Thế giới pin - phần 3

Lịch sử của pin hiện đại bắt đầu từ thế kỷ XNUMX, và hầu hết các thiết kế đang được sử dụng ngày nay đều bắt nguồn từ thế kỷ này. Tình hình này một mặt chứng minh cho những ý tưởng xuất sắc của các nhà khoa học thời bấy giờ, mặt khác cho những khó khăn nảy sinh trong quá trình phát triển các mô hình mới.

Rất ít thứ tốt đến mức không thể cải thiện được. Quy tắc này cũng áp dụng cho pin - các mô hình thế kỷ XNUMX đã được tinh chỉnh nhiều lần cho đến khi chúng có hình dạng hiện tại. Điều này cũng áp dụng cho Tế bào Leclanche.

Liên kết để cải thiện

Thiết kế của nhà hóa học người Pháp đã được thay đổi Carl Gasner thành một mô hình thực sự hữu ích: rẻ để sản xuất và an toàn khi sử dụng. Tuy nhiên, vẫn có một số vấn đề xảy ra - lớp mạ kẽm của nguyên tố bị ăn mòn khi tiếp xúc với chất điện phân có tính axit chứa đầy bát và các chất tích cực bắn ra có thể làm vô hiệu hóa thiết bị được cấp nguồn. Quyết định trở thành sự hợp nhất mặt trong của thân kẽm (lớp phủ thủy ngân).

Hỗn hống kẽm trên thực tế không phản ứng với axit, nhưng vẫn giữ được tất cả các tính chất điện hóa của kim loại nguyên chất. Tuy nhiên, do các quy định về môi trường, phương pháp kéo dài tuổi thọ của tế bào này ngày càng ít được sử dụng (trên các tế bào không chứa thủy ngân, bạn có thể tìm thấy dòng chữ hoặc) (1).

2. Bố trí tế bào kiềm: 1) hộp đựng (cực âm chì), 2) cực âm chứa mangan đioxit, 3) ngăn cách điện cực, 4) cực dương chứa KOH và bụi kẽm, 5) cực dương, 6) niêm phong tế bào (chất cách điện điện cực). .

Một cách khác để tăng tuổi thọ và tuổi thọ của tế bào là thêm kẽm clorua ZnCl₂ để dán cốc. Các tế bào của thiết kế này thường được gọi là Heavy Duty và (như tên cho thấy) được thiết kế để cung cấp năng lượng cho các thiết bị sử dụng nhiều năng lượng hơn.

Một bước đột phá trong lĩnh vực pin dùng một lần là việc xây dựng vào năm 1955 tế bào kiềm. Phát minh của kỹ sư người Canada Lewis Urry, được sử dụng bởi công ty Energizer hiện tại, có cấu trúc hơi khác so với cấu trúc của ô Leclanchet.

Đầu tiên, bạn sẽ không tìm thấy một cực âm bằng than chì hoặc một cốc kẽm ở đó. Cả hai điện cực đều được làm ở dạng bột nhão ướt, tách rời (chất làm đặc cộng với thuốc thử: cực âm bao gồm hỗn hợp mangan đioxit và than chì, cực dương là bụi kẽm với phụ gia kali hydroxit) và các đầu cực của chúng được làm bằng kim loại ( 2). Tuy nhiên, các phản ứng xảy ra trong quá trình hoạt động rất giống với các phản ứng xảy ra trong tế bào Leclanchet.

Một nhiệm vụ. Thực hiện "khám nghiệm tử thi hóa học" trên một tế bào kiềm để tìm ra rằng bên trong thực sự là kiềm (3). Hãy nhớ rằng các biện pháp phòng ngừa tương tự cũng áp dụng cho việc tháo dỡ phòng giam Leclanchet. Xem trường Mã pin để biết cách xác định pin kiềm.

3. "Mặt cắt" của ô kiềm xác nhận hàm lượng kiềm.

Pin tự chế

4. Pin Ni-MH và Ni-Cd nội địa.

Các tế bào có thể được sạc lại sau khi sử dụng đã là mục tiêu của các nhà thiết kế ngay từ khi bắt đầu phát triển khoa học về điện, do đó có rất nhiều loại tế bào.

Hiện nay, một trong những mô hình được sử dụng để cấp nguồn cho các thiết bị gia dụng nhỏ là pin niken-cadmium. Nguyên mẫu của chúng xuất hiện vào năm 1899 khi một nhà phát minh người Thụy Điển thực hiện. Ernst Jungner đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế cho pin niken-cadmium có thể cạnh tranh với các loại pin đã được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp ô tô. ắc quy.

Cực dương của tế bào là cadmium, cực âm là hợp chất niken hóa trị ba, chất điện phân là dung dịch kali hydroxit (trong các thiết kế “khô” hiện đại, hỗn hợp ướt của chất làm đặc bão hòa với dung dịch KOH). Pin Ni-Cd (đây là tên gọi của chúng) có điện áp hoạt động khoảng 1,2 V - mức này thấp hơn so với pin dùng một lần, tuy nhiên, đây không phải là vấn đề đối với hầu hết các ứng dụng. Ưu điểm lớn là khả năng tiêu thụ dòng điện đáng kể (thậm chí vài ampe) và dải nhiệt độ hoạt động rộng.

5. Kiểm tra các yêu cầu đối với các loại pin khác nhau trước khi sạc.

Nhược điểm của pin niken-cadmium là một "hiệu ứng bộ nhớ" nặng nề. Điều này xảy ra khi thường xuyên sạc lại pin Ni-Cd đã xả một phần: hệ thống hoạt động như thể dung lượng của nó chỉ bằng mức sạc được bổ sung bằng cách sạc lại. Trong một số loại bộ sạc, "hiệu ứng bộ nhớ" có thể được giảm bớt bằng cách sạc các tế bào ở một chế độ đặc biệt.

Do đó, pin niken-cadmium đã xả nên được sạc theo chu kỳ đầy đủ: trước tiên là xả hoàn toàn (sử dụng chức năng sạc thích hợp) và sau đó mới được sạc lại. Việc sạc lại thường xuyên cũng làm giảm tuổi thọ ước tính của 1000-1500 chu kỳ (nhiều tế bào dùng một lần này sẽ được thay thế bằng một pin duy nhất trong suốt thời gian sử dụng, vì vậy chi phí mua cao hơn sẽ phải trả cho chính nó nhiều lần, chưa kể đến việc pin sẽ ít căng thẳng hơn nhiều. ). môi trường với việc sản xuất và thải bỏ tế bào).

Các nguyên tố Ni-Cd có chứa cadimi độc hại đã được thay thế pin niken-kim loại hyđrua (Ký hiệu Ni-MH). Cấu trúc của chúng tương tự như pin Ni-Cd, nhưng thay vì cadmium, người ta sử dụng một hợp kim kim loại xốp (Ti, V, Cr, Fe, Ni, Zr, kim loại đất hiếm) với khả năng hấp thụ hydro (4). Điện áp hoạt động của tế bào Ni-MH cũng khoảng 1,2 V, cho phép chúng được sử dụng thay thế cho pin NiCd. Dung lượng của các tế bào Nickel Metal Hydride lớn hơn các tế bào Nickel Cadmium có cùng kích thước. Tuy nhiên, hệ thống NiMH tự xả nhanh hơn. Đã có những thiết kế hiện đại không có nhược điểm này, nhưng chúng có giá cao hơn nhiều so với các mẫu tiêu chuẩn.

Pin hyđrua kim loại niken không có "hiệu ứng bộ nhớ" (có thể sạc lại các tế bào đã xả một phần). Tuy nhiên, luôn cần kiểm tra các yêu cầu sạc của từng loại trong hướng dẫn dành cho bộ sạc (5).

Trong trường hợp pin Ni-Cd và Ni-MH, chúng tôi khuyên bạn không nên tháo rời chúng. Đầu tiên, chúng ta sẽ không tìm thấy bất cứ điều gì hữu ích trong chúng. Thứ hai, niken và cadmium không phải là những nguyên tố an toàn. Đừng chấp nhận rủi ro một cách không cần thiết và để việc xử lý cho các chuyên gia được đào tạo.

Vua của ắc quy, đó là ...

6. "Vua của các loại pin" tại nơi làm việc.

… Ắc quy, được xây dựng vào năm 1859 bởi một nhà vật lý người Pháp Gaston Plantego (vâng, vâng, thiết bị này sẽ tròn 161 tuổi trong năm nay!). Chất điện phân của pin là dung dịch axit sunfuric (VI) khoảng 37% và các điện cực là chì (cực dương) và chì được phủ một lớp chì điôxit PbO.₂ (cực âm). Trong quá trình hoạt động, một kết tủa chì (II) (II) PbSO sunfat hình thành trên các điện cực₄. Khi sạc, một ô có hiệu điện thế lớn hơn 2 vôn.

pin chì nó thực sự có tất cả các nhược điểm: trọng lượng đáng kể, nhạy cảm với phóng điện và nhiệt độ thấp, nhu cầu lưu trữ ở trạng thái tích điện, nguy cơ rò rỉ chất điện phân tích cực và sử dụng kim loại độc hại. Ngoài ra, cần phải xử lý cẩn thận: kiểm tra tỷ trọng của chất điện phân, thêm nước vào các khoang (chỉ sử dụng nước cất hoặc khử ion), Điều khiển điện áp (giảm xuống dưới 1,8 V trong một ngăn có thể làm hỏng các điện cực) và chế độ sạc đặc biệt.

Vậy tại sao cấu trúc cổ xưa vẫn được sử dụng? “Vua tích lũy” có thuộc tính của một kẻ thống trị thực sự - quyền lực. Mức tiêu thụ dòng điện cao và hiệu suất năng lượng cao lên tới 75% (lượng năng lượng được sử dụng để sạc này có thể được phục hồi trong quá trình vận hành), cũng như thiết kế đơn giản và chi phí sản xuất thấp, có nghĩa là pin chì Nó không chỉ được sử dụng để khởi động động cơ đốt trong mà còn được sử dụng như một yếu tố cung cấp năng lượng khẩn cấp. Mặc dù có lịch sử 160 năm, pin chì vẫn hoạt động tốt và không bị thay thế bởi các loại thiết bị khác (và cùng với nó, chính chì, nhờ vào pin, là một trong những kim loại được sản xuất với số lượng lớn nhất) . Chừng nào việc cơ giới hóa dựa trên động cơ đốt trong tiếp tục phát triển, vị thế của nó có lẽ sẽ không bị đe dọa (6).

Các nhà phát minh đã không ngừng cố gắng tạo ra một sự thay thế cho pin axit-chì. Một số mô hình trở nên phổ biến và vẫn được sử dụng trong ngành công nghiệp ô tô ngày nay. Vào đầu thế kỷ XNUMX và XNUMX, các thiết kế đã được tạo ra trong đó dung dịch H không được sử dụng.₂SO₄nhưng chất điện phân có tính kiềm. Một ví dụ là pin niken-cadmium của Ernst Jungner được hiển thị ở trên. Năm 1901 Thomas Alva Edison đã thay đổi thiết kế để sử dụng sắt thay vì cadmium. So với pin axit, pin kiềm nhẹ hơn nhiều, có thể hoạt động ở nhiệt độ thấp và không khó xử lý. Tuy nhiên, việc sản xuất chúng đắt hơn và hiệu quả sử dụng năng lượng thấp hơn.

Vậy, tiếp theo là gì?

Tất nhiên, các bài viết về pin không làm cạn kiệt các câu hỏi. Ví dụ, họ không thảo luận về tế bào lithium, cũng thường được sử dụng để cung cấp năng lượng cho các thiết bị gia dụng như máy tính hoặc bo mạch chủ máy tính. Bạn có thể tìm hiểu thêm về chúng trong bài báo tháng Giêng về giải Nobel Hóa học năm ngoái, và về phần thực hành - trong một tháng (bao gồm cả sự phá hủy và kinh nghiệm).

Có nhiều triển vọng tốt cho tế bào, đặc biệt là pin. Thế giới ngày càng trở nên di động hơn, đồng nghĩa với nhu cầu trở nên độc lập với dây cáp điện. Đảm bảo cung cấp năng lượng hiệu quả cho xe điện cũng là một vấn đề lớn. - để chúng có thể cạnh tranh với ô tô động cơ đốt trong cả về mặt kinh tế.

ắc quy

Để tạo điều kiện thuận lợi cho việc xác định loại ô, một mã chữ và số đặc biệt đã được giới thiệu. Đối với các loại thiết bị nhỏ thường thấy trong nhà của chúng ta, nó có dạng number-letter-letter-number.

Và vâng:

- chữ số đầu tiên là số ô; bỏ qua cho các ô đơn lẻ;

– chữ cái đầu tiên cho biết loại ô. Khi nó bị thiếu, bạn đang xử lý liên kết Leclanche. Các loại tế bào khác được dán nhãn như sau:

C - pin lithium (loại phổ biến nhất),

H – Pin Ni-MH,

K - pin niken-cadmium,

L - tế bào kiềm;

- chữ cái sau biểu thị hình dạng của liên kết:

F - đĩa,

R - hình trụ,

P - ký hiệu chung của các liên kết có hình dạng khác với hình trụ;

– con số hoặc con số cuối cùng cho biết kích thước của liên kết (giá trị danh mục hoặc kích thước biểu thị trực tiếp) (7).

7. Kích thước của cell và pin thông dụng.

Đánh dấu các ví dụ:

R03
- một tế bào kẽm-than chì cỡ ngón tay út. Một tên gọi khác là AAA hoặc.

LR6 - một tế bào kiềm cỡ ngón tay. Một tên gọi khác là AA hoặc.

HR14 – Pin Ni-MH; chữ C cũng được sử dụng để chỉ kích thước.

KR20 – Pin Ni-Cd, kích thước cũng được đánh dấu bằng chữ D.

3LR12 – pin phẳng có điện áp 4,5 V, bao gồm ba tế bào kiềm hình trụ.

6F22 - Pin 9 vôn, bao gồm sáu tế bào phẳng Leclanchet.

CR2032 – pin lithium có đường kính 20 mm và độ dày 3,2 mm.

Xem thêm: