Akumaailm – 3. osa

Kaasaegsete akude ajalugu algab üheksateistkümnendal sajandil, sellest sajandist pärineb enamik tänapäeval kasutatavatest disainilahendustest. Selline olukord annab tunnistust ühelt poolt tolleaegsete teadlaste suurepärastest ideedest, teisalt aga raskustest, mis tekivad uute mudelite väljatöötamisel.

Vähesed asjad on nii head, et neid ei saaks parandada. See reegel kehtib ka akude kohta – XNUMX. sajandi mudeleid viimistleti mitu korda, kuni nad said oma praeguse kuju. See kehtib ka kohta Leclanche'i rakud.

Link parandamiseks

Prantsuse keemiku kujundust on muudetud Carl Gasner tõeliselt kasulikuks mudeliks: odav toota ja ohutu kasutada. Siiski esines endiselt probleeme - elemendi tsinkkate korrodeerus kokkupuutel kaussi täitnud happelise elektrolüüdiga ja agressiivse sisu väljapritsimine võib toitega seadme välja lülitada. Otsus sai liitmine tsinkkeha sisepind (elavhõbekate).

Tsink amalgaam praktiliselt ei reageeri hapetega, kuid säilitab kõik puhta metalli elektrokeemilised omadused. Seda rakkude eluea pikendamise meetodit kasutatakse aga keskkonnanõuete tõttu üha vähem (elavhõbedavabadel elementidel võib leida sildi või) (1).

2. Leeliselemendi paigutus: 1) korpus (katoodijuhe), 2) mangaandioksiidi sisaldav katood, 3) elektroodide eraldaja, 4) KOH-d ja tsingitolmu sisaldav anood, 5) anoodiklemm, 6) elemendi tihend (elektroodiisolaator). .

Teine võimalus rakkude pikaealisuse ja eluea pikendamiseks on lisada tsinkkloriid ZnCl₂ tasside täitmise pasta jaoks. Sellise konstruktsiooniga elemente nimetatakse sageli raskeveokiteks ja (nagu nimigi ütleb) on mõeldud energiamahukamate seadmete toiteks.

Läbimurdeks ühekordselt kasutatavate patareide valdkonnas oli ehitamine 1955. aastal leeliseline rakk. Kanada inseneri leiutis Lewis Urry, mida kasutab praegune ettevõte Energizer, on Leclancheti elemendi struktuurist veidi erinev.

Esiteks ei leia te sealt grafiitkatoodi ega tsinktopsi. Mõlemad elektroodid on valmistatud märgade eraldatud pastade kujul (paksendajad pluss reaktiivid: katood koosneb mangaandioksiidi ja grafiidi segust, tsingitolmu anood kaaliumhüdroksiidi seguga) ja nende klemmid on valmistatud metallist ( 2). Kuid töö ajal toimuvad reaktsioonid on väga sarnased Leclancheti rakus toimuvatele.

Ülesanne. Tehke aluselisele rakule "keemiline lahkamine", et teha kindlaks, kas sisu on tõepoolest aluseline (3). Pidage meeles, et samad ettevaatusabinõud kehtivad ka Leclancheti raku demonteerimisel. Leeliselemendi tuvastamise kohta vaadake välja Akukood.

3. Leeliselemendi "sektsioon" kinnitab leelisesisaldust.

Omatehtud patareid

4. Kodused Ni-MH ja Ni-Cd akud.

Pärast kasutamist taaslaaditavad elemendid on olnud disainerite eesmärk juba elektriteaduse arengu algusest peale, sellest ka palju tüüpe.

Praegu on üks väikeste kodumasinate toiteks kasutatavatest mudelitest nikkel-kaadmium akud. Nende prototüüp ilmus 1899. aastal, kui Rootsi leiutaja selle tegi. Ernst Jungner taotles patenti nikkel-kaadmiumakule, mis suudaks konkureerida autotööstuses juba laialdaselt kasutatavate akudega. pliiaku.

Raku anood on kaadmium, katood on kolmevalentne nikliühend, elektrolüüd on kaaliumhüdroksiidi lahus (kaasaegses “kuivas” konstruktsioonis KOH lahusega küllastunud paksendajate märg pasta). Ni-Cd akude (see on nende tähistus) tööpinge on ligikaudu 1,2 V - see on väiksem kui ühekordselt kasutatavatel elementidel, mis pole enamiku rakenduste jaoks siiski probleem. Suureks eeliseks on võimalus tarbida märkimisväärset voolu (isegi paar amprit) ja lai töötemperatuuride vahemik.

5. Enne laadimist kontrollige eri tüüpi akude nõudeid.

Nikkel-kaadmium akude miinuseks on koormav "mäluefekt". See juhtub osaliselt tühjenenud Ni-Cd akude sagedasel laadimisel: süsteem käitub nii, nagu oleks selle mahutavus võrdne laadimisega taastatava laenguga. Teatud tüüpi laadijate puhul saab "mäluefekti" vähendada, laadides elemente erirežiimis.

Seetõttu tuleks tühjenenud nikkel-kaadmiumpatareisid laadida täistsükli jooksul: esmalt täielikult tühjendada (kasutades sobivat laadija funktsiooni) ja seejärel uuesti laadida. Sage laadimine vähendab ka hinnangulist eluiga 1000-1500 tsüklit (et paljud ühekordsed elemendid asendatakse selle eluea jooksul ühe akuga, nii et suurem ostukulu tasub end kordades ära, rääkimata aku palju väiksemast koormusest ). rakkude tootmise ja kõrvaldamisega).

Asendatud on mürgist kaadmiumi sisaldavad Ni-Cd elemendid nikkel-metallhüdriid akud (Ni-MH tähistus). Nende struktuur on sarnane Ni-Cd akudele, kuid kaadmiumi asemel kasutatakse poorset metallisulamit (Ti, V, Cr, Fe, Ni, Zr, haruldased muldmetallid), millel on võime imada vesinikku (4). Ni-MH elemendi tööpinge on samuti umbes 1,2 V, mis võimaldab neid kasutada vaheldumisi NiCd akudega. Nikkelmetallhüdriidelementide võimsus on suurem kui sama suurusega nikkel-kaadmiumi elementide oma. NiMH-süsteemid tühjenevad aga kiiremini. Juba on olemas kaasaegseid kujundusi, millel seda puudust pole, kuid need maksavad palju rohkem kui standardmudelid.

Nikkelmetallhüdriidakudel ei ole "mäluefekti" (osaliselt tühjenenud elemente saab uuesti laadida). Siiski on alati vaja kontrollida laadija juhendist (5) iga tüüpi laadimisnõudeid.

Ni-Cd ja Ni-MH akude puhul ei soovita me neid lahti võtta. Esiteks ei leia me neist midagi kasulikku. Teiseks ei ole nikkel ja kaadmium ohutud elemendid. Ärge võtke asjatult riske ja jätke utiliseerimine koolitatud spetsialistide hooleks.

Akude kuningas, see tähendab...

6. "Patareide kuningas" tööl.

… Pliiaku, mille ehitas 1859. aastal prantsuse füüsik Gaston Plantego (jah, jah, seade saab tänavu 161 aastaseks!). Aku elektrolüüt on umbes 37% väävelhappe (VI) lahus ja elektroodid on plii (anood) ja plii, mis on kaetud pliidoksiidi PbO kihiga.₂ (katood). Töötamise ajal tekib elektroodidele plii(II)(II)PbSO sulfaadi sade₄. Laadimisel on ühe elemendi pinge üle 2 volti.

pliiaku sellel on tegelikult kõik puudused: märkimisväärne kaal, tundlikkus tühjenemise ja madalate temperatuuride suhtes, vajadus ladustada laetud olekus, agressiivse elektrolüüdi lekke oht ja mürgise metalli kasutamine. Lisaks nõuab see hoolikat käsitsemist: elektrolüüdi tiheduse kontrollimist, vee lisamist kambritesse (kasutada ainult destilleeritud või deioniseeritud), pinge juhtimine (ühes kambris alla 1,8 V pinge langemine võib elektroode kahjustada) ja spetsiaalne laadimisrežiim.

Miks siis iidne struktuur ikka veel kasutusel on? “Akukuningal” on tõelise valitseja atribuut – võim. Suur voolutarve ja kõrge energiatõhusus kuni 75% (sellist laadimiseks kuluvat energiat saab töö käigus tagasi), aga ka lihtne disain ja madalad tootmiskulud tähendavad, et pliiaku Seda kasutatakse mitte ainult sisepõlemismootorite käivitamiseks, vaid ka avariitoite elemendina. Vaatamata 160-aastasele ajaloole läheb pliiakul endiselt hästi ja seda pole muud tüüpi need seadmed välja tõrjunud (ja koos sellega ka plii ise, mis tänu akule on üks suurimates kogustes toodetud metalle) . Seni kuni sisepõlemismootoritel põhinev motorisatsioon areneb, ei ole selle positsioon tõenäoliselt ohus (6).

Leiutajad ei lõpetanud pliiaku asendamise katset. Mõned mudelid muutusid populaarseks ja neid kasutatakse autotööstuses siiani. XNUMX. ja XNUMX. sajandi vahetusel loodi kujundused, milles H-lahust ei kasutatud.₂SO₄vaid leeliselised elektrolüüdid. Näitena võib tuua ülaltoodud Ernst Jungneri nikkel-kaadmiumaku. Aastal 1901 Thomas Alva Edison muutis konstruktsiooni, et kasutada kaadmiumi asemel rauda. Võrreldes happepatareidega on leelispatareid palju kergemad, võivad töötada madalatel temperatuuridel ja neid pole nii raske käsitseda. Nende tootmine on aga kallim ja energiatõhusus madalam.

Mis saab edasi?

Loomulikult ei ammenda akusid käsitlevad artiklid küsimusi. Nad ei käsitle näiteks liitiumelemente, mida kasutatakse tavaliselt ka kodumasinate, näiteks kalkulaatorite või arvuti emaplaatide toiteks. Nendega saate lähemalt tutvuda jaanuari artiklist eelmise aasta Nobeli keemiaauhinna kohta ning praktilise poole kohta - kuu aja pärast (sh lammutamine ja kogemused).

Elementide, eriti akude osas on head väljavaated. Maailm muutub üha mobiilsemaks, mis tähendab vajadust saada sõltumatuks toitekaablitest. Suur probleem on ka elektrisõidukite tõhusa energiavarustuse tagamine. – et nad suudaksid sisepõlemismootoriga autodega konkureerida ka efektiivsuse poolest.

aku patarei

Lahtritüübi tuvastamise hõlbustamiseks on kasutusele võetud spetsiaalne tähtnumbriline kood. Meie kodudes kõige sagedamini leiduvate väikeseadmete puhul on selle vorm number-täht-täht-number.

Ja see:

- esimene number on lahtrite arv; üksikute lahtrite puhul ignoreeritakse;

– esimene täht näitab lahtri tüüpi. Kui see puudub, on teil tegemist Leclanche'i lingiga. Muud rakutüübid on märgistatud järgmiselt:

C - liitiumelement (kõige levinum tüüp),

H - Ni-MH aku,

K - nikkel-kaadmiumaku,

L – leeliselement;

- järgmine täht näitab lingi kuju:

F - plaat,

R - silindriline,

P – silindrilisest erineva kujuga lülide üldtähistus;

– lõplik joonis või arvud näitavad lingi suurust (kataloogi väärtused või otse mõõtmed) (7).

7. Populaarsete elementide ja patareide mõõtmed.

Märgistusnäited:

R03
- väikese sõrme suurune tsink-grafiitrakk. Teine tähistus on AAA või.

LR6 - sõrme suurune leelisrakk. Teine tähistus on AA või.

HR14 – Ni-MH aku; tähte C kasutatakse ka suuruse tähistamiseks.

KR20 – Ni-Cd aku, mille suurus on samuti märgitud D-tähega.

3LR12 – tühi aku pingega 4,5 V, mis koosneb kolmest silindrilisest leeliselemendist.

6F22 - 9-voldine aku, mis koosneb kuuest Leclancheti lameelemendist.

CR2032 – liitiumelement läbimõõduga 20 mm ja paksusega 3,2 mm.

Vaata ka: