Устройство батарейки: что внутри? химический состав

Принцип работы

На прилавках магазинов представлено множество различных видов батареек. У них есть небольшие различия, но вот работают они все по одной схеме. Если есть старая батарейка, сделайте ее разбор, и вы увидите, какова ее анатомия.

Каждая из них имеет в своем строении несколько элементов, состоящих из:

• положительного полюса – анода (цинк);
• отрицательного полюса – катода (марганец);
• электролита – сухого или жидкого.

Вот эти три компонента батарейки и определяют ее состав.

Принцип работы устройства такой: происходит поступление электрического тока с положительного заряда (анода) на отрицательный (катод)

При этом важно помнить, что необходимо присутствие нагрузки: лампочки, двигателя, диода или какого-либо иного элемента. Отсутствие нагрузки во время соединения «плюса» с «минусом» грозит коротким замыканием

Это интересно: Что нужно знать об инверторах солнечных батарей

Катоды выступают восстановителем. Они получают электроны от поступившего анода. Электролит представляет собой среду для передвижения ионов, образовавшихся в результате химических реакций.

В процессе эксплуатации аккумуляторов постоянно образуются определенные вещества, аноды же в ходе работы элемента приходят в негодность, разрушаются, окисляются. Таким образом источник питания садится.

Многих интересует вопрос: «А возможно ли его заряжать?» Все, что происходит в батарейках – необратимо. Поэтому гальванические элементы не заряжаются. Но с помощью достижений науки есть возможность возвратить изначальное состояние элементам. Для этого необходимо пропустить электрический ток в противоположную сторону, то есть от катода к аноду. Такие источники питания получили название аккумулятора, а сам процесс мы видим на примере обычной зарядки.

Но вот традиционные устройства с помощью этой рецептуры зарядить нельзя. Они не подходят для повторного использования, так как это чревато взрывом или течью химических элементов из корпуса.

Гальванический элемент

Одним из самых распространенных источников тока является гальванический элемент. Его же мы и будем использовать в различных опытах. Поэтому мы рассмотрим его более подробно.

Что такое гальванический элемент простыми словами? Это всем нам хорошо известная батарейка.

Заглянем внутрь нее (рисунок 7), чтобы разобраться, как она работает.

Рисунок 7. Гальванический элемент

Этот элемент в своей основе (рисунок 7, б) представляет собой цинковый корпус 2, внутри которого находится угольный стержень 3. На верхнем конце этого стержня находится металлическая крышка 1.

Стержень окружен смесью 4 оксида марганца (IV) $MnO_2$ и измельченного углерода $C$. Между этой смесью и самим корпусом находится желеобразный раствор соли 5 (хлорида аммония $NH_4Cl$).

В чем же суть? Дело в том, что цинк $Zn$, из которого состоит корпус, взаимодействует с хлоридом аммония $NH_4Cl$. Идет химическая реакция. Цинковый сосуд приобретает отрицательный заряд.

А вот оксид марганца имеет положительный заряд. Угольный стержень передает его на металлическую крышку.

Итак, мы имеем отрицательно заряженный корпус и положительно заряженный стержень. Они будут называться электродами. Между ними возникает электрическое поле.

Само понятие электрода синонимично с понятием полюса. «Электрод» больше используется в описании электрических явлений и приборов, а «полюс» чаще применяют, когда говорят о магнитах.

Соединим эти два электрода проводником. По нему потечет электрический ток. Так энергия химических реакций превращается в электрическую.

{"questions":,"answer":}}}]}

Конструкция[править | править код]

Аккумуляторная батарея конструктивно выполняется, как правило, в едином корпусе в котором находятся несколько соединённых электрически аккумуляторных элементов. Наружу корпуса выведены обычно 2 контакта для подсоединения к зарядному устройству и/или потребляющей цепи. Аккумуляторная батарея может иметь также вспомогательные устройства, обеспечивающие эффективность и безопасность её эксплуатации: термодатчики, электронные устройства защиты как аккумуляторных элементов, входящих в состав батареи, так и батареи в целом (например, у литий-ионного аккумулятора). Аккумуляторная батарея и батарея гальванических элементов используется в качестве источника постоянного тока.

В основном под элементами питания подразумевают химический источник тока, однако существуют элементы и батареи на иных физических принципах. Например, ядерные элементы питания на бета-распаде (так называемые бета-вольтаические элементы питания (англ.)русск.).

Последовательное соединение

Чаще всего электрохимические элементы в батарее соединяются последовательно. Напряжение отдельного элемента определяется материалом его электродов и составом электролита и не может быть изменено. Последовательное соединение нескольких элементов повышает выходное электрическое напряжение батареи, причём полное напряжение батареи при последовательном соединении равно сумме напряжений всех элементов. Предельный отдаваемый ток последовательной батареи не превышает тока самого слаботочного элемента.

Недостаток последовательного соединения — неравномерность разрядки и зарядки при неоднородных элементах, входящих в батарею, при элементарном включении в цепь зарядки/разрядки, более ёмкие элементы недоразряжаются, а менее ёмкие переразряжаются. Для некоторых типов аккумуляторных элементов, например литиевых, переразряд ведёт к выходу их из строя. Поэтому батареи литиевых элементов обычно снабжаются встроенными или внешними электронными схемами управления оптимизации разряда. Аналогичные проблемы возникают при заряде батареи аккумуляторных элементов. Так, как при последовательном соединении электрический заряд, протекший через каждый элемент, равен, это ведёт к перезаряду менее ёмких элементов и недозаряду более ёмких. Ёмкость даже однотипных элементов немного разнится из-за неизбежного технологического разброса и может стать существенно разной после многократных циклов заряда/разряда. Поэтому современные батареи аккумуляторов обычно снабжаются электронными схемами оптимизации заряда.

Примером аккумуляторной батареи с последовательным соединением аккумуляторных элементов является любой автомобильный аккумулятор, содержащий 6 или 12 элементов.

• 9-вольтовая щелочная батарея типоразмера 6F100 из 6 последовательно соединённых плоских элементов по 1,5 В
• 6-вольтовая щелочная батарея типоразмера 4LR44 из 4 последовательно соединённых миниатюрных гальванических элементов LR44 по 1,5 В
• 12-вольтовая щелочная батарея типоразмера А23 из 8 последовательно соединённых миниатюрных гальванических элементов LR932 по 1,5 В

Параллельное соединение

Параллельное соединение электрохимических элементов в батарею увеличивает общую ёмкость батареи, повышает предельный отдаваемый ток и снижает её внутреннее сопротивление. Параллельное соединение имеет ряд недостатков. При неравенстве ЭДС параллельно соединённых элементов между элементами начинают протекать уравнительные токи, при этом элементы с большей ЭДС отдают ток элементам с меньшей ЭДС. В аккумуляторных батареях такое перетекание токов не очень существенно, так как элементы с большей ЭДС, разряжаясь, подзаряжают элементы с меньшей ЭДС. В не-аккумуляторных батареях протекание уравнительных токов ведёт к снижению ёмкости батареи. Кроме того, при параллельном соединение элементов усложняется режим зарядки аккумуляторной батареи, так как обычно требует раздельную зарядку каждого из элементов и коммутацию элементов при зарядке, что усложняет внутреннюю или внешнюю электронную схему управления зарядкой. Поэтому параллельное соединение аккумуляторных элементов применяется редко, предпочтительно применяют элементы большей ёмкости.

Компоновка АКБ

С внешней стороны корпуса такая АКБ имеет элементы, показанные на рисунке ниже.

Компоновка кислотной аккумуляторной батареи (АКБ)

Из него видно, что прочный пластмассовый корпус закрыт герметично крышкой и сверху оборудован двумя клеммами. Они обычно имеют конусную форму, для подключения к электрической схеме автомобиля. На их выводах выбита маркировка полярности: «+» и «-». При этом есть одно правило: во избежании ошибок при подключении, диаметр положительной клеммы немного больше, чем у отрицательной.

У обслуживаемых аккумуляторных батарей сверху каждой банки помещена заливная горловина, чтобы контролировать уровень электролита либо доливки дистиллированной воды при эксплуатации. В нее вворачиваются пробка, предохраняющая внутренние полости банки от попадания загрязнений и одновременно не дает выливаться электролиту при наклонах АКБ.

Для того, чтобы предотвратить бурное выделение газов из электролита, который возможен при интенсивной езде, в пробках делаются отверстия для предотвращения повышения давления внутри банки. И через эти отверстия выходят кислород и водород, а также пары электролита. Такие ситуации, связанные с чрезмерными токами заряда, желательно избегать.

На том же рисунке выше показано соединение элементов между банками и расположение пластин-электродов.

Стартерные автомобильные АКБ (свинцово-кислотные) работают по принципу двойной сульфатации. На них во время разряда/заряда происходит электрохимический процесс, что сопровождается изменением химического состава активной массы электродов с выделением или поглощением в электролит (серную кислоту) воды.

Этим явлением можно объяснить повышение удельной плотности электролита при заряде, а так же снижение при разряде батареи. Иными словами, величина плотности дает возможность оценивать электрическое состояние АКБ. Для ее замера используют специальный прибор — автомобильный ареометр.

В состав электролита кислотных батарей входит дистиллированная вода. Она же при отрицательной температуре переходит в твердое состояние — лед. Поэтому, чтобы автомобильные аккумуляторы не замерзали в холодное время, необходимо применять специальные меры, предусмотренные правилами эксплуатации.

Применение

Различные виды могут применяться по-разному, зависит это от их основных конструктивных свойств и характеристик:

• Элементы питания с твердым электролитом используют в устройствах с малым значением потребляемого тока. Например, часы фонарики с малой мощностью, а также пульты дистанционного управления.
• Щелочные батарейки применяют в электротехнике с повышенным значением тока, к ним можно отнести различные камеры и магнитофоны, а также игрушки с электродвигателем.
• Источники питания с серебряными электродами способны обеспечить электроэнергией в калькуляторах, переносных инструментах и аппаратах для улучшения слуха.
• Литиевые батарейки используют в портативной электронике, где необходимо стабильное значение емкости и потребляемого тока.

Лучшие аккумуляторные батарейки

Bmw i8: огонь, батарейка! Аккумуляторные батарейки представляют собой химические источники тока, отличающиеся от многих других, прежде всего, своим многоразовым использованием. Это связано с тем, что все химические процессы, которые в них происходят, являются обратимыми и достигается многократное циклическое использование изделий для накопления энергии. Так можно обеспечить длительную автономность разнообразных приборов и устройств.

Ventura GP 6-4.5 4.5 А·ч

Этот аккумулятор выполнен из свинца. В нем используется сухой элемент и AGM. Номинальное напряжение, которое способна обеспечить данная батарейка, достигает 6 В. Ее емкость составляет 4,5 Ач., максимальный срок службы ограничен 6 годами. Длина изделия составляет 70 мм, высота с учетом контактного провода — 107 мм, ширина — 47 мм. Подходит такая батарея для UPS и внутренней установки. Вес аккумулятора достигает 730 грамм. Производитель предусмотрел в нем вывод Ш-4.8.

Достоинства

• Значительная емкость;
• Длительный срок использования;
• Небольшие габариты;
• Возможность внутренней установки;
• Высокое номинальное напряжение.

Недостатки

• Относительно высокая цена;
• Снижение длительности эксплуатации при нарушении правил производителя.

Для того чтобы аккумулятор хорошо работал длительное время, необходимо обратить внимание на особенности его использования, которые указал производитель в инструкции по эксплуатации

Delta Gel 12-20

Устройство такого типа представляет собой герметизированный необслуживаемый свинцово-кислотный аккумулятор. Для его производства использовались несколько методов, таких как AGM+GEL: combined AGM и GEL technology. Посредством этого удалось добиться высоких зарядных характеристик и неплохой эксплуатационной устойчивости. Использоваться данные аккумуляторы могут и в буферном, и в циклическом режиме. Их можно устанавливать для обеспечения функционирования автономных энергоресурсов. Срок службы достигает 10-12 лет. Номинальная емкость при температуре 25 градусов по Цельсию после 20-часового заряда составляет 20 Ач. Саморазряд достигает 3% емкости в месяц при температуре хранения в пределах 20 градусов по Цельсию. Габариты устройства следующие: 181х77х167 мм. Вес достигает 5,22 кг.

Достоинства

• Длительный срок службы;
• Компактные габариты;
• Глубокий разряд;
• Возможность использовать с альтернативными источниками энергии;
• Небольшой вес.

Недостатки

• Сравнительно высокая цена;
• Непривычная маркировка производителя.

Батарею такого типа можно использовать в походных условиях для обеспечения работы ряда устройств.

Security Force SF 1207

Перед тем, как приобретать необходимо обратить внимание, что такие качественные аккумуляторы созданы специально для охранно-пожарных систем домов. Они являются стационарными, относятся к свинцово-кислотному типу необслуживаемых аккумуляторов. Для их производства применяется уже проверенная технология AGM

Изделия могут использоваться и в буферном, и в циклическом режиме. Срок их службы ограничен 3-6 годами. Внутреннее сопротивление заряженной на 100% батареи достигает при температуре 25 градусов Цельсия 30 мОм. Саморазряд в таких же условиях составляет 3% емкости в месяц. Габариты аккумулятора следующие: 151х65х94 мм, номинальное напряжение — 12 В. Емкость достигает 7 Ач

Для их производства применяется уже проверенная технология AGM. Изделия могут использоваться и в буферном, и в циклическом режиме. Срок их службы ограничен 3-6 годами. Внутреннее сопротивление заряженной на 100% батареи достигает при температуре 25 градусов Цельсия 30 мОм. Саморазряд в таких же условиях составляет 3% емкости в месяц. Габариты аккумулятора следующие: 151х65х94 мм, номинальное напряжение — 12 В. Емкость достигает 7 Ач.

Достоинства

• Нет ограничений на воздушные перевозки;
• Соответствие UL;
• Возможность эксплуатации в любом положении;
• Высокая плотность энергии;
• Длительный срок службы;
• Низкий саморазряд.

Недостатки

Несоответствие емкости.

Корпус аккумулятор выполнен из пластика ABS. Он отличается свойством, обеспечивающим отсутствие поддержки горения. Заряжать изделие можно от обычной розетки с напряжением 220 В.

Что такое полупроводниковый диод – выпрямитель переменного тока

Диодами называют двухэлектродные приборы, обладающие односторонней проводимостью электрического тока. Это их основное свойство используют, например, в выпрямителях, где диоды преобразуют переменный ток электросети в ток постоянный для питания радиоаппаратуры, в приемниках — для детектирования модулированных колебаний высокой частоты, то есть преобразования их в колебания низкой (звуковой) частоты.

Наглядной иллюстрацией этого свойства диода может быть такой опыт. В цепь, составленную из батареи 3336Л и лампочки от карманного фонаря (3,5 В X 0,26 А), включи любой плоскостной диод, например, из серии Д226 или Д7, но так, чтобы анод диода, обозначаемый условно треугольником, был бы соединен непосредственно или через лампочку с положительным полюсом батареи, а катод, обозначаемый черточкой, к которой примыкает угол треугольника, с отрицательным полюсом батареи. Лампочка должна гореть.

Размеры диодов.

Измени полярность включения батареи на обратную — лампочка гореть не будет. Если сопротивление диода измерять омметром, го в зависимости от того, как подключить его к зажимам прибора, омметр покажет различное сопротивление: в одном случае малое (единицы или десятки ом), в другом — очень большое (десятки и сотни килоом). Этим и подтверждается односторонняя проводимость диода.

У диода два электрода: катод — отрицательный и анод — положительный (рис. 13). Катодом служит пластинка германия, кремния или какого-либо другого полупроводника, обладающего электронной проводимостью, или сокращенно полупроводник n-типа (n — начальная буква латинского слова negativus — «отрицательный»), а анодом – часть объема этой же пластинки, но- с так называемой дырочной про-водимостью, или сокращенно полупроводник р-типа (р — начальная буква латинского слова positivus — «положительный»).

Между электродами образуется так называемый р-n переход — пограничная зона, хорошо проводящая ток от анода к катоду и плохо в обратном направлении (за направление тока принято направление, противоположное движению электронов). Диод может находиться в одном из двух состояний: открытом, то есть пропускном, либо закрытом, то есть непропускном. Диод бывает открыт, когда к нему приложено прямое напряжение Uпр, иначе, его анод соединен с плюсом источника напряжения, а катод — с минусом.

В этом случае сопротивление р-n перехода диода мало и через него течет прямой ток IПр, сила которого зависит от сопротивления нагрузки (в нашем опыте — лам-почка от карманного фонаря). При другой полярности питающего напряжения на р-n переход диода прикладывается обратное напряжение Uобр. В этом случае диод закрыт, его сопротивление велико и в цепи течет лишь незначительный обратный ток диода Iобр. О зависимости тока, проходящего через диод, от значения и полярности напряжения на его электродах лучше всего судить по вольтамперной характеристике диода, которую можно снять опытным путем.

Разные типы диодов.

Устройство батарейки

Конструкционные особенности батареек связаны, прежде всего, с их размерами и формой.

Цилиндрической

Цилиндрическая батарейка имеет вытянутый корпус. Оболочка в таких элементах чаще состоит из металла. Эта часть надёжно изолирована от внутренних деталей.

Сразу после диэлектрической оболочки следует тонкий стакан из токопроводящего металла (цинка в солевых батареях). Этот элемент соединяется с отрицательным выводом батарейки.

В середине цилиндрического элемента питания располагается графитовый стрежень, который является положительным выводом. В контактной части на эту деталь надевается металлический колпачок для защиты от механических повреждений.

В пространстве между центральным стержнем и отрицательной оболочкой находится электролит и деполяризующая смесь.

Круглой (миниатюрной)

Кнопочная батарея является незаменимым элементом питания в наручных часах и других миниатюрных электрических устройствах. Срок службы таких батареек, как правило, выше чем у пальчиковых, но причина длительной работы связана, прежде всего, с небольшим электропотреблением устройств, в которые устанавливается данный элемент.

Состоит такая батарейка из положительного и отрицательного полюсов, между которыми находятся вещества, вступающие в химическую реакцию при подключении к источнику тока потребителей.

Разноимённые контакты в таких изделиях надёжно изолированы друг от друга диэлектрическим материалом. Наиболее часто кнопочные батареи производят по воздушно-цинковой технологии.

Крона

Крона отличается от других батареек тем, что внутри элемента находится 6 небольших источников питания по 1,5 Вольт. Принцип работы каждого отдельного изделия не отличается от пальчиковых или кнопочных батарей.

Корпус батарейки «Крона» изготавливается из металла, но также может использоваться прочный пластик. Отдельные элементы располагаются сверху вниз и подключаются последовательно. Положительный и отрицательный выводы находятся на одной из плоскостей, которая изготавливается из диэлектрика.

Какие бывают батарейки

Батарейки в зависимости от “начинки” разделяются на несколько видов. Солевые конструкции намного дешевле щелочных. Их выпуском занимаются такие , «Сони», «Тошиба». Они являются потомками марганцево-цинковых конструкций. Их рекомендуют использовать в устройствах с низким уровнем потребления напряжения, таких как часы, электронные весы, пульты управления.

Наиболее известные , «Сони» и «Тошиба»

Существенным недостатком этих элементов является короткое время работы заряда. Они быстро расходуют свой ресурс. При длительном использовании элементы подобного типа начинают течь. При отрицательных температурах солевые конструкции не работают.

Щелочные устройства появились относительно недавно, в 60-х гг. прошлого века. Первыми их начала выпускать . Данный тип батарей более надежен и имеет большую мощность.

При длительном хранении в отличие от солевых батарей они не теряют свой заряд. На таких элементах всегда присутствует надпись “alkaline”. Но и у них есть недостатки. Такие элементы более массивны. Их устанавливают в детских игрушках, радио, ночниках, иными словами, в приборах, потребляющих большое количество энергии. Еще один недостаток – высокая стоимость.

Третий вид ртутных изделий менее популярен, т.к. не получил широкого распространения в силу ряда причин. В первую очередь от их применения пришлось отказаться из-за вещества, за счет которого осуществляется их работа. Ртуть может нанести вред здоровью человека.

У этих элементов есть 1 существенное преимущество перед другими видами. Существует возможность их повторной зарядки, но даже это не повлияло на их востребованность. Плюсами этих элементов являются стабильная работа при низких температурах и длительные сроки хранения без утраты заряда.

Домашнее зарядное устройство для батареек

Наименее популярны серебряные элементы. В состав их электродов входит серебро. За счет этого увеличивается срок службы, повышается энергетическая плотность и постоянное номинальное напряжение. Большим минусом является их высокая стоимость. Существенным плюсом – высокая емкость, которая во много раз превосходит подобный показатель у солевых и щелочных элементов питания.

Они одинаково хорошо работают и при высоких, и при низких температурах. Срок функционирования – достаточно велик по сравнению с другими типами элементов.

Литиевые конструкции были разработаны последними. Они объединили в себе самые лучшие свойства остальных типов батарей. Их можно эксплуатировать практически в любых условиях, имеется возможность их дальнейшей подзарядки.

Они являются самыми надежными элементами. Их рекомендуется использовать в приборах с большим энергопотреблением.

Различия устройства разных типов батареек

Элементы питания различаются не только по типу веществ, участвующих в образовании заряда. Разделяются батарейки на группы по своей форме и размерам.

По форме все элементы распределяются на 3 группы:

1. Дисковые.
2. Цилиндрические.
3. Квадратные.

Дисковые батарейки являются наиболее востребованными.

Существуют 2 способа их маркировки: американская (менее распространена) и европейская (более привычна). Маркировка помогает точно подобрать необходимый для прибора элемент питания.

Цилиндрические батарейки

Цилиндрические батарейки

Самые маленькие изделия имеют маркировку – А23. Их называют мини-мизинчиковыми. Следующие, по списку – пальчиковые, их маркировка – АА. Потом следуют мизинчиковые – ААА. Редко для устройства могут понадобиться маленькие мизинчиковые – АААА.

Следующие 2 вида практически не используются: средняя – С и большая – D.

У цилиндрических устройств показатель напряжения доходит до 6V.

Квадратные батарейки

Квадратные батарейки

Самое большое напряжение выдают батарейки, имеющие квадратную форму, – до 9V. Но и этот тип почти не востребован.

На любом элементе питания обязательно указывается вид применяемого электролита. Размер каждого типа элемента питания может отличаться на 1-2 мм в зависимости от производителя.

Причина таких отличий кроется в толщине оболочки, которая используется для защиты от падения и неблагоприятных воздействий окружающей среды. Чаще всего на ней указывается название фирмы-производителя и маркировка.

Брендовые конструкции отличаются высоким качеством и имеют гарантию. На некоторых видах элементов питания есть особая маркировка – «rechargeable». Данная надпись означает, что элемент питания можно зарядить с помощью специального устройства.

Основные выводы

То, что у любого диодного элемента есть анод и катод, знает большинство людей, показать их способны немногие. Зная все способы проверки, можно применять их по отдельности или комбинировать, так как ни один не идеален. Техническая документация и визуальный осмотр не позволяют определить работоспособность полупроводника. Тестер не всегда можно использовать для прозвона мощных источников света

Подключение к питанию дает самые точные результаты, но требует осторожности

Чтобы лучше запомнить, как определить расположение диодного элемента по схеме, придуман простой способ:

Кроме букв на изображении можно увидеть стрелки, ток течет именно туда, куда они направлены.

Током называется движение частиц в определенном направлении

Какие это частицы (молекулы, атомы, электроны, ионы, дырки), неважно. Важно знать другое – ток всегда течет от плюса к минусу

Плюс – это много, минус – мало.

Если для тестирования используется батарейка, необходимо знать, как на ней обозначается плюс и минус. Плюс – длинная и тонкая «палочка», минус – кроткая и толстая.

Анод полупроводника подключается к выводу, обозначенному длинной толстой «палочкой», катод – к выводу с короткой толстой. В анод ток входит, из катода выходит и возвращается на минус источника питания. При обратном подключении тока почти нет.

Если один из выводов полупроводника подключается к источнику переменного напряжения, из другого выходит ток с постоянным напряжением. Полярность зависит от того, как полупроводниковый элемент подключен. Если напряжение на аноде положительное, на выходе будет такое же. При положительном напряжении на катоде на выходе оно отрицательное.

Как вам статья?

Мне нравится11Не нравится14

Павел Бакалавр «210400 Радиотехника» – ТУСУР. Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники
Написать Пишите свои рекомендации и задавайте вопросы