4. Ртутно-цинковые и серебряно-цинковые щелочные элементы

Ртутно-цинковые элементы выпускаются малой емкости – от 0,05 до 15 А·ч. Материал анода – цинк, катода – оксид ртути. На катоде идет следующий процесс: HgO + H₂O + 2e^- = Hg + 2 OH^-.

Эти элементы предназначены для разряда малыми и средними токами и могут работать при температурах от 0 до 80^оС. Основной их недостаток - высокая стоимость, дефицитность и токсичность ртутного сырья. Применяются в карманных калькуляторах, ручных часах и т.п.

Более перспективными являются щелочные серебряно-цинковые элементы. Их электрохимическая схема:

Zn / NaOH или KOH / Ag₂O

Эти элементы обладают малыми токами саморазряда и работают при температурах от 0 до 50^оС. Используются в измерительной технике. Однако имеют ограниченное применение из-за их дороговизны.

Лекция 3. Аккумуляторы

План

Основные понятия. Электрические характеристики и классификация аккумуляторов.
Свинцовые аккумуляторы.
Щелочные аккумуляторы.
Стартерные батареи.
Аккумуляторы с расплавленным и твердым электролитом.
Применение аккумуляторов на железнодорожном транспорте.

1. Основные понятия. Электрические характеристики и классификация аккумуляторов.

Аккумуляторами называются устройства, в которых электрическая энергия превращается в химическую, а химическая – снова в электрическую. То есть они служат для накопления химической энергии, превращаемой по мере необходимости в электрическую. Аккумуляторы или аккумуляторные батареи (АКБ) относятся к вторичным (перезаряжаемым) химическим источникам тока, характеризующимся многократностью использования и обратимостью. После работы (разрядки) аккумулятора его можно перевести в исходное состояние путём зарядки – пропускания через него постоянного электрического тока от внешнего источника. При заряде аккумулятор работает как электролизер, а при разряде – как гальванический элемент.

Аккумулятор состоит из двух электродов (отрицательного заряженного анода и положительного заряженного катода) и электролита (ионного проводника) между ними. Анодом является электрод, на котором протекает окисление; катодом – электрод, на котором протекает восстановление.

Ёмкость аккумулятора – такое количество электричества, которое можно получить при работе элемента в режиме разряда до достижения минимального значения напряжения: С = I·t (А·ч). Ёмкость зависит от природы и количества активных масс в электродах, их конструкции и состояния, тока разряда, концентрации электролита и так далее.

ЭДС аккумулятора – разность электродных потенциалов катода и анода при разомкнутой внешней цепи: Е_ак = φ_к – φ_а. ЭДС АКБ равна сумме ЭДС аккумуляторов.

При разряде напряжение аккумулятора меньше ЭДС (из-за поляризации и омических потерь (внутреннего сопротивления)). В процессе его работы изменяется состав активных масс, и соответственно – ЭДС и напряжение. Кривые изменения напряжения аккумулятора во времени называют зарядными и разрядными кривыми. Зарядное напряжение увеличивается, а разрядное - уменьшается во времени (см. рисунок 3.1.).

U, ЭДС, В U, ЭДС, В

2 ,5 2,2

1 ,8 1,7

100 Степень 100 Степень

заряда разряда

Рисунок 3.1. Зарядные и разрядные кривые аккумуляторов

Энергия аккумулятора – это произведение его ёмкости на напряжение: W = C·U (Вт·ч). Она определяет то количество энергии, которое при разряде передается во внешнюю цепь.

Мощность аккумулятора – количество энергии, отдаваемое в единицу времени: Р = W / t (Вт).

Часто используют удельные значения энергии и мощности аккумуляторов – на единицу массы или объема или в единицу времени.

КПД аккумулятора – отношение энергии, полученной при разряде, к энергии, подведённой при заряде аккумулятора: η = W_p / W_з.

Срок службы аккумулятора – чаще измеряется в годах или в количестве разрядно-зарядных циклов.

На практике для оценки работы АКБ используют зависимость напряжения аккумулятора от силы тока (рисунок 3.2.). Резкое снижение напряжения на участках АВ и СД обусловлено электрохимической поляризацией электродов; на участке ВС изменение напряжения почти линейное (обусловлено ещё и омическими падениями). Чем меньше падение U с ростом I, тем лучше работает аккумулятор.

Классификацию аккумуляторов проводят в основном по химической природе электролита (рисунок 3.3). Кроме этого, они различаются по типу электродов и по конструкции.

U ,В