Ulimwengu wa betri - sehemu ya 3

Historia ya betri za kisasa huanza katika karne ya kumi na tisa, na miundo mingi inayotumiwa leo inatoka karne hii. Hali hii inashuhudia, kwa upande mmoja, kwa mawazo bora ya wanasayansi wa wakati huo, na, kwa upande mwingine, kwa matatizo yanayotokea katika maendeleo ya mifano mpya.

Ni mambo machache ambayo ni mazuri sana ambayo hayawezi kuboreshwa. Sheria hii inatumika pia kwa betri - mifano ya karne ya XNUMX ilisafishwa mara nyingi hadi ikachukua fomu yao ya sasa. Hii inatumika pia kwa Seli za Leclanche.

Kiungo cha kuboresha

Muundo wa duka la dawa wa Ufaransa umebadilishwa Carl Gasner kuwa mfano muhimu sana: bei nafuu kutengeneza na salama kutumia. Walakini, bado kulikuwa na shida - mipako ya zinki ya kitu hicho iliharibika ilipogusana na elektroliti yenye asidi iliyojaza bakuli, na kunyunyizia vitu vyenye fujo kunaweza kuzima kifaa kinachoendeshwa. Uamuzi ukawa muunganisho uso wa ndani wa mwili wa zinki (mipako ya zebaki).

Amalgam ya zinki kivitendo haifanyi na asidi, lakini huhifadhi sifa zote za kielektroniki za chuma safi. Hata hivyo, kutokana na kanuni za mazingira, njia hii ya kupanua maisha ya seli hutumiwa kidogo na kidogo (kwenye seli zisizo na zebaki, unaweza kupata uandishi au) (1).

2. Mpangilio wa seli ya alkali: 1) kesi (cathode lead), 2) cathode iliyo na dioksidi ya manganese, 3) kitenganishi cha electrode, 4) anode iliyo na KOH na vumbi la zinki, 5) terminal ya anode, 6) kuziba kwa seli (kihami ya elektroni) . .

Njia nyingine ya kuongeza maisha marefu ya seli na maisha ni kuongeza kloridi ya zinki ZnCl₂ kwa kuweka kikombe kujaza. Seli za muundo huu mara nyingi hujulikana kama Ushuru Mzito na (kama jina linavyopendekeza) zimeundwa ili kuwasha vifaa vinavyotumia nishati nyingi zaidi.

Mafanikio katika uwanja wa betri zinazoweza kutumika ilikuwa ujenzi mnamo 1955 seli ya alkali. Uvumbuzi wa mhandisi wa Kanada Lewis Urry, inayotumiwa na kampuni ya sasa ya Energizer, ina muundo tofauti kidogo na ule wa seli ya Leclanchet.

Kwanza, huwezi kupata cathode ya grafiti au kikombe cha zinki hapo. Electrodes zote mbili zinafanywa kwa namna ya pastes ya mvua, iliyotengwa (thickeners pamoja na vitendanishi: cathode ina mchanganyiko wa dioksidi ya manganese na grafiti, anode ya vumbi la zinki na mchanganyiko wa hidroksidi ya potasiamu), na vituo vyao ni vya chuma ( 2). Walakini, athari zinazotokea wakati wa operesheni ni sawa na zile zinazotokea kwenye seli ya Leclanchet.

Jukumu. Fanya "uchunguzi wa maiti ya kemikali" kwenye seli ya alkali ili kujua kuwa yaliyomo ni ya alkali (3). Kumbuka kwamba tahadhari sawa hutumika kwa kuvunjwa kwa seli ya Leclanchet. Tazama sehemu ya Msimbo wa Betri kwa jinsi ya kutambua seli ya alkali.

3. "Sehemu" ya seli ya alkali inathibitisha maudhui ya alkali.

Betri za nyumbani

4. Betri za Ni-MH na Ni-Cd za Ndani.

Seli ambazo zinaweza kuchajiwa tena baada ya matumizi zimekuwa lengo la wabunifu tangu mwanzo wa maendeleo ya sayansi ya umeme, kwa hivyo aina nyingi zao.

Hivi sasa, mojawapo ya mifano inayotumiwa kuimarisha vifaa vya kaya vidogo ni betri za nickel-cadmium. Mfano wao ulionekana mnamo 1899 wakati mvumbuzi wa Uswidi alipofanya hivyo. Ernst Jungner iliomba hataza ya betri ya nikeli-cadmium ambayo inaweza kushindana na betri ambazo tayari zinatumika sana katika tasnia ya magari. betri ya asidi ya risasi.

Anode ya seli ni cadmium, cathode ni kiwanja cha nickel trivalent, electrolyte ni suluhisho la hidroksidi ya potasiamu (katika miundo ya kisasa "kavu", kuweka mvua ya thickeners iliyojaa ufumbuzi wa KOH). Betri za Ni-Cd (hii ni jina lao) zina voltage ya uendeshaji ya takriban 1,2 V - hii ni chini ya ile ya seli zinazoweza kutolewa, ambazo, hata hivyo, sio tatizo kwa programu nyingi. Faida kubwa ni uwezo wa kutumia sasa muhimu (hata amperes chache) na aina mbalimbali za joto la uendeshaji.

5. Tafadhali angalia mahitaji ya aina tofauti za betri kabla ya kuchaji.

Hasara ya betri za nickel-cadmium ni "athari ya kumbukumbu" yenye mzigo. Hii hutokea wakati wa kuchaji betri za Ni-Cd ambazo hazijachajiwa kwa kiasi mara kwa mara: mfumo hufanya kazi kana kwamba uwezo wake ni sawa tu na chaji inayojazwa na kuchaji tena. Katika aina fulani za chaja, "athari ya kumbukumbu" inaweza kupunguzwa kwa malipo ya seli katika hali maalum.

Kwa hiyo, betri za nickel-cadmium zilizotolewa zinapaswa kushtakiwa kwa mzunguko kamili: kwanza kabisa (kwa kutumia kazi ya chaja inayofaa) na kisha kuchaji tena. Kuchaji mara kwa mara pia kunapunguza makadirio ya maisha ya mizunguko 1000-1500 (kwamba seli nyingi zinazoweza kutumika zitabadilishwa na betri moja wakati wa maisha yake, kwa hivyo gharama ya juu ya ununuzi itajilipia mara nyingi zaidi, bila kutaja mzigo mdogo kwenye betri. ) mazingira na uzalishaji na utupaji wa seli).

Vipengele vya Ni-Cd vilivyo na cadmium yenye sumu vimebadilishwa betri za nickel-metal hidridi (Jina la Ni-MH). Muundo wao ni sawa na betri za Ni-Cd, lakini badala ya cadmium, aloi ya chuma ya porous (Ti, V, Cr, Fe, Ni, Zr, metali ya nadra duniani) yenye uwezo wa kunyonya hidrojeni hutumiwa (4). Voltage ya uendeshaji ya seli ya Ni-MH pia ni karibu 1,2 V, ambayo inaruhusu kutumika kwa kubadilishana na betri za NiCd. Uwezo wa seli za Nickel Metal Hydride ni mkubwa kuliko ule wa seli za Nickel Cadmium za ukubwa sawa. Walakini, mifumo ya NiMH hujiondoa haraka. Tayari kuna miundo ya kisasa ambayo haina shida hii, lakini inagharimu zaidi kuliko mifano ya kawaida.

Betri za hidridi za nickel-metal hazionyeshi "athari ya kumbukumbu" (seli zilizotolewa kwa sehemu zinaweza kuchajiwa tena). Hata hivyo, daima ni muhimu kuangalia mahitaji ya malipo ya kila aina katika maagizo ya chaja (5).

Kwa upande wa betri za Ni-Cd na Ni-MH, hatupendekezi kuzitenganisha. Kwanza, hatutapata chochote muhimu ndani yao. Pili, nikeli na cadmium sio vitu salama. Usichukue hatari bila lazima na uache ovyo kwa wataalamu waliofunzwa.

Mfalme wa wakusanyaji, yaani...

6. "Mfalme wa betri" kwenye kazi.

… Betri ya asidi ya risasi, iliyojengwa mwaka wa 1859 na mwanafizikia Mfaransa Gaston Plantego (ndiyo, ndiyo, kifaa kitageuka umri wa miaka 161 mwaka huu!). Electroliti ya betri ni kuhusu 37% ya ufumbuzi wa asidi ya sulfuriki (VI), na electrodes ni risasi (anode) na risasi iliyofunikwa na safu ya dioksidi ya risasi PbO.₂ (cathode). Wakati wa operesheni, maji ya risasi (II) (II) PbSO sulfate huunda kwenye elektroni.₄. Wakati wa kuchaji, seli moja ina voltage ya zaidi ya 2 volts.

betri inayoongoza kwa kweli ina hasara zote: uzito mkubwa, unyeti wa kutokwa na joto la chini, haja ya kuhifadhi katika hali ya kushtakiwa, hatari ya kuvuja kwa electrolyte kwa fujo na matumizi ya chuma cha sumu. Kwa kuongeza, inahitaji utunzaji makini: kuangalia wiani wa electrolyte, kuongeza maji kwenye vyumba (tumia tu distilled au deionized), udhibiti wa voltage (kushuka chini ya 1,8 V katika chumba kimoja kunaweza kuharibu electrodes) na mode maalum ya malipo.

Kwa hivyo kwa nini muundo wa zamani bado unatumika? "Mfalme wa Wakusanyaji" ana kile ambacho ni sifa ya mtawala halisi - nguvu. Matumizi ya juu ya sasa na ufanisi wa juu wa nishati hadi 75% (kiasi hiki cha nishati inayotumika kuchaji inaweza kurejeshwa wakati wa operesheni), pamoja na muundo rahisi na gharama ya chini ya uzalishaji, inamaanisha kuwa betri inayoongoza Haitumiwi tu kuanza injini za mwako wa ndani, lakini pia kama sehemu ya usambazaji wa umeme wa dharura. Licha ya historia ya miaka 160, betri inayoongoza bado inafanya vizuri na haijabadilishwa na aina zingine za vifaa hivi (na kwa hiyo, risasi yenyewe, ambayo, kwa shukrani kwa betri, ni moja ya metali zinazozalishwa kwa kiasi kikubwa). . Kwa muda mrefu kama motorization kulingana na injini za mwako wa ndani inaendelea kukua, nafasi yake haiwezi kutishiwa (6).

Wavumbuzi hawakuacha kujaribu kuunda mbadala wa betri ya asidi ya risasi. Baadhi ya mifano hiyo ikawa maarufu na bado inatumika katika tasnia ya magari leo. Mwanzoni mwa karne ya kumi na tisa na ishirini, miundo iliundwa ambayo ufumbuzi wa H haukutumiwa.₂SO₄lakini elektroliti za alkali. Mfano ni betri ya nickel-cadmium ya Ernst Jungner iliyoonyeshwa hapo juu. Mnamo 1901 Thomas Alva Edison ilibadilisha muundo kutumia chuma badala ya cadmium. Ikilinganishwa na betri za asidi, betri za alkali ni nyepesi zaidi, zinaweza kufanya kazi kwa joto la chini na si vigumu kushughulikia. Hata hivyo, uzalishaji wao ni ghali zaidi, na ufanisi wa nishati ni wa chini.

Kwa hiyo, ni nini kinachofuata?

Bila shaka, makala juu ya betri haimalizi maswali. Hazijadili, kwa mfano, seli za lithiamu, ambazo pia hutumiwa kwa kawaida kuwasha vifaa vya nyumbani kama vile vikokotoo au mbao za mama za kompyuta. Unaweza kujifunza zaidi juu yao katika makala ya Januari kuhusu Tuzo la Nobel la Kemia mwaka jana, na kwa upande wa vitendo - kwa mwezi (ikiwa ni pamoja na uharibifu na uzoefu).

Kuna matarajio mazuri ya seli, haswa betri. Ulimwengu unazidi kuwa wa rununu, ambayo inamaanisha hitaji la kujitegemea kutoka kwa nyaya za nguvu. Kuhakikisha usambazaji wa nishati bora kwa magari ya umeme pia ni shida kubwa. - ili waweze kushindana na magari yenye injini ya mwako wa ndani pia katika suala la uchumi.

mkusanyiko wa betri

Ili kuwezesha utambuzi wa aina ya seli, msimbo maalum wa alphanumeric umeanzishwa. Kwa aina zinazopatikana zaidi katika nyumba zetu kwa vifaa vidogo, ina fomu ya nambari-barua-barua-nambari.

Na kwamba:

- tarakimu ya kwanza ni idadi ya seli; kupuuzwa kwa seli moja;

– herufi ya kwanza inaonyesha aina ya seli. Inapokosekana, unashughulika na kiungo cha Leclanche. Aina zingine za seli zimetambulishwa kama ifuatavyo:

C seli za lithiamu (aina inayojulikana zaidi);

H - Betri ya Ni-MH,

K - betri ya nickel-cadmium,

L - seli za alkali;

- barua ifuatayo inaonyesha sura ya kiungo:

F - sahani,

R - silinda,

P - jina la jumla la viungo vyenye sura tofauti na silinda;

- takwimu za mwisho au takwimu zinaonyesha saizi ya kiunga (maadili ya katalogi au inayoonyesha moja kwa moja vipimo) (7).

7. Vipimo vya seli maarufu na betri.

Mifano ya kuashiria:

R03
- kiini cha zinki-graphite ukubwa wa kidole kidogo. Jina lingine ni AAA au.

LR6 - seli ya alkali ya ukubwa wa kidole. Jina lingine ni AA au.

HR14 - betri ya Ni-MH; herufi C pia hutumiwa kuonyesha ukubwa.

KR20 - Betri ya Ni-Cd, ambayo saizi yake pia imewekwa alama ya herufi D.

3LR12 - betri ya gorofa yenye voltage ya 4,5 V, yenye seli tatu za alkali za cylindrical.

6F22 - Betri ya 9-volt, inayojumuisha seli sita za gorofa za Leclanchet.

CR2032 seli ya lithiamu yenye kipenyo cha mm 20 na unene wa 3,2 mm.

Angalia pia: