Устройство аккумулятора

Щелочные аккумуляторы и их использование

Аккумуляторы такого типа могут иметь различное наполнение:

• никель + железо;
• никель + кадмий.

В основе таких устройств имеется прямоугольный корпус, сделанный из качественной стали. Внешняя часть батареи для заряда имеет небольшой слой никеля. Внутри устройства есть отрицательные и положительные пластины, причем положительных пластин на одну единицу больше. Все пластины сделаны из стальных ламелей и по внешнему виду одинаковые. На них нанесен небольшой слой никеля. Внутри пластин имеется в небольшом объеме активная масса. Все пластины соединены между собой с помощью ребер. В щелочную АКБ электролит может заливаться только через специальное отверстие, имеющее клапан с целью выпуска излишков газов.

Если брать во внимание никель-кадмиевые батареи, то они практически ничем не отличаются от никель-железных автономных источников. Главным отличием считается наличие у них сепараторов, которые находятся между пластинами

Если все части аккумулятора работоспособны, то он будет использоваться достаточно долго. Данные устройства преобразовывают электрическую энергию в химическую. Если на клеммы такого устройства поступает ток, то в результате такого действия может произойти обратный процесс.

Принцип работы малогабаритных батарей

В различных устройствах имеются аккумуляторные батареи, которые отдают заряд. С помощью такого заряда другие устройства могут работать длительное время без осуществления подзарядки. К числу таких устройств можно отнести мобильные устройства. У них аккумулятор имеет небольшие размеры. Однако их емкость может быть разной. Банки таких аккумуляторов составляют обычные мягкие пакеты из пластика, которые заполнены литием. Этот химический состав похож по консистенции на сметану. Чтобы выполнить контрольное измерение такой батареи, необходимо использовать специальный прибор, который называется контроллер. Это небольших размеров электронная плата, которая подключается к зарядному устройству и определяет подачу заряда. У таких аккумуляторов нет клемм или контактов. Эту роль берет на себя коннектор, который состоит из многополюсного соединения. Принцип работы такого аккумулятора аналогичен обычным АКБ литий-ионного типа. Однако, их стоимость и габариты значительно меньше.

Правильный подход к выбору аккумуляторной батареи позволит подзаряжать другие устройства, необходимые человеку. Предварительно перед приобретением такого устройства, можно ознакомиться с его параметрами и работоспособностью в Интернете.

Did you find apk for android? You can find new Free Android Games and apps.

Виды батарей

В зависимости от конструкции, аккумуляторные батареи делят на три группы:

• Свинцово-кислотные – самая простая и старая разновидность. Конструкция такой батареи состоит из шести сосудов, наполненных раствором серной кислоты. В этот раствор помещены пластинки из свинца. Работа устройства основывается на взаимодействии свинца с серной кислотой. При разряде происходит восстановительная реакция на катоде, а при заряде – окислительная на аноде. К достоинствам данной разновидности относят невысокую стоимость и возможность восстановить вышедший из строя агрегат, заменив электролит. Некоторые марки аккумуляторов свинцово-кислотного типа возможности восстановления не дают – пробки в банках не выворачиваются. Они справляются с избыточным зарядом, однако при переразряде теряется ёмкость вследствие разрушения пластинок.
• Гелевые – у них принцип действия и конструкция сходны с используемым в свинцово-кислотных устройствах. Разница состоит в том, что в кислоту добавляют кремниевые соединения, вследствие чего она загустевает и превращается в гель. Гелевые, как более современный тип АКБ, лучше – они герметичны и допускается их наклон под любым углом. Гелевые устройства не теряют работоспособности при переразряде, однако они капризны в условиях зарядки.

Особенностью таких аккумуляторов можно назвать и спиральную компоновку, которая обеспечивает минимальную скорость самостоятельного разряда в сочетании с минимальным износом при частом повторении циклов перезарядки

К достоинствам гелевых батарей относят то, что они не требуют профилактических работ. В случае утраты герметичности или повреждения корпуса можно не бояться утечки электролита. Стоимость таких батарей наиболее высока.

AGM – это комбинация двух предыдущих конструкций, в них наполнитель из стекловолокна или другого подобного материала пропитывается электролитом и помещается между пластинками. К достоинствам относят разрешение работать при наклоне под углом и устойчивость к вибрациям. Однако небрежность с границами зарядки и разрядки приводит к выходу из строя.

Характеристики свинцово-кислотных аккумуляторов

Технические характеристики АКБ зависят от их типа. Для наглядности рассмотрены несколько наиболее используемых видов батарей:

• LA – обслуживаемые стартерные;
• VRLA – необслуживаемые, жидкостные;
• VRLA AGM – необслуживаемые, абсорбированные;
• VRLA GEL – необслуживаемые, гелевые;
• OPzV – необслуживаемые, трубчатые, гелевые;
• OPzS – малообслуживаемые, трубчатые.

Вид	LA	VRLA	VRLA AGM	VRLA GEL	OPzV	OPzS
Ёмкость, А∙ч	10-300	1-300	1-3000	1-3000	50-3500	50-3500
Оптимальная глубина разряда, %		30	<40	<50	<60	<60
Напряжение, Вольт	6, 12	4, 6, 12	2, 4, 6, 12	2, 6, 12	2	2
Диапазон рабочих температур, °С	-50…+70	-35…+60	-40…+70	-40…+70	-40…70	-40…70
Минимальное время заряда, ч	8-12	6-10	6-10	8-12	10-14	10-15
Саморазряд, %	3-5	2-3	1-2	1-2	1-2	1-2
Средняя стоимость за аккумулятор 12 В/100 А∙ч, $	70-150	200-250	250-380	350-500	1000-1400	1500-3500
Срок службы, лет	2-5	3-7	5-15	10-15	>20	>25

Благодаря умеренной цене и хорошим показателям, кислотные АКБ получили широкое распространение в технике. В сферу применения свинцовых источников тока входят:

• лёгкий и грузовой автотранспорт, включая сельскохозяйственную технику и моторные лодки;
• системы пожарной безопасности и охраны;
• системы аварийного энергоснабжения;
• системы энергоснабжения в областях, удалённых от стационарной электрической сети;
• контрольно-измерительные приборы для торговли и малого бизнеса;
• источники бесперебойного питания (ИБП) для компьютерной техники;
• запасные источники энергии;
• слаботочные системы;
• инвалидные кресла с электроприводом.

ПИ или ИБП?

В наши дни компьютерный импульсный блок питания (ИБП) может оказаться доступнее трансформатора на железе; вдруг он просто в хламе валяется. ИБП часто переделывают в лабораторные БП, но, вообще говоря, это плохой вариант. Выходное напряжение по каналу +12 В удается задрать максимум до 16-17 В, чего для конструкторско-исследовательских целей маловато. А уровень импульсных помех на выходе тогда, мягко говоря, великоват. Как налаживать УМЗЧ с собственными шумами в –66 дБ (что еще очень скромненько), если по питанию «шерсти прет» на –44 дБ или хуже того? Но вот зарядка для аккумулятора автомобиля на 60 А/ч из ИБП получается отличная, и отдельную защиту городить не надо, все уже есть. Переделывают ИБП в авто ЗУ в целом след. образом:

1. Удаляют выходные провода кроме желтых (+12 В), черных (общий, масса, GND) и зеленого провода логического включения PC ON;
2. Провод PC ON закорачивают на массу (соединяют с любым из черных);
3. Ставят механический выключатель сети, если нет штатного сзади;
4. По схеме или руководствуясь собственным опытом, ищут в обвязке стабилизатора +12 В резистор в цепи обратной связи Rcs;
5. Заменяют его потенциометром на 10 кОм Rн;
6. Вращая движок Rн, устанавливают в канале +12 В напряжение +14,4 В;
7. Замеряют полученное значение Rн и вместо Rcs впаивают постоянный резистор ближайшего номинала из стандартного ряда, допуск на разброс до 2%;
8. По возможности встраивают в ИБП универсальный указатель напряжения и тока (см. далее) для контроля заряда, питание его – от цепи заряда или +5 В (красный провод);
9. Сводят желтые и черные провода в отдельные жгуты, надежно присоединяют к ним токовые шланги с зажимами для подключения к АКБ – зарядка готова!

Виды аккумуляторных батарей

Первый тип — это свинцово-кислотный аккумулятор, был разработан еще в XX столетии. Строение батареи практически не менялось, но некоторые работы по ее усовершенствованию и оптимизации проводились.

Второй тип — это литий-ионный — на рынке подобных товаров существует не так давно, около 20 лет. За это время устройство успело стать популярным и востребованным среди потребителей.

Третий тип — безламельный железоникелевый аккумулятор, на сегодня не используется по причине высокой цены.

Качественные современные аккумуляторы обладают следующими способностями:

• Вырабатывают большие токи.
• Обладают компактными размерами.
• Не требуют особого ухода.
• В эксплуатационный период практически не разряжаются.

Основные характеристики автомобильной батареи

Если говорить о стандартных характеристиках батареи, нужно осветить следующие из них:

• емкость;
• напряжение;
• ток холодной прокрутки.

При приобретении устройства данные показатели можно обнаружить на этикетке аккумулятора или в интернете, на сайте производителя. Когда речь идет о емкости, говорится о полностью заряженном устройстве, которое отдает энергию в течение 20 часов в процессе разряда (автор видео — ChipiDip).

В таком случае размер проявляется в ампер-час. Для сравнения можно взять стандартный аккумулятор автомобиля величиной 55 Ач. Эта батарея при правильной работе должна в течении 20 часов выводить ток 2,75 ампера. Такой разряд в повседневной жизни не практикуется.

Емкость может быть резервной, эта величина обозначается в минутах. Резервная емкость аккумулятора в таком случае может подменить генератор. Величина напряжения на среднестатических легковых машинах устанавливается в размере 12 вольт, а величина тока холодной прокрутки говорит о том, сколько батарея отдает энергии за 10 секунд при температуре в -18 и ниже градусов. Напряжение в таком случае не должно падать ниже 7,5 вольта. Ток прокрутки указывает, сколько времени батарея может крутить стартер в мороз.

Для автомобильного аккумулятора часто используют пусковое устройство. При помощи этого средства можно продлить жизнь батареи, если она работает на износ.

Цена вопроса

Цена, как можно сделать вывод, будет исходить из вида аккумулятора и его составляющих.

Ниже предоставлены цены на батареи:

Что нужно знать про АКБ

Аккумулятор – это контейнер который состоит из шести отдельных секций. Каждая отдельная секция представляет собой отдельный источник питания (вырабатывает каждая секция около 2,1 В), внутри секции находятся две пластины (сделаны из свинца), положительная и отрицательная, отделенные друг от друга.

Масса аккумулятора состоит из: веса электролита, свинцовых пластин и соединений, и составляет примерно 16-17 кг.

В свинцовые пластины добавляют сурьму (для увеличения прочности пластин), но к сожалению наличие сурьмы ведет к выкипанию воды из электролита, из-за чего почти во все типы аккумуляторов надо доливать воду. Благодаря прогрессу количество сурьмы в пластинах удалось уменьшить, что привело к появлению малообслуживаемых и гибридных аккумуляторов.

Сама работа аккумулятора очень проста. На положительном электроде нанесена двуокись свинца (цвет темно-коричневый), на отрицательном – губчатый свинец (серого цвета), внутрь залит электролит – водный раствор серной кислоты. При начале работы (разрядка) активная масса отрицательного электрода превращается в сульфат цинка и отдает в электрическую цепь два электрона, активная масса положительного электрода также преобразуется в сульфат цинка, и принимает из электрической цепи два электрона.

Для преобразования в сульфат цинка, как положительного, так и отрицательного электрода, тратится серная кислота — уменьшается массовая доля электролита. При зарядке, все наоборот, а также идет образование серной кислоты и увеличивается массовая доля электролита.

Аккумуляторные батареи делятся на четыре типа: обслуживаемые, малообслуживаемые, гибридные и необслуживаемые (как выбрать аккумулятор для авто). Обсудим каждую по отдельности:

Обслуживаемые – найти такие трудно, но возможно. По сравнению с другими у них очень много недостатков и мало плюсов, а именно: довольно-таки дорогая стоимость, эбонитовый корпус (очень хрупкий), сверху они заливаются мастикой, которая из-за перепадов температуры и загрязнения теряет свои изоляционные свойства (аккумулятор самопроизвольно разряжается, и очень быстро). Из плюсов можно отметить возможность замены блока пластин. Из минусов — с мастики надо регулярно сдувать (убирать) грязь и часто надо доливать воду, примерно каждые 5-7 тыс.км.

Малообслуживаемые – представлены очень широко, цены на них варьируются, от очень дешевых до дорогих, корпус пластиковый и очень надежный, воду надо заливать примерно каждые 20-30 тыс.км.

Гибридные – относятся к малообслуживаемым, за некоторыми но: решетки положительных и отрицательных электродов состоят из разных сплавов, таким образом «гибридные» аккумуляторы сочетают в себе положительные свойства двух технологий, а именно: высокие пусковые токи, низкий расход воды и «выносливость». Найти такие трудно, да и стоимость высоковата.

Необслуживаемые – расход воды у таких аккумуляторов так мал, что крышек для залива воды уже нет, обслуживания не требуется никакого. Но есть несколько недостатков: надо проверять натяжение ремня генератора, исправность самого генератора, регулятора напряжения и отсутствие утечек тока в системе электрооборудования. Цена на них, как на качественные малообслуживаемые, и если Вы уверены в своем автомобиле – это идеальный вариант.

Заряжать батарею начинают летом – если разрядка составляет 50%, зимой – 25%. Если зимой плотность электролита упала до 1,20 г/см3, то электролит будет замерзать примерно при -20С.

Устройство АКБ

Как устроен автомобильный аккумулятор, можно узнать ниже.

Основные компоненты

Большинство современных легковых машин оснащено свинцово-кислотными устройствами на основе жидкого электролита. Они постоянно обновляются и совершенствуются, а также видоизменяются.

Конструкция аккумуляторной батареи состоит из следующих деталей:

• клеммы;
• выходное отверстие;
• крышка;
• шина;
• корпус;
• сепаратор;
• электроды.

Схема работы аккумулятора

Для соединения клемм используются перемычки для аккумуляторных батарей. Они позволяют соединить несколько аккумуляторов в группу или . Разнозаряженные электроды находятся в одном корпусе и погружены в электролит. Электролит, в который помещаются электроды, готовится из раствора воды и серной кислоты.

Качество этих компонентов имеет большое влияние на продолжительность существования аккумулятора. Электрод имеет вид решетки, которая отводит ток. Она изготавливается из свинцового сплава, в состав которого входят вещества, защищающие металл от разложения. Качество сплава и даже размер решетки – все влияет на работу батареи.

Сепаратор играет роль щита между двумя электродами, имеющими разный заряд. Каждый электрод помещен в сепаратор для защиты от замыкания. Он должен иметь две функции: изолировать электроды друг от друга, но в то же время давать доступ ионам электролита к электродам.

В устройствах, которые изобретены сейчас, электроды составлены из сплава свинца и калия. Благодаря этому саморазряд батареи снижается еще ниже, а также снижается потребление воды. В составе также должен находиться выключатель аккумуляторной батареи, он служит для того, чтобы функции батареи отключались при длительном бездействии машины. Хороший выключатель аккумуляторной батареи должен иметь маленькое сопротивление.

Гелевая батарея фирмы Delta

Особенности конструкции разных видов АКБ

Аккумуляторные батареи могут быть различными:

1. WET аккумулятор с жидким электролитом. Есть несколько разновидностей: электроды — состоят из сплава свинца с сурьмой, где названного элемента содержится до 6 %; необслуживаемые кальциевые, где в сплаве содержится кальций; смешанный – гибрид. В нем содержатся и кальций, и сурьма.
2. AGM аккумулятор, состоящий из стекловолокна, прилегающего к свинцовым пластинам.
3. GEL – в этой батарее электролиты находятся в газообразном виде, который возникает благодаря добавлению в конструкцию кислоту оксида кремния. Данный вид батареи очень редко, практически не применяется в легковых автомобилях, но его можно встретить в трейлерах, мотоциклах и скутерах, а также водных мотоциклах и прочей подобной технике.

Популярность аккумуляторных батарей из стекловолокна повышается благодаря машинам с системой рекуперации энергии торможения и систематикой старт-стоп. В зависимости от этого повышаются и требования.

WET аккумулятор с жидким электролитом

Теперь для автомобильного аккумулятора необходимо иметь:

• ток прокрутки еще мощнее;
• повышенную устойчивость к саморазряду;
• более длительный срок эксплуатации.

Аккумуляторы этого типа пользуются популярностью у водителей машин со множеством электронной техники на борту. На рынках автомобилистов можно встретить аккумуляторы типа EFB, которые в некотором роде схожи с WET батареями. Они находятся на границе между WET и AGM и отличаются тем, что в батареях этого типа залит жидкий кислотный электролит, а электроды покрыты тончайшим микроволокном. Благодаря этому батарея гарантирует большую аккумуляцию энергии в автомобиле, больше держит заряд и имеет мощный токоотвод.

Батареи EFB часто используются в машинах на основе старт-стоп систем. Однако они не настолько популярны, как аккумуляторы WET, так как при покупке придется расщедриться.

При покупке устройства необходимо будет рассчитывать на то, что он будет выделять газы при зарядке. Конечно, современные устройства содержат специальный корпус, который помогает отвести газы. Элементы, которые выделяются при заряде аккумулятора, связаны с выделением воды, а иногда выделяются в атмосферу, если заряд устройства превышает допустимый уровень.

Существуют аккумуляторы с пламегасителем. Это устройство предназначено для того, чтобы внутри аккумулятора погасить пламя, если газы внезапно загорятся. Ниже можно узнать принцип работы аккумулятора.

AGM аккумуляторная батарея

Признаки и причины неисправности аккумуляторной батареи

Производственные дефекты

Разрушение электрода от короткого замыкания в результате повреждения сепаратора при сборке.

Низкие сепараторы-конверты, приводящие к короткому замыканию.

Не полностью формированная активная масса электрода.

Электрод без осыпавшейся активной массы

Дефект	Признаки	Возможная причина
Разрыв электрической цепи внутри АКБ	Напряжение на выводах батареи есть, но стартер не вращается	Разрушение мостиков* между банками. Плохая сварка полюсных клемм и т. п.
Короткое замыкание между положительными и отрицательными электродами (пластинами)	В дефектной банке плотность ниже, чем в остальных. При заряде зарядным устройством дефектная банка не «кипит». При работе стартера в банке происходит интенсивное газовыделение	Повреждение сепаратора или неправильное его размещение в процессе сборки (фото 5). Низкое качество материала сепаратора или отклонение его размеров от допустимых (фото 6). Перекос электродов
Недоформованная активная масса электродов	Полностью заряженная батарея не может обеспечить более двух – трех пусков двигателя, а при заряде и разряде интенсивно «кипит»	Нарушена операция формования – процесс заряда электродов
Отрыв электродов (пластин) от соединительных мостиков	При работе стартера электролит в такой банке «кипит». При бездействии батареи плотность электролита не снижается

Если гарантийный срок не истек и есть подозрение, что неисправность батареи появилась по вине производителя, необходимо обратиться в специализированную мастерскую. При этом надо иметь кассовый или товарный чек, а также гарантийный талон с датой продажи и наименованием организации-продавца. К тому же обязательно, чтобы в нем были указаны характеристики батареи на момент продажи — плотность электролита, напряжение на выводах без нагрузки и т. д. Это поможет проведению экспертизы. В мастерской должны установить причину неработоспособности АКБ или снижения ее характеристик. Результаты исследования батареи заносят в гарантийный талон, и если дефект производственный — АКБ подлежит замене на новую.

Принцип действия аккумуляторов

Принцип действия аккумулятора основан на образовании разности потенциалов между двумя электродами, погруженными электролит.

При подключении нагрузки (электротехнических устройств) к клеммам аккумулятора в реакцию вступают электролит и активные элементы электродов. Происходит процесс перемещения электронов, который, по сути, и является электротоком.

При разряде аккумулятора (подключении нагрузки) губчатый свинец анода выделяет положительные двухвалентные ионы свинца в электролит. Избыточные электроны перемещаются по внешней замкнутой электрической цепи к катоду, где происходит восстановление четырехвалентных ионов свинца до двухвалентных.

Ионы кислорода от диоксида свинца катода и ионы водорода из электролита соединяются, образуя молекулы воды. Поэтому плотность электролита понижается.

При заряде происходят обратные реакции. Под воздействием внешнего напряжения ионы двухвалентного свинца положительного электрода отдают по два электрона и окисляются в четырехвалентные. Эти электроны движутся к аноду и нейтрализуют ионы двухвалентного свинца, восстанавливая губчатый свинец. На катоде, путем промежуточных реакций, снова образуется двуокись свинца.

Из видео Вы сможете более подробно узнать, как работает аккумулятор:

//www.youtube.com/embed/4klbAhYLQnU//www.youtube.com/embed/g85K0lBHrDw

Основные характеристики

1. Плотностью называют характеристику соотношения количества энергии к объему или весу аккумулятора.
2. Емкостью именуют значение максимального заряда аккумулятора, которое он может отдать во время процесса разряда, пока не будет достигнуто наименьшее напряжение. Данный показатель выражается в ампер-часах или кулонах. Также может указываться энергетическая емкость. Она измеряется в ватт-часах или джоулях. Задача такой емкости – сообщать о количестве энергии, что отдаётся во время разряда до достижения минимального допустимого напряжения.
3. Температурный режим оказывает влияние на электрические свойства аккумуляторной батареи. Когда есть серьезные отклонения от рекомендованного производителем диапазона эксплуатации, то существует высокая вероятность выхода источника питания из строя. Это объясняется тем, что холод и жара влияют на интенсивность протекания химических реакций, а также на внутреннее давление.
4. Саморазрядом именуют потери емкости, которые происходят после заряда батареи, когда отсутствует нагрузка на клеммах. Во многом этот показатель зависит от конструктивного исполнения и может увеличиваться, если нарушилась изоляция.

Вот такие характеристики аккумуляторных батарей и предоставляют для нас наибольший интерес. Конечно, если придётся делать что-то новое и эксклюзивное, ранее невиданное, то может понадобиться и что-то ещё. Но это весьма маловероятно.

Что происходит с точки зрения химии?

К примеру, в стеклянную емкость нальем раствор серной кислоты и поместим туда стержень, выполненный из цинка. На поверхности данного стержня имеются положительно заряженные ионы. А вокруг этого цинкового объекта, в растворе, скапливаются отрицательные ионы вещества. У раствора имеются силы притяжения, которые с легкостью отрывают ионы цинка. В результате жидкость получает положительный заряд, а цинковая пластина или стержень отрицательный.

Из физики известно, что разность потенциалов равна напряжению. Отсюда и возникает электрический ток. Когда происходит контакт кислотного раствора и металла, на границе образуется электрическое поле. В момент его появления химическая энергия превращается в электрическую.  Таков принцип работы батареи.

Через некоторое время ресурс батареи будет истощен. Все зависит от того, где и как используется источник питания. Например, если от него работает фонарик, то при умеренном использовании 2-х батарей на 1,5 вольта каждая, хватит на 1 месяц. Но если вставить эти же самые батарейки в электрическую машинку, она будет работать несколько часов. В результате всего этого можно сделать вывод что чем больше нагрузка, тем быстрее разрядиться батарейка.

Параметры АКБ

Для среднестатистического легкового автомобиля с ДВС промышленность выпускает аккумуляторы с рабочим напряжением 12 В. Такого значения вполне хватает для питания сети в машине. Бортовая сеть большинства грузовиков рассчитана на 24 В. Иногда в ней используется пара обычных двенадцативольтовых источников питания, подсоединённых последовательно.

Для мототехники характерным является использование питания на 6 В. Это позволяет снизить габариты ИП и обеспечить оптимальность работы ненагруженной бортовой сети.

Важным значением для АКБ является её ёмкость. Этот параметр измеряется в ампер-часах и может варьироваться у разных моделей от 45 до 130 Ач. В большинстве легковых машин используются агрегаты на 55–65 Ач. Дизельные ДВС более «прожорливые» по энергии, поэтому в них при прочих равных условиях будет стоять батарея на 5–10 Ач мощней, чем в аналогичном авто на бензине.

Основные требования, которые предъявляются к автомобильным источникам питания, могут быть такими:

• наибольший пусковой ток;
• минимальный саморазряд;
• небольшие габариты;
• необслуживаемость (либо минимальное вмешательство).

Одним из конструкционных значений является полярность. Это расположение клемм на внешней стороне корпуса. Для азиатских, европейских и американских моделей встречается несколько вариантов установки контактов.

История обыкновенной батарейки

Слово «батарея», происходящее от французского слова «batterie», давно вошло в русский язык.

Название происходит от артиллерийской батареи, как исторически первого типа батарей. Впоследствии название стало употребляться для обозначения соединения однотипных предметов вообще.

Официальное рождение батареи относят к 1800 г., когда итальянский физик Алессандро Вольта, основываясь на опытах итальянского врача и анатома Луиджи Гальвани, сделал устройство, получившее впоследствии название «вольтов столб». Сложив стопку высотой полметра из пластинок цинка, меди и войлока, смоченного раствором серной кислоты, Вольта, приложив руки к концам стопки, получил весьма чувствительный удар током. Так началась электрическая эра.

Изобретение Алессандро Вольта произвело фурор в обществе, Вольта осыпали почестями и наградами, его именем назвали единицу электрического напряжения. Свою долю славы получил и Луиджи Гальвани. В его честь электрохимический элемент, изобретенный Вольта, называется гальваническим.

Гальванические элементы делятся на два типа – первичные и вторичные.

Все батарейки являются первичными гальваническими элементами.

Вторичные гальванические элементы – элементы, в которых электрическая энергия от внешнего источника тока превращается в химическую энергию и накапливается, а затем, при необходимости, химическая энергия снова превращается в электрическую. Эти вторичные элементы называются аккумуляторами.

Одним из первых гальванических элементов, которым можно было пользоваться вне лабораторий, был изобретен Жоржем Лекланше в 1866 году.

Конструкция имени Лекланше проста — цинковый анод, катод из диоксида марганца с углем, размещенные в электролите из хлорида аммония, т.е. соли аммония.

В течении некоторого времени элемент Лекланше претерпел изменения: цинковый анод стал делаться в виде цинкового стаканчика, в стаканчике размещен катод из смеси диоксида марганца и графита, в центре катода находится угольный стержень, являющийся токосъемником, катод окружен электролитом из хлорида аммония с добавкой хлорида цинка, только не в жидком виде, как у Лекланше, а в загущенном, в виде геля, из-за добавления крахмала и муки. Это необходимо для того, чтобы электролит не мог вытечь или высохнуть при хранении и эксплуатации элемента.

Элементы с загущенным электролитом получили название «сухие батареи».

Одним из всплесков было появление щелочных батарей. Впервые щелочные батарейки выпустила компания Eveready (ныне Energizer) в 1959г. Принцип ее работы практически идентичен принципу работы солевой батареи – анод из цинка, катод из диоксида марганца, единственное отличие в составе электролита – он не из соли аммония, как в солевой, а из раствора щёлочи, обычно гидроксида калия. У щелочной батареи анод в виде пасты из цинкового порошка в смеси с электролитом находится внутри катода из смеси диоксида марганца с графитом.

Анод и катод разделены тонким сепаратором, пропитанным электролитом, и все это располагается в стальном корпусе. Получается, что если у солевого элемента корпус (-), а центральный токоотвод (+), то у щелочного элемента все наоборот, корпус (+), а центральный токоотвод (-).

Такая конструкция, разумеется, сделана не просто так. В солевых элементах при химической реакции расходуются все реагенты, составляющие этот элемент — анод, катод, электролит. А в щелочном элементе при химической реакции расходуется только анод и катод, электролит не расходуется. Поэтому электролита там совсем мало, и освободившееся место электролита заполнено увеличенным количеством анода и катода, что значительно увеличивает электроемкость щелочного элемента.

Форм-фактор распространенных гальванических элементов

Устройство[править | править код]

Элемент свинцово-кислотного аккумулятора состоит из электродов и разделительных пористых пластин, изготовленных из материала, не взаимодействующего с кислотой, препятствующих замыканию электродов (сепараторов), которые погружены в электролит. Электроды представляют собой плоские решётки из металлического свинца. В ячейки этих решёток запрессованы порошки диоксида свинца (PbO₂) — в анодных пластинах и металлического свинца — в катодных пластинах (здесь анодом при заряде аккумулятора считается положительный его электрод, ибо при разряде аккумулятора — он становится катодом, — как электрод к которому направлено движение электронов во внешней цепи). Применение порошков увеличивает поверхность раздела электролит — твердое вещество, тем самым увеличивает электрическую ёмкость аккумулятора.

Электроды вместе с сепараторами погружены в электролит, представляющий собой водный раствор серной кислоты. Для приготовления раствора кислоты применяют дистиллированную воду.

Электрическая проводимость электролита зависит от концентрации серной кислоты и при комнатной температуре максимальна при массовой доле кислоты 35%, что соответствует плотности электролита 1,26 г/см³. Чем больше проводимость электролита, тем меньше внутреннее сопротивление аккумулятора, и, соответственно, ниже потери энергии на нём. Однако, на практике в районах с холодным климатом применяются и более высокие концентрации серной кислоты, до 1,29−1,31 г/см³, это связано с тем, что при снижении концентрации из-за разряда электролит может замёрзнуть, а при замерзании образуется лёд, который может разорвать банки аккумулятора и повреждает губчатый материал пластин.

Существуют экспериментальные разработки аккумуляторов, где свинцовые решетки заменяют пластинами из переплетённых нитей углеродного волокна, покрытых тонкой свинцовой плёнкой. При этом используется меньшее количество свинца, распределённого по большой площади, что позволяет изготовить аккумулятор не только компактным и лёгким, при прочих равных параметрах, но и значительно более эффективным — помимо большего КПД, заряжается значительно быстрее традиционных аккумуляторов.

В аккумуляторах, применяемых в бытовых ИБП, систем охранной сигнализации и др. жидкий электролит загущают водным щелочным раствором силикатов натрия (Na₂Si₂O₄) до пастообразного состояния. Это так называемые гелевые аккумуляторы (GEL), имеющие длительный ресурс. Другой вариант исполнения − с пористыми сепараторами из стеклоткани (AGM), допускающими более жёсткие режимы заряда.