значительно большей плотностью энергии и емкостью, чем “щелочные” и другие первичные батареи; они обеспечивают более высокое (примерно в два раза) напряжение на клеммах по сравнению с другими первичными элементами, и напряжение на клеммах остается почти постоянным в течение всего срока службы.

Преимущества и недостатки применения гальванических элементов батареек

Преимущества

  1. Как эффективный и дешевый резервный генератор энергии.
  2. Компактный и удобный источник энергии для повседневного использования.

Недостатки:

  1. Не содержат много энергии.
  2. Отработанные источники вносят свой вклад в загрязнение окружающей среды.
  3. Многие элементы содержат очень агрессивные электролиты, такие как гидроксид калия или едкий калий.
  4. Некоторые батарейки содержат токсичные материалы, такие как оксид ртути или высокореактивные материалы, такие как литий, которые могут взорваться при контакте с водой.