Galvanische Zellen und Batterien – Gerät, Funktionsprinzip, Typen

Energiequellen mit geringem Stromverbrauch

Galvanische Zellen und Batterien werden zur Stromversorgung tragbarer Elektro- und Funkgeräte verwendet.

Galvanische Zellen – das sind Quellen einmaliger Aktionen, Akkumulatoren — wiederverwendbare Aktionsquellen.

Das einfachste galvanische Element

Das einfachste Element kann aus zwei Streifen bestehen: Kupfer und Zink, eingetaucht in leicht mit Schwefelsäure angesäuertes Wasser. Wenn das Zink rein genug ist, um keine lokalen Reaktionen hervorzurufen, treten keine merklichen Veränderungen auf, bis Kupfer und Zink zusammengebracht werden.

Allerdings haben die Streifen ein unterschiedliches Potenzial im Verhältnis zum anderen und werden angezeigt, wenn sie über einen Draht verbunden sind Elektrizität… Durch diesen Vorgang löst sich der Zinkstreifen allmählich auf und es bilden sich Gasblasen in der Nähe der Kupferelektrode, die sich auf ihrer Oberfläche ansammeln. Bei diesem Gas handelt es sich um vom Elektrolyten erzeugten Wasserstoff. Elektrischer Strom fließt vom Kupferband entlang des Drahtes zum Zinkband und von dort durch den Elektrolyten zurück zum Kupfer.

Nach und nach wird die Schwefelsäure des Elektrolyten durch Zinksulfat ersetzt, das aus dem gelösten Teil der Zinkelektrode entsteht. Dadurch sinkt die Spannung der Zelle. Ein noch größerer Spannungsabfall entsteht jedoch durch die Bildung von Gasblasen auf dem Kupfer. Beide Aktionen führen zu einer „Polarisierung“. Solche Gegenstände haben fast keinen praktischen Wert.

Wichtige Parameter galvanischer Zellen

Die Höhe der von galvanischen Zellen abgegebenen Spannung hängt nur von deren Art und Vorrichtung ab, also vom Material der Elektroden und der chemischen Zusammensetzung des Elektrolyten, nicht jedoch von der Form und Größe der Zellen.

Der Strom, den eine galvanische Zelle liefern kann, wird durch ihren Innenwiderstand begrenzt.

Ein sehr wichtiges Merkmal der galvanischen Zelle ist elektrische Kapazität… Unter elektrischer Kapazität versteht man die Strommenge, die eine galvanische Zelle oder Speicherzelle während ihres gesamten Betriebs, also bis zum Beginn der endgültigen Entladung, liefern kann.

Die von der Zelle gegebene Kapazität wird ermittelt, indem man die Stärke des Entladestroms, ausgedrückt in Ampere, mit der Zeit in Stunden multipliziert, in der die Zelle bis zum Beginn der vollständigen Entladung entladen wurde. Daher wird die Kapazität immer in Amperestunden (Ah) angegeben.

Anhand der Kapazität der Zelle lässt sich auch im Voraus bestimmen, wie viele Stunden sie arbeiten wird, bevor die vollständige Entladung beginnt. Dazu müssen Sie die Kapazität durch die Stärke des für dieses Element zulässigen Entladestroms dividieren.

Allerdings ist die Kapazität nicht streng konstant. Sie schwankt in relativ großen Grenzen, abhängig von den Betriebsbedingungen (Modus) des Elements und der Entladeschlussspannung.

Wird die Zelle mit maximalem Strom und darüber hinaus ohne Unterbrechungen entladen, ergibt sich eine deutlich geringere Kapazität. Im Gegenteil, wenn dieselbe Zelle mit einem geringeren Strom und häufigen und längeren Unterbrechungen entladen wird, gibt die Zelle ihre volle Kapazität auf.

Was den Einfluss der Entladeschlussspannung auf die Zellenkapazität betrifft, ist zu berücksichtigen, dass während der Entladung der galvanischen Zelle deren Betriebsspannung nicht auf dem gleichen Niveau bleibt, sondern allmählich abnimmt.

Gängige Arten elektrochemischer Zellen

Die gebräuchlichsten galvanischen Zellen sind Mangan-Zink-, Mangan-Luft-, Luft-Zink- und Quecksilber-Zink-Systeme mit Salz- und alkalischen Elektrolyten. Trockene Mangan-Zink-Zellen mit Salzelektrolyten haben eine Anfangsspannung von 1,4 bis 1,55 V, die Betriebsdauer bei einer Umgebungstemperatur von -20 bis -60 ОVon 7 bis 340 Uhr morgens

Trockene Zink-Mangan- und Zink-Luft-Zellen mit alkalischem Elektrolyten haben eine Spannung von 0,75 bis 0,9 V und eine Betriebszeit von 6 Stunden bis 45 Stunden.

Trockene Quecksilber-Zink-Zellen haben eine Startspannung von 1,22 bis 1,25 V und eine Betriebszeit von 24 Stunden bis 55 Stunden.

Trockene Quecksilber-Zink-Zellen haben die längste garantierte Haltbarkeit von bis zu 30 Monaten.

Batterien

Batterien Dabei handelt es sich um sekundäre elektrochemische Zellen. Im Gegensatz zu galvanischen Zellen finden in der Batterie unmittelbar nach dem Zusammenbau keine chemischen Prozesse statt.

Damit die Batterie chemische Reaktionen auslöst, die mit der Bewegung elektrischer Ladungen verbunden sind, ist es notwendig, die chemische Zusammensetzung ihrer Elektroden (und teilweise des Elektrolyten) entsprechend zu ändern.Diese Änderung der chemischen Zusammensetzung der Elektroden erfolgt unter Einwirkung eines durch die Batterie fließenden elektrischen Stroms.

Damit eine Batterie elektrischen Strom erzeugen kann, muss sie daher zunächst mit Gleichstrom von einer externen Stromquelle „geladen“ werden.

Batterien unterscheiden sich von herkömmlichen galvanischen Zellen auch dadurch, dass sie nach der Entladung wieder aufgeladen werden können. Bei guter Pflege und unter normalen Betriebsbedingungen können Akkus mehrere tausend Lade- und Entladevorgänge überstehen.
Batteriebetriebenes Gerät

Derzeit werden in der Praxis am häufigsten Blei- und Cadmium-Nickel-Batterien verwendet. In der ersten Lösung dient Schwefelsäure als Elektrolyt und in der zweiten Lösung Alkali in Wasser. Blei-Säure-Batterien werden auch Säure- und Nickel-Cadmium-Alkali-Batterien genannt.

Das Funktionsprinzip von Batterien basiert auf der Polarisation der Elektroden während der Elektrolyse... Die einfachste Säurebatterie ist wie folgt aufgebaut: Es handelt sich um zwei in einen Elektrolyten getauchte Bleiplatten. Als Ergebnis der chemischen Substitutionsreaktion werden die Platten mit einer dünnen Schicht aus Bleisulfat PbSO4 bedeckt, wie aus der Formel Pb + H2SO4 = PbSO4 + H2 folgt.

Säurebatteriegerät

Dieser Zustand der Platten entspricht einer entladenen Batterie. Wird nun die Batterie zum Laden eingeschaltet, also an einen Gleichstromgenerator angeschlossen, dann beginnt darin durch Elektrolyse die Polarisierung der Platten. Durch das Laden der Batterie werden ihre Platten polarisiert, d. h. die Substanz auf ihrer Oberfläche verändert sich von homogen (PbSO4) zu unterschiedlich (Pb und PbO2).

Die Batterie wird zur Stromquelle, mit einer mit Bleidioxid beschichteten Platte als positiver Elektrode und einer sauberen Bleiplatte als negativer Elektrode.

Am Ende des Ladevorgangs erhöht sich die Konzentration des Elektrolyten aufgrund des Auftretens zusätzlicher Schwefelsäuremoleküle darin.

Dies ist eine der Eigenschaften der Blei-Säure-Batterie: Ihr Elektrolyt bleibt nicht neutral und nimmt im Batteriebetrieb selbst an chemischen Reaktionen teil.

Am Ende der Entladung sind beide Platten der Batterie wieder mit Bleisulfat bedeckt, wodurch die Batterie keine Stromquelle mehr ist. Der Akku wird niemals in diesen Zustand gebracht. Durch die Bildung von Bleisulfat auf den Platten nimmt die Konzentration des Elektrolyten am Ende der Entladung ab. Wenn der Akku aufgeladen ist, kann die Polarisierung erneut bewirkt werden, um ihn erneut zu entladen usw.

So laden Sie den Akku auf

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Akkus aufzuladen. Am einfachsten ist das normale Laden des Akkus, das wie folgt durchgeführt wird. Zunächst wird 5–6 Stunden lang mit dem doppelten Normalstrom geladen, bis die Spannung jeder Batterie 2,4 V erreicht.

Der normale Ladestrom wird durch die Formel Aztax = Q / 16 bestimmt

wo Q – Nennkapazität der Batterie, Ah.

Danach wird der Ladestrom auf einen normalen Wert reduziert und der Ladevorgang für 15-18 Stunden fortgesetzt, bis Anzeichen für ein Ende des Ladevorgangs auftreten.

Moderne Batterien

Nickel-Cadmium- oder Alkalibatterien erschienen viel später als Bleibatterien und sind im Vergleich zu ihnen modernere chemische Stromquellen.Der Hauptvorteil von Alkalibatterien gegenüber Bleibatterien liegt in der chemischen Neutralität ihres Elektrolyten gegenüber den aktiven Massen der Platten. Daher ist die Selbstentladung von Alkalibatterien deutlich geringer als die von Blei-Säure-Batterien. Das Funktionsprinzip von Alkalibatterien basiert ebenfalls auf der Polarisierung der Elektroden während der Elektrolyse.

Zur Stromversorgung von Funkgeräten werden versiegelte Cadmium-Nickel-Batterien hergestellt, die bei Temperaturen von -30 bis +50 °C wirksam sind und 400 bis 600 Lade-Entlade-Zyklen standhalten. Diese Akkumulatoren bestehen aus kompakten Quadern und Scheiben mit einem Gewicht von wenigen Gramm bis hin zu Kilogramm.

Nickel-Wasserstoff-Batterien werden hergestellt, um autonome Objekte anzutreiben. Die spezifische Energie der Nickel-Wasserstoff-Batterie beträgt 50 – 60 Wh kg-1.