Первинні джерела напруги (гальванічні елементи)

Хімічні джерела струму прийнято підрозділяти на первинні і вторинні. Первинні джерела струму забезпечують необхідні характеристики без попереднього заряду, вторинні - можуть бути використані лише після їх заряду. Вторинні хімічні джерела струму називають також акумуляторами.

Марганець-цинкові елементи. З первинних джерел струму для живлення портативної радіоапаратури широке вживаються елементи на основі марганець-цинкової електрохімічної системи з сольовим електролітом (елементи Лекланше). Основними перевагами марганець-цинкових елементів (МЦЕ) є низька вартість і універсальність вживання. Одним з найбільш істотних недоліків цих елементів є значна зміна напруги в процесі розряду і недовгий термін придатності. Ємність елементів в існуючій системі залежать від режимів розряду. Найкращі результати можуть бути отримані в режимі щоденного тривалого безперервного розряду помірним по величині струмом. Переміжний режим розряду з відносно невеликими часом безперервного розряду (до 5 хв) призводить до різкого зниження розрядної ємності.

Будова марганець-цинкового елемента.

MnO₂ – деполяризатор; NH4Cl – нашатир, ZnCl₂ – електроліти.

Марганець-цинкові елементи. МЦЕ з лужним електролітом мають ряд переваг в порівнянні з елементами Лекланше. Вони допускають режим розряду значними струмами і в ширшому діапазоні робочих температур, мають великі терміни придатності, володіють підвищеними питомими енергетичними характеристиками, менш критичні до використовуваних режимів розряду. Проте марганець-цинкові елементи з лужними електролітом дорожчі від елементів Лекланше.

Ртутно-цинкові елементи. Ртутно-цинкові елементи (РЦЕ), використовувані як первинні джерела струму, мають значно вищі питомі енергетичні характеристики в порівнянні з марганець-цинковими (окрім повітряно-цинкових елементів). Цей чинник на додаток до високої стабільності напруги елементів в процесі розряду дозволяє вважати їх вельми перспективними для портативної радіоелектронної апаратури. РЦЕ мають чималі терміни придатності, саморозряд елементів дуже малий. Найбільш сприятливими є тривалі режими розряду помірними струмами при плюсових температурах середовища. Недоліком РЦЕ, окрім їх відносно високої вартості, є те, що із збільшенням навантаження і зменшенням температури середовища в негативну область різко знижуються їх питомі енергетичні характеристики.

Ртутно-кадмієві елементи. Подальшим розвитком РЦЕ є розробка ртутно-кадмієвих елементів (РКЕ), які мають ширший діапазон робочих температур, питомі енергетичні характеристики їх не знижуються так різко, як для РЦЕ при роботі з негативному діапазоні робочих температур, досягнуті і значно великі терміни придатності. Недоліками РКЕ в порівнянні з РЦЕ є нижча розрядна напруга і вища вартість. Використання з хімічних джерелах струму твердих електролітів типа галогенідів срібла (AgІ, AgBr), подвійних солей срібла типа Ag₃SI і особливо електролітів з аномально високою іонною провідністю по іонах срібла типа RbAg₄I₅ дозволили в істотній мірі їх мінімізувати і підвищити терміни придатності практично до верхньої межі існуючих вимог. І, нарешті, розробка хімічних джерел струму на основі органічних електролітів з літієвими анодами привела до створення виробів, працездатних в широкому діапазоні робочих температур із забезпеченням при цьому найбільш високих питомих енергетичних характеристик. З вторинних джерел струму найбільший інтерес для портативної радіоелектронної апаратури представляють герметичні нікель-кадмієві акумулятори. Вони можуть працювати як при великих значеннях розрядних струмів, так і в режимах тривалого розряду малими струмами. Напруга в процесі розряду в нікель-кадмієвих акумуляторів досить стабільна, питомі енергетичні характеристики мало залежать від режимів розряду, і температури середовища, досягнута досить висока придатність виробів, при правильній експлуатації число зарядно - розрядних циклів складає декілька тисяч.

Герметичні срібно-цинкові і срібно-кадмієві акумулятори. Із вторинних джерел струму іншого типу останнім часом розроблені герметичні срібно-цинкові і срібно-кадмієві акумулятори, які мають вищі питомі енергетичні характеристики, порівняно з нікель-кадмієвими акумуляторами. Ведуться інтенсивні роботи зі створення мініатюрних акумуляторів на основі органічних електролітів з літієвими анодами, свинцевих з твердими електролітами, а також з використанням інших електрохімічних систем. Число зарядно-розрядних циклів складає: для срібно-цинкових акумуляторів 80-100, для срібно-кадмієвих 150-300 і свинцевих з твердим електролітом 200-500. За досягнутим рівнем характеристик свинцеві акумулятори на основі твердих електролітів починають наближатися до нікель-кадмієвих, маючи при цьому більшу номінальну напругу (2,12 В) в порівнянні з нікель-кадмієвими (1,2 В) і ширший діапазон робочих температур. У таблиці 1.20 приведені досягнуті рівні характеристик мініатюрних хімічних джерел струму для живлення портативної радіоелектронної апаратури.

Цинково-вугільні гальванічні елементи. Цинково-вугільні гальванічні елементи найчастіше зустрічаються. Додатній електрод виконаний у виді вугільного прута, навколо якого поміщений спорошкований двоокис марганцю. Від’ємним електродом слугує цинк, сформований у вигляді посудини. Між полюсами знаходиться кислий електроліт, до складу якого входить нашатир і хлорний цинк. Зовнішня сторона цинкової посудини покрита щільним захистом, що запобігає витіканню електроліту. Якщо кислий електроліт витече назовні, то він може знищити гніздо батареї, друковану плату або електронні компоненти. Новий гальванічний елемент має напругу 1,5 В, значення якої спадає в процесі його розряду (рис. 1.13). Електрична ємність гальванічного елемента суттєво зменшується із зменшенням температури нижче від 0 ⁰С.

Алкалоїдні гальванічні елементи. Алкалоїдні гальванічні елементи мають лужний електроліт, який є водним розчином гідроксиду калію. Електроди виконані наступним чином: від’ємний електрод – з окису цинку, а додатній – з двоокису марганцю. Електрична ємність алкалоїдних гальванічних елементів є вищою, ніж цинково-вугільних і витримує більші струмові навантаження. Різницю в електричній ємності алкалоїдних та цинково-вугільних гальванічних елементів найкраще видно під час великого навантаження. Тому на загал придатні до використання в малогабаритних магнітофонах типу “walkman”, в перетворювачах проблискових ламп і т.п. Алкалоїдні гальванічні елементи ефективно працюють в діапазоні температур від –30 ⁰С до +70 ⁰С.

Окисно-срібні гальванічні елементи. Окисно-срібні гальванічні елементи мають від’ємний електрод із цинку, додатній з окису срібла. Електроліт є лужним. Найбільшою перевагою є те, що вихідна напруга є відносно сталою зі значенням 1,5 В, а після розряду батареї раптово спадає. Застосовуються передусім в камерах, калькуляторах і годинниках. Існують лужні гальванічні елементи, сконструйовані з використанням інших дешевших технічних рішень, але їх напруга спадає пропорційно до зростання струму навантаження і, тому, не можуть використовуватись в пристроях чутливих до зміни напруги живлення.

Ртутні гальванічні елементи. Ртутні гальванічні елементи мають від’ємний електрод, виконаний з цинку, додатній - з ртуті, а електроліт є водним розчином гідроксиду калію. Їх вихідна напруга становить 1,35 В (може бути й до 1,4 В) в діапазоні використання, а після розряду напруга раптово спадає. Сфера застосування така ж, як і у окисно-срібних джерел е.р.с..

Літієві гальванічні елементи. Літієві гальванічні елементи сьогодні використовуються у багатьох комерційних застосуваннях. Катод і електроліт можуть бути виконані з різних матеріалів. Найчастішою сферою застосування є енергонезалежне живлення пам'яті, годинників, камер, калькуляторів і охоронних пристроїв, коли найголовнішим параметром є електрична ємність і надійність. Використовується також в пристроях для важких робочих умов, з огляду на їх можливість роботи при екстремальних значеннях температури. Номінальне значення напруги літієвого гальванічного елемента становить 3 В, а хлор-іонового 3,6 В. На сьогодні знаходяться на ринку літієві заряджувані гальванічні елементи.

Цинково-повітряні гальванічні елементи. Цинково-повітряні гальванічні елементи є третім типом гальванічних джерел, будова яких і застосовані матеріали є нешкідливими для довкілля. Номінальне значення їх напруги становить 1,4 В. В гальванічному елементі використано реакцію каталітичного окислення цинку атмосферним киснем. Фабрично запакований гальванічний елемент може зберігатися аж до 4 років.

Після розпакування він повинен бути використаний на протязі 3-4 місяців, після чого його об’єм насичується вуглецем. Вихідна напруга під циклу розряду становить 1,2...1,3 В. Густина енергії в гальванічному елементі є дуже високою, у два рази вищою від літієвих гальванічних елементів. Цинково-повітряні гальванічні елементи можуть працювати в діапазоні температур від –20 ⁰С до +60 ⁰С, але значення струму навантаження зменшується із зменшенням температури. На електричну ємність впливають також відносна вологість повітря та концентрація в ньому двоокису вуглецю. Іншим недоліком цих гальванічних елементів є обмежене значення струму споживання. Це може спричиняти збої в роботі певних пристроїв, таких як, наприклад, апарати для осіб з послабленим слухом, в яких використано проти перевантажувальний пристрій. Поза тим, в багатьох випадках цинково-повітряні гальванічні елементи можуть замінювати ртутні. Вони можуть також використовуватись в пейджерах і в телеметричних пристроях.

На рис. 1.15 та в табл. Д2.1 (додатку 2) подано порівняння параметрів гальванічних елементів (за матеріалами фірми Duracel).

Рис. 1.15. –

. Свинцеві акумулятори. Свинцеві акумулятори існують на ринку від 1860 року, коли Raymond Gaston Plante винайшов свинцевий кислотний акумулятор. Продаж цього типу акумуляторів становить біля 60% від усієї кількості ринкових продаж. Досить часто цей тип акумуляторів є найекономічнішим технічним рішенням, оскільки вартість однієї Ампер-години споживаного струму є найменшою серед усього різноманіття інших акумуляторів. Характерною відмінністю цього типу акумуляторів є велика стійкість до змін умов довкілля в широких межах, велика кількість циклів заряджання-розряджання. Свинцевий акумулятор є найкращим джерелом живлення для стартера автомашини, або резервним джерелом. Електроди виготовлені зі свинцю, що з одного боку є корисним під час заряджання-розряджання, а з іншого – призводить до суттєвого зростання ваги. Раніше ринок був заповнений відкритими свинцевими акумуляторами, а сьогодні найчастіше зустрічаємо герметичні акумулятори без необхідності обслуговування, або з регуляційним вентилем, особливо для промислового використання.

Поиск по сайту: