Pilas y baterías galvánicas: dispositivo, principio de funcionamiento, tipos

Fuentes de energía eléctrica de bajo consumo

Las pilas galvánicas y las baterías se utilizan para alimentar equipos eléctricos y de radio portátiles.

Celdas galvánicas: estas son fuentes de acciones únicas, acumuladores — fuentes de acción reutilizables.

El elemento galvánico más simple.

El elemento más simple puede estar formado por dos tiras: cobre y zinc sumergidas en agua ligeramente acidificada con ácido sulfúrico. Si el zinc es lo suficientemente puro como para no tener reacciones locales, no ocurrirá ningún cambio notable hasta que se reúnan el cobre y el zinc.

Sin embargo, las tiras tienen un potencial diferente, una con respecto a la otra, y cuando se conectan por un cable, aparecerán electricidad… Mediante esta acción, la tira de zinc se disolverá gradualmente y se formarán burbujas de gas cerca del electrodo de cobre, acumulándose en su superficie. Este gas es hidrógeno generado por el electrolito. La corriente eléctrica fluye desde la tira de cobre a lo largo del cable hasta la tira de zinc, y desde ella a través del electrolito de vuelta al cobre.

Gradualmente, el ácido sulfúrico del electrolito se reemplaza por sulfato de zinc formado a partir de la parte disuelta del electrodo de zinc. Esto reduce el voltaje de la celda. Sin embargo, una caída de voltaje aún mayor es causada por la formación de burbujas de gas en el cobre. Ambas acciones causan 'polarización'. Tales artículos casi no tienen valor práctico.

Parámetros importantes de las celdas galvánicas.

La magnitud del voltaje dado por las celdas galvánicas depende únicamente de su tipo y dispositivo, es decir, del material de los electrodos y la composición química del electrolito, pero no depende de la forma y tamaño de las celdas.

La corriente que puede proporcionar una celda galvánica está limitada por su resistencia interna.

Una característica muy importante de la celda galvánica es capacidad eléctrica… Por capacidad eléctrica se entiende la cantidad de energía eléctrica que una celda galvánica o de almacenamiento es capaz de entregar durante todo su funcionamiento, es decir, hasta el inicio de la descarga final.

La capacidad dada por la celda se determina multiplicando la intensidad de la corriente de descarga, expresada en amperios, por el tiempo en horas que estuvo descargada la celda hasta el inicio de la descarga total. Por lo tanto, la capacidad siempre se expresa en amperios-hora (Ah).

Por el valor de la capacidad de la celda, también es posible determinar de antemano cuántas horas funcionará antes del inicio de la descarga completa. Para hacer esto, debe dividir la capacidad por la intensidad de la corriente de descarga permitida para este elemento.

Sin embargo, la capacidad no es estrictamente constante. Varía dentro de límites bastante amplios según las condiciones de funcionamiento (modo) del elemento y la tensión de descarga final.

Si la celda se descarga a máxima corriente y, además, sin interrupciones, dará una capacidad mucho menor. Por el contrario, cuando la misma celda se descarga a una corriente menor y con interrupciones frecuentes y relativamente largas, la celda entregará toda su capacidad.

En cuanto a la influencia de la tensión de descarga final sobre la capacidad de la celda, hay que tener en cuenta que durante la descarga de la celda galvánica, su tensión de funcionamiento no se mantiene al mismo nivel, sino que va disminuyendo progresivamente.

Tipos comunes de celdas electroquímicas

Las celdas galvánicas más comunes son los sistemas de manganeso-zinc, manganeso-aire, aire-zinc y mercurio-zinc con sal y electrolitos alcalinos.Las celdas secas de manganeso-zinc con electrolito de sal tienen un voltaje inicial de 1,4 a 1,55 V, la duración de la operación a una temperatura ambiente de -20 a -60 ОDe 7 a 340 de la mañana

Las celdas secas de zinc-manganeso y zinc-aire con electrolito alcalino tienen un voltaje de 0,75 a 0,9 V y un tiempo de funcionamiento de 6 horas a 45 horas.

Las celdas secas de mercurio-zinc tienen un voltaje de arranque de 1,22 a 1,25 V y un tiempo de funcionamiento de 24 a 55 horas.

Las celdas secas de mercurio-zinc tienen la mayor vida útil garantizada de hasta 30 meses.

Baterías

Baterías Estas son celdas electroquímicas secundarias A diferencia de las celdas galvánicas, no se produce ningún proceso químico en la batería inmediatamente después del ensamblaje.

Para que la batería inicie reacciones químicas asociadas al movimiento de cargas eléctricas, es necesario cambiar adecuadamente la composición química de sus electrodos (y en parte del electrolito).Este cambio en la composición química de los electrodos se produce bajo la acción de una corriente eléctrica que pasa a través de la batería.

Por lo tanto, para que una batería produzca corriente eléctrica, primero debe "cargarse" con corriente eléctrica directa de alguna fuente de corriente externa.

Las baterías también difieren de las celdas galvánicas convencionales en el hecho de que, después de la descarga, pueden recargarse. Con buen cuidado y en condiciones normales de funcionamiento, las baterías pueden durar hasta varios miles de cargas y descargas.
dispositivo alimentado por batería

Actualmente, las baterías de plomo y cadmio-níquel se utilizan con mayor frecuencia en la práctica. En la primera solución de ácido sulfúrico sirve como electrolito, y en la segunda solución de álcali en agua. Las baterías de plomo-ácido también se denominan baterías de ácido y de níquel-cadmio-alcalinas.

El principio de funcionamiento de las baterías se basa en la polarización de los electrodos durante la electrólisis... La batería de ácido más simple se estructura de la siguiente manera: son dos placas de plomo sumergidas en un electrolito. Como resultado de la reacción de sustitución química, las placas se cubren con una fina capa de sulfato de plomo PbSO4, como sigue de la fórmula Pb + H2SO4 = PbSO4 + H2.

Dispositivo de batería ácida

Este estado de las placas corresponde a una batería descargada. Si la batería ahora está encendida para cargar, es decir, conectada a un generador de corriente continua, entonces comenzará la polarización de las placas debido a la electrólisis. Como resultado de la carga de la batería, sus placas se polarizan, es decir, cambian la sustancia en su superficie y de homogénea (PbSO4) a diferente (Pb y PbO2).

La batería se convierte en la fuente de corriente, con una placa cubierta con dióxido de plomo como electrodo positivo y una placa de plomo limpia como electrodo negativo.

Al final de la carga, la concentración del electrolito aumenta debido a la aparición de moléculas adicionales de ácido sulfúrico en él.

Esta es una de las características de la batería de plomo-ácido: su electrolito no permanece neutro y participa en reacciones químicas durante el funcionamiento de la batería.

Al final de la descarga, ambas placas de la batería se cubren nuevamente con sulfato de plomo, por lo que la batería deja de ser una fuente de corriente. La batería nunca se lleva a este estado. Debido a la formación de sulfato de plomo en las placas, la concentración del electrolito disminuye al final de la descarga. Si la batería está cargada, entonces se puede volver a provocar la polarización para volver a descargarla, etc.

Cómo cargar la batería

Hay varias formas de cargar las baterías. La más sencilla es la carga normal de la batería, que se realiza de la siguiente manera. Inicialmente, durante 5 a 6 horas, la carga se realiza al doble de la corriente normal hasta que el voltaje de cada batería alcanza los 2,4 V.

La corriente de carga normal está determinada por la fórmula Aztax = Q / 16

donde Q — capacidad nominal de la batería, Ah.

Después de eso, la corriente de carga se reduce a un valor normal y la carga continúa durante 15 a 18 horas hasta que aparecen señales del final de la carga.

Baterías modernas

Las baterías de níquel-cadmio o alcalinas aparecieron mucho más tarde que las baterías de plomo y, en comparación con ellas, son fuentes más modernas de corriente química.La principal ventaja de las pilas alcalinas sobre las de plomo radica en la neutralidad química de su electrolito en relación con las masas activas de las placas. Por lo tanto, la autodescarga de las baterías alcalinas es significativamente menor que la de las baterías de plomo-ácido. El principio de funcionamiento de las pilas alcalinas también se basa en la polarización de los electrodos durante la electrólisis.

Para alimentar equipos de radio, se producen baterías selladas de cadmio-níquel, que son efectivas a temperaturas de -30 a +50 ОC y resisten 400 a 600 ciclos de carga y descarga. Estos acumuladores se fabrican en forma de paralelepípedos compactos y discos que pesan desde unos pocos gramos hasta kilogramos.

Las baterías de níquel-hidrógeno se producen para alimentar objetos autónomos. La energía específica de la batería de níquel-hidrógeno es de 50 — 60 Wh kg-1.