Sel dan baterai galvanik — perangkat, prinsip operasi, jenis

Sumber daya energi listrik rendah

Sel dan baterai galvanik digunakan untuk menyalakan peralatan listrik dan radio portabel.

Sel galvanik — ini adalah sumber tindakan satu kali, akumulator - sumber tindakan yang dapat digunakan kembali.

Elemen galvanik paling sederhana

Elemen paling sederhana dapat dibuat dari dua strip: tembaga dan seng yang direndam dalam air yang sedikit diasamkan dengan asam sulfat. Jika seng cukup murni untuk tidak menimbulkan reaksi lokal, tidak ada perubahan nyata yang akan terjadi sampai tembaga dan seng disatukan.

Namun, strip memiliki potensi yang berbeda, satu terhadap yang lain, dan ketika dihubungkan dengan kabel, akan muncul listrik… Dengan tindakan ini strip seng secara bertahap akan larut dan gelembung gas akan terbentuk di dekat elektroda tembaga, berkumpul di permukaannya. Gas ini adalah hidrogen yang dihasilkan oleh elektrolit. Arus listrik mengalir dari strip tembaga di sepanjang kabel ke strip seng, dan dari itu melalui elektrolit kembali ke tembaga.

Secara bertahap, asam sulfat elektrolit digantikan oleh seng sulfat yang terbentuk dari bagian terlarut elektroda seng. Ini mengurangi tegangan sel. Namun, penurunan tegangan yang lebih besar disebabkan oleh pembentukan gelembung gas pada tembaga. Kedua tindakan tersebut menyebabkan 'polarisasi'. Barang-barang semacam itu hampir tidak memiliki nilai praktis.

Parameter penting sel galvanik

Besarnya tegangan yang diberikan oleh sel galvanik hanya bergantung pada jenis dan perangkatnya, yaitu bahan elektroda dan komposisi kimiawi elektrolit, tetapi tidak bergantung pada bentuk dan ukuran sel.

Arus yang dapat disediakan sel galvanik dibatasi oleh resistansi internalnya.

Karakteristik yang sangat penting dari sel galvanik adalah kapasitas listrik… Kapasitas listrik berarti jumlah listrik yang mampu dihantarkan oleh sel galvanik atau penyimpanan selama pengoperasiannya, yaitu, hingga awal pelepasan akhir.

Kapasitas yang diberikan oleh sel ditentukan dengan mengalikan kekuatan arus luahan, dinyatakan dalam ampere, dengan waktu dalam jam saat sel habis hingga awal luahan penuh. Oleh karena itu, kapasitas selalu dinyatakan dalam ampere-jam (Ah).

Berdasarkan nilai kapasitas sel, juga dimungkinkan untuk menentukan terlebih dahulu berapa jam akan bekerja sebelum dimulainya pengosongan penuh. Untuk melakukan ini, Anda perlu membagi kapasitas dengan kekuatan arus pelepasan yang diizinkan untuk elemen ini.

Namun, kapasitasnya tidak sepenuhnya konstan. Ini bervariasi dalam batas yang cukup besar tergantung pada kondisi operasi (mode) elemen dan tegangan pelepasan akhir.

Jika sel habis pada arus maksimum dan, terlebih lagi, tanpa gangguan, itu akan memberikan kapasitas yang jauh lebih rendah. Sebaliknya, ketika sel yang sama dikosongkan pada arus yang lebih rendah dan dengan interupsi yang sering dan relatif lama, sel akan melepaskan kapasitas penuhnya.

Adapun pengaruh tegangan pelepasan akhir pada kapasitas sel, perlu diingat bahwa selama pelepasan sel galvanik, tegangan operasinya tidak tetap pada level yang sama, tetapi secara bertahap menurun.

Jenis sel elektrokimia yang umum

Sel galvanik yang paling umum adalah sistem mangan-seng, mangan-udara, udara-seng, dan merkuri-seng dengan garam dan elektrolit basa Sel mangan-seng kering dengan elektrolit garam memiliki tegangan awal 1,4 hingga 1,55 V, durasi operasi pada suhu sekitar -20 hingga -60 ОDari jam 7 hingga 340 pagi

Sel seng-mangan dan seng-udara kering dengan elektrolit alkali memiliki tegangan 0,75 hingga 0,9 V dan waktu pengoperasian 6 jam hingga 45 jam.

Sel merkuri-seng kering memiliki tegangan awal 1,22 hingga 1,25 V dan waktu pengoperasian 24 jam hingga 55 jam.

Sel merkuri-seng kering memiliki umur simpan terpanjang hingga 30 bulan.

Baterai

Baterai Ini adalah sel elektrokimia sekunder.Tidak seperti sel galvanik, tidak ada proses kimia yang terjadi di baterai segera setelah perakitan.

Agar baterai dapat memulai reaksi kimia yang terkait dengan pergerakan muatan listrik, komposisi kimia elektrodanya (dan sebagian elektrolit) harus diubah dengan tepat.Perubahan komposisi kimia elektroda ini terjadi di bawah aksi arus listrik yang melewati baterai.

Oleh karena itu, agar baterai dapat menghasilkan arus listrik, pertama-tama harus "diisi" dengan arus listrik langsung dari beberapa sumber arus eksternal.

Baterai juga berbeda dari sel galvanik konvensional karena, setelah habis, dapat diisi ulang. Dengan perawatan yang baik dan dalam kondisi pengoperasian normal, baterai dapat bertahan hingga beberapa ribu pengisian dan pengosongan.
Perangkat bertenaga baterai

Saat ini, baterai timbal dan kadmium-nikel paling sering digunakan dalam praktik. Pada larutan pertama asam sulfat berfungsi sebagai elektrolit, dan pada larutan kedua alkali dalam air. Baterai timbal-asam juga disebut baterai asam, dan baterai nikel-kadmium-alkalin.

Prinsip pengoperasian baterai didasarkan pada polarisasi elektroda selama elektrolisis... Baterai asam paling sederhana disusun sebagai berikut: ini adalah dua pelat timah yang dibenamkan dalam elektrolit. Akibat reaksi substitusi kimia, pelat dilapisi dengan lapisan tipis timbal sulfat PbSO4, sebagai berikut dari rumus Pb + H2SO4 = PbSO4 + H2.

Perangkat baterai asam

Keadaan pelat ini sesuai dengan baterai yang kosong. Jika baterai sekarang dihidupkan untuk diisi, yaitu dihubungkan ke generator arus searah, maka polarisasi pelat akan dimulai di dalamnya karena elektrolisis. Sebagai hasil pengisian baterai, pelatnya terpolarisasi, mis. mengubah zat di permukaannya dan dari homogen (PbSO4) menjadi berbeda (Pb dan PbO2).

Baterai menjadi sumber arus, dengan pelat yang dilapisi timbal dioksida sebagai elektroda positif dan pelat timah yang bersih sebagai elektroda negatif.

Pada akhir pengisian, konsentrasi elektrolit meningkat karena munculnya molekul asam sulfat tambahan di dalamnya.

Ini adalah salah satu karakteristik baterai timbal-asam: elektrolitnya tidak netral dan berpartisipasi dalam reaksi kimia selama pengoperasian baterai.

Pada akhir pengosongan, kedua pelat baterai kembali ditutup dengan timbal sulfat, akibatnya baterai tidak lagi menjadi sumber arus. Baterai tidak pernah dibawa ke kondisi ini. Karena pembentukan timbal sulfat pada pelat, konsentrasi elektrolit menurun pada akhir pelepasan. Jika baterai terisi daya, maka polarisasi dapat disebabkan lagi untuk mengosongkannya lagi, dll.

Cara mengisi baterai

Ada beberapa cara untuk mengisi baterai. Yang paling sederhana adalah pengisian baterai secara normal, yang dilakukan sebagai berikut. Awalnya, selama 5 — 6 jam, pengisian daya dilakukan dengan arus normal ganda hingga tegangan masing-masing baterai mencapai 2,4 V.

Arus pengisian normal ditentukan dengan rumus Aztax = Q / 16

dimana Q — kapasitas nominal baterai, Ah.

Setelah itu, arus pengisian dikurangi ke nilai normal dan pengisian dilanjutkan selama 15-18 jam hingga muncul tanda-tanda akhir pengisian.

Baterai masa kini

Baterai nikel-kadmium atau alkalin muncul jauh lebih lambat daripada baterai timbal, dan dibandingkan dengannya, ini adalah sumber arus kimia yang lebih modern.Keuntungan utama baterai alkaline dibandingkan baterai timbal terletak pada kenetralan kimia elektrolitnya dalam kaitannya dengan massa aktif pelat. Oleh karena itu, self-discharge baterai alkaline jauh lebih rendah daripada baterai timbal-asam. Prinsip pengoperasian baterai alkaline juga didasarkan pada polarisasi elektroda selama elektrolisis.

Untuk menyalakan peralatan radio, baterai kadmium-nikel tersegel diproduksi, yang efektif pada suhu dari -30 hingga +50 ОC dan tahan 400 — 600 siklus pengisian daya. Akumulator ini dibuat dalam bentuk paralelepiped kompak dan piringan dengan berat dari beberapa gram hingga kilogram.

Baterai nikel-hidrogen diproduksi untuk menggerakkan objek otonom. Energi spesifik baterai nikel-hidrogen adalah 50 — 60 Wh kg-1.