Как устроена анодная батарея
Перейти к содержимому

Как устроена анодная батарея

  • автор:

Как устроена анодная батарея

Самодельная анодная аккумуляторная батарея

Инженер 3. Гинзбург

Аккумулятор состоит из свинцовых пластин—решеток, в которые впрессована особая замазка так наз. активная масса: пластины помещаются в сосуд с серной кислотой. Отдельный аккумулятор дает напряжение в 2 вольта; а для получения напряжения в 80 вольт, необходимых для питания анодных цепей, соединяют последовательно 40 шт. аккумуляторов.

Отливка пластины производится при помощи деревянной формы, которую нетрудно изготовить каждому любителю.

Из сухого дерева отстругивается доска размером 7,5х30 см., толщиной в 2—2,5 см. Доска распиливается под угольник пополам. Обе половинки соединяются петлями таким образом, чтобы они могли складываться и образовывать «книжечку» (черт. 1а).

Сложив форму, как показано на рис. 1в, делают карандашем две отметки А и В на расстоянии 4,5 см. друг от друга и 1,5 см. от каждого края. Затем форму раскрывают и расчерчивают ее по черт. 2. Часть а является остовом пластинки с решеткой; в литником для входа металла; с для выхода воздуха при отливке. Расчерчивание нужно делать тщательно и точно, т.к. иначе отдельные половины при отливке могут не совпасть.

Все, что заштриховано (на черт. 2), вырезается на глубину в 2 мм. Острым ножом проводят по черте, наклоняя острие к середине затушеванной полоски, и делают надрез с обеих сторон. Потом маленькой стамеской или тем же ножом выбирают середину. Должен получиться желобок с отлогими краями (черт. 3), т. к. в противном случае отлитая пластинка будет застревать при вынимании и портить форму. Подобным образом вырезают всю форму, причем сначала надо вырезать все полоски, параллельные волокнам дерева, а затем уже полоски перпендикулярные.

В верхней части литника в вырезают углубление, как показано пунктиром на черт. 2, чтобы при сложенной форме получилась воронка для вливания в форму расплавленного свинца. К бокам формы привертываются крючки.

Перед отливкой каждой пластины форму нужно натирать мелом, т.к. иначе после отливки 2—3 пластин она обгорит и начнет крошиться. В такой форме можно отлить 80—100 шт., если после каждых 5—6 пластин давать ей остынуть. Для большей быстроты отливки можно заготовить несколько таких форм.

Отливку производят следующим образом. В железном ковшичке на паяльной лампе или примусе расплавляют небольшими порциями свинец и медленно льют в форму через литник в до тех пор, пока свинец не покажется из отверстия с. Через минуту форму раскрывают и вынимают из нее готовую пластину. Для следующей отливки форму натирают мелом и закрывают помощью крючков.

Таким образом отливают 80 пластин, 110 одной паре на каждую аккумуляторную банку.

Пластины зачищают, удаляют с них заусенцы и лишний свинец, и отрезают получившийся стержень с.

Заполнение активной массой пластин производится для увеличения емкости аккумулятора.

Активная масса приготовляется отдельно для положительных и отдельно для отрицательных пластин.

Для положительных — берут 10 частей свинцового сурика и 1 часть свинцового глета и, прибавляя понемногу серную кислоту, растирают всю массу до густоты замазки.

Для отрицательных — берут 15 частей глету и 1 часть свинцового сурика и поступают так же, как с массой для положительных пластин.

Для нашей батареи нужно 40 пластин положительных и 40 — отрицательных.

Пластину кладут на стекло и столовым ножем с силой вдавливают замазку в решетку ее. Заполнение производится с обеих сторон, и с таким расчетом, чтобы замазка чуть выступала над поверхностью пластины (на 0,5—1 мм), как с одной, так и с другой стороны.

После этого пластины прессуются, для чего их можно собрать стопочкой, проложив между ними по стеклянной пластинке; сверху кладется кирпич, утюг и пр. В таком положении они должны лежать 2—3 часа. Затем пресс разбирается и пластины хорошо просушиваются.

Сборка аккумулятора. Для сборки лучше всего взять плоские стеклянные банки 5х3 см., высотой в 10 см. Такие банки можно достать в электротехнических магазинах. Цена их — около 10 коп. за шт. Нужно их 40 шт.

В каждую банку помещают две пластины: положительную (красную) и отрицательную (серую). Соединительные концы пластин загибают под прямым углом таким образом, чтобы, когда пластина помещена в банке, нижний край ее отстоял от дна на 1 см. (см. черт. 5).

Концы продеваются через отверстия е крышки (черт. 6), сделанной из проваренного в парафине картона. Чтобы нижние концы пластин не соприкасались между собой, в каждую банку помещают между ними (пластинами) кусок стеклянной трубки, длиной 6—7 см.

Крышку вдвигают в банку на 0,5—0,75 см. ниже верхнего края. В отверстия крышки d вставляют кусочки стеклянной трубки, и заливают крышку до верху банки парафином или чаттертоном. Трубки из отверстий d вынимают и заменяют резиновыми пробками. При отсутствии последних можно взять обыкновенные пробки, предварительно проварив их в парафине.

Когда все банки собраны, как указано выше, их помещают в деревянный ящик в 4 ряда (см. черт. 4). Ящик должен быть пропарафинен, т.к. в противном случае пары кислоты раз’едают дерево и приводят его скоро в негодное состояние. Между банками прокладываются деревянные рейки, сечением 4х1 см. Продольные рейки имеют длину 39 см., поперечные 23 см.

Размеры ящика (внутренние): длина 39 см., ширина 23 см. и высота 12 см.

Банки располагаются таким образом, чтобы положительная пластина одной была против отрицательной пластины другой, и соединительные концы их спаиваются. Начало и конец батареи выводится к клеммам на стенке ящика.

Плюсом батареи будет конец от положительной (красной) пластины.

Банки должны сидеть в ящике плотно и не шататься; в противном случае при переноске они могут разбиться.

Сверху ящик закрывают крышкой, которую укрепляют на петлях.

Банки заливают серной кислотой в 23° Бомэ, на 1 см. выше верхнего края пластины. Чтобы не возиться самому с разбавлением кислоты, лучше всего ее приобретать уже разведенной до надлежащей крепости.

Собранную аккумуляторную батарею нужно 2 раза зарядить и разрядить. После этого она готова к действию. Заряжают током в 0,1 ампера.

Емкость такого аккумулятора будет от 1,2 до 1,4 ампер-часа.

Что такое батарейка

В электротехнике термином батарейка называют некий источник электрического тока в котором несколько электрохимических элементов соединёны между собой. Обратите внимание, что именно «несколько», а не одиночный элемент называется батарейкой.

Но мы привыкли батарейкой называть всё, что даёт нам постоянный ток, не вникая в то, из чего она там внутри состоит. Тем более, что как правило, снаружи всё упаковано в единую форму.

Электричество в «обычной» батарейке вырабатывается под действием химического процесса.

Изобретателем батарейки считается итальянский физик Алессандро Вольта. И произошло это примерно в 1800 году.

Что такое батарейка?

Принцип работы батарейки

У любой батарейки есть анод (положительный полюс, обозначается значком +), катод (отрицательный полюс, обозначается, соответственно значком -), между ними электролит (как правило сухой).
Электрический ток бежит от анода (-) к катоду (+), но между ними обязательно должна быть нагрузка (например лампочка или, что-то ещё).
Если нет нагрузки — нет тока!
А если соединить полюса в батарейке без нагрузки, то произойдёт короткое замыкание.
Качество батарейки (мощность, продолжительность работы, параметры нагрузки..) зависят от состава и качества материалов в её составе.

Виды батареек

Классификация батареек по типу химической реакции

Тип Описание Достоинства Недостатки
Первичные Гальванические элементы. Реакции, происходящие в них, необратимы, поэтому их нельзя перезарядить. Дешевле стоят, меньше саморазряд. Одноразовые.
Вторичные Аккумуляторы. Реакции в них обратимы, поэтому они способны не только отдавать энергию, но и накапливать её. Многократность применения. Более экологичные. Дороже. Сильнее саморазряд.

* Саморазряд — процесс потери заряда батарейки во время хранения без нагрузки.

Классификация батареек по типу электролита

(список не полный, указаны только самые распространённые в быту)

Тип Достоинства Недостатки Фото
«Солевые» (угольно-цинковые) Самый дешёвый. Рабочая температура: от −40 до +55 °C (данные Википедии). Малая емкость, не позволяющая использовать изделия в мощных устройствах, малый срок хранения. солевые батарейки
«Щелочные» (алкалиновые, щёлочно-марганцевые) Ёмкость в 1,5–10 раз больше, чем у солевых элементов, в зависимости от режима работы, при том же типоразмере элемента. Меньший саморазряд, длительный срок хранения. Лучше работают при больших токах нагрузки. Меньше падение напряжения по мере разряда. Меньше газовыделение, благодаря чему элемент можно делать полностью герметичным. Рабочая температура: от -30 до +55 °С. Название Алкалиновые образовано от слова «alkaline» (по типу использованного в батарейках электролита) Спадающая кривая разряда, большая масса. щелочные или алкалиновые батарейки
«Литиевые» Наивысшая ёмкость на единицу массы. Пологая кривая разряда. Превосходен при низких и высоких температурах (лучше чем у предыдущих элементов). Длительное время хранения. Лёгкий вес. Высокая цена Литиевая (FR6)

Типы батареек по размеру и их обозначения

Здесь мы разместили таблицу в которой указаны, помимо размеров и характеристик, «название» и «маркировка». По сути это одно и то же, и даже, как правило, на всех элементах указывается одновременно. В США принято буквенное обозначение (в колонке «название»), и оно ориентированно на физический размер «батарейки».

Солевая (R23)
Щелочная (LR23)
Солевая (R6)
Щелочная (LR6)
Литиевая (FR6)
Солевая (R6)
Щелочная (LR6)
Литиевая (FR6)

* Параметры ёмкости и тока в батарейке могут отличаться в зависимости от производителя.

Маркировки батареек

Маркировку гальванических источников тока делают исходя из состава электролита и активного металла в их конструкции. Регламентирует всё это IEC (Международная электротехническая комиссия).
По этой классификации существует 5 самых распространенных типов круглых (цилиндрических) батареек:

солевые, щелочные, литиевые, серебряные и воздушно-цинковые.

Мы рассмотрим первые три, поскольку в предыдущей таблице не стали описывать стандарты для двух последних (серебряных и воздушно-цинковых батареек). Разнообразие этих элементов гораздо шире и мы не уместимся в рамки статьи.

Буква R в их маркировке означает круглую форму (от английского round).

Солевые батарейки (R).

Катод состоит из марганца (MnO2) в смеси с графитом (около 9,5 %), анод из цинка (Zn), и электролит из раствора хлорида аммония NH4Cl. Они обеспечивают напряжение 1,5 вольта, имеют небольшую емкость, высокий саморазряд и низкий срок хранения (примерно 2 года).
Солевые батарейки самые дешевые и имеют посредственные технические характеристики. В обиходе их также называют цинк-карбоновыми и угольно-цинковыми. Наиболее эффективной областью применения солевых батареек являются приборы со средним и низким энергопотреблением. Например, пульты ДУ и настенные часы.

Щелочные батарейки (LR).

Имеют катод из диоксида марганца, анод из цинка (порошок), и электролит из гидроксида щелочного металла (обычно гидроксид калия). Они имеют напряжение 1,5 вольта, увеличенную емкость, низкий саморазряд и большой срок хранения до 10 лет.
Эти источники тока несколько дороже солевых, в обиходе их еще называют алкалиновыми и щелочно-марганцевыми.

Литиевые батарейки (CR).

Имеют анод из лития, катод чаще из диоксида марганца (но используются и другие составы для катода). Они имеют большую емкость, малый саморазряд и большой срок хранения до 10-12 лет. Они сохраняют работоспособность при низких температурах. Эти источники тока довольно дороги.

Надеемся, что вы нашли ответ на вопрос «что такое батарейка?».

Интересные факты и статьи не только про батарейки
Как выбрать часы Ремонт часов Замена батареек Таблица сравнения часовых батареек

Статьи

Литиевый аккумулятор состоит из отрицательно заряженного электрода, который называется анод, и положительно заряженного электрода, который называется катод.
Между анодом и катодом находится электролит. Ионы (заряжаемые атомы) проходят через электролит, чтобы создать в них энергию.

Катод обычно изготавливается из смешанных металлов, например оксид лития и кобальта или оксид литий — марганца. Какой бы из материалов не использовался, он должен давать возможность литий-ионам легко «перемещаться» внутри себя. Анод сделан из лития, который сдерживает такие материалы как графит и другие карбоновые материалы. Электролит изготовлен из материала, подобного катодам, чтобы дать возможность ионам свободно перемещаться.
В процессе зарядки батареи литий-ион из катода, имеющий металлическое строение, протекает через электролит в анод. Литий-ионы имеют положительный заряд. Во время движения Li-ions, электроны перейдут через сепаратор (с кристаллами) из анода в катод, но не через электролит. Электролит лишь позволяет ионам рассеиваться. Процесс зарядки/разрядки происходит посредством цикличного движения потоков ионов между электродами. В процессе повторяющегося окисления электрода, работа батареи, способность заряжаться и срок службы батареи прогрессивно снижается.

Зарядка элемента :

• Аккумулятор подключен к зарядному устройству.
• Положительно заряженный электрод (катод) окислен.
• Электроны протекают по внешней цепи к отрицательно заряженному электроду.
• Положительно заряженные ионы (Li+Ion) протекают через электролиты к отрицательно заряженным электродам.
• Электрическая цепь замкнута.
• Положительно заряженные ионы группируются в отрицательно заряженном электроде.

Разрядка элемента :

• Аккумулятор подключён к устройству, которое он питает.
• Отрицательно заряженный электрод (анод) окислен.
• Электроны перемещаются через сопротивление к положительно заряженному электроду.
• Положительно заряженные литий-ионы протекают через электролит в положительно заряженный электрод (катод).
• Электрическая цепь замкнута.
• Положительно заряженные ионы группируются в положительно заряженном электроде.

Li charged

Li discharged

Полностью заряжен
Mn2O4 — окислен

Полностью разряжен
Li1Mn2O4 — Mn истощён

После нескольких циклов зарядки, аккумуляторы прогрессивно теряют работоспособность, потому что снижается эффективность электрических элементов и их способность к внутрехимическому перемещению снижается. Эффекты кристаллического образования являются причиной окисления (внутреннее металлическое строение), которое создает сверхсопротивление, что является причиной «гибели» аккумулятора.

cristallineformation

Cепаратор, металл, состоящий из нескольких составляющих, ответственен за такое кристаллическое образование, образующее кристаллы с острыми углами, которые могут повредить (проткнуть) сепаратор, что ведет к ускорению саморазряда или даже к короткому замыканию. Кристаллы растут на всей рабочей поверхности сепаратора. Результатом является снижение напряжения, что ведет к потере ёмкости. На поздних стадиях, острые углы кристаллов могут «прорасти» через сепаратор, ведя за собой скорую саморазрядку и короткое замыкание.
Поток ионов больше не перемещается как положено, таким образом просто сокращая «жизнь» аккумулятора.

batteryseparator

Теплота, возникающая при зарядке-разрядке, перемещении и аккумуляции ионов в электроде, является причиной механического изменения объема (увеличения + уменьшения) приблизительно на 7-9 % от общего объема. Механические изменения составляющих аккумулятора при его нагреве вызывают частичное разбиение электродов и металлических частиц внутри электролита. Эти частицы не могут больше ионизироваться для нормальной работы батареи и теряют способность к зарядке.

Дополнение для господина из комментариев , выдержка из википедии :

В литературе встречается различное обозначение знака катода — «−» или «+», что определяется, в частности, особенностями рассматриваемых процессов. В электрохимии принято считать, что «+» катод — электрод, на котором происходит процесс восстановления, а «−» анод — тот, где протекает процесс окисления [1] [2] . При работе электролизера (например, при рафинировании меди) внешний источник тока обеспечивает на одном из электродов избыток электронов (отрицательный заряд), здесь происходит восстановление металла, это катод. На другом электроде обеспечивается недостаток электронов и окисление металла, это анод. В то же время при работе гальванического элемента (к примеру, медно-цинкового), избыток электронов (и отрицательный заряд) на одном из электродов обеспечивается не внешним источником тока, а собственно реакцией окисления металла (растворения цинка), то есть здесь отрицательным, если следовать приведённому определению, будет анод. Электроны, проходя через внешнюю цепь, расходуются на протекание реакции восстановления (меди), то есть катодом будет являться положительный электрод. Так, на приведённой иллюстрации изображён обозначенный знаком «+» катод гальванического элемента, на котором происходит восстановление меди. В соответствии с таким толкованием, для аккумулятора знак анода и катода меняется в зависимости от направления протекания тока. [2] [3] [4] .

Главный элемент питания

Главный элемент питания

Ежегодно во многих странах отмечается праздник, посвященный открытию, сделанному столетия назад, но плодами которого мы пользуемся ежеминутно, – День батарейки. Дата выбрана не случайно – в день рождения итальянского ученого Алессандро Вольты, изобретение которого стало прообразом современных батарей и аккумуляторов.

За два столетия батарейка сильно изменилась, но история ее развития все еще продолжается. Ну, а пока ученые ищут «вечную» батарейку, рассказываем о современных самых распространенных видах аккумуляторов и их представителях, которые производятся на предприятиях Ростеха.

Что общего между батарейкой и дровами? На первый взгляд – ничего. Однако можно сказать, что оба предмета являются устройствами накопления энергии. Правда в случае батареи, все не так просто – это целая химическая система, производящая электроэнергию.

Все батарейки основаны на химических реакциях, работающих по одному и тому же принципу. Химики их называют «редоксами» (сокращение от reduction-oxidation), или окислительно-восстановительные реакции. Во время этого процесса электроны освобождаются из молекул и вырабатывается побочный продукт – электрический ток, способный «зажечь» фонарик или «включить» мобильный телефон. Но, как оказалось, даже в древние времена, когда не было телефонов и фонариков, батарейки были нужны.

Удивительно, но возраст батарейки – две с половиной тысячи лет. Первый примитивный элемент питания появился в Багдаде и состоял из железного стержня в медном цилиндре, наполненном жидкостью-электролитом. Такая батарейка вырабатывала ток, достаточный для нанесения слоя ценных металлов гальваническим методом. В результате люди научились покрывать медь золотом и серебром. Сегодня сам процесс получения электричества с помощью химических реакций называется гальванизмом. Так, имя итальянского физика и анатома Луиджи Гальвани навсегда попало в историю батарейки.

Началось все с его опытов над лягушками. Гальвани заметил, что если мышцы на лапках лягушки «ударить» статическим электрическим зарядом, то они сокращаются. Проводя опыты, он также увидел, что сокращение мышц происходит даже если к ним приложить два разных металла. Гальвани решил, что мышцы вырабатывают электричество.

Идею Гальвани развил его друг по переписке физик Алессандро Вольта. Он понял, что причиной сокращения мышц лягушки стало электричество, которое появилось при соприкосновении двух различных металлов. Чтобы доказать это, Вольта наполнил чашу соляным раствором и погрузил в нее две металлических дуги: медную и цинковую. Это устройство и стало первым элементом питания, которое вырабатывало электричество за счет химических реакций металлов в растворах.

2560px-Alessandro_Volta_esperimenta_la_sua_pila_elettrica.jpg

К 1800 году Вольта усовершенствовал устройство батареи. Теперь она представляла собой стопку пластинок – между пластинками из меди или цинка находилась пластина из кожи, пропитанной раствором соли. В результате получилась батарейка, вырабатывающая электрический ток, единица измерения которого была названа Вольт.

Можно сказать, что современные батареи работают по тому же принципу. Идея Вольты была использована во всех дальнейших экспериментах по созданию новых элементов питания. Конечно, в наши дни выбор материалов гораздо шире, поэтому мы видим такое разнообразие батареек. Чего только стоит появление литий-ионных аккумуляторов, открывших новую эпоху гаджетов, смартфонов, электромобилей и прочих благ цивилизации. Первый литий-ионный (Li-ion) аккумулятор был выпущен в 1991 году. Но такие батареи были разработаны еще в 1970-х, просто не было возможности применять их на практике в массовом масштабе.

В основе работы литий-ионного аккумулятора лежит тот же самый электрохимический потенциал, как и в первой батарейке Вольты. Просто здесь используется металл с наибольшей способностью отдавать электроны – литий. Итак, структурно Li-ion аккумулятор состоит из катода с производными лития на алюминиевой фольге и графитового анода на фольге из меди. Между ними располагается сепаратор, пропитанный электролитом с функциями проводника. Заряд переносят ионы лития, вызывающие соответствующую химическую реакцию.

1190261488_1.jpg

Несмотря на многочисленные преимущества, литий-ионный аккумулятор имеет и некоторые недостатки. Например, литиевые батареи «стареют», даже если не используются, – через два года батарея теряет около 20% емкости. Еще большое значение имеет температурный режим – емкость снижается на холоде или в жару. При минусовых температурах мощность литий-ионного аккумулятора может снизиться до 40-50%. Наверное, каждый владелец мобильного телефона замечает, как быстро гаджет разряжается на морозе. В ситуации с телефоном все нет так серьезно, как, например, с беспилотным летательным аппаратом, роботизированными системами или космической техникой. Такие сферы нуждаются в новых видах аккумуляторов, которым не страшны экстремальные температуры.

НПО «Импульс» холдинга «Росэлектроника» недавно разработало литий-ионные аккумуляторы, обеспечивающие автономную работу устройств при температурах от –50 до +50 °C. Весит такая батарейка не более 150 грамм и имеет длительный срок службы – до 2700 и более циклов «заряд-разряд» в зависимости от условий эксплуатации.

Батареи могут использоваться в телекоммуникационном оборудовании, робототехнике, медицине, военной технике, беспилотниках, бортовом корабельном и авиационном оборудовании. Разработчики отмечают, что новые аккумуляторы можно применять даже в условиях Крайнего Севера и Арктики. Аккумуляторы также могут выпускаться в радиационно-стойком варианте для эксплуатации в космосе.

9cde96f64c926f6d906a11c7208314d3.jpg

Новые батареи были разработаны в рамках программы импортозамещения и полностью унифицированы с иностранными изделиями, которыми ранее оснащались многие виды оборудования. НПО «Импульс» – не единственное предприятие «Росэлектроники», которое активно разрабатывает отечественные аналоги импортных аккумуляторов. К примеру, с 2001 года АО «Литий-Элемент» разработало взамен импортных литиевые батареи для внутритрубного диагностического оборудования нефтепроводов. Изделия используются компаниями «Транснефть» и «Газпром». Одно из перспективных направлений предприятия – создание литиевых батарей для автономного питания телеметрических систем бурового оборудования. В данном случае определяющим фактором является широкий температурный диапазон работы – от 0 до +165 °С. В общей сложности «Литий-Элемент» производит более 50 наименований изделий собственной разработки, электрической емкостью от 0,7 до 600 А·ч.

Многолетний опыт и научные исследования позволяют предприятиям «Росэлектроники» создавать новые источники тока, повышая качество и улучшая технические характеристики современных батарей и аккумуляторов.

События, связанные с этим

Сделано в России: топ-10 от «Росэлектроники»

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *