Виды гальванических элементов: устройство и работа солевых, щелочных и литиевых батарей и аккумуляторов

Обновлено: 18.04.2024

В первых опытах ученых в емкость с кислотой опускали две металлические пластины: медную и цинковую. Пластины соединяли проводником, после чего на медной пластине появлялись газовые пузырьки, а цинковая пластина стала растворяться. Было доказано, что по проводнику проходит электрический ток. Это исследование начинал итальянский ученый Гальвани, от него и получили название гальванические элементы.

После этого ученый Вольта разработал цилиндрическую форму этого элемента в виде вертикального столбика, включающего в себя набор колец меди, цинка и сукна, соединенных друг с другом, и пропитанных кислотой. Разработанный Вольтом вертикальный элемент полуметровой высоты вырабатывал напряжение, которое мог почувствовать человек.

Гальванические элементы — это источники электрической энергии, вырабатывающие электрический ток методом химического взаимодействия двух металлов в электролите. Химическая энергия в гальванических элементах преобразуется в электрический ток.

Виды и особенности устройства

Гальванические элементы широко используются для питания разных электронных устройств, приборов, цифровой техники и делятся на три основных вида:

Солевые батарейки

Такие батарейки относятся к марганцево-цинковым элементам питания, и являются наиболее применяемыми в настоящее время.

Достоинствами солевых батареек являются:

Приемлемые электрические параметры для многих областей использования.
Удобство применения.
Малая цена ввиду небольших расходов на изготовление.
Простая технология изготовления.
Дешевое и доступное сырье.

Длительное время этот вид батареек является наиболее популярным, благодаря соотношению качества и цены. Однако в последние годы заводы изготовители уменьшают производство солевых гальванических элементов, и даже отказываются от выпуска, так как требования к источникам питания повышаются производителями электронной техники.

Недостатками солевых батареек являются:

Малый срок хранения, не более 2-х лет.
Резкое падение свойств при снижении температуры.
Резкое уменьшение емкости при повышении рабочего тока до эксплуатационных значений современных потребителей.
Быстрое уменьшение напряжения во время работы.

Солевые гальванические элементы в конце своего разряда могут потечь, что связано с вытеканием электролита из-за увеличения объема положительного электрода, который выдавливает электролит. Активная масса плюсового электрода состоит из диоксида марганца и электролита. Сажа и графит, добавленный в активную смесь, повышают электропроводность активной смеси. Их доля равна от 8 до 20% в зависимости от марки батарейки. Для увеличения срока работы окислителя активную смесь насыщают электролитом.

Минусовой электрод изготавливают из очищенного цинка, устойчивого к коррозии. В нем остается небольшая доля кадмия или свинца, являющегося ингибиторами коррозии. Раньше в батарейках в качестве электролита использовали хлорид аммония. Он участвует в реакции образования тока, создает проходимость ионов. Но такой электролит не показал хороших результатов, и его заменили хлоридом цинка с примесями хлорида кальция. Марганцево-кислые элементы работают дольше, и показывают лучшие результаты при пониженных температурах.

В солевых гальванических элементах отрицательным полюсом является цинковый корпус 7. Плюсовой электрод 6 изготовлен из активной прессованной массы, пропитанной электролитом. По центру этой массы находится угольный стержень 5, обработанный парафином для удержания влаги в электролите. Верхняя часть стержня закрыта металлическим колпаком. В сепараторе 4 находится густой электролит. В газовую камеру 1 поступают газы, образованные при работе батарейки. Сверху батарейку закрывают прокладкой 3. Весь гальванический элемент заключают в футляр 2, выполненный из картона или фольги.

Щелочные батарейки

Щелочные элементы питания появились в середине прошлого века. В них в качестве окислителя выступает диоксид марганца, а в качестве восстановителя порошковый цинк. Это дает возможность увеличить поверхность. Для предохранения от коррозии раньше применялось амальгамирование. Но после запрета на ртуть используют очищенные цинковые порошки с добавлением других металлов и ингибиторов коррозии.

Активным веществом анода щелочной (алкалиновой) батарейки стал очищенный цинк в виде порошка с добавлением алюминия, индия или свинца. Активная смесь катода включает в себя диоксид марганца, ацетиленовую сажу или графит. Электролит алкалиновых батареек состоит из едкого натра или калия с добавлением оксида цинка.

Порошковый анод позволяет значительно повысить использование активной смеси, в отличие от солевых батареек. Алкалиновые батарейки обладают значительно большей емкостью, чем солевые, при равных габаритных размерах. Они хорошо себя показали в работе на морозе.

Особенностью устройства алкалиновых элементов является порошковый цинк, поэтому вместо цинкового стакана используют стальной корпус для положительного вывода. Активная смесь положительного электрода находится возле внутренней стенки стального корпуса. В алкалиновой батарейке есть возможность разместить больше активной смеси положительного электрода, в отличие от солевой.

В активную смесь вставляется целлофановый сепаратор, смоченный электролитом. По центру батарейки проходит латунный отрицательный электрод. Остальной объем между сепаратором и отрицательным токоотводом заполняется анодной пастой в виде порошкового цинка, пропитанного густым электролитом. Обычно в качестве электролита используют щелочь, насыщенную специальными соединениями цинка. Это дает возможность предотвратить потребление щелочи в начале работы элемента, и снизить коррозию. Масса щелочных батареек выше солевых из-за стального корпуса и большей плотности активной смеси.

По многим основным параметрам алкалиновые гальванические элементы превосходят солевые элементы. Поэтому в настоящее время увеличивается объем производства щелочных батареек.

Литиевые элементы питания

Литиевые гальванические элементы применяются в различных современных устройствах. Они выпускаются различных типоразмеров и видов.

Существуют литиевые батарейки и литиевые аккумуляторы, имеющие между собой большие отличия. Батарейки имеют в составе твердый органический электролит, в отличие от других видов элементов. Литиевые элементы используются в местах, где требуются средние и малые токи разряда, стабильное рабочее напряжение. Литиевый аккумулятор можно перезаряжать определенное количество раз, а батарейки не предназначены для этого, и используются только один раз. Их запрещается вскрывать или перезаряжать.

Основные требования к производству:

Надежная герметизация корпуса. Нельзя допускать утечки электролита и проникновения внутрь других веществ из внешней среды. Нарушение герметичности приводит к их возгоранию, так как литий является высоко активным элементом. Гальванические элементы с нарушенной герметичностью не годятся для эксплуатации.
Изготовление должно проходить в герметичных помещениях с аргоновой атмосферой и контролем влажности.

Форма литиевых аккумуляторов бывает цилиндрической, дисковой или призматической. Габариты практически не отличаются от других видов батареек.

Область использования

Литиевые гальванические элементы обладают более длительным сроком работы, по сравнению с другими элементами. Область применения очень широка:

Космическая промышленность.
Авиационное производство.
Оборонная промышленность.
Детские игрушки.
Медицинская техника.
Компьютеры.
Фото- и видеокамеры.

Преимущества

Широкий интервал рабочих температур.
Компактные размеры и масса.
Длительная эксплуатация.
Стабильные параметры в различных условиях.
Большая емкость.

Недостатки

Возможность внезапного возгорания при несоблюдении правил пользования.
Высокая цена, по сравнению с другими видами батареек.

Принцип работы

Действие гальванических элементов основано на том, что два разных металла в среде электролита взаимодействуют между собой, в результате чего во внешней цепи образуется электрический ток.

Такие химические элементы сегодня называют батарейками. Величина напряжения батарейки зависит от применяемых видов металлов и от числа элементов, находящихся в ней. Все устройство батарейки расположено в металлическом цилиндре. Электроды представляют собой металлические сетки с напылением восстановителя и окислителя.

Батарейки не могут восстанавливать утраченные свойства, так как в них осуществляется прямое преобразование химической энергии окислителя и восстановителя в электрическую. Химические реагенты при функционировании батарейки постепенно расходуются, а электрический ток уменьшается.

Отрицательный вывод батарейки выполнен из цинка или лития, он теряет электроны и является восстановителем. Другой положительный вывод играет роль окислителя, его изготавливают из оксида магния или солей металлов. Состав электролита в обычных условиях не пропускает через себя электрический ток. При замыкании электрической цепи начинается распад электролита на ионы, что обуславливает появление его электрической проводимости. Электролит состоит чаще всего из раствора кислоты или солей натрия и калия.

Разные виды гальванических элементов преобразовывают свою химическую энергию в электрический ток. Своё название они получили в честь итальянского учёного Гальвани, который проводил первые подобные эксперименты и исследования. Электричество вырабатывается благодаря химическому взаимодействию двух металлов (обычно цинка и меди) в электролите.

Принцип действия

Учёные помещали в ёмкости с кислотой медную и цинковую пластинку. Их соединяли проводником, на первой образовывались пузырьки газа, вторая начинала растворяться. Это доказывало то, что по проводнику протекает электрический ток. После Гальвани опытами занялся Вольт. Он создал элемент цилиндрической формы, похожий на вертикальный столбец. В его составе были цинковые, медные и суконные кольца, предварительно пропитанные кислотой. Первый элемент имел высоту в 50 см, и выработанное им напряжение чувствовалось человеком.

Принцип работы заключается в том, что два вида металла в электролитической среде вступают во взаимодействие, в результате которого по внешней цепи начинает проходить ток. Современные гальванические элементы и аккумуляторы называют батарейками. Их напряжение зависит от используемого металла. Устройство помещено в цилиндр из мягкой жести. В качестве электродов выступают сетки с окислительным и восстановительным напылением.

Преобразование химической энергии в электричество исключает возможность восстановления свойств батареек. Ведь при работе элемента реагенты расходуются, из-за чего уменьшается ток. Восстановителем обычно служит отрицательный вывод из лития или цинка. Во время функционирования он теряет электроны. Положительную часть изготавливают из металлических солей или оксида магния, она выполняет работу окислителя.

В обычных условиях электролит не пропускает ток, он распадается на ионы только во время замыкания цепи. Именно это обуславливает появление проводимости. В качестве электролита используют раствор кислоты, натриевые или калиевые соли.

Разновидности элементов

Батарейки используют для питания приборов, устройств, техники, игрушек. Все гальванические элементы по схеме делят на несколько видов:

Наиболее популярные — солевые батарейки, изготовленные из цинка и марганца. Элемент сочетает в себе надёжность, качество и приемлемую цену. Но в последнее время производители снижают или полностью прекращают их изготовление, так как со стороны фирм, выпускающих бытовую технику, к ним постепенно повышают требования. Основные преимущества гальванических батарей этого типа:

универсальные параметры, позволяющие использовать их в разных областях;
лёгкая эксплуатация;
невысокая стоимость;
простые условия производства;
доступное и недорогое сырье.

Среди недостатков выделяют небольшой срок службы (не более двух лет), уменьшение свойств из-за низких температур, уменьшение ёмкости при повышении тока и снижение напряжения во время работы. Когда солевые батарейки разряжаются, они могут потечь, так как положительный объем электрода выталкивает электролит. Проводимость повышают графит и сажа, активная смесь состоит из диоксида марганца. Срок эксплуатации напрямую зависит от объёма электролита.

В прошлом столетии появились первые щелочные элементы. Роль окислителя в них играет марганец, а восстановителя — цинковый порошок. Корпус батарейки амальгамируют во избежание появления коррозии. Но использование ртути запретили, поэтому их покрывали смесями из цинкового порошка с ингибиторами ржавчины.

Активное вещество в устройстве гальванического элемента — это цинк, индий, свинец и алюминий. В активную массу входят сажа, марганец и графит. Электролит изготавливают из калия и натрия. Сухой порошок значительно повышает функционирование батарейки. При таких же габаритах, как у солевых видов, щелочные имеют большую ёмкость. Они продолжают хорошо работать даже при сильном морозе.

Литиевые элементы используют для питания современной техники. Их выпускают в виде батареек и аккумуляторов разных размеров. В составе первых находится твёрдый электролит, в других устройствах — жидкий. Такой вариант подходит для приборов, требующих стабильного напряжения и средних зарядов тока. Литиевые аккумуляторы можно заряжать несколько раз, батарейки используют только однажды, их не вскрывают.

Сфера применения

К производству гальванических элементов выдвигают ряд требований. Корпус батареек должен быть надёжным и герметичным. Электролит не должен вытекать, а также нельзя допускать попадания внутрь устройства посторонних веществ. В некоторых случаях при вытекании жидкости она загорается. Повреждённый элемент нельзя использовать. Габариты у всех батареек практически одинаковы, отличаются только размеры аккумуляторов. Элементы могут иметь разную форму: цилиндрическую, призматическую или дисковую.

У всех типов устройств есть общие достоинства: они компактны и имеют незначительный вес, приспособлены к разным диапазонам рабочей температуры, обладают большой ёмкостью и стабильно работают в разных условиях. Есть также и некоторые недостатки, но они касаются определённых типов элементов. Солевые служат недолго, литиевые устроенные так, что могут воспламеняться при разгерметизации.

Сферы применения батареек многочисленны:

цифровая техника;
детские игрушки;
медицинские приборы;
оборонная и авиационная промышленность;
космическое производство.

Гальванические элементы легко использовать, они доступны по стоимости. Но с некоторыми видами нужно обращаться аккуратно и не использовать их в случае повреждения. Перед приобретением батареек нужно внимательно изучить инструкцию прибора, который они будут питать.

Предпосылки к появлению гальванических элементов. Немного истории. В 1786 году итальянский профессор медицины, физиолог Луиджи Алоизио Гальвани обнаружил интересное явление: мышцы задних лапок свежевскрытого трупика лягушки, подвешенного на медных крючках, сокращались, когда ученый прикасался к ним стальным скальпелем. Гальвани тут же сделал вывод, что это — проявление «животного электричества».

После смерти Гальвани, его современник Алессандро Вольта, будучи химиком и физиком, опишет и публично продемонстрирует более реальный механизм возникновения электрического тока при контакте разных металлов.

Вольта, после серии экспериментов, придет к однозначному выводу о том, что ток появляется в цепи из-за наличия в ней двух проводников из разных металлов, помещенных в жидкость, и это вовсе не «животное электричество», как думал Гальвани. Подергивание лапок лягушки было следствием действия тока, возникающего при контакте разных металлов (медные крючки и стальной скальпель).

Вольта покажет те же явления, которые демонстрировал Гальвани на мертвой лягушке, но на совершенно неживом самодельном электрометре, и даст в 1800 году точное объяснение возникновению тока: «проводник второго класса (жидкий) находится в середине и соприкасается с двумя проводниками первого класса из двух различных металлов… Вследствие этого возникает электрический ток того или иного направления».

В одном из первых экспериментов Вольта опустил в банку с кислотой две пластинки — цинковую и медную — и соединил их проволокой. После этого цинковая пластина начала растворяться, а на медной стали выделяться пузырьки газа. Вольта предположил и доказал, что по проволоке протекает электрический ток.

Так был изобретён «элемент Вольта» — первый гальванический элемент. Для удобства Вольта придал ему форму вертикального цилиндра (столба), состоящего из соединённых между собой колец цинка, меди и сукна, пропитанных кислотой. Вольтов столб высотою в полметра создавал напряжение, чувствительное для человека.

Поскольку начало исследованиям положил Луиджи Гальвани, то и название химического источника тока сохранило память о нем в своем названии.

Гальванический элемент — это химический источник электрического тока, основанный на взаимодействии двух металлов и/или их оксидов в электролите, приводящем к возникновению в замкнутой цепи электрического тока. Таким образом, в гальванических элементах химическая энергия переходит в электрическую.

Гальванические элементы сегодня

Гальванические элементы сегодня называют батарейками. Широко распространены три типа батареек: солевые (сухие), щелочные (их называют еще алкалиновыми, «alkaline» в переводе с английского - «щелочной») и литиевые. Принцип их работы — все тот же, описанный Вольта в 1800 году: два металла взаимодействуют через электролит, и во внешней замкнутой цепи возникает электрический ток.

Напряжение батарейки зависит как от используемых металлов, так и от количества элементов в «батарейке». Батарейки, в отличие от аккумуляторов, не способны к восстановлению своих свойств, поскольку в них происходит прямое преобразование энергии химической, то есть энергии составляющих батарейку реагентов (восстановителя и окислителя), в энергию электрическую.

Щелочные и солевые элементы (батарейки) широко применяются для питания разнообразных электронных устройств, радиоаппаратуры, игрушек, а литиевые чаще всего можно встретить в портативных медицинских приборах типа глюкометров или в цифровой технике вроде фотоаппаратов.

Солевые батарейки

Марганцево-цинковые элементы, которые называют солевыми батарейками — это «сухие» гальванические элементы, внутри которых нет жидкого раствора электролита.

Цинковый электрод (+) — это катод в форме стакана, а анодом служит порошкообразная смесь из диоксида марганца с графитом. Ток течет через графитовый стержень. В качестве электролита используется паста из раствора хлорида аммония с добавлением крахмала или муки для загущения, чтобы ничего не текло.

Обычно производители батареек не указывают точный состав солевых элементов, тем не менее, солевые батарейки являются самыми дешевыми, их обычно используют в тех устройствах, где энергопотребление крайне низко: в часах, в пультах дистанционного управления, в электронных термометрах и т. п.

Понятие "номинальная емкость" редко употребляется для характеристики марганцево-цинковых батареек, так как их емкость сильно зависит от режимов и условий эксплуатации. Основными недостатками этих элементов являются значительная скорость снижения напряжения на всем протяжении разряда и значительное уменьшение отдаваемой емкости при увеличении тока разряда. Конечное разрядное напряжение устанавливают в зависимости от нагрузки в интервале 0,7-1,0 В.

Важна не только величина тока разряда, но и временной график нагрузки. При прерывистом разряде большими и средними токами работоспособность батареек заметно увеличивается по сравнению с непрерывным режимом работы. Однако при малых разрядных токах и многомесячных перерывах в работе емкость их может снижаться в следствии саморазряда.

Выше на графике изображены разрядные кривые для средней солевой батарейки за 4, 10, 20 и 40 часов для сравнения с щелочной, о которой речь пойдет далее.

Щелочные (алкалиновые) батарейки

Щелочной элемент питания — марганцево-цинковый гальванический элемент питания, в котором в качестве катода используется диоксид марганца, в качестве анода — порошкообразный цинк, а в качестве электролита — раствор щёлочи, обычно в виде пасты гидроксида калия.

Эти батарейки обладают целым рядом преимуществ (в частности, существенно большей ёмкостью, лучшей работой при низких температурах и при больших токах нагрузки).

Щелочные батарейки, в сравнении с солевыми, могут обеспечивать больший ток в течение длительного времени. Больший ток становится возможным, поскольку цинк здесь используется не в виде стакана, а в виде порошка, обладающего большей площадью соприкосновения с электролитом. В качестве электролита применяется гидрооксид калия в виде пасты.

Именно благодаря способности данного вида гальванических элементов в течение длительного времени отдавать значительный ток (до 1 A), щелочные батарейки наиболее распространены в настоящее время.

В электрических игрушках, в портативной медицинской технике, в электронных приборах, в фотоаппаратах — всюду применяются щелочные батарейки. Они служат в 1,5 раза дольше солевых, если разряд идет малым током. На графике изображены разрядные кривые при различных токах для сравнения с солевой батарейкой (график был приведен выше) за 4, 10, 20 и 40 часов.

Литиевые батарейки

Еще одним достаточно распространенным видом гальванических элементов являются литиевые батарейки - одиночные неперезаряжаемые гальванические элементы, в которых в качестве анода используется литий или его соединения. Благодаря использованию щелочного металла они обладают высокой разностью потенциалов.

Катод и электролит литиевого элемента могут быть очень разными, поэтому термин «литиевый элемент» объединяет группу элементов с одинаковым материалом анода. В качестве катода могут использоваться например: диоксид марганца, монофторид углерода, пирит, тионилхлорид и др.

Литиевые батарейки отличается от других элементов питания высокой продолжительностью работы и высокой стоимостью. В зависимости от выбранного типоразмера и используемых химических материалов, литиевый элемент питания может производить напряжение от 1,5 В (совместим с щелочными батареями) до 3,7 В.

Эти элементы питания обладают наивысшей емкостью на единицу массы и длительным временем хранения. Литиевые элементы широко применяются в современной портативной электронной технике: для питания часов на материнских платах компьютеров, для питания портативных медицинских приборов, наручных часов, калькуляторов, в фототехнике и т. д.

На графике выше приведены разрядные кривые для двух литиевых батареек от двух популярных производителей. Начальный ток составлял 120 мА (на резистор порядка 24 Ома).

Читайте также: