Il mondo delle batterie - parte 3

La storia delle batterie moderne inizia nel diciannovesimo secolo e la maggior parte dei modelli in uso oggi provengono da questo secolo. Questa situazione testimonia, da un lato, le ottime idee degli scienziati dell'epoca e, dall'altro, le difficoltà che sorgono nello sviluppo di nuovi modelli.

Poche cose sono così buone da non poter essere migliorate. Questa regola si applica anche alle batterie: i modelli del XIX secolo sono stati perfezionati molte volte fino a quando non hanno assunto la forma attuale. Questo vale anche per Celle di Leclanche.

Link per migliorare

Il design del chimico francese è stato modificato Carl Gassner in un modello davvero utile: economico da produrre e sicuro da usare. Tuttavia, c'erano ancora problemi: il rivestimento di zinco dell'elemento si corrompeva al contatto con l'elettrolito acido che riempiva la ciotola e spruzzare contenuti aggressivi poteva disabilitare il dispositivo alimentato. La decisione è diventata fusione la superficie interna del corpo di zinco (rivestimento al mercurio).

L'amalgama di zinco praticamente non reagisce con gli acidi, ma conserva tutte le proprietà elettrochimiche del metallo puro. Tuttavia, a causa delle normative ambientali, questo metodo per prolungare la vita delle celle viene utilizzato sempre meno (sulle celle prive di mercurio, puoi trovare l'iscrizione o) (1).

2. Disposizione delle celle alcaline: 1) custodia (piombo catodico), 2) catodo contenente biossido di manganese, 3) separatore di elettrodi, 4) anodo contenente KOH e polvere di zinco, 5) terminale dell'anodo, 6) sigillatura della cella (isolante dell'elettrodo) . .

Un altro modo per aumentare la longevità e la vita delle cellule è aggiungere cloruro di zinco ZnCl₂ per pasta per ripieno tazze. Le celle di questo design sono spesso indicate come Heavy Duty e (come suggerisce il nome) sono progettate per alimentare dispositivi a più alta intensità energetica.

Una svolta nel campo delle batterie usa e getta è stata la costruzione nel 1955 di cellula alcalina. Invenzione dell'ingegnere canadese Lewis Urry, utilizzato dall'attuale azienda Energizer, ha una struttura leggermente diversa da quella della cella Leclanchet.

Innanzitutto, non troverai un catodo di grafite o una tazza di zinco lì. Entrambi gli elettrodi sono realizzati sotto forma di paste umide separate (addensanti più reagenti: il catodo è costituito da una miscela di biossido di manganese e grafite, l'anodo di polvere di zinco con una miscela di idrossido di potassio) e i loro terminali sono in metallo ( 2). Tuttavia, le reazioni che si verificano durante il funzionamento sono molto simili a quelle che si verificano nella cella di Leclanchet.

Task. Eseguire una "autopsia chimica" su una cellula alcalina per scoprire che il contenuto è effettivamente alcalino (3). Ricordiamo che le stesse precauzioni valgono per lo smontaggio della cella Leclanchet. Vedere il campo Codice batteria per come identificare una cella alcalina.

3. La "Sezione" della cella alcalina conferma il contenuto di alcali.

Batterie fatte in casa

4. Batterie domestiche Ni-MH e Ni-Cd.

Le celle che possono essere ricaricate dopo l'uso sono state l'obiettivo dei progettisti sin dall'inizio dello sviluppo della scienza dell'elettricità, da cui i molti tipi di esse.

Attualmente, uno dei modelli utilizzati per alimentare piccoli elettrodomestici è batterie al nichel-cadmio. Il loro prototipo è apparso nel 1899 quando un inventore svedese lo ha fatto. Ernst Jungner ha chiesto il brevetto per una batteria al nichel-cadmio che potesse competere con batterie già ampiamente utilizzate nell'industria automobilistica. batteria al piombo.

L'anodo della cella è cadmio, il catodo è un composto di nichel trivalente, l'elettrolita è una soluzione di idrossido di potassio (nei moderni modelli "a secco", una pasta umida di addensanti saturata con una soluzione di KOH). Le batterie Ni-Cd (questa è la loro designazione) hanno una tensione operativa di circa 1,2 V, inferiore a quella delle celle usa e getta, che tuttavia non rappresenta un problema per la maggior parte delle applicazioni. Il grande vantaggio è la capacità di consumare una corrente significativa (anche pochi ampere) e un'ampia gamma di temperature di esercizio.

5. Verificare i requisiti per i diversi tipi di batterie prima della ricarica.

Lo svantaggio delle batterie al nichel-cadmio è un oneroso "effetto memoria". Ciò si verifica quando si ricaricano frequentemente batterie Ni-Cd parzialmente scariche: il sistema si comporta come se la sua capacità fosse solo uguale alla carica ripristinata dalla ricarica. In alcuni tipi di caricabatterie, l'"effetto memoria" può essere ridotto caricando le celle in una modalità speciale.

Pertanto, le batterie al nichel-cadmio scariche devono essere caricate in un ciclo completo: prima completamente scariche (utilizzando l'apposita funzione di caricabatteria) e poi ricaricate. Le frequenti ricariche riducono anche la vita stimata di 1000-1500 cicli (che molte celle usa e getta saranno sostituite da una singola batteria durante la sua vita, quindi il costo di acquisto più elevato si ripagherà molte volte, per non parlare del carico molto minore sulla batteria ). ambiente con la produzione e lo smaltimento delle cellule).

Gli elementi Ni-Cd contenenti cadmio tossico sono stati sostituiti batterie al nichel-metallo idruro (designazione Ni-MH). La loro struttura è simile alle batterie Ni-Cd, ma al posto del cadmio viene utilizzata una lega metallica porosa (Ti, V, Cr, Fe, Ni, Zr, terre rare) con la capacità di assorbire idrogeno (4). Anche la tensione di esercizio della cella Ni-MH è di circa 1,2 V, il che consente di utilizzarle in modo intercambiabile con le batterie NiCd. La capacità delle celle al nichel-idruro di metallo è maggiore di quella delle celle al nichel-cadmio della stessa dimensione. Tuttavia, i sistemi NiMH si scaricano automaticamente più velocemente. Esistono già design moderni che non presentano questo inconveniente, ma costano molto di più rispetto ai modelli standard.

Le batterie al nichel-metallo idruro non presentano un "effetto memoria" (le celle parzialmente scariche possono essere ricaricate). Tuttavia, è sempre necessario verificare i requisiti di carica di ciascun tipo nelle istruzioni per il caricatore (5).

Nel caso di batterie Ni-Cd e Ni-MH, si sconsiglia di smontarle. Innanzitutto, non troveremo nulla di utile in essi. In secondo luogo, il nichel e il cadmio non sono elementi sicuri. Non correre rischi inutilmente e lasciare lo smaltimento a professionisti qualificati.

Il re degli accumulatori, cioè...

6. "Re delle batterie" al lavoro.

… Batteria al piombo, costruito nel 1859 da un fisico francese Gaston Plantego (sì, sì, quest'anno il dispositivo compirà 161 anni!). L'elettrolito della batteria è una soluzione di acido solforico (VI) al 37% circa e gli elettrodi sono di piombo (anodo) e piombo rivestiti con uno strato di biossido di piombo PbO.₂ (catodo). Durante il funzionamento, sugli elettrodi si forma un precipitato di solfato di piombo(II)(II)PbSO₄. Durante la ricarica, una cella ha una tensione superiore a 2 volt.

batteria al piombo in realtà presenta tutti gli svantaggi: peso significativo, sensibilità alla scarica e alle basse temperature, necessità di immagazzinare in uno stato carico, rischio di fuoriuscita di elettroliti aggressivi e utilizzo di metalli tossici. Inoltre, richiede un'attenta manipolazione: controllo della densità dell'elettrolita, aggiunta di acqua alle camere (usare solo distillata o deionizzata), controllo della tensione (la caduta al di sotto di 1,8 V in una camera può danneggiare gli elettrodi) e una modalità di carica speciale.

Allora perché l'antica struttura è ancora in uso? Il "Re degli accumulatori" ha quello che è un attributo di un vero sovrano: il potere. L'elevato consumo di corrente e l'elevata efficienza energetica fino al 75% (questa quantità di energia utilizzata per la ricarica può essere recuperata durante il funzionamento), nonché il design semplice e il basso costo di produzione, fanno sì che batteria al piombo Viene utilizzato non solo per avviare motori a combustione interna, ma anche come elemento di alimentazione di emergenza. Nonostante 160 anni di storia, la batteria al piombo va ancora bene e non è stata soppiantata da altre tipologie di questi dispositivi (e con esso il piombo stesso che, grazie alla batteria, è uno dei metalli prodotti in maggior quantità) . Finché la motorizzazione basata su motori a combustione interna continuerà a svilupparsi, la sua posizione non sarà probabilmente minacciata (6).

Gli inventori non hanno smesso di provare a creare un sostituto per la batteria al piombo. Alcuni dei modelli sono diventati popolari e sono ancora utilizzati nell'industria automobilistica oggi. A cavallo tra diciannovesimo e ventesimo secolo, furono creati progetti in cui non veniva utilizzata la soluzione H.₂SO₄ma elettroliti alcalini. Un esempio è la batteria al nichel-cadmio di Ernst Jungner mostrata sopra. Nel 1901 Thomas Alva Edison ha cambiato il design per utilizzare il ferro invece del cadmio. Rispetto alle batterie ad acido, le batterie alcaline sono molto più leggere, possono funzionare a basse temperature e non sono così difficili da maneggiare. Tuttavia, la loro produzione è più costosa e l'efficienza energetica è inferiore.

E qual è il prossimo?

Naturalmente, gli articoli sulle batterie non esauriscono le domande. Non discutono, ad esempio, delle celle al litio, anch'esse comunemente utilizzate per alimentare elettrodomestici come calcolatrici o schede madri dei computer. Puoi saperne di più su di loro nell'articolo di gennaio sul Premio Nobel per la chimica dello scorso anno e nella parte pratica - in un mese (compresa la demolizione e l'esperienza).

Ci sono buone prospettive per le celle, in particolare le batterie. Il mondo sta diventando sempre più mobile, il che significa la necessità di diventare indipendenti dai cavi di alimentazione. Anche garantire un approvvigionamento energetico efficiente per i veicoli elettrici è un grosso problema. - in modo che possano competere con le auto con motore a combustione interna anche in termini di efficienza.

batteria dell'accumulatore

Per facilitare l'identificazione del tipo cellulare è stato introdotto uno speciale codice alfanumerico. Per le tipologie più diffuse nelle nostre case per piccoli elettrodomestici, ha la forma numero-lettera-lettera-numero.

E sì:

- la prima cifra è il numero di celle; ignorato per celle singole;

– la prima lettera indica il tipo di cella. Quando manca, hai a che fare con il collegamento Leclanche. Altri tipi di cellule sono etichettati come segue:

C – cella al litio (il tipo più comune),

H – batteria NiMH,

K – batteria al nichel-cadmio,

L – cella alcalina;

- la seguente lettera indica la forma del collegamento:

F - piatto,

R - cilindrico,

P - la designazione generale delle maglie di forma diversa da quella cilindrica;

– la cifra o le cifre finali indicano la dimensione del collegamento (valori di catalogo o indicanti direttamente le dimensioni) (7).

7. Dimensioni delle celle e delle batterie popolari.

Esempi di marcatura:

R03
- una cella di zinco-grafite delle dimensioni di un mignolo. Un'altra designazione è AAA o.

LR6 - una cella alcalina delle dimensioni di un dito. Un'altra designazione è AA o.

HR14 – Batteria NiMH; la lettera C è usata anche per indicare la taglia.

KR20 – Batteria Ni-Cd, la cui dimensione è anch'essa contrassegnata dalla lettera D.

3LR12 – una batteria scarica con tensione 4,5 V, costituita da tre celle alcaline cilindriche.

6F22 - Batteria da 9 volt, composta da sei celle piatte Leclanchet.

CR2032 – cella al litio con un diametro di 20 mm e uno spessore di 3,2 mm.

Vedi anche: