Меню

Устройство аккумулятора щелочной батареи

§43. Щелочные аккумуляторы, принцип действия и устройство

Устройство. Наиболее распространены никель-железные и никель-кадмиевые щелочные аккумуляторы. Их широко применяют на э. п. с, тепловозах и пассажирских вагонах. На тепловозах устанавливают аккумуляторную батарею 46ТПНЖ-550, состоящую из 46 последовательно соединенных никель-железных аккумуляторов емкостью 550 А-ч [буква Т — означает, что батарея установлена на тепловозах; П — тип положительных пластин (панцирные)]. Для тепловозов применяют усовершенствованные аккумуляторы ТПНЖК (буква К означает, что электроды комбинированные). На электровозах отечественной постройки применяют батарею 42НК-125, состоящую из 42 последовательно соединенных никель-кадмиевых аккумуляторов емкостью 125 А*ч, а на электропоездах — батарею 90НК-55, состоящую из 90 последовательно соединенных никель-кадмиевых аккумуляторов емкостью 55 А*ч, на электровозах ЧС — батареи 40NKT-120 и 40NKT-160, состоящие из 40 последовательно соединенных никель-кадмиевых аккумуляторов емкостью 120 и 160 А-ч. Номинальное напряжение всех щелочных аккумуляторов 1,2 В.

В никель-железных и никель-кадмиевых аккумуляторах активная масса положительного электрода в заряженном состоянии состоит из гидрата окиси никеля NiOOH, к которому добавляют графит и окись бария. Графит увеличивает электропроводность активной массы, а окись бария — срок службы электрода. Активная масса отрицательного электрода никель-железного аккумулятора состоит из порошкового железа Fe и его окислов с добавкой сернокислого никеля и сернистого железа, а никель-кадмиевого аккумулятора — из смеси порошков кадмия Cd и железа Fe. Электролитом служит 20 %-ный раствор едкого калия КОН с примесью моногидрата лития (20—30 г/л). Эта примесь увеличивает срок службы аккумулятора.

Промышленность выпускает никель-железные аккумуляторы (НЖ) и никель-кадмиевые (НК). Оба электрода в этих аккумуляторах изготовляют в виде стальных никелированных рамок (рис. 162 и 163), в пазы которых впрессованы наполненные активной массой пакеты (ламели) из никелированной жести с большим количеством мелких отверстий для доступа электролита к активной массе. В аккумуляторах НК каждая отрицательная пластина расположена между двумя положительными, в аккумуляторах НЖ каждая положительная пластина — между двумя отрицательными. Для предотвращения короткого замыкания между ними устанавливают сепараторы, выполненные в виде эбонитовых стержней или полихлорвиниловых сеток. В аккумуляторах ТПНЖ и ТПНЖК применяют панцирные положительные пластины. Каждая такая пластина заключена в специальный панцирь (чехол). Корпус, в который помещают пластины и электролит, также изготовляют из никелированной жести. Он имеет приваренную крышку с отверстиями для выводных штырей, для выхода газов

Рис. 162. Полублоки отрицательных и положительных пластин (а) и общий вид (б) никель-железного аккумулятора ТПНЖ, применяемого на тепловозах: 1— выводной штырь; 2 — шпилька; 3— положительные пластины; 4— ламели; 5 — сепараторы; 6 — отрицательные пластины; 7 — корпус; 8 — резиновый чехол; 9 — отверстие с пробкой для заливки электролита

Рис. 163. Полублоки положительных и отрицательных пластин (а) и общий вид (б) никель-кадмиевого аккумулятора НКН-100 для э.п.с: 1 — отрицательные пластины; 2 — соединительный мостик; 3 — выводной штырь; 4 — положительные пластины; 5 — отверстие с пробкой для заливки электролита; 6 — крышка; 7 — сепаратор; 8 — корпус; 9 — резиновый чехол

и заливки электролита. Для придания корпусу механической прочности стенки его выполняют гофрированными. Корпус помещают в резиновый чехол, обеспечивающий изоляцию аккумуляторов друг от друга и от ящика, в котором устанавливают батарею.

Разряд и заряд. При разряде щелочного аккумулятора гидрат окиси никеля NiOOH на положительном электроде, взаимодействуя с ионами электролита, переходит в гидрат закиси никеля Ni(OH)2, а железо или кадмий отрицательного электрода превращается соответственно в гидрат окиси железа Fe(ОН)2 или гидрат окиси кадмия CdOН2. Между электродами возникает разность потенциалов около 1,45 В, обеспечивающая протекание тока по внешней цепи и внутри аккумуляторов.

При заряде аккумулятора под действием электрической энергии, подводимой от внешнего источника тока, происходит окисление активной массы положительных пластин, сопровождаемое переходом гидрата закиси никеля Ni (ОН)2 в гидрат окиси никеля NiOOH. В то же время активная масса отрицательных пластин восстанавливается с образованием железа Fe или кадмия Cd. Электрохимические реакции при разряде и заряде никель-железного аккумулятора могут быть выражены уравнением

2Ni(OOH) + 2KOH + Fe ? 2Ni(OH)2 + 2KOH + Fe(OH)2

2Ni(OOH) + 2KOH + Cd ? 2Ni(OH)2 + 2KOH + Cd(OH)2

Номинальный разрядный ток численно равен 0,2 Сном, максимальный при запуске дизеля— (3-4) Сном, зарядный ток — 0,25 Сном, где Сном — номинальная емкость.

Читайте также:  Мобильный аккумулятор 220 вольт

Положительным качеством щелочного аккумулятора является то, что все компоненты, образующиеся в процессе заряда и разряда, практически нерастворимы в электролите и не вступают в какие-либо химические реакции. Электролит в процессе электрохимических реакций не расходуется, поэтому плотность его не изменяется. Это позволяет обходиться сравнительно небольшими количествами электролита, что делает эти аккумуляторы более компактными, чем кислотные.

Для правильной работы никель-железного аккумулятора отрицательный электрод (губчатое железо) должен иметь большую массу, чем положительный (гидрат окиси кадмия). Поэтому отрицательных пластин берут на одну больше, чем положительных. В сборном блоке никель-железного аккумулятора крайние пластины отрицательные; они электрически соединены с корпусом. В никель-кадмиевых аккумуляторах, наоборот, положительная активная масса должна занимать больший объем, чем отрицательная. Поэтому у них крайние пластины положительные и электрически соединены с корпусом.

Полностью заряженный аккумулятор имеет э. д. с. около 1,45 В. Вследствие большого внутреннего сопротивления его напряжение при разряде значительно меньше этого значения, а при заряде значительно больше. При разряде напряжение аккму-лятора довольно быстро падает до 1,3 В, а затем медленно уменьшается до 1 В (рис. 164); при этом напряжении разряд следует прекращать. Среднее расчетное напряжение при разряде составляет 1,25 В. Разряжать щелочные аккумуляторы ниже установленного конечного напряжения нельзя, так как это приведет к безвозвратной потере емкости и уменьшению срока службы. При заряде напряжение с 1,55 В быстро поднимается до 1,75 В, а затем медленно повышается до 1,8 В. Заряд щелочного аккумулятора ведут до тех пор, пока не будет сообщено требуемое количество ампер-часов (согласно паспортным данным). Заряд щелочного аккумулятора осуществляется током, равным одной четвертой его номинальной емкости, при этом аккумулятору сообщается 150 % емкости.

Выделение газа у щелочных аккумуляторов не является признаком конца заряда, однако при бурном газовыделении необходимо уменьшить зарядный ток. Щелочные аккумуляторы лучше перезарядить, чем недозарядить, так как неполные заряды способствуют преждевременному выходу их из строя. Повышение

Рис. 164. Кривые напряжения щелочного аккумулятора при заряде и разряде

температуры выше 45 °С также приводит к разрушению активной массы электродов.

Особенности эксплуатации. Уход за щелочными аккумуляторами в принципе такой же, как и за кислотными. Необходимо периодически проверять уровень электролита и степень заряжен-ности аккумулятора. Аккумуляторы должны содержаться в чистоте и периодически заряжаться.

Щелочные аккумуляторы имеют ряд преимуществ перед кислотными. Они могут долгое время находиться в полузаряженном и даже в полностью разряженном состоянии, что совершенно недопустимо для кислотных. Кроме того, щелочные аккумуляторы не выходят из строя вследствие действия низких температур. Щелочные аккумуляторы имеют большую перегрузочную способность, т. е. могут работать с большими токами при разрядах и зарядах. Благодаря большому внутреннему сопротивлению кратковременное короткое замыкание и глубокие разряды не выводят из строя эти аккумуляторы. Для них характерны большая механическая прочность (аккумулятор не боится тряски, вибраций, ударов), большая, чем у кислотных, энергия на единицу массы (удельная энергия), больший срок службы и срок хранения.

У щелочных аккумуляторов саморазряд при отключенном состоянии очень мал (после 9 мес хранения они теряют лишь 20 % емкости). В то же время у кислотных аккумуляторов суточный саморазряд составляет около 0,5—0,7 % емкости, т. е. в течение месяца они теряют 15—21 % емкости. При эксплуатации щелочных аккумуляторов не происходит вредных выделений паров и газов, что характерно для кислотных аккумуляторов. По указанным причинам они в эксплуатации значительно надежнее, чем кислотные, и требуют значительно меньшего ухода.

Однако щелочные аккумуляторы имеют ряд недостатков. Напряжение щелочного аккумулятора при разряде значительно ниже (почти на 40 %), чем кислотного, вследствие чего при одном и том же напряжении количество аккумуляторов в щелочной батарее будет больше, чем в кислотной. Внутреннее сопротивление щелочного аккумулятора значительно выше, чем у кислотного, следовательно, его напряжение, особенно при больших токах разряда, падает гораздо быстрее и при очень интенсивном разряде аккумуляторной батареи резко уменьшается.

Источник

Устройство и особенности щелочных батареек

Щелочные батарейки — это элементы питания, которые повсеместно используются во многих приборах. Встретить их можно как на прилавках обычного магазина, так и в интернет-каталогах. Рассмотрим устройство, емкость, виды и классификацию щелочных батареек.

Читайте также:  Аккумулятор 12v 2ah metabo

История развития

Впервые щелочную батарейку изобрели и ввели в эксплуатацию в начале XIX века. Изобрели ее Томас Эдисон и Вольдемар Джангер. Причем они работали не совместно — гениальная идея пришла на разные континенты почти одновременно.

Компания Duracell стала основным поставщиком источников тока данного типа на рынке. В эпоху возникновения первых портативных бытовых приборов и распространения радиоприемников существовала острая необходимость в приобретении элементов питания. Щелочные батарейки стали прорывом того времени. Ведь, в отличие от солевых, они были более герметичны, миниатюрны и экономичны.

Используются данные элементы питания до сих пор в различных приборах и технике. Называются они щелочными из-за их конструкции. Иногда можно встретить маркировку «Alkaline» — это значит, что батарейка была изготовлена за рубежом.

Состав батарейки

Устройство простой щелочной батарейки помогает понять принцип ее работы. Электрический ток возникает в результате взаимодействия ионов катода и анода.

Катод состоит из:

  • диоксида марганца — 75-85%;
  • графита (ацетиленовой сажи) — 8-10%;
  • раствора калия гидроксида (КОН) — 30-35%;
  • связующих компонентов — 1%.

Щелочью может выступать не только гидроксид калия, но и другие активные элементы натрия (NaOH) и лития (LiOH). Электролит специально загущают природными или синтетическими компонентами, содержащими гидроксильные группы (-ОН).

Материалом анода является очищенный цинк, обработанный от коррозий. Для этого в состав анода добавляли раньше свинец и ртуть, сейчас вещества более экологичные — висмут и алюминий.

Как устроен элемент питания

Конструкция алкалиновых батареек предусматривает строение изделия как будто наизнанку, по сравнению с солевыми аккумуляторами:

  1. Внутри элемента содержится цинковая паста. В ней цинк находится в виде порошка, что увеличивает площадь его взаимодействия, от этого ёмкость аккумулятора выше, нежели у солевых аналогов.
  2. Цинк, загущенный специальным гелем, вырабатывает отрицательный потенциал, его снимает стержень из латуни.
  3. Диоксид марганца, смешанный с углеродной составляющей (графит, зола, сажа), отделяется от цинка с загустителем (анода) специальным сепаратором.
  4. Положительный вывод энергии выполнен в виде стального стакана с покрытием из никеля.
  5. Отрицательный вывод изготовлен из стальной тарелки.
  6. Оболочка изолирована от стакана. Это предупреждает возникновение замыкания. Ведь оба элемента расположены в одном отделении изделия.
  7. Также в щелочном элементе питания присутствует прокладка. Она берет на себя давление газов. Стоит отметить, что их выработка незначительна. Если сравнивать солевую и щелочную батарейку, то у второй газообразование снижено на 80%.
  8. Для защиты от взрыва данных элементов питания в конструкции предусмотрена камера для сбора газов и мембрана. Если давление внутри батареи очень велико, мембрана лопается, и происходит утечка электролитов.

Классификация

Существует множество типоразмеров, классификаций и маркировок источников тока. Неопытному человеку трудно в них разобраться. Сложность заключается еще и в том, что в мире насчитывается несколько классификаций, а на нашем рынке можно встретить разных производителей — США, Европа, Китай, отечественные компании.

Батарейки отличаются по форме. Это, пожалуй, самое первое, что бросается в глаза. Различают:

  • Цилиндрические (LR03, LR6, LR14, LR20). Это пальчиковые, мизинчиковые устройства, так называемые бочонки. Они имеют вид правильного цилиндра. Их длина больше ширины. По диаметру могут быть различны.
  • Дисковые (LR44, L1154). Батарейки данного вида в народе называются «таблеточными» или же «часовыми». Они сплюснутые, имеют вид диска, таблетки. По размерам могут быть разными.

Классификация буквенная возникла в США, она широко используется и на просторах постсоветских стран. Представим отличие букв и размеров в таблице:

Тип Название Высота, мм Диаметр, мм
ААА Мини-пальчиковая,

44,5 10,5
АА Пальчиковая 50,5 14,5
С Средняя часовая 50 26,5
D Большая часовая 61,5 34,2
1604D Крона 67 26 на 22

Размеры варьируются в несколько миллиметров. Это связно с тем, что производитель может заключить батарейку в специальную оболочку. Она является защитой от попадания влаги или делает аккумулятор ударостойким. Если аккумулятор алкалиновый, на упаковке будет написана буква «L».

Характеристики

  1. Щелочные элементы питания могут выдавать напряжение от 1,5 до 9 вольт .
  2. Емкость – 1500-3000 мА/ч .

Это самые главные характеристики, на которые стоит обращать внимание при покупке.

Щелочные элементы питания могут работать в жестких погодных условиях. Температура их хранения и эксплуатации — от -20 до +50°С. Хотя некоторые производители пишут более широкие рамки.

Где используются щелочные батарейки?

В быту человека окружает множество бытовых приборов, а так как батарейки выпускаются с разными ёмкостями, на этот параметр стоит обращать внимание. Ведь чем больше емкость, тем сильнее выдаваемое аккумулятором напряжение, и тем дольше он работает.

Алкалиновые элементы питания можно встретить в:

  • кухонных и напольных весах;
  • дистанционных пультах управления;
  • часах настенных и напольных;
  • детских игрушках;
  • медицинских приборах (тонометры, термометры);
  • устройствах медтехнической принадлежности (слуховые аппараты, инвалидные коляски, датчики);
  • радиоприемниках, портативных колонках и многих других приборах.

Преимущества и недостатки батареек на щелочной основе

Как и каждое устройство, алкалиновые элементы питания обладают плюсами и минусами.

К преимуществам относится:

  • безопасность;
  • повышенная мощность (при сравнении с солевыми батарейками);
  • возможность использования в различных условиях;
  • низкие риски протекания и деформации корпуса;
  • широкий выбор типоразмеров;
  • доступная стоимость;
  • долгий срок хранения и службы;
  • низкий саморазряд.

К недостаткам можно отнести:

  • сравнительную дороговизну качественных батареек;
  • необходимость особой утилизации;
  • способность к саморазряду.

Можно ли заряжать щелочные батарейки

Чтоб элемент питания использовать несколько раз, его необходимо зарядить после истощения его мощности. Такие батарейки называются аккумуляторами. Стоит помнить, что не каждая батарейка поддается заряжанию. Если производитель не предусмотрел эту функцию, то самостоятельные попытки восстановить утраченный заряд могут плачевно закончиться. Батарейка взорвется и придет в негодность, а вы при этом получите травмы и ожоги.

Существует ряд производителей, которые выпускают перезаряжаемые щелочные батарейки. Стоимость такого изделия будет выше, но и срок службы больше. Такие батарейки называются полуторовольтовые аккумуляторы. На их упаковке и на самом элементе питания есть маркировка RAM (Reusable Alkaline Manganese).

Помните, что заряжать батарейку нужно только специально предназначенными для этого устройствами. Самодельные приборы опасны в эксплуатации.

Аналоги щелочных батареек и их цена

Аналогами алкалиновых источников энергии являются солевые, серебряные, ртутные и литиевые батарейки. Первые являются дешевыми, но ненадежными. Если вам нужна простая батарейка в технику, которая не потребляет много энергии, то солевым элементам питания можно отдать предпочтение.

Ртутные и серебряные батареи не получили широкого распространения. А вот литиевые аналоги — очень хороши, но их стоимость на порядок выше щелочных аккумуляторов.

Если вы ищите аналог щелочной батарейки по особому типоразмеру, то в интернете есть множество таблиц соответствий. Они помогут вам понять, какую батарейку стоит покупать, а какую нет.

Цена алкалиновых источников энергии различна и начинается от 5 рублей. Естественно, она зависит от номинальной мощности, емкости, производителя и бренда. Известными и хорошими компаниями, выпускающими батарейки, являются Sony, Duracell, Panasonic Eneloop, Varta.

Полезные рекомендации

  1. При приобретении обращайте внимание на производителя и срок годности элемента . Хотя щелочные элементы питания склонны к низкому саморазряду, лучше не покупать их впрок.
  2. Если вы не знаете, какая батарейка вам понадобится, возьмите с собой инструкцию к бытовой технике , там обычно пишут, от батареек какого типоразмера работает прибор.
  3. Подбирайте аккумуляторы, исходя из энергетических потребностей прибора . Нет смысла покупать мощное устройство в кухонные весы, которыми редко пользуются, и? напротив, дешевую солевую – в пульт или тонометр.
  4. Отдавайте предпочтение известным торговым маркам . Дешевые китайские изделия могут оказаться некачественными и испортить ваш прибор (потечь, взорваться).
  5. Приобретайте аккумуляторные батареи — это экономично и выгодно.
  6. Не выбрасывайте щелочные батареи в ведро или на улицу . Их нужно сдавать в специальные пункты приема.

Щелочные (алкалиновые) батарейки прочно вошли в нашу жизнь. Они имеют разные виды и формы, встречаются во многих бытовых приборах и портативной технике. Несмотря на простую конструкцию, которая незначительно изменилась с момента изобретения, они пользуются популярностью.

Источник