갈바니 전지 및 배터리 - 장치, 작동 원리, 유형

전기 에너지의 저전력 소스

갈바니 전지와 배터리는 휴대용 전기 및 무선 장비에 전원을 공급하는 데 사용됩니다.

갈바니 전지 — 이들은 일회성 작업의 소스입니다. 축전지 — 재사용 가능한 작업 소스.

가장 단순한 갈바닉 소자

가장 간단한 요소는 황산으로 약간 산성화 된 물에 담긴 구리와 아연의 두 스트립으로 만들 수 있습니다. 아연이 국부 반응이 없을 정도로 순수하다면 구리와 아연이 합쳐질 때까지 눈에 띄는 변화는 일어나지 않을 것입니다.

그러나 스트립은 서로 다른 전위를 가지며 와이어로 연결될 때 나타납니다. 전기... 이 작용으로 아연 스트립은 서서히 용해되고 구리 전극 근처에 기포가 형성되어 그 표면에 모입니다. 이 가스는 전해질에 의해 생성된 수소입니다. 전류는 와이어를 따라 구리 스트립에서 아연 스트립으로 흐르고 여기에서 전해질을 통해 다시 구리로 흐릅니다.

점차적으로 전해질의 황산은 아연 전극의 용해된 부분에서 형성된 황산아연으로 대체됩니다. 이것은 셀의 전압을 감소시킵니다. 그러나 구리에 기포가 형성되어 훨씬 더 큰 전압 강하가 발생합니다. 두 행동 모두 '편극'을 유발합니다. 이러한 항목은 실질적인 가치가 거의 없습니다.

갈바니 전지의 중요한 매개변수

갈바니 전지가 제공하는 전압의 크기는 전지의 종류와 장치, 즉 전극의 재질과 전해질의 화학적 조성에 따라 달라지며 전지의 모양과 크기에는 영향을 받지 않습니다.

갈바니 전지가 제공할 수 있는 전류는 내부 저항에 의해 제한됩니다.

갈바니 전지의 매우 중요한 특성은 전기 용량… 전기 용량은 갈바닉 또는 저장 셀이 작동 전반에 걸쳐, 즉 최종 방전이 시작될 때까지 전달할 수 있는 전기의 양을 의미합니다.

전지가 제공하는 용량은 암페어로 표시되는 방전 전류의 강도에 완전 방전이 시작될 때까지 전지가 방전된 시간(시간)을 곱하여 결정됩니다. 따라서 용량은 항상 암페어시(Ah)로 표시됩니다.

셀 용량 값에 따라 완전 방전이 시작되기 전에 몇 시간 동안 작동할지 미리 결정할 수도 있습니다. 이렇게하려면 용량을이 요소에 허용되는 방전 전류의 강도로 나누어야합니다.

그러나 용량은 엄격하게 일정하지 않습니다. 요소의 작동 조건(모드)과 최종 방전 전압에 따라 상당히 큰 한계 내에서 변합니다.

셀이 최대 전류로 방전되고 또한 중단 없이 방전되면 훨씬 더 낮은 용량을 제공합니다. 반대로 동일한 셀이 더 낮은 전류에서 빈번하고 상대적으로 긴 중단으로 방전되면 셀은 전체 용량을 포기합니다.

최종 방전 전압이 전지 용량에 미치는 영향에 관해서는 갈바니 전지 방전 중에 작동 전압이 같은 수준으로 유지되지 않고 점차 감소한다는 점을 명심해야 합니다.

일반적인 유형의 전기화학 전지

가장 일반적인 갈바니 셀은 망간-아연, 망간-공기, 공기-아연 및 수은-아연 시스템으로 소금 및 알칼리성 전해질이 있습니다. 주변 온도 -20 ~ -60 О아침 7시 ~ 340도

알칼리성 전해질을 사용하는 건식 아연-망간 및 아연-공기 셀은 0.75~0.9V의 전압과 6시간~45시간의 작동 시간을 갖습니다.

건식 수은-아연 전지는 시작 전압이 1.22~1.25V이고 작동 시간은 24시간~55시간입니다.

건식 수은-아연 전지는 최대 30개월의 가장 긴 보관 수명을 보장합니다.

배터리

배터리 2차 전기화학 전지로, 갈바닉 전지와 달리 조립 직후 배터리에서 화학 공정이 일어나지 않습니다.

배터리가 전하의 이동과 관련된 화학 반응을 시작하려면 전극(및 일부 전해질)의 화학적 조성을 적절하게 변경해야 합니다.이러한 전극의 화학적 조성 변화는 배터리를 통과하는 전류의 작용으로 발생합니다.

따라서 배터리가 전류를 생성하려면 먼저 일부 외부 전류원에서 나오는 직류로 "충전"되어야 합니다.

배터리는 또한 방전 후 재충전할 수 있다는 점에서 기존의 갈바니 전지와 다릅니다. 잘 관리하고 정상적인 작동 조건에서 배터리를 수천 번 충전 및 방전할 수 있습니다.
배터리 구동 장치

현재 납 및 카드뮴-니켈 배터리가 실제로 가장 많이 사용됩니다. 첫 번째 황산 용액에서는 전해질 역할을 하고 두 번째 알칼리 용액에서는 물에 용해됩니다. 납산 배터리는 산성 및 니켈-카드뮴-알카라인 배터리라고도 합니다.

배터리 작동 원리는 전극의 분극화에 기반합니다. 전기 분해 중... 가장 간단한 산성 배터리는 다음과 같이 구성됩니다. 전해질에 담긴 두 개의 납판입니다. 화학 치환 반응의 결과로 플레이트는 Pb + H2SO4 = PbSO4 + H2 공식에서 다음과 같이 황산 납 PbSO4의 얇은 코팅으로 덮여 있습니다.

산성 배터리 장치

이 플레이트 상태는 방전된 배터리에 해당합니다. 이제 충전을 위해 배터리를 켜면, 즉 직류 발전기에 연결하면 전기 분해로 인해 플레이트의 분극이 시작됩니다. 배터리를 충전하면 플레이트가 분극화됩니다. 표면의 물질을 균질(PbSO4)에서 다른(Pb 및 PbO2)으로 변경합니다.

배터리는 양극으로 이산화납이 코팅된 판과 음극으로 깨끗한 납판으로 전류원이 됩니다.

충전이 끝나면 추가적인 황산 분자의 출현으로 인해 전해질의 농도가 증가합니다.

이것은 납산 배터리의 특성 중 하나입니다. 전해액은 중성으로 유지되지 않고 배터리 작동 중에 자체적으로 화학 반응에 참여합니다.

방전이 끝나면 배터리의 두 판이 다시 황산납으로 덮여있어 배터리가 더 이상 전류원이 아닙니다. 배터리는 이 상태가 되지 않습니다. 플레이트에 황산납이 형성되어 방전이 끝나면 전해질 농도가 감소합니다. 배터리가 충전되면 다시 분극이 발생하여 다시 방전될 수 있습니다.

배터리 충전 방법

배터리를 충전하는 방법에는 여러 가지가 있습니다. 가장 간단한 방법은 다음과 같이 배터리를 정상적으로 충전하는 것입니다. 처음에는 5~6시간 동안 각 배터리의 전압이 2.4V에 도달할 때까지 두 배의 정상 전류로 충전합니다.

정상적인 충전 전류는 공식 Aztax = Q / 16에 의해 결정됩니다.

여기서 Q — 배터리의 공칭 용량, Ah.

그 후 충전 전류가 정상 값으로 감소하고 충전 종료 신호가 나타날 때까지 15~18시간 동안 충전이 계속됩니다.

최신 배터리

니켈-카드뮴 또는 알카라인 배터리는 납 배터리보다 훨씬 늦게 나타 났으며 그에 비해 현대적인 화학 전류 소스입니다.납 배터리에 비해 알카라인 배터리의 주요 장점은 플레이트의 활성 질량과 관련하여 전해질의 화학적 중성입니다. 따라서 알카라인 배터리의 자체 방전은 납축 배터리보다 훨씬 낮습니다. 알카라인 배터리의 작동 원리는 전기 분해 중 전극의 분극화를 기반으로 합니다.

무선 장비에 전원을 공급하기 위해 -30 ~ +50 ºC의 온도에서 효과적이고 400 ~ 600회의 충전-방전 주기를 견디는 밀봉된 카드뮴-니켈 배터리가 생산됩니다. 이 어큐뮬레이터는 무게가 몇 그램에서 킬로그램에 이르는 소형 평행 육면체 및 디스크 형태로 만들어집니다.

니켈-수소 배터리는 자율 개체에 전원을 공급하기 위해 생산됩니다. 니켈-수소 배터리의 비에너지는 50 - 60 Wh kg-1입니다.