3. 2. Элементы и батареи

Как говорилось в предыдущем параграфе, элемент со­держит положительный и отрицательный электроды, раз­деленные раствором электролита. Батарея — это комбина­ция двух или более элементов. Существует два основных типа элементов. Элементы, которые не могут быть переза­ряжены, называются первичными элементами. Элементы, которые могут перезаряжаться, называются вторичными элементами.

Примером первичного элемента является сухой элемент (рис. 3-12). Элемент этого типа не является в действитель­ности сухим. В качестве электролита он содержит влаж­ную пасту. Уплотнитель предотвращает вытекание пасты при наклоне и переворачивании элемента. Электролитом сухого элемента является раствор хлорида аммония и дву­окиси марганца. Электролит растворяет цинковый элект­род (корпус элемента), оставляя в цинке избыток электро-

изолирующее

покрытие

стальная крышка (положительный электрод)

восковыи

герметизатор

область

расширения

цинковым

стакан

электролит

угольный

стержень

отрицатель­ный вывод

Рис 3 12 Внутреннее устройство сухого элемента

Рис 3-13 Примеры широко используемых сухих элементов

нов. По мере протекания тока через элемент, цинк, хло­ристый аммоний и двуокись марганца разлагаются на воду, двуокись марганца, аммоний и хлористый цинк. Угольный стержень (центральный электрод) отдает элек­троны, которые собираются на цинковом электроде. Эле­менты этого типа, названные элементами Лекланше, име­ют напряжение не более 1,75-1,8 вольт, когда они свежие. Элемент Лекланше общего назначения имеет плотность энергии примерно 66 ватт-часов на килограмм. По мере использования элемента химическая активность умень­шается, и в конце концов ток прекращается. Если элемент долго не использовался, электролитическая паста высы­хает, срок его хранения около двух лет. Выходное напря­жение элементов этого типа полностью определяется ма­териалами, используемыми для электролита и электро­дов. Элементы типа АА, типа С, типа D и сухой элемент № 6 (рис. 3-13) сконструированы из одинаковых матери­алов и, следовательно, имеют одинаковое напряжение. Необходимо заметить, что хотя элемент Лекланше часто относят к угольно-цинковым элементам, уголь не прини­мает участие в химической реакции, производящей элек­тричество.

Щелочные элементы получили свое название потому, что в них в качестве электролита используется гидроокись калия (КОН). Внешне щелочные элементы очень похожи

плоский стальной

жительный выво1

стальной стакан

электролит из гидроокиси калия

этикетка из метал ли- зованной пластико­вой пленки

катод из углерода и двуокиси марганца

порошкообразный цинковый анод

латунный коллектор тока

сеф1ратор из нетка* ного материала

стальное внутреннее покрытие элемента

металлическая шайба

нейлоновый

герметизатор

латунная заклепка -^/

Рис. 3-14. Внутреннее устройство щелочных эле­ментов. Катод окружает анод.

плоский стальной отрицательный вывод

металлическии отросток

на угольно-цинковые. Однако внутреннее устройство ще­лочного элемента значительно отличается (рис. 3-14). Ще­лочные элементы имеют напряжение при разомкнутой цепи примерно 1,52 вольта и плотность энергии около 40 ватт-часов на килограмм. Щелочные элементы могут ис­пользоваться в более широком диапазоне температур, чем угольно-цинковые. Щелочные элементы лучше работают при умеренных и высоких токах и сохраняют работоспо­собность более длительное время.

Литиевые элементы (рис. 3-15) имеют более высокие эксплуатационные свойства благодаря литию. Литий силь­но взаимодействует с водой. Конструкция литиевого эле­мента использует литий, двуокись марганца (Мп0₂) и пер­хлорат лития (LiC10₄) в органическом растворителе (вода не может быть использована). Выходное напряжение ли­тиевого элемента примерно 3 вольта. Литиевые элементы являются очень эффективными с плотностью энергии око­ло 200 ватт-часов на килограмм. Наибольшее преимуще­ство литиевых элементов в их исключительно долгом сро­ке хранения — от 5 до 10 лет.

9-ВОЛЬТОВАЯ БАТАРЕЯ

Рис. 3-15. Литиевые элементы обладают ис­ключительно высокой плотностью энергии.

Вторичные элементы — это элементы, которые можно подзаряжать приложением обратного напряжения. Приме­ром является кислотно-свинцовая батарея, используемая в автомобилях (рис. 3-16). Она изготовлена из шести 12- вольтовых вторичных элементов, соединенных последова­тельно. Каждый элемент имеет положительный электрод из двуокиси свинца (РЬ0₂) и отрицательный электрод из пористого свинца (РЬ). Электроды разделены пластиком или резиной и погружены в раствор электролита, состоя­щего из серной кислоты (H₂S0₄) и дистиллированной воды (Н₂0). Когда элемент разряжен, серная кислота взаимодей­ствует с окисью свинца и пористым свинцом, превращая их в сульфат свинца, а электролит в воду. При перезарядке

пластмассовая заглушка вентиляционного отверстия соединитель элементов защитный элемент

стоика

покрытие

отрицательная планка разделитель

положительная

планка

сепараторы

держатели

положительная

пластина

отрицательная

пластина

корпус • ребро

Рис. 3-16. Пример вторичного элемента (в разрезе).

mi $

3&ЭММШ1|

Hecfrar

элемента применяется источник постоянного тока с напря­жением большим, чем вырабатывает элемент. При проте­кании тока через элемент электроды превращаются опять в двуокись свинца и пористый свинец, а электролит опять превращается в серную кислоту и воду. Элементы этого типа также на­зываются жидкостными элементами.

Другой тип вторичных элементов

• никель-кадмиевые (NiCd) элемен­ты (рис. 3-17). Это сухой элемент, который сохраняет свой заряд дли­тельное время и может многократ­но перезаряжаться. Элемент состо­ит из положительного и отрица­тельного электродов, разделителя, электролита и корпуса. Электроды Рис. 3-17. Никелъ-кад-

состоят из порошкообразного нике- миевая батарея (NiCd)

в качестве другого при- ля, нанесенного на экран из никеле- _{мера втори}" _{ого эл}£.

вой проволоки, пропитанной раство- мента.

ром соли никеля для положительного электрода и раство­ром соли кадмия для отрицательного электрода. Раздели­тель сделан из поглощающего изолирующего материала. Электролитом является гидроокись калия. Корпус изготав­ливается из стали и плотно закрывается. Типичное напря­жение элементов этого типа 1,2 вольта.

Способность батареи непрерывно вырабатывать элект­роэнергию выражается в ампер-часах. Батарея в 100 ам­пер-часов может выдавать ток в 1 ампер в течение 1 часа (100x1=100 ампер-часов), либо 10 ампер в течение 10 часов (10x10=100 ампер-часов), либо 1 ампер в течение 100 ча­сов (1x100=100 ампер-часов).

3-2. Вопросы

1. Из каких компонентов состоит элемент?

2. Каковы два основных типа элементов?

3. В чем главное отличие двух основных типов элементов?

4. Приведите примеры первичных элементов.

5. Приведите примеры вторичных элементов.

3-3. СОЕДИНЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ И БАТАРЕЙ

Элементы и батареи могут быть соединены вместе для увеличения напряжения и/или тока. Они могут быть соедине­ны последовательно, па­раллельно или последо­вательно-параллельно .

При последователь­ном соединении элемен­ты или батареи могут быть соединены либо в последовательно-допол- няющей либо в последо- вательно-препятствую- щей конфигурации. В посдедовательно-допол- няющей конфигурации

4,5 В

1,5 В

1,5 В

1,5 В

1,5 В

1,5 В

1,5 В

или

4,5 В ч|||'Ь-

Рис. 3-18. Элементы или батареи мо­гут быть соединены последовательно для увеличения напряжения.

положительный электрод первого элемента соединяется с отрицательным электродом второго элемента; положитель­ный электрод второго элемента соединяется с отрицатель­ным электродом третьего элемента и так далее (рис. 3-18). При последовательно-дополняющей конфигурации через все элементы или батареи протекает одинаковый ток. Это может быть выражено следующим образом:

¹т = 1₁ = ^I₂ = ¹а-

Индексы обозначают номера отдельных элементов или батарей. Полное напряжение равно сумме напряжений от­дельных элементов и может быть выражено следующим об­разом:

^Ет = El + ^Е2 + Е₃.

При последовательно-препятствующей конфигурации элементы или батареи соединяются друг с другом одно­именными выводами, отрицательный вывод с отрицатель­ным или положительный с положительным. Однако эта конфигурация очень мало применяется на практике.

При параллельном соединении все положительные вы­воды соединяются вместе и все отрицательные выводы также соединяются вместе (рис. 3-19). Общий возможный ток является суммой токов каждого элемента или батареи:

1=1

1,5В

Рис. 3-19. Элементы или батареи могут быть соединены параллель­но для увеличения тока.

Общее напряжение равно напряжению каж­дого отдельного элемента или батареи:

E_T = Ei

Если желательно по­лучить и наибольшее на­пряжение и наибольший ток, элементы или бата­реи могут быть соедине­ны в последовательно-па- раллельной конфигура­ции. Помните, что после­довательное соединение

Е₂ = Ез-

г ЗВ	г ЗВ
	6В
г зв -	г ЗВ

Рис. 3-20. Элементы или бата­реи могут быть соединены пос­ледовательно-параллельно для увеличения выходного тока и напряжения.

:г ЗВ		гЗ В
:гЗВ		г 3 В

Рис. 3-22. Параллельное соединение последовательно соеди­ненных элементов увеличивает выходной ток. Полученная цепь является последовательно-паралелльной конфигурацией.

Рис. 3-21. Когда элемен­ты соединяются последо­вательно, напряжение увеличивается.

элементов или батарей увеличивает напряжение, а парал­лельное соединение увеличивает ток. На рис. 3-20 показа­ны четыре 3-вольтовых батареи, соединенные в последо- вательно-параллельной конфигурации. Эта конфигурация дает напряжение б вольт и обеспечивает ток в два раза боль­ший, чем отдельная батарея. Для получения б вольт необ­ходимо соединить две 3-вольтовые батареи последователь­но (рис. 3-21). Для увеличения тока, вторая пара 3-воль­товых батарей подсоединяется параллельно (рис. 3-22). В результате получается последовательно-параллельная кон­фигурация.

5. Как надо соединить элементы или батареи, чтобы уве­личить и ток и напряжение?