Batterijwereld - deel 3

De geschiedenis van moderne batterijen begint in de negentiende eeuw en de meeste ontwerpen die tegenwoordig worden gebruikt, stammen uit deze eeuw. Deze situatie getuigt enerzijds van de prachtige ideeën van wetenschappers uit die tijd, en anderzijds van de moeilijkheden die zich voordoen bij het ontwikkelen van nieuwe modellen.

Weinig dingen zijn zo goed dat ze niet verbeterd kunnen worden. Deze regel geldt ook voor batterijen: de modellen uit de XNUMXe eeuw werden vele malen aangepast totdat ze hun huidige vorm aannamen. Dit geldt ook voor Leclanche-cellen.

Verbeteringslink

Het ontwerp van de Franse chemicus werd gewijzigd Carl Gassner tot een echt bruikbaar model: goedkoop te produceren en veilig te gebruiken. Er waren echter nog steeds problemen: de zinkcoating van het element corrodeerde bij contact met de zure elektrolyt die de kom vulde, en het uitspatten van de agressieve inhoud kon het aangedreven apparaat beschadigen. De oplossing werd samensmelting binnenoppervlak van het zinklichaam (kwikcoating).

Zinkamalgaam reageert vrijwel niet met zuren, maar behoudt alle elektrochemische eigenschappen van puur metaal. Vanwege milieuregelgeving wordt deze methode om de levensduur van cellen te verlengen echter steeds minder gebruikt (je vindt dit misschien wel op kwikvrije cellen) (1).

2. Schematische weergave van een alkalische cel: 1) behuizing (loodkathode), 2) kathode met mangaandioxide, 3) elektrodenscheider, 4) anode met KOH en zinkstof, 5) anode-aansluiting, 6) celafdichting (elektrode-isolator) . .

Een andere manier om de duurzaamheid en levensduur van de cellen te vergroten, is door toevoeging van zinkchloride ZnCl₂ voor pasta om kopjes te vullen. Cellen van dit ontwerp worden vaak Heavy Duty genoemd en zijn (zoals de naam al doet vermoeden) ontworpen om apparaten die meer energie verbruiken van stroom te voorzien.

De doorbraak op het gebied van wegwerpbatterijen kwam in 1955. alkalische cel. Uitvinding van een Canadese ingenieur Lewis Urry, gebruikt door het huidige Energizer-bedrijf, heeft een iets andere structuur dan de Leclanche-celstructuur.

Allereerst zul je daar geen grafietkathode of zinkbeker aantreffen. Beide elektroden zijn gemaakt in de vorm van natte, gescheiden pasta's (verdikkingsmiddelen plus reagentia: de kathode bestaat uit een mengsel van mangaandioxide en grafiet, de anode is gemaakt van zinkstof met een mengsel van kaliumhydroxide) en hun aansluitingen zijn gemaakt van metaal (2). De reacties die tijdens de operatie optreden, lijken echter sterk op die in de Leclanche-cel.

Een taak. Voer een "chemische autopsie" uit op de alkalische cel om vast te stellen dat de inhoud inderdaad alkalisch is (3). Houd er rekening mee dat dezelfde voorzorgsmaatregelen gelden voor het demonteren van de Leclanche-cel. Zie het veld Batterijcode om de alkalische cel te bepalen.

3. De “snijding” van de alkalische cel bevestigt het alkaligehalte.

Zelfgemaakte batterijen

4. Binnenlandse Ni-MH- en Ni-Cd-batterijen.

Cellen die na gebruik kunnen worden opgeladen, zijn sinds het begin van de elektrische wetenschap het doel van ontwerpers geweest, vandaar de vele soorten ervan.

Momenteel is een van de modellen die worden gebruikt voor het aandrijven van kleine huishoudelijke apparaten nikkel-cadmium batterijen. Hun prototype verscheen in 1899, toen een Zweedse uitvinder het deed. Ernst Jungner heeft een patent aangevraagd voor een nikkel-cadmium-batterij die zou kunnen concurreren met batterijen die al veel worden gebruikt in de auto-industrie. lood zuur batterij.

De celanode is cadmium, de kathode is een driewaardige nikkelverbinding, de elektrolyt is een kaliumhydroxide-oplossing (in moderne "droge" ontwerpen, een natte pasta van verdikkingsmiddelen verzadigd met een KOH-oplossing). Ni-Cd-batterijen (dit is hun aanduiding) hebben een bedrijfsspanning van ongeveer 1,2 V - dit is minder dan dat van wegwerpcellen, wat voor de meeste toepassingen echter geen probleem is. Het grote voordeel is de mogelijkheid om aanzienlijke stroom (zelfs enkele ampères) te verbruiken en een breed scala aan bedrijfstemperaturen.

5. Controleer vóór het opladen de vereisten voor verschillende soorten batterijen.

Het nadeel van nikkel-cadmiumbatterijen is het belastende ‘geheugeneffect’. Dit gebeurt wanneer gedeeltelijk ontladen Ni-Cd-batterijen vaak worden opgeladen: het systeem gedraagt ​​zich alsof de capaciteit slechts gelijk is aan de lading die tijdens het opladen wordt aangevuld. Bij sommige typen opladers kan het ‘geheugeneffect’ worden verminderd door de cellen in een speciale modus op te laden.

Daarom moeten ontladen nikkel-cadmium-batterijen in een volledige cyclus worden opgeladen: eerst volledig ontladen (met behulp van de juiste oplaadfunctie) en vervolgens opladen. Regelmatig opladen verkort ook de ontwerplevensduur van 1000-1500 cycli (dit is het aantal wegwerpcellen dat tijdens zijn levensduur door één enkele batterij zal worden vervangen, dus de hogere aanschafkosten zullen zichzelf vele malen terugbetalen, om nog maar te zwijgen van de vele kosten die minder belasting van de accu). omgeving met celproductie en -verwijdering).

Ni-Cd-cellen die giftig cadmium bevatten, zijn vervangen nikkel-metaalhydridebatterijen (aanduiding NiMH). Hun structuur is vergelijkbaar met Ni-Cd-batterijen, maar in plaats van cadmium wordt een poreuze metaallegering (Ti, V, Cr, Fe, Ni, Zr, zeldzame aardmetalen) gebruikt met het vermogen om waterstof te absorberen (4). De bedrijfsspanning van de Ni-MH-cel bedraagt ​​ook ongeveer 1,2 V, waardoor ze uitwisselbaar kunnen worden gebruikt met NiCd-batterijen. De capaciteit van nikkel-metaalhydridecellen is groter dan die van nikkel-cadmiumcellen van dezelfde grootte. NiMH-systemen ontladen echter sneller. Er zijn al moderne ontwerpen die dit nadeel niet hebben, maar deze zijn veel duurder dan standaardmodellen.

Nikkel-metaalhydride-batterijen vertonen geen “geheugeneffect” (gedeeltelijk ontladen cellen kunnen worden opgeladen). U moet echter altijd de oplaadvereisten van elk type controleren in de laderinstructies (5).

Bij Ni-Cd- en Ni-MH-batterijen raden wij af deze te demonteren. Ten eerste zullen we er niets nuttigs in vinden. Ten tweede zijn nikkel en cadmium geen veilige elementen. Neem geen onnodige risico's en laat de verwijdering over aan opgeleide professionals.

De koning van de batterijen, dat is...

6. “De koning van de batterijen” aan het werk.

...Lood zuur batterij, gebouwd in 1859 door een Franse natuurkundige Gastona Plantego (ja, ja, het apparaat wordt dit jaar 161 jaar!). De batterij-elektrolyt is een oplossing van ongeveer 37% zwavelzuur (VI) en de elektroden zijn van lood (anode) en lood bedekt met een laag looddioxide PbO.₂ (kathode). Tijdens bedrijf wordt op de elektroden een neerslag van lood(II)(II)PbSO-sulfaat gevormd₄. Bij het opladen heeft één cel een spanning van meer dan 2 volt.

Lood batterij het heeft eigenlijk alle nadelen: aanzienlijk gewicht, gevoeligheid voor ontlading en lage temperaturen, de noodzaak om geladen op te slaan, het risico op agressieve elektrolytlekkage en het gebruik van een giftig metaal. Bovendien vereist het een zorgvuldige omgang: het controleren van de dichtheid van de elektrolyt, het toevoegen van water aan de kamers (gebruik alleen gedestilleerd of gedeïoniseerd water), spanningsregeling (een daling onder 1,8 V in één kamer kan de elektroden beschadigen) en een speciale oplaadmodus.

Dus waarom is de oude structuur nog steeds in gebruik? De "King of Accumulators" heeft wat een kenmerk is van een echte heerser - macht. Een hoog stroomverbruik en een hoge energie-efficiëntie tot 75% (deze hoeveelheid energie die wordt gebruikt voor het opladen kan tijdens het gebruik worden teruggewonnen), evenals een eenvoudig ontwerp en lage productiekosten, betekenen dat lood batterij niet alleen gebruikt om verbrandingsmotoren te starten, maar ook als onderdeel van de noodstroomvoorziening. Ondanks zijn 160-jarige geschiedenis doet de loodbatterij het nog steeds goed en is hij niet vervangen door andere typen van deze apparaten (en daarmee ook lood zelf, dat dankzij de batterij een van de metalen is die in de grootste hoeveelheden). Zolang de motorisering op basis van verbrandingsmotoren zich blijft ontwikkelen, zal zijn positie waarschijnlijk niet in gevaar komen (6).

Uitvinders zijn nooit gestopt met het bedenken van een vervanging voor de loodzuuraccu. Sommige modellen werden populair en worden nog steeds gebruikt in de auto-industrie. Aan het begin van de negentiende en twintigste eeuw werden ontwerpen gemaakt waarin de H-oplossing niet werd gebruikt.₂SO₄maar alkalische elektrolyten. Een voorbeeld is de hierboven afgebeelde nikkel-cadmiumbatterij van Ernst Jungner. In 1901 Thomas Alva Edison veranderde het ontwerp om ijzer te gebruiken in plaats van cadmium. Vergeleken met zuurbatterijen zijn alkalische modellen veel lichter, kunnen ze bij lage temperaturen werken en zijn ze niet zo moeilijk te hanteren. De productie ervan is echter duurder en de energie-efficiëntie is lager.

Dus, wat is het volgende?

Natuurlijk vullen de artikelen over batterijen de vragen niet uit. Ze hebben het bijvoorbeeld niet over lithiumcellen, die ook vaak worden gebruikt om huishoudelijke apparaten zoals rekenmachines of computermoederborden van stroom te voorzien. Je kunt er meer over leren in het januari-artikel over de Nobelprijs voor scheikunde van vorig jaar, en over het praktische gedeelte - over een maand (inclusief sloop en ervaring).

Er zijn goede vooruitzichten voor cellen, vooral batterijen. De wereld wordt steeds mobieler en dit betekent dat we onafhankelijk moeten worden van stroomkabels. Het garanderen van een efficiënte stroomvoorziening voor elektrische voertuigen is ook een grote uitdaging. - zodat ze ook qua zuinigheid kunnen concurreren met auto's met een verbrandingsmotor.

accu accu

Om de identificatie van het celtype te vergemakkelijken, is een speciale alfanumerieke code geïntroduceerd. Voor de typen die het meest in onze huizen worden aangetroffen voor kleine apparaten, heeft deze de vorm nummer-letter-letter-nummer.

En dat:

- het eerste cijfer is het aantal cellen; genegeerd voor afzonderlijke cellen;

– de eerste letter geeft het celtype aan. Als het ontbreekt, heb je te maken met de Leclanche-link. Andere celtypen zijn als volgt gelabeld:

C – lithiumcel (het meest voorkomende type),

H – Ni-MH-batterij,

K – nikkel-cadmium batterij,

L – alkalische cel;

- de volgende letter geeft de vorm van de link aan:

F - bord,

R - cilindrisch,

P - de algemene aanduiding van schakels met een andere vorm dan cilindrisch;

– het definitieve cijfer of de definitieve cijfers geven de grootte van de link aan (cataloguswaarden of direct aangevende afmetingen) (7).

7. Afmetingen van populaire cellen en batterijen.

Voorbeelden van markeringen:

R03
- een zink-grafietcel ter grootte van een pink. Een andere aanduiding is AAA of.

LR6 - een alkalinecel ter grootte van een vinger. Een andere aanduiding is AA of.

HR14 – Ni-MH-batterij; de letter C wordt ook gebruikt om de maat aan te geven.

KR20 – Ni-Cd-batterij, waarvan de grootte ook is gemarkeerd met de letter D.

3LR12 – een lege batterij met een spanning van 4,5 V, bestaande uit drie cilindrische alkalinecellen.

6F22 - 9 volt batterij, bestaande uit zes Leclanchet platte cellen.

CR2032 – lithiumcel met een diameter van 20 mm en een dikte van 3,2 mm.

Zie ook: