עולם הסוללות - חלק 3

ההיסטוריה של הסוללות המודרניות מתחילה במאה התשע-עשרה, ורוב העיצובים הנמצאים בשימוש כיום מקורם במאה זו. מצב זה מעיד, מצד אחד, על הרעיונות המצוינים של המדענים של אז, ומצד שני, על הקשיים המתעוררים בפיתוח מודלים חדשים.

כמה דברים כל כך טובים שאי אפשר לשפר אותם. כלל זה חל גם על סוללות - דגמי המאה XNUMX שוכללו פעמים רבות עד שקיבלו את צורתם הנוכחית. זה חל גם על תאי Leclanche.

קישור לשיפור

העיצוב של הכימאי הצרפתי השתנה קרל גסנר לדגם שימושי באמת: זול לייצור ובטוח לשימוש. עם זאת, עדיין היו בעיות - ציפוי האבץ של האלמנט נכלה במגע עם האלקטרוליט החומצי שמילא את הקערה, והתזת תוכן אגרסיבי עלול להשבית את המכשיר המופעל. ההחלטה הפכה הִתמַזְגוּת המשטח הפנימי של גוף האבץ (ציפוי כספית).

אמלגם אבץ למעשה אינו מגיב עם חומצות, אך שומר על כל התכונות האלקטרוכימיות של מתכת טהורה. עם זאת, בשל תקנות איכות הסביבה, שיטה זו להארכת חיי התאים משמשת פחות ופחות (על תאים ללא כספית, ניתן למצוא את הכיתוב או) (1).

2. פריסת תא אלקליין: 1) מארז (עופרת קתודה), 2) קתודה המכילה מנגן דו-חמצני, 3) מפריד אלקטרודות, 4) אנודה המכילה KOH ואבק אבץ, 5) מסוף אנודה, 6) איטום תאים (מבודד אלקטרודה). .

דרך נוספת להגדיל את אורך החיים והחיים של התא היא להוסיף אבץ כלוריד ZnCl₂ עבור משחת מילוי כוסות. תאים בעיצוב זה מכונים לעתים קרובות כ-Heavy Duty ו(כפי שהשם מרמז) מיועדים להפעיל מכשירים עתירי אנרגיה.

פריצת דרך בתחום הסוללות החד פעמיות הייתה הבנייה ב-1955 של תא אלקליין. המצאה של מהנדס קנדי לואיס אורי, המשמשת את חברת אנרג'ייזר הנוכחית, בעלת מבנה מעט שונה מזה של תא Leclanchet.

ראשית, לא תמצאו שם קתודה גרפיט או כוס אבץ. שתי האלקטרודות עשויות בצורה של משחות רטובות ומופרדות (מעבים בתוספת ריאגנטים: הקתודה מורכבת מתערובת של מנגן דו חמצני וגרפיט, האנודה של אבק אבץ עם תערובת של אשלגן הידרוקסיד), והטרמינלים שלהן עשויים מתכת ( 2). עם זאת, התגובות המתרחשות במהלך הפעולה דומות מאוד לאלו המתרחשות בתא Leclanchet.

משימה. בצעו "נתיחה כימית" בתא אלקליין כדי לגלות שהתכולה אכן בסיסית (3). זכור כי אותם אמצעי זהירות חלים על פירוק תא Leclanchet. עיין בשדה קוד סוללה כיצד לזהות תא אלקליין.

3. "חתך" של התא הבסיסי מאשר את תכולת האלקלי.

סוללות תוצרת בית

4. סוללות Ni-MH ו-Ni-Cd ביתיות.

תאים שניתנים לטעינה לאחר השימוש היו מטרתם של מעצבים כבר מתחילת התפתחות מדע החשמל, ומכאן הסוגים הרבים שבהם.

נכון לעכשיו, אחד הדגמים המשמשים להפעלת מכשירי חשמל ביתיים קטנים הם סוללות ניקל קדמיום. אב הטיפוס שלהם הופיע בשנת 1899 כאשר ממציא שוודי עשה זאת. ארנסט יונגנר הגיש בקשה לפטנט על סוללת ניקל-קדמיום שיכולה להתחרות בסוללות שכבר נמצאות בשימוש נרחב בתעשיית הרכב. סוללת חומצת עופרת.

אנודת התא היא קדמיום, הקתודה היא תרכובת ניקל משולשת, האלקטרוליט הוא תמיסת אשלגן הידרוקסיד (בעיצובים מודרניים "יבשים", משחה רטובה של מעבים רווי בתמיסת KOH). לסוללות Ni-Cd (זה הייעוד שלהן) יש מתח פעולה של כ-1,2 וולט - זה פחות מזה של תאים חד פעמיים, מה שלמרות זאת לא מהווה בעיה עבור רוב היישומים. היתרון הגדול הוא היכולת לצרוך זרם משמעותי (אפילו כמה אמפר) ומגוון רחב של טמפרטורות פעולה.

5. בדוק את הדרישות לסוגים שונים של סוללות לפני הטעינה.

החיסרון של סוללות ניקל-קדמיום הוא "אפקט זיכרון" מכביד. זה מתרחש בעת טעינה תכופה של סוללות Ni-Cd שנפרשו חלקית: המערכת מתנהגת כאילו הקיבולת שלה שווה רק לטעינה שהתחדשה בטעינה מחדש. בחלק מסוגי המטענים ניתן להפחית את "אפקט הזיכרון" על ידי טעינת התאים במצב מיוחד.

לכן, יש לטעון סוללות ניקל-קדמיום פרוקות במחזור מלא: תחילה לפרוק לחלוטין (באמצעות פונקציית המטען המתאימה) ולאחר מכן לטעון מחדש. טעינה תכופה גם מפחיתה את אורך החיים המשוער של 1000-1500 מחזורים (שתאים חד פעמיים רבים יוחלפו בסוללה בודדת במהלך חייה, כך שעלות הרכישה הגבוהה יותר תחזיר את עצמה פי כמה, שלא לדבר על עומס הרבה פחות על הסוללה ). סביבה עם ייצור וסילוק של תאים).

אלמנטים Ni-Cd המכילים קדמיום רעיל הוחלפו סוללות ניקל-מתכת הידריד (כינוי Ni-MH). המבנה שלהן דומה לסוללות Ni-Cd, אך במקום קדמיום משתמשים בסגסוגת מתכת נקבובית (Ti, V, Cr, Fe, Ni, Zr, מתכות אדמה נדירות) בעלת יכולת ספיגת מימן (4). מתח ההפעלה של תא ה-Ni-MH הוא גם כ-1,2 וולט, מה שמאפשר להשתמש בהם להחלפה עם סוללות NiCd. הקיבולת של תאי ניקל מתכת הידריד גדולה מזו של תאי ניקל קדמיום באותו גודל. עם זאת, מערכות NiMH נפרקות מעצמן מהר יותר. יש כבר עיצובים מודרניים שאין להם את החיסרון הזה, אבל הם עולים הרבה יותר מדגמים סטנדרטיים.

סוללות ניקל-מתכת הידריד אינן מפגינות "אפקט זיכרון" (ניתן להטעין תאים שפרוק חלקית). עם זאת, תמיד יש צורך לבדוק את דרישות הטעינה של כל סוג בהוראות המטען (5).

במקרה של סוללות Ni-Cd ו-Ni-MH, אנו לא ממליצים לפרק אותן. ראשית, לא נמצא בהם שום דבר שימושי. שנית, ניקל וקדמיום אינם יסודות בטוחים. אל תיקחו סיכונים שלא לצורך והשארו את ההשלכה לאנשי מקצוע מיומנים.

מלך המצברים, כלומר...

6. "מלך הסוללות" בעבודה.

… סוללת עופרת-חומצה, נבנה בשנת 1859 על ידי פיזיקאי צרפתי גסטון פלנטגו (כן, כן, למכשיר ימלאו השנה 161 שנים!). אלקטרוליט הסוללה הוא כ-37% תמיסה של חומצה גופרתית (VI), והאלקטרודות הן עופרת (אנודה) ועופרת מצופות בשכבה של עופרת דו-חמצנית PbO.₂ (קָטוֹדָה). במהלך הפעולה נוצר משקע של עופרת(II)(II)PbSO סולפט על האלקטרודות₄. בעת טעינה, לתא אחד יש מתח של יותר מ-2 וולט.

סוללת עופרת למעשה יש לו את כל החסרונות: משקל משמעותי, רגישות לפריקה ולטמפרטורות נמוכות, הצורך לאחסן במצב טעון, הסיכון לדליפת אלקטרוליטים אגרסיבית ושימוש במתכת רעילה. בנוסף, זה מצריך טיפול זהיר: בדיקת צפיפות האלקטרוליט, הוספת מים לחדרים (השתמש רק מזוקק או דה-יון), בקרת מתח (ירידה מתחת ל-1,8 וולט בתא אחד עלולה לפגוע באלקטרודות) ומצב טעינה מיוחד.

אז מדוע המבנה העתיק עדיין בשימוש? ל"מלך הצברים" יש תכונה של שליט אמיתי - כוח. צריכת זרם גבוהה ויעילות אנרגטית גבוהה עד 75% (ניתן לשחזר כמות אנרגיה זו המשמשת לטעינה במהלך הפעולה), כמו גם עיצוב פשוט ועלות ייצור נמוכה, פירושו סוללת עופרת הוא משמש לא רק להפעלת מנועי בעירה פנימית, אלא גם כמרכיב של אספקת חשמל חירום. למרות היסטוריה של 160 שנה, סוללת העופרת עדיין מתפקדת היטב ולא הוחלפה על ידי סוגים אחרים של מכשירים אלו (ועמה גם העופרת עצמה, שבזכות הסוללה היא אחת המתכות המיוצרות בכמויות הגדולות ביותר) . כל עוד המנוע המבוסס על מנועי בעירה פנימית ממשיך להתפתח, לא סביר שמעמדה יהיה מאוים (6).

הממציאים לא הפסיקו לנסות ליצור תחליף לסוללת העופרת-חומצה. חלק מהדגמים הפכו פופולריים ועדיין נמצאים בשימוש בתעשיית הרכב כיום. בתחילת המאות התשע עשרה והעשרים נוצרו עיצובים שבהם לא נעשה שימוש בתמיסת H.₂SO₄אלא אלקטרוליטים אלקליים. דוגמה לכך היא סוללת ניקל-קדמיום של ארנסט יונגנר המוצגת למעלה. בשנת 1901 תומאס אלווה אדיסון שינה את העיצוב לשימוש בברזל במקום קדמיום. בהשוואה לסוללות חומצה, סוללות אלקליין קלות בהרבה, יכולות לפעול בטמפרטורות נמוכות ואינן קשות לטיפול. עם זאת, הייצור שלהם יקר יותר, ויעילות האנרגיה נמוכה יותר.

אז מה הלאה?

כמובן שהכתבות בנושא סוללות לא ממצות את השאלות. הם אינם דנים, למשל, בתאי ליתיום, המשמשים בדרך כלל גם להפעלת מכשירי חשמל ביתיים כגון מחשבונים או לוחות אם של מחשבים. ניתן ללמוד עליהם עוד במאמר ינואר על פרס נובל בכימיה בשנה שעברה, ועל החלק המעשי - בעוד חודש (כולל הריסה וניסיון).

יש סיכויים טובים לתאים, במיוחד לסוללות. העולם הופך ליותר ויותר נייד, מה שאומר את הצורך להיות בלתי תלוי בכבלי חשמל. הבטחת אספקת אנרגיה יעילה לכלי רכב חשמליים היא גם אתגר גדול. - כדי שיוכלו להתחרות במכוניות עם מנוע בעירה פנימית גם מבחינת יעילות.

סוללת מצבר

כדי להקל על זיהוי סוג התא, הוכנס קוד אלפאנומרי מיוחד. עבור הסוגים הנפוצים ביותר שנמצאים בבתים שלנו עבור מכשירי חשמל קטנים, יש לו את הטופס מספר-אות-אות-מספר.

וזה:

- הספרה הראשונה היא מספר התאים; התעלמו עבור תאים בודדים;

– האות הראשונה מציינת את סוג התא. כאשר הוא חסר, אתה עוסק בקישור לקלנצ'י. סוגי תאים אחרים מסומנים כדלקמן:

C - תא ליתיום (הסוג הנפוץ ביותר),

H - סוללת Ni-MH,

K - סוללת ניקל קדמיום,

L - תא אלקליין;

- האות הבאה מציינת את צורת הקישור:

F - צלחת,

R - גלילי,

P - ייעוד כללי של חוליות בעלות צורה שאינה גלילית;

- הדמות או הדמויות הסופיות מציינים את גודל הקישור (ערכי קטלוג או מציינים ישירות מידות) (7).

7. מידות של תאים וסוללות פופולריים.

דוגמאות לסימון:

R03
- תא אבץ-גרפיט בגודל של אצבע קטנה. ייעוד נוסף הוא AAA או.

LR6 - תא אלקליין בגודל אצבע. ייעוד נוסף הוא AA או.

HR14 - סוללת Ni-MH; האות C משמשת גם לציון גודל.

KR20 – סוללת Ni-Cd שגודלה מסומן גם באות D.

3LR12 – סוללה שטוחה במתח של 4,5 וולט, המורכבת משלושה תאים אלקליין גליליים.

6F22 - סוללת 9 וולט, המורכבת משישה תאים שטוחים של Leclanchet.

CR2032 – תא ליתיום בקוטר 20 מ"מ ועובי 3,2 מ"מ.

ראה גם: