Batteriewelt - Teil 3

Die Geschichte moderner Batterien beginnt im XNUMX. Jahrhundert und die meisten der heute verwendeten Designs stammen aus diesem Jahrhundert. Diese Situation zeugt einerseits von den hervorragenden Ideen der damaligen Wissenschaftler, andererseits von den Schwierigkeiten, die sich bei der Entwicklung neuer Modelle ergeben.

Nur wenige Dinge sind so gut, dass sie nicht verbessert werden können. Diese Regel gilt auch für Batterien – Modelle aus dem XNUMX. Jahrhundert wurden viele Male verfeinert, bis sie ihre heutige Form annahmen. das gilt auch für Leclanche-Zellen.

Link zur Verbesserung

Das Design des französischen Chemikers wurde geändert Carl Gassner zu einem wirklich nützlichen Modell: günstig in der Herstellung und sicher in der Anwendung. Es gab jedoch immer noch Probleme – die Zinkbeschichtung des Elements korrodierte bei Kontakt mit dem sauren Elektrolyten, der die Schüssel füllte, und herausspritzende aggressive Inhalte könnten das angetriebene Gerät beschädigen. Die Entscheidung wurde Verschmelzung die Innenfläche des Zinkkörpers (Quecksilberbeschichtung).

Zinkamalgam reagiert praktisch nicht mit Säuren, behält aber alle elektrochemischen Eigenschaften von reinem Metall. Aufgrund von Umweltvorschriften wird diese Methode zur Verlängerung der Lebensdauer der Zellen jedoch immer seltener angewendet (auf quecksilberfreien Zellen finden Sie die Aufschrift oder) (1).

2. Aufbau der alkalischen Zelle: 1) Gehäuse (Kathodenleitung), 2) Kathode mit Mangandioxid, 3) Elektrodenseparator, 4) Anode mit KOH und Zinkstaub, 5) Anodenanschluss, 6) Zelldichtung (Elektrodenisolator). .

Eine weitere Möglichkeit, die Langlebigkeit und Lebensdauer der Zellen zu erhöhen, besteht darin, sie hinzuzufügen Zinkchlorid ZnCl₂ für Tassenfüllpaste. Zellen dieses Designs werden oft als „Heavy Duty“ bezeichnet und sind (wie der Name schon sagt) für den Betrieb energieintensiverer Geräte konzipiert.

Ein Durchbruch auf dem Gebiet der Einwegbatterien war 1955 der Bau von alkalische Zelle. Erfindung eines kanadischen Ingenieurs Lewis Urry, das von der aktuellen Energizer-Firma verwendet wird, hat eine Struktur, die sich leicht von der der Leclanchet-Zelle unterscheidet.

Erstens werden Sie dort weder eine Graphitkathode noch einen Zinkbecher finden. Beide Elektroden bestehen aus nassen, getrennten Pasten (Verdickungsmittel plus Reagenzien: Die Kathode besteht aus einer Mischung aus Mangandioxid und Graphit, die Anode aus Zinkstaub mit einer Beimischung von Kaliumhydroxid) und ihre Anschlüsse bestehen aus Metall ( 2). Allerdings sind die Reaktionen, die im Betrieb ablaufen, denen in der Leclanchet-Zelle sehr ähnlich.

Aufgabe. Führen Sie eine „chemische Autopsie“ einer alkalischen Zelle durch, um herauszufinden, dass der Inhalt tatsächlich alkalisch ist (3). Denken Sie daran, dass für die Demontage der Leclanchet-Zelle dieselben Vorsichtsmaßnahmen gelten. Informationen zur Identifizierung einer Alkalizelle finden Sie im Feld „Batteriecode“.

3. „Abschnitt“ der Alkalizelle bestätigt den Alkaligehalt.

Selbstgemachte Batterien

4. Inländische Ni-MH- und Ni-Cd-Batterien.

Zellen, die nach Gebrauch wieder aufgeladen werden können, waren von Beginn der Entwicklung der Elektrizitätswissenschaft an das Ziel von Designern, weshalb es viele Arten von Zellen gibt.

Derzeit ist eines der Modelle, mit denen kleine Haushaltsgeräte betrieben werden Nickel-Cadmium-Batterien. Ihr Prototyp erschien 1899, als ein schwedischer Erfinder ihn herstellte. Ernst Jungner hat ein Patent für eine Nickel-Cadmium-Batterie angemeldet, die mit in der Automobilindustrie bereits weit verbreiteten Batterien konkurrieren könnte. Blei-Säure-Batterie.

Die Anode der Zelle besteht aus Cadmium, die Kathode aus einer dreiwertigen Nickelverbindung und der Elektrolyt aus einer Kaliumhydroxidlösung (in modernen „trockenen“ Designs eine feuchte Paste aus Verdickungsmitteln, die mit einer KOH-Lösung gesättigt ist). Ni-Cd-Akkus (so ihre Bezeichnung) haben eine Betriebsspannung von ca. 1,2 V – das ist weniger als die von Einwegzellen, was für die meisten Anwendungen jedoch kein Problem darstellt. Der große Vorteil ist die Fähigkeit, erhebliche Ströme (sogar einige Ampere) zu verbrauchen und einen großen Betriebstemperaturbereich zu nutzen.

5. Überprüfen Sie vor dem Laden die Anforderungen für verschiedene Batterietypen.

Der Nachteil von Nickel-Cadmium-Akkus ist ein belastender „Memory-Effekt“. Dies tritt auf, wenn teilweise entladene Ni-Cd-Akkus häufig aufgeladen werden: Das System verhält sich so, als ob seine Kapazität nur der durch das Aufladen wiederaufgefüllten Ladung entspricht. Bei manchen Ladegeräten lässt sich der „Memory-Effekt“ reduzieren, indem die Zellen in einem speziellen Modus geladen werden.

Daher sollten entladene Nickel-Cadmium-Akkus in einem vollständigen Zyklus aufgeladen werden: zunächst vollständig entladen (mit der entsprechenden Ladefunktion) und dann wieder aufgeladen werden. Durch häufiges Aufladen verringert sich auch die geschätzte Lebensdauer von 1000–1500 Zyklen (d. h. viele Einwegzellen werden im Laufe ihrer Lebensdauer durch eine einzelne Batterie ersetzt, sodass sich die höheren Anschaffungskosten um ein Vielfaches amortisieren, ganz zu schweigen von der wesentlich geringeren Belastung der Batterie ). Umwelt bei der Herstellung und Entsorgung von Zellen).

Ni-Cd-Elemente, die giftiges Cadmium enthalten, wurden ersetzt Nickel-Metallhydrid-Batterien (Ni-MH-Bezeichnung). Ihr Aufbau ähnelt Ni-Cd-Batterien, jedoch wird anstelle von Cadmium eine poröse Metalllegierung (Ti, V, Cr, Fe, Ni, Zr, Seltenerdmetalle) mit der Fähigkeit zur Wasserstoffaufnahme verwendet (4). Die Betriebsspannung der Ni-MH-Zellen beträgt ebenfalls etwa 1,2 V, wodurch sie austauschbar mit NiCd-Akkus verwendet werden können. Die Kapazität von Nickel-Metallhydrid-Zellen ist größer als die von Nickel-Cadmium-Zellen gleicher Größe. NiMH-Systeme entladen sich jedoch schneller. Es gibt bereits moderne Designs, die diesen Nachteil nicht haben, aber sie kosten deutlich mehr als Standardmodelle.

Nickel-Metallhydrid-Akkus weisen keinen „Memory-Effekt“ auf (teilentladene Zellen können wieder aufgeladen werden). Es ist jedoch immer notwendig, die Ladeanforderungen jedes Typs in der Anleitung des Ladegeräts (5) zu überprüfen.

Bei Ni-Cd- und Ni-MH-Akkus empfehlen wir, diese nicht zu zerlegen. Erstens werden wir darin nichts Nützliches finden. Zweitens sind Nickel und Cadmium keine sicheren Elemente. Gehen Sie kein unnötiges Risiko ein und überlassen Sie die Entsorgung geschultem Fachpersonal.

Der König der Akkus, das ist...

6. „König der Batterien“ bei der Arbeit.

… Blei-Säure-Batterie, 1859 von einem französischen Physiker erbaut Gastona Plantego (Ja, ja, das Gerät wird dieses Jahr 161 Jahre alt!). Der Batterieelektrolyt besteht aus etwa 37 %iger Schwefelsäure (VI)-Lösung, und die Elektroden bestehen aus Blei (Anode) und sind mit einer Schicht aus Bleidioxid PbO beschichtet.₂ (Kathode). Während des Betriebs bildet sich an den Elektroden ein Niederschlag aus Blei(II)(II)PbSO-Sulfat₄. Beim Laden liegt an einer Zelle eine Spannung von mehr als 2 Volt an.

Bleibatterie Es hat tatsächlich alle Nachteile: erhebliches Gewicht, Empfindlichkeit gegenüber Entladung und niedrigen Temperaturen, die Notwendigkeit, im geladenen Zustand zu lagern, das Risiko aggressiver Elektrolytlecks und die Verwendung giftiger Metalle. Darüber hinaus ist eine sorgfältige Handhabung erforderlich: Überprüfung der Dichte des Elektrolyten, Zugabe von Wasser in die Kammern (nur destilliertes oder entionisiertes verwenden), Spannungsregelung (Ein Absinken unter 1,8 V in einer Kammer kann zur Beschädigung der Elektroden führen) und einen speziellen Lademodus.

Warum wird die antike Struktur noch immer genutzt? Der „König der Akkumulatoren“ hat das, was einen echten Herrscher ausmacht: Macht. Dafür sorgen ein hoher Stromverbrauch und eine hohe Energieeffizienz von bis zu 75 % (diese zum Laden aufgewendete Energiemenge kann im Betrieb zurückgewonnen werden) sowie ein einfaches Design und niedrige Produktionskosten Bleibatterie Es dient nicht nur zum Starten von Verbrennungsmotoren, sondern auch als Element der Notstromversorgung. Trotz 160 Jahren Geschichte läuft die Bleibatterie immer noch gut und wurde nicht durch andere Arten dieser Geräte verdrängt (und damit auch das Blei selbst, das dank der Batterie zu den Metallen gehört, die in den größten Mengen produziert werden). . Solange sich die Motorisierung auf Basis von Verbrennungsmotoren weiterentwickelt, dürfte ihre Position nicht gefährdet sein (6).

Die Erfinder haben nicht aufgehört, einen Ersatz für die Blei-Säure-Batterie zu schaffen. Einige der Modelle erfreuten sich großer Beliebtheit und werden noch heute in der Automobilindustrie eingesetzt. An der Wende vom XNUMX. zum XNUMX. Jahrhundert entstanden Entwürfe, bei denen keine H-Lösung zum Einsatz kam.₂SO₄aber alkalische Elektrolyte. Ein Beispiel ist die oben gezeigte Nickel-Cadmium-Batterie von Ernst Jungner. Im Jahr 1901 Thomas Alva Edison Das Design wurde geändert, um Eisen anstelle von Cadmium zu verwenden. Im Vergleich zu Säurebatterien sind Alkalibatterien viel leichter, können bei niedrigen Temperaturen betrieben werden und sind nicht so schwer zu handhaben. Allerdings ist ihre Herstellung teurer und die Energieeffizienz geringer.

Und was dann?

Natürlich erschöpfen die Artikel zu Batterien die Fragen nicht. Sie diskutieren beispielsweise nicht über Lithiumzellen, die häufig auch zur Stromversorgung von Haushaltsgeräten wie Taschenrechnern oder Computer-Motherboards verwendet werden. Mehr darüber erfahren Sie im Januar-Artikel über den letztjährigen Nobelpreis für Chemie und im praktischen Teil – in einem Monat (einschließlich Abriss und Erfahrung).

Gute Aussichten gibt es für Zellen, insbesondere Batterien. Die Welt wird immer mobiler und damit auch die Notwendigkeit, unabhängig von Stromkabeln zu werden. Auch die Sicherstellung einer effizienten Energieversorgung für Elektrofahrzeuge ist ein großes Problem. – damit sie auch hinsichtlich der Effizienz mit Autos mit Verbrennungsmotor mithalten können.

Akkumulatorbatterie

Um die Identifizierung des Zelltyps zu erleichtern, wurde ein spezieller alphanumerischer Code eingeführt. Bei den in unseren Haushalten am häufigsten vorkommenden Typen von Kleingeräten hat es die Form Zahl-Buchstabe-Buchstabe-Zahl.

Und ja:

- die erste Ziffer ist die Anzahl der Zellen; wird für einzelne Zellen ignoriert;

– Der erste Buchstabe gibt den Zelltyp an. Wenn es fehlt, handelt es sich um den Leclanche-Link. Andere Zelltypen sind wie folgt gekennzeichnet:

C – Lithiumzelle (der häufigste Typ),

H – Ni-MH-Akku,

K – Nickel-Cadmium-Batterie,

L – alkalische Zelle;

- Der folgende Buchstabe gibt die Form des Links an:

F - Platte,

R - zylindrisch,

P - die allgemeine Bezeichnung von Gliedern mit einer anderen als der zylindrischen Form;

– Die endgültige Zahl oder die endgültigen Zahlen geben die Größe des Links an (Katalogwerte oder direkte Maßangaben) (7).

7. Abmessungen gängiger Zellen und Batterien.

Kennzeichnungsbeispiele:

R03
- eine Zink-Graphit-Zelle in der Größe eines kleinen Fingers. Eine andere Bezeichnung ist AAA bzw.

LR6 - eine alkalische Zelle von der Größe eines Fingers. Eine andere Bezeichnung ist AA oder.

HR14 – Ni-MH-Akku; Der Buchstabe C wird auch zur Angabe der Größe verwendet.

KR20 – Ni-Cd-Akku, dessen Größe ebenfalls mit dem Buchstaben D gekennzeichnet ist.

3LR12 – eine Flachbatterie mit einer Spannung von 4,5 V, bestehend aus drei zylindrischen Alkalizellen.

6F22 - 9-Volt-Batterie, bestehend aus sechs Leclanchet-Flachzellen.

CR2032 – Lithiumzelle mit einem Durchmesser von 20 mm und einer Dicke von 3,2 mm.

Siehe auch: