Принцип работы распространенных видов гальванических элементов и аккумуляторов
И гальванические элементы, и аккумуляторы — являются химическими источниками тока. Это значит, что ток в цепи нагрузки, порождаемый подобными источниками, сопровождает протекание некой химической реакции, которая, в свою очередь, и является причиной протекания тока.
В ходе химической реакции исходные вещества, называемые реагентами, превращаются в другие вещества, при этом структура ядер атомов веществ не изменяется, но изменяются электроны, окружающие ядра атомов: происходит перераспределение электронов (электронных оболочек) между реагентами, в итоге образуются новые вещества. И в ходе этого перераспределения электронов в химических источниках тока, электроны движутся по внешней цепи, питая присоединенную к источнику нагрузку.
Процессы окисления восстановителя и восстановления окислителя
Чтобы глубже понять принцип, давайте вспомним, что такое степень окисления. Степень окисления соответствует числу электронов (заряд электрона — отрицательный), которое теоретически следует отнять от отрицательного иона, чтобы «окислить» его до нейтрального атома, либо присоединить к положительному иону, чтобы «восстановить» его до нейтрального атома.
Когда в ходе химической реакции изменяются степени окисления реагентов, такие реакции именуют окислительно-восстановительными. Атомы одного из реагентов (окислителя) присоединяют к себе электроны, то есть «восстанавливаются» — окислитель понижает собственную степень окисления. При этом атомы другого элемента (восстановителя) отдают электроны, то есть «окисляются» — восстановитель повышает собственную степень окисления.
Положительный — катод, отрицательный — анод, между ними — электролит
Таким образом, в основе химического источника тока — два реагента — электрода. Положительно заряженный катод, содержащий окислитель; он будет тянуть к себе электроны, при этом вещество его станет восстанавливаться. И отрицательно заряженный анод, содержащий восстановитель. Он будет отдавать электроны, при этом вещество его станет окисляться. Эти два электрода погружены в электролит.
ЭДС пары электродов
Паре электродов соответствует свободная энергия окислительно-восстановительной реакции, поэтому между ними устанавливается разность потенциалов — электродвижущая сила источника тока.
Если теперь катод и анод соединить проводником снаружи, то есть замкнуть внешнюю цепь источника тока, то в проводнике потечет ток, начнутся пространственно-разделенные процессы: на отрицательном аноде восстановитель начнет окисляться, его свободные электроны двинутся по внешней части цепи к положительному катоду, (то есть возникнет ток) где они будут участвовать в реакции восстановления окислителя.
Величину ЭДС можно узнать, найдя разность электрохимических потенциалов материалов электродов. Вот таблица стандартных электродных потенциалов. Если взять в качестве отрицательного электрода, например, цинк, а в качестве положительного — медь, то разность потенциалов составит 0,337 — ( — 0,763 ) = 1,1 (вольт).
Практически во внешней цепи заряженные частицы — электроны, будут двигаться от анода (-) к катоду (+), от отрицательного полюса источника тока — к положительному его полюсу, что соответствует принятому за положительное, направлению тока от положительного полюса — к отрицательному, противоположно реальному направлению движения электронов. В электролите к аноду станут притягиваться отрицательные ионы, а к катоду — положительные ионы.
Так вот, гальванические элементы невозможно перезарядить, они одноразовые, так как их химическая реакция, дающая ток нагрузки, необратима. А вот аккумуляторы — перезаряжаются, так как химическая реакция в них обратима.
В процессе зарядки от зарядного устройства электроны движутся в обратном направлении, на электродах в электролите происходят обратные реакции, при этом продукты реакции переходят в электролит, плотность электролита в ходе зарядки аккумулятора, повышается. Из стандартных аккумуляторных или гальванических ячеек можно собирать батареи.
Свинцово-кислотный аккумулятор
В свинцово-кислотном аккумуляторе анодом выступает металлический свинец, катодом — оксид свинца, а электролитом — раствор серной кислоты. В процессе разрядки на нагрузку, на аноде свинцово-кислотного аккумулятора происходит окисление свинца, а на катоде — восстановление оксида свинца.
Окисленный свинец имея положительный заряд, притягивает к себе отрицательный ион серной кислоты. Восстановленный оксид свинца, имея отрицательный заряд, притягивает к себе положительный ион кислотного остатка.
Когда аккумулятор полностью разряжен — оба электрода покрыты сульфатом свинца, плотность электролита низкая.
В ходе зарядки аккумулятора происходит обратный процесс — сульфат свинца распадается на ионы, которые переходят в воду, где образуется серная кислота, плотность электролита повышается.
Стандартная разность потенциалов одной ячейки свинцово-кислотного аккумулятора составляет 2,1 В.
Никель-кадмиевый аккумулятор
В никель-кадмиевом аккумуляторе катодом является метагидроксид никеля, анодом — кадмий, электролитом — гидроксид калия. В процессе разрядки на нагрузку, на аноде происходит окисление кадмия (он отдает электрон), а на катоде — восстановление метагидроксида никеля (получает электрон).
Окисленный кадмий притягивает к себе из электролита гидроксид-ион, а восстановленный метагидроксид никеля взаимодействует с водородом из молекулы воды. В результате на катоде образуется гидроксид никеля, на аноде — гидроксид кадмия.
Реакция обратима. Стандартная разность потенциалов ячейки никель-кадмиевого аккумулятора 1,2 В.
Щелочная батарейка
Обычная щелочная батарейка (марганцево-цинковый гальванический элемент) содержит в качестве анода — цинковый порошок, в качестве катода — оксид марганца, электролитом служит гидроксид калия.
В процессе разряда на нагрузку, на аноде окисляется цинк (он отдает электрон) к нему присоединяется отрицательный гидроксид-ион, образуется гирдроксид цинка, который распадается на оксид цинка и воду. На катоде оксид марганца (VI) получает электрон, восстанавливается до оксида марганца (III).
Стандартное напряжение такой батарейки 1,5 В. Реакция необратима.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Гальванические элементы — устройство, принцип работы, виды и основные характеристики
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.
Входящие в батарейку реагенты, в процессе ее работы расходуются, ток при этом постепенно уменьшается, поэтому действие источника заканчивается после того как реагенты прореагируют полностью.
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).
- Практическое применение электролиза
- Как работают время-токовые характеристики автоматических выключателей и предохранителей
- Короткозамкнутый и фазный ротор — в чем различие
Надеюсь, что эта статья была для вас полезной. Смотрите также другие статьи в категории Электрическая энергия в быту и на производстве » В помощь начинающим электрикам
Подписывайтесь на наш канал в Telegram: Домашняя электрика
Поделитесь этой статьей с друзьями:
Гальванические элементы и аккумуляторы — устройство, принцип работы, виды
Для питания переносной электро- и радиоаппаратуры применяют гальванические элементы и аккумуляторы.
Гальванические элементы — это источники одноразового действия, аккумуляторы — источники многоразового действия.
Простейший гальванические элемент
Простейший элемент может быть изготовлен из двух полосок: медной и цинковой, погруженных в воду, слегка подкисленную серной кислотой. Если цинк достаточно чист, чтобы быть свободным от местных реакций, никаких заметных изменений не произойдет до тех пор, пока медь и цинк не будут соединены проводом.
Однако полоски имеют разные потенциалы одна по отношению к другой, и когда они будут соединены проводом, в нем появится электрический ток. По мере этого действия цинковая полоска будет постепенно растворяться, а близ медного электрода будут образовываться пузырьки газа, собирающиеся на его поверхности. Этот газ — водород, образующийся из электролита. Электрический ток идет от медной полоски по проводу к цинковой полоске, а от нее через электролит обратно к меди.
Постепенно серная кислота электролита замещается сульфатом цинка, образующимся из растворенной части цинкового электрода. Благодаря этому напряжение элемента уменьшается. Однако еще более сильное падение напряжения вызывается образованием газовых пузырьков на меди. Оба эти действия производят «поляризацию». Подобные элементы не имеют почти никакого практического значения.
Важные параметры гальванических элементов
Величина напряжения, даваемого гальваническими элементами, зависит только от их типа и устройства, т. е. от материала электродов и химического состава электролита, но не зависит от формы и размеров элементов.
Сила тока, которую может давать гальванический элемент, ограничивается его внутренним сопротивлением.
Очень важной характеристикой гальванического элемента является электрическая емкость. Под электрической емкостью подразумевается то количество электричества, которое гальванический или аккумуляторный элемент способен отдать в течение всего времени своей работы, т. е. до наступления окончательного разряда.
Отданная элементом емкость определяется умножением силы разрядного тока, выраженной в амперах, на время в часах, в течение которого разряжался элемент вплоть до наступления полного разряда. Поэтому электрическая емкость выражается всегда в ампер-часах (А х ч).
По величине емкости элемента можно также заранее определить, сколько примерно часов он будет работать до наступления полного разряда. Для этого нужно емкость разделить на допустимую для этого элемента силу разрядного тока.
Однако электрическая емкость не является величиной строго постоянной. Она изменяется в довольно больших пределах в зависимости от условий (режима) работы элемента и конечною разрядного напряжения.
Если элемент разряжать предельной силой тока и притом без перерывов, то он отдаст значительно меньшую емкость. Наоборот, при разряде того же элемента током меньшей силы и с частыми и сравнительно продолжительными перерывами элемент отдаст полную емкость.
Что же касается влияния на емкость элемента конечного разрядного напряжения, то нужно иметь в виду, что в процессе разряда гальванического элемента его рабочее напряжение не остается на одном уровне, а постепенно понижается.
Распространенные виды гальванических элементов
Наиболее распространены гальванические элементы марганцево-цинковой, марганцево-воздушной, воздушно-цинковой и ртутно-цинковой систем с солевым и щелочным электролитами. Сухие марганцево-цинковые элементы с солевым электролитом имеют начальное напряжение от 1,4 до 1,55 В, продолжительность работы при температуре окружающей среды от -20 до -60 о С от 7 ч до 340 ч.
Сухие марганцево-цинковые и воздушно-цинковые элементы со щелочным электролитом имеют напряжение от 0,75 до 0,9 В и продолжительность работы от 6 ч до 45 ч.
Сухие ртутно-цинковые элементы имеют начальное напряжение от 1,22 до 1,25 В и продолжительность работы от 24 ч до 55 ч.
Наибольший гарантийный срок хранения, достигающий 30 месяцев, имеют сухие ртутно-цинковые элементы.
Аккумуляторы — это вторичные гальванические элементы. В отличие от гальванических элементов в аккумуляторе же сразу после сборки никакие химические процессы не возникают.
Чтобы в аккумуляторе начались химические реакции, связанные с движением электрических зарядов, нужно соответствующим образом изменить химический состав его электродов (а частью и электролита). Это изменение химического состава электродов происходит под действием пропускаемого через аккумулятор электрического тока.
Поэтому, чтобы аккумулятор мог давать электрический ток, его предварительно нужно «зарядить» постоянным электрическим током от какого-нибудь постороннего источника тока.
От обычных гальванических элементов аккумуляторы выгодно отличаются также тем, что после разряда они опять могут быть заряжены. При хорошем уходе за ними и при нормальных условиях эксплуатации аккумуляторы выдерживают до нескольких тысяч зарядов и разрядок. Устройство аккумулятора
В настоящее время наиболее часто на практике применяют свинцовые и кадмиево-никелевые аккумуляторы. У первых электролитом служит раствор серной кислоты, а у вторых — раствор щелочей в воде. Свинцовые аккумуляторы называют также кислотными, а кадмиево-никелевые — щелочными.
Принцип работы аккумуляторов основан на поляризации электродов при электролизе. Простейший кислотный аккумулятор устроен следующим образом: это две свинцовые пластины, опущенные в электролит. В результате химической реакции замещения пластины покрываются слабым налетом сернокислого свинца PbSO4, как это следует из формулы Pb + H2SO4 = PbSO4 + Н2.
Устройство кислотного аккумулятора
Такое состояние пластин соответствует разряженному аккумулятору. Если теперь аккумулятор включить на заряд, т. е. подсоединить его к генератору постоянного тока, то в нем вследствие электролиза начнется поляризация пластин. В результате заряда аккумулятора его пластины поляризуются, т. е. изменяют вещество своей поверхности, и из однородных (PbSO4) превращаются в разнородные (Pb и Р b О 2 ).
Аккумулятор становится источником тока, причем положительным электродом у него служит пластина, покрытая двуокисью свинца, а отрицательным — чистая свинцовая пластина.
К концу заряда концентрация электролита повышается вследствие появления в нем дополнительных молекул серной кислоты.
В этом одна из особенностей свинцового аккумулятора: его электролит не остается нейтральным и сам участвует в химических реакциях при работе аккумулятора.
К концу разряда обе пластины аккумулятора опять покрываются сернокислым свинцом, в результате чего аккумулятор перестает быть источником тока. До такого состояния аккумулятор никогда не доводят. Вследствие образования сернокислого свинца на пластинах, концентрация электролита в конце разряда понижается. Если аккумулятор поставить на заряд, то вновь можно вызвать поляризацию, чтобы опять поставить его на разряд и т. д.
Как зарядить аккумулятор
Существует несколько способов заряда аккумуляторов. Наиболее простой — нормальный заряд аккумулятора, который происходит следующим образом. Вначале на протяжении 5 — 6 ч заряд ведут двойным нормальным током, пока напряжение на каждой аккумуляторной банке не достигнет 2,4 В.
Нормальный зарядный ток определяют по формуле I зар = Q/16
где Q — номинальная емкость аккумулятора, Ач.
После этого зарядный ток уменьшают до нормального значения и продолжают заряд и течение 15 — 18 ч, до появления признаков конца заряда.
Кадмиево-никелевые, или щелочные аккумуляторы, появились значительно позже свинцовых и по сравнению с ними представляют собой более совершенные химические источники тока. Главное преимущество щелочных аккумуляторов перед свинцовыми заключается в химической нейтральности их электролита по отношению к активным массам пластин. Благодаря этому саморазряд у щелочных аккумуляторов получается значительно меньше, чем у свинцовых. Принцип действия щелочных аккумуляторов также основан на поляризации электродов при электролизе.
Для питания радиоаппаратуры выпускают герметичные кадмиево-никелевые аккумуляторы, которые работоспособны при температурах от -30 до +50 о С и выдерживают 400 — 600 циклов заряд-разряд. Эти аккумуляторы выполняют в форме компактных параллелепипедов и дисков с массой от нескольких граммов до килограммов.
Выпускают никель-водородные аккумуляторы для энергоснабжения автономных объектов. Удельная энергия никель-водородного аккумулятора составляет 50 — 60 Вт ч кг -1 .
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
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.
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.
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.
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»