Что будет если в аккумулятор долить электролит: Аккумуляторы автомобильные в Перми, каталог, цены

BatteryStuff | Объяснение свинцово-кислотной батареи

Стю Олтман — технический редактор журнала Wing World Magazine
Отредактировано и перепечатано с разрешения

Аккумулятор для мотоциклов на 12 В состоит из пластикового корпуса, содержащего шесть ячеек.Каждая ячейка состоит из набора положительных и отрицательных пластин, погруженных в разбавленный раствор серной кислоты, известный как электролит, и каждая ячейка имеет напряжение около 2,1 В при полной зарядке. Шесть элементов соединены вместе, чтобы получить полностью заряженную батарею примерно на 12,6 вольт.

Это здорово, но как вливание свинцовых пластин в серную кислоту производит электричество? Батарея использует электрохимическую реакцию для преобразования химической энергии в электрическую. Давайте посмотрим.Каждая ячейка содержит пластины, напоминающие крошечные квадратные теннисные ракетки, сделанные либо из свинцовой сурьмы, либо из свинцово-кальциевого сплава. Затем к пластинам приклеивается паста из так называемого «активного материала»; губчатый свинец для отрицательных пластин и диоксид свинца для положительных. В этом активном материале происходит химическая реакция с серной кислотой, когда на клеммы батареи подается электрическая нагрузка.

Как это работает

Позвольте мне сначала дать вам общую картину для тех, кто не очень ориентирован на детали.В основном, когда батарея разряжается, серная кислота в электролите истощается, так что электролит больше напоминает воду. В то же время сульфат кислоты покрывает пластины и уменьшает площадь поверхности, на которой может происходить химическая реакция. Зарядка меняет процесс, возвращая сульфат обратно в кислоту. Это вкратце, но читайте дальше, чтобы лучше понять. Если вы уже бежали из комнаты, крича и волоча за волосы, не волнуйтесь.

Электролит (серная кислота и вода) содержит заряженные ионы сульфата и водорода. Ионы сульфата заряжены отрицательно, а ионы водорода — положительно. Вот что происходит при включении нагрузки (фары, стартера и т. Д.). Ионы сульфата перемещаются к отрицательным пластинам и теряют свой отрицательный заряд. Оставшийся сульфат соединяется с активным материалом на пластинах с образованием сульфата свинца. Это снижает прочность электролита, а сульфат на пластинах действует как электрический изолятор.Избыточные электроны уходят с отрицательной стороны батареи через электрическое устройство и обратно к положительной стороне батареи. На положительном полюсе батареи электроны устремляются обратно и принимаются положительными пластинами. Кислород в активном материале (диоксид свинца) реагирует с ионами водорода с образованием воды, а свинец реагирует с серной кислотой с образованием сульфата свинца.

Ионы, движущиеся в электролите, создают ток, но по мере того, как элемент разряжается, количество ионов в электролите уменьшается, и площадь активного материала, доступного для их приема, также уменьшается, поскольку он покрывается сульфатом.Помните, что химическая реакция происходит в порах активного материала, прикрепленного к пластинам.

Многие из вас, возможно, заметили, что батарея, используемая для запуска велосипеда, который просто не заводится, быстро достигает точки, в которой даже двигатель не заводится. Однако, если эту батарею оставить на некоторое время, она, кажется, оживает. С другой стороны, если вы оставите переключатель в положении «парк» на ночь (горят только пара маленьких лампочек), аккумулятор будет совершенно бесполезен утром, и никакие перерывы не приведут к его восстановлению.Почему это? Поскольку ток возникает в результате химической реакции на поверхности пластин, сильный ток быстро восстанавливает электролит на поверхности пластин до воды. Напряжение и ток будут снижены до уровня, недостаточного для работы стартера. Требуется время, чтобы большее количество кислоты диффундировало через электролит и достигло поверхности пластин. Это достигается за счет короткого периода отдыха. Кислота не истощается так быстро, когда ток невелик (например, для питания лампы заднего фонаря), а скорость диффузии достаточна для поддержания напряжения и тока.Это хорошо, но когда напряжение в конечном итоге падает, кислота больше не прячется за пределами ячейки, чтобы мигрировать к пластинам. Электролит в основном состоит из воды, а пластины покрыты изолирующим слоем из сульфата свинца. Теперь требуется зарядка.

Саморазряд

Одна не самая приятная особенность свинцово-кислотных аккумуляторов заключается в том, что они разряжаются сами по себе, даже если не используются. Общее практическое правило — норма саморазряда один процент в день.Эта скорость увеличивается при высоких температурах и уменьшается при низких температурах. Не забывайте, что ваше Gold Wing с часами, стереосистемой и радио CB никогда не выключается полностью. Каждое из этих устройств имеет «поддерживающую память», чтобы сохранить ваши предварительные настройки радио и время, и эти воспоминания потребляют около 20 миллиампер, или 0,020 ампер. Это будет высасывать из вашей батареи около получаса в час при температуре 80 градусов по Фаренгейту. Эта тяга, в сочетании со скоростью саморазряда, разряжает вашу батарею на 50 процентов за две недели, если велосипед оставить без присмотра и без седла.

во время зарядки аккумулятора

Зарядка — это процесс, обращающий электрохимическую реакцию в обратном направлении. Он преобразует электрическую энергию зарядного устройства в химическую энергию. Помните, батарея не накапливает электричество; в нем хранится химическая энергия, необходимая для производства электроэнергии.

Зарядное устройство для аккумулятора меняет направление тока на противоположное, при условии, что зарядное устройство имеет большее напряжение, чем аккумулятор. Зарядное устройство создает избыток электронов на отрицательных пластинах, и положительные ионы водорода притягиваются к ним.Водород реагирует с сульфатом свинца с образованием серной кислоты и свинца, и когда большая часть сульфата уходит, водород поднимается с отрицательных пластин. Кислород в воде реагирует с сульфатом свинца на положительных пластинах, снова превращая их в диоксид свинца, и пузырьки кислорода поднимаются от положительных пластин, когда реакция почти завершается.

Многие люди думают, что внутреннее сопротивление аккумулятора велико, когда аккумулятор полностью заряжен, но это не так. Если вы задумаетесь, то вспомните, что сульфат свинца действует как изолятор.Чем больше сульфата на пластинах, тем выше внутреннее сопротивление аккумулятора. Более высокое сопротивление разряженной батареи позволяет ей принимать более высокую скорость заряда без выделения газов или перегрева, чем когда батарея почти полностью заряжена. При почти полной зарядке остается не так много сульфата, чтобы поддерживать обратную химическую реакцию. Уровень зарядного тока, который может применяться без перегрева батареи или разрушения электролита на водород и кислород, известен как «естественная скорость поглощения батареи».«Когда зарядный ток превышает эту естественную скорость поглощения, происходит перезарядка. Аккумулятор может перегреться, и электролит будет пузыриться. На самом деле, часть зарядного тока тратится впустую в виде тепла даже при правильных уровнях зарядки, и эта неэффективность создает необходимость чтобы вернуть в аккумулятор больше ампер-часов, чем было извлечено. Подробнее об этом позже.

Как долго прослужит моя батарея?

Есть много вещей, которые могут привести к выходу аккумулятора из строя или резко сократить срок его службы.Одна из этих вещей позволяет батарее оставаться в частично разряженном состоянии . Мы говорили о том, что сульфат образуется на поверхности пластин аккумулятора при разряде, а также сульфат образуется в результате саморазряда. Сульфат также быстро образуется, если уровень электролита упадет до точки, при которой пластины будут обнажены. Если позволить этому сульфату оставаться на пластинах, кристаллы станут больше и затвердеют до тех пор, пока их невозможно будет удалить загрузкой.Следовательно, количество доступной площади поверхности для химической реакции будет постоянно уменьшаться. Это состояние известно как «сульфатирование», и оно необратимо снижает емкость аккумулятора. Батарея на 20 ампер-час может начать работать как батарея на 16 ампер-час (или меньше), быстро теряя напряжение под нагрузкой и не в состоянии поддерживать достаточное напряжение во время проворачивания коленчатого вала для работы системы зажигания велосипеда. Это последнее условие очевидно, когда двигатель отказывается запускаться, пока вы не уберете палец с кнопки запуска.Когда вы отпускаете стартер, напряжение аккумулятора мгновенно поднимается до достаточного уровня. Поскольку двигатель все еще вращается на короткое время, при включенном зажигании зажигаются свечи зажигания. В следующей статье мы увидим, почему повышенное внутреннее сопротивление из-за сульфатирования приводит к снижению мощности, подаваемой на стартер.

Глубокая разрядка — еще один убийца батареи. Каждый раз, когда батарея глубоко разряжается, часть активного материала падает с пластин и падает на дно батарейного отсека.Естественно, остается меньше материала для проведения химической реакции. Если на дне корпуса скапливается достаточно этого материала, пластины могут закоротиться и батарея выйдет из строя.

Перезарядка — коварный убийца; его эффекты часто не очевидны для невиновного покупателя постоянного зарядного устройства за десять долларов, который оставляет его подключенным к батарее на длительные периоды времени. Https://www.batterystuff.com/battery-chargers/#mce_temp_url# заряжается с постоянной скоростью независимо от уровня заряда аккумулятора.Если эта скорость больше, чем естественная скорость поглощения батареи при полной зарядке, электролит начнет разрушаться и выкипать. Многие гонщики всю зиму хранят велосипед на зарядном устройстве, а весной обнаруживают, что аккумулятор практически разряжен. Кроме того, поскольку зарядка имеет тенденцию окислять положительные пластины, продолжающаяся перезарядка может привести к коррозии пластин или разъемов, пока они не ослабнут и не сломаются.

Недостаточная зарядка — это состояние, которое встречается на многих мотоциклах. Ваш регулятор напряжения настроен на поддержание напряжения вашей системы на уровне от 14 до 14.4 вольта. Если вы один из тех, кто ездит по автомагистралям между штатами, а ваш вольтметр показывает только 13,5 вольт, потому что вы сжигаете больше огней, чем рождественский дисплей Macy, вы должны знать, что этого напряжения достаточно для поддержания заряженной батареи, но недостаточно для полного заряда. перезарядить разряженный.

Помните, мы говорили, что газовыделение происходит, когда весь или большая часть сульфата свинца превращается обратно в свинец и диоксид свинца. Напряжение, при котором это обычно происходит, известное как напряжение газовыделения, обычно чуть выше 14 вольт.Если напряжение в вашей системе никогда не будет таким высоким, и если вы никогда не компенсируете это путем подключения к зарядному устройству дома, сульфат начнет накапливаться и затвердевать, как налет во рту. Рассматривайте периодическую тщательную зарядку как обычную чистку зубов нитью и зубной нитью. Если вы не соблюдаете гигиену полости рта, вы можете пойти к дантисту и попросить его взорвать и поскрести всю эту мерзость. Когда ваша батарея достигает этой стадии, это занавески!

Какой тип зарядного устройства и почему

Ваш генератор переменного тока и стандартное автомобильное зарядное устройство имеют много общего; они стремятся поддерживать постоянное напряжение.Вот проблема с попыткой быстро зарядить сильно разряженный аккумулятор любым из них. Помните, мы обсуждали, как сильное потребление тока может сделать аккумулятор разряженным. Затем, когда кислота диффундирует через элементы, концентрация на поверхности пластин увеличится, и батарея вернется к жизни.

Аналогичным образом напряжение аккумулятора во время заряда увеличивается из-за концентрации кислоты, которая возникает на поверхности пластин. Если скорость заряда значительная, напряжение будет быстро расти.Конусное зарядное устройство или автомобильный регулятор напряжения резко снизят скорость заряда, когда напряжение поднимется выше 13,5, но соизмеримо ли состояние заряда аккумулятора с напряжением? Нет! Опять же, требуется время, чтобы кислота распространилась по клеткам.

Несмотря на то, что напряжение может быть высоким, электролит на внешней стороне элементов все еще слаб, и батарея может быть на гораздо более низком уровне заряда, чем может указывать напряжение. Только после продолжительной зарядки при пониженном токе будет достигнута полная емкость.По этой причине вы не должны судить о состоянии заряда аккумулятора, измеряя напряжение во время зарядки. Проверяйте его только после того, как дайте батарее посидеть хотя бы час. Напряжение будет снижаться и стабилизироваться по мере того, как кислота распространяется по клеткам.

За последние несколько лет несколько компаний разработали зарядные устройства, которые могут быстро заряжать разряженную батарею, а затем удерживать батарею под напряжением, которое не вызывает газообразования и не допускает саморазряда. Их иногда называют «умными зарядными устройствами» или многоступенчатыми зарядными устройствами.Вот как они работают.

Мы сказали, что аккумулятор может принимать гораздо более высокую скорость заряда, когда он частично разряжен, чем когда он почти полностью заряжен. Эти многоступенчатые зарядные устройства используют этот факт, начиная заряд с постоянным током или в режиме «объемной зарядки». Обычно они обеспечивают заряд от 650 мА до 1,5 А, в зависимости от марки и модели. Этот объемный заряд поддерживается постоянным (или должен быть) до тех пор, пока напряжение аккумулятора не достигнет 13,5 В, что позволяет аккумулятору поглотить большее количество заряда за короткое время и без повреждений.Затем зарядное устройство переключается на постоянное напряжение или «абсорбционный» заряд.

Идея состоит в том, чтобы позволить батарее поглотить последние 15 процентов своего заряда с естественной скоростью поглощения, чтобы предотвратить чрезмерное выделение газов или нагрев. Наконец, эти зарядные устройства переключаются в «плавающий» режим, в котором напряжение аккумулятора поддерживается на уровне, достаточном для предотвращения разрядки, но недостаточном для возникновения перезарядки. Различные компании в целом расходятся во мнениях относительно того, каким должно быть это напряжение холостого хода, но обычно оно составляет 13.2 и 13,4 вольт. Фактически, плавающее напряжение должно иметь температурную компенсацию от 13,1 вольт при 90 градусах по Фаренгейту до 13,9 вольт при 50 градусах. Большинство очень дорогих многоступенчатых зарядных устройств высокой мощности для использования с более крупными батареями для жилых автофургонов имеют температурную компенсацию, но, насколько мне известно, ни одно из мотоциклетных устройств не работает; они используют компромиссную настройку с плавающей запятой.

Итак, я могу просто установить его и забыть, верно? Не совсем так. Во-первых, вам нужно время от времени проверять уровень жидкости в аккумуляторе (если только у вас нет герметичного аккумулятора).Еще одна проблема — это проба батареи. Даже если его удерживать на уровне 13 вольт, постоянное напряжение позволит аккумулятору со временем начать сульфатироваться. Для большинства этих устройств я рекомендую отключать зарядное устройство от сети не реже одного раза в 60 дней во время сезонного хранения. Дайте батарее отдохнуть пару дней, а затем снова подключите зарядное устройство.

Все еще здесь?

Если вы все еще читаете это, вы настоящий солдат. Я понимаю, что эта тема может сбивать с толку или даже скучать, но наберись духа; Я легкомысленно относился к тебе.Остается гораздо больше невысказанного, чем то, что здесь показано. Это были «Лучшие хиты Battery». Я надеюсь, что этого было достаточно, чтобы заинтересовать вас, не отправляя вас в информационную перегрузку, и, возможно, теперь, когда вы знаете, сколько способов сократить срок службы батареи, вы знаете, почему никто не может предсказать, как долго прослужит батарея. Многие райдеры, которые считают, что отлично заботятся о своих батареях, на самом деле убивают их добротой.

Выберите зарядное устройство для аккумулятора

Была ли эта информация полезной? Подпишитесь, чтобы получать обновления и предложения.

Как активировать обычную батарею

Как обычные батареи покидают завод

Yuasa Обычные батареи покидают завод в виде бутылки, поставляемой (BS):

• Бутылка в комплекте (BS) — сухой Обычные батареи поставляются с электролитом хранится в пластиковом контейнере. Аккумулятор заполняется электролитом из контейнера, когда он готов к активации. Обычные батареи имеют срок годности 2 года, указанный производителем, при условии, что они остаются закрытыми.Надлежащая герметизация обычных батарей означает, что крышки заливных горловин и красные вентиляционные крышки устанавливаются и хранятся при комнатной температуре. После того, как аккумулятор распечатан, его следует активировать, зарядить и установить. Пластины ячеек незапечатанной незаряженной батареи начнут окисляться, что затруднит дальнейшую зарядку.

Процесс активации обычной батареи

1. Батарея должна быть вне автомобиля и размещена на ровной поверхности. Снимите крышки заливных горловин (красные, желтые или зеленые крышки батарейного отсека).
2. Снимите красную заглушку с вентиляционного колена . Если на вентиляционном патрубке аккумулятора есть красный колпачок, снимите его и выбросьте. Никогда не надевайте этот колпачок обратно на аккумулятор после того, как он наполнен кислотой, так как повышение внутреннего давления газа может привести к разрыву корпуса аккумулятора.
3. Используя бутылку с кислотой, поставляемую с аккумулятором, поместите емкость вертикально на плоскую поверхность. Осторожно отрежьте кончик носика бутылки и прикрепите прилагаемую короткую трубку. Осторожно: Не сжимайте бутылку при разрезании наконечника наполнения . Не курите при включении аккумулятора или работе с аккумуляторной кислотой. Всегда надевайте пластиковые перчатки и защитные очки.
4. Залейте в аккумулятор электролит, поставляемый с аккумулятором. Не используйте воду или другие жидкости для активации батареи. Температура электролита перед заливкой должна быть от 60 до 86 градусов по Фаренгейту. Если электролит хранится в холодном помещении, перед заливкой его следует нагреть до комнатной температуры.Залейте до ВЕРХНЕГО УРОВНЯ, как указано на батарее. Примечание: Никогда не заправляйте и не активируйте аккумулятор, установленный в автомобиле, так как пролив электролита может вызвать повреждение. .
5. Медленно и осторожно заполняйте каждую ячейку батареи до линии наивысшего уровня.
6. После заполнения дайте аккумулятору постоять не менее 30 минут. Переместите аккумулятор или осторожно постучите по нему, чтобы удалить пузырьки воздуха между пластинами. Если уровень кислоты упал, долейте кислоту до верхнего уровня.
7. Заправка обычной батареи электролитом доведет ее до 75-80% заряда. Аккумулятор необходимо зарядить до 100% перед вводом в эксплуатацию. . Чтобы найти рекомендуемые требования к току зарядки в амперах для конкретной батареи, разделите номинальную емкость батареи в ампер-часах на 10. Например, батарею емкостью 14 Ач следует заряжать с током 1,4 ампера (14 Ач ÷ 10 = 1,4 ампера). Удельный вес электролита должен вырасти как минимум до 1,260 на батареях серии 12N. На всех высокопроизводительных батареях (серия YB) должно соблюдаться минимальное показание 1,280.
8. Во время начальной зарядки проверьте, не упал ли уровень электролита, и если да, залейте кислоту до ВЕРХНЕГО УРОВНЯ. После добавления кислоты заряжайте еще час с той же скоростью, что и выше, чтобы смешать воду и кислоту. Примечание. Это последний раз, когда нужно добавлять электролит в аккумулятор. Если во время использования уровень низкий, следует добавить дистиллированную воду по мере необходимости. .
9. По окончании зарядки установите на место пробки крышки заливной горловины и затяните их вручную — не используйте отвертку или плоскогубцы .Смойте пролитую кислоту водой с раствором пищевой соды, обращая особое внимание на то, чтобы кислота смывалась с клемм. Высушите аккумуляторный отсек и установите аккумулятор.

Активация обычной батареи — это простой процесс, который может успешно выполнить практически любой гонщик или механик. Не забывайте всегда проявлять осторожность при обращении с батареями и активационным оборудованием.

Сильные и слабые электролиты | Химия для неосновных

Цели обучения

• Определите сильный электролит.
• Определите слабый электролит.
• Объясните, как написать уравнения для слабого электролита в растворе.

Могут ли автомобильные аккумуляторы быть опасными?

Автомобильные аккумуляторы, подобные показанному выше, используются во всем мире для запуска двигателей автомобилей. Одним из важнейших компонентов автомобильных аккумуляторов является серная кислота с сильным электролитом. В батарее этот материал ионизируется на ионы водорода и ионы сульфата. По мере использования батареи концентрация этих ионов уменьшается.У старых батарей в верхней части были отверстия, куда можно было добавить новую серную кислоту для пополнения запаса. Сегодня батареи герметичны, чтобы предотвратить утечку опасной серной кислоты.

Сильные и слабые электролиты

Некоторые полярные молекулярные соединения не являются электролитами, когда они находятся в чистом состоянии, но становятся электролитами, когда они растворяются в воде. Хлористый водород (HCl) представляет собой газ в чистом молекулярном состоянии и не является электролитом. Однако, когда HCl растворяется в воде, она хорошо проводит ток, потому что молекула HCl ионизируется с образованием ионов водорода и хлорида.

HCl ( г ) → H ⁺ ( водн. ) + Cl ^— ( водн. )

Когда HCl растворяется в воде, она называется соляной кислотой. Ионные соединения и некоторые полярные соединения полностью распадаются на ионы и поэтому очень хорошо проводят ток. Электролит Strong — это раствор, в котором большая часть растворенного вещества существует в виде ионов.

Некоторые другие полярные молекулярные соединения становятся электролитами при растворении в воде, но не ионизируются в очень значительной степени.Газообразная азотистая кислота в растворе ионизируется на ионы водорода и ионы нитрита, но делает это очень слабо. Водная азотистая кислота состоит только из 5% ионов и 95% интактных молекул азотистой кислоты. Слабый электролит — это раствор, в котором только небольшая часть растворенного вещества существует в виде ионов. В уравнении, показывающем ионизацию слабого электролита, используется двойная стрелка, указывающая на равновесие между реагентами и продуктами.

Сводка

• Сильный электролит существует в основном в виде ионов в растворе.
• Раствор слабого электролита имеет лишь небольшую ионизацию.

Практика

Воспользуйтесь ссылкой ниже, чтобы ответить на следующие вопросы:

http://www.stolaf.edu/depts/chemistry/courses/toolkits/121/js/naming/elec.htm

1. Какая основная разновидность сильного электролита?
2. Какая основная разновидность слабого электролита?
3. КОН — это сильный электролит или слабый электролит?
4. Как бы вы классифицировали CaCl ₂ ?

Обзор

1. Газообразный HCl — это электролит или неэлектролит?
2. Что происходит с газообразным HCl, когда он растворяется в воде?
3. Что такое сильный электролит?
4. Что такое слабый электролит?
5. Является ли HNO ₃ сильным электролитом или слабым электролитом?

Глоссарий

• сильный электролит: Раствор, в котором большая часть растворенного вещества существует в виде ионов.
• слабый электролит: Раствор, в котором лишь небольшая часть растворенного вещества существует в виде ионов.

Как работает аккумулятор — Любопытно

Представьте себе мир без батарей. Все портативные устройства, от которых мы так зависим, были бы настолько ограничены! Мы сможем доставить наши ноутбуки и телефоны настолько далеко, насколько доступны их кабели, что сделает это новое работающее приложение, которое вы только что загрузили на свой телефон, практически бесполезным.

К счастью, у нас есть батарейки. Еще в 150 г. до н.э. в Месопотамии парфянская культура использовала устройство, известное как багдадская батарея, сделанное из медных и железных электродов с уксусом или лимонной кислотой. Археологи считают, что на самом деле это не батареи, а в основном они использовались для религиозных церемоний.

Изобретение батареи в том виде, в котором мы ее знаем, приписывают итальянскому ученому Алессандро Вольта, который собрал первую батарею, чтобы доказать свою точку зрения другому итальянскому ученому Луиджи Гальвани.В 1780 году Гальвани показал, что лапки лягушек, подвешенных на железных или латунных крючках, подергиваются при прикосновении к зонду из другого металла. Он считал, что это было вызвано электричеством из тканей лягушек, и называл это «животным электричеством».

Вольта, первоначально впечатленный открытиями Гальвани, пришел к выводу, что электрический ток исходит от двух разных типов металла (крючки, на которых висели лягушки, и другой металл зонда) и просто передается через них, а не через них. из тканей лягушек. Он экспериментировал со стопками слоев серебра и цинка, перемежаемых слоями ткани или бумаги, пропитанной соленой водой, и обнаружил, что электрический ток действительно протекает через провод, приложенный к обоим концам стопки.

Volta также обнаружил, что, используя различные металлы в сваях, можно увеличить количество напряжения. Он описал свои открытия в письме Джозефу Бэнксу, тогдашнему президенту Лондонского королевского общества, в 1800 году. Это было довольно большое дело (Наполеон был весьма впечатлен!), И его изобретение принесло ему устойчивое признание в честь «вольта». ‘(мера электрического потенциала), названная в его честь.

Я сам, шутя в сторону, поражен тем, как мои старые и новые открытия … чистого и простого электричества, вызванного контактом металлов, могли вызвать такое волнение. Алессандро Вольта

Так что же именно происходило с этими слоями цинка и серебра и с дрожащими лягушачьими лапами?

Химия батареи

Батарея — это устройство, которое накапливает химическую энергию и преобразует ее в электричество.Это известно как электрохимия, а система, лежащая в основе батареи, называется электрохимическим элементом. Батарея может состоять из одного или нескольких (как в оригинальной кучке Вольты) электрохимических ячеек. Каждая электрохимическая ячейка состоит из двух электродов, разделенных электролитом.

Итак, откуда электрохимический элемент получает электричество? Чтобы ответить на этот вопрос, нам нужно знать, что такое электричество. Проще говоря, электричество — это тип энергии, производимый потоком электронов.В электрохимической ячейке электроны образуются в результате химической реакции, которая происходит на одном электроде (подробнее об электродах ниже!), А затем они перетекают на другой электрод, где расходуются. Чтобы понять это правильно, нам нужно внимательнее изучить компоненты клетки и то, как они устроены вместе.

Электроды

Чтобы создать поток электронов, вам нужно где-то, чтобы электроны текли из , а где-то электроны текли с на .Это электроды ячейки. Электроны текут от одного электрода, называемого анодом (или отрицательным электродом), к другому электроду, называемому катодом (положительный электрод). Обычно это разные типы металлов или другие химические соединения.

В котле Вольта анодом служил цинк, от которого электроны текли по проволоке (при соединении) с серебром, которое было катодом батареи. Он сложил много этих ячеек вместе, чтобы получилась общая куча, и поднял напряжение.

Но откуда анод вообще берет все эти электроны? И почему они так счастливы, что их отправили в веселый путь к катоду? Все сводится к химии, происходящей внутри клетки.

Нам нужно понять пару химических реакций. На аноде электрод реагирует с электролитом в реакции, в которой образуются электроны. Эти электроны накапливаются на аноде. Между тем, на катоде одновременно происходит другая химическая реакция, которая позволяет этому электроду принимать электроны.

Технический химический термин, обозначающий реакцию, которая включает обмен электронами, — это реакция окисления-восстановления, обычно называемая окислительно-восстановительной реакцией. Вся реакция может быть разделена на две половинные реакции, и в случае электрохимической ячейки одна полуреакция происходит на аноде, а другая — на катоде. Уменьшение — это усиление электронов, и это то, что происходит на катоде; мы говорим, что катод восстанавливается во время реакции. Окисление — это потеря электронов, поэтому мы говорим, что анод окисляется.

Каждая из этих реакций имеет определенный стандартный потенциал. Думайте об этой характеристике как о способности / эффективности реакции либо производить, либо поглощать электроны — ее силу в электронном перетягивании каната.

• Стандартные потенциалы полуреакций

  Ниже приведен список половинных реакций, которые включают высвобождение электронов из чистого элемента или химического соединения. Рядом с реакцией указано число (E ⁰ ), которое сравнивает силу электрохимического потенциала реакции с силой готовности водорода расстаться со своим электроном (если вы посмотрите вниз по списку, вы увидите, что водородный полуреактор имеет нулевое значение E ⁰ ).E ⁰ измеряется в вольтах.

  Причина, по которой этот список настолько интересен, заключается в том, что если вы выберете две реакции из списка и объедините их в электрохимическую ячейку, значения E ⁰ скажут вам, в каком направлении будет протекать общая реакция: реакция с более отрицательной реакцией. Значение E ⁰ отдает свои электроны другой реакции, и это определяет анод и катод вашей ячейки. Разница между двумя значениями E ⁰ говорит вам об электрохимическом потенциале вашей ячейки, который в основном представляет собой напряжение ячейки.

  Итак, если вы возьмете литий и фторид и сумеете объединить их, чтобы сделать элемент батареи, у вас будет самое высокое напряжение, теоретически достижимое для электрохимического элемента. Этот список также объясняет, почему в котле Вольта цинк был анодом, а серебро — катодом: полуреакция цинка имеет более низкое (более отрицательное) значение E ⁰ (-0,7618), чем полуреакция серебра (0,7996). .

  Источник: UC Davis ChemWiki

Любые два проводящих материала, которые вступают в реакцию с разными стандартными потенциалами, могут образовывать электрохимическую ячейку, потому что более сильный из них сможет забирать электроны у более слабого.Но идеальным выбором для анода был бы материал, который вызывает реакцию со значительно более низким (более отрицательным) стандартным потенциалом, чем материал, который вы выбираете для своего катода. В итоге мы получаем электроны, притягивающиеся к катоду от анода (и анод не очень сильно пытается бороться), и, когда у нас есть легкий путь, чтобы добраться туда — проводящий провод, мы можем использовать их энергию для обеспечения электрического питание нашего фонарика, телефона или чего-то еще.

Разница в стандартном потенциале между электродами как бы равна силе, с которой электроны перемещаются между двумя электродами.Это известно как общий электрохимический потенциал ячейки, и он определяет напряжение ячейки. Чем больше разница, тем больше электрохимический потенциал и выше напряжение.

Чтобы увеличить напряжение аккумулятора, у нас есть два варианта. Мы могли бы выбрать для наших электродов другие материалы, которые придадут ячейке больший электрохимический потенциал. Или мы можем сложить несколько ячеек вместе. Когда элементы объединяются определенным образом (последовательно), это оказывает аддитивное влияние на напряжение батареи.По сути, силу, с которой электроны движутся через батарею, можно рассматривать как общую силу, когда они движутся от анода первого элемента на всем пути, сколько бы ячеек ни содержала батарея, к катоду последнего элемента.

Когда элементы объединяются другим способом (параллельно), это увеличивает возможный ток батареи, который можно рассматривать как общее количество электронов, протекающих через элементы, но не ее напряжение.

Электролит

Но электроды — это всего лишь часть батареи.Помните обрывки бумаги Вольты, пропитанные соленой водой? Соленая вода была электролитом, еще одной важной частью картины. Электролит может быть жидкостью, гелем или твердым веществом, но он должен обеспечивать движение заряженных ионов.

Электронов имеют отрицательный заряд, и поскольку мы посылаем поток отрицательных электронов по нашей цепи, нам нужен способ уравновесить это движение заряда. Электролит обеспечивает среду, через которую могут протекать положительные ионы, уравновешивающие заряд.

Поскольку химическая реакция на аноде производит электроны, для поддержания баланса нейтрального заряда на электроде также производится соответствующее количество положительно заряженных ионов. Они не проходят по внешнему проводу (только для электронов!), А попадают в электролит.

В то же время катод должен также уравновешивать отрицательный заряд электронов, которые он принимает, поэтому реакция, которая здесь происходит, должна втягивать положительно заряженные ионы из электролита (альтернативно, он также может высвобождать отрицательно заряженные ионы из электрода в электролит. электролит).

Итак, в то время как внешний провод обеспечивает путь для потока отрицательно заряженных электронов, электролит обеспечивает путь для переноса положительно заряженных ионов, чтобы уравновесить отрицательный поток. Этот поток положительно заряженных ионов так же важен, как и электроны, обеспечивающие электрический ток во внешней цепи, которую мы используем для питания наших устройств. Роль балансировки заряда, которую они выполняют, необходима для поддержания протекания всей реакции.

Так вот, если бы все ионы, высвобожденные в электролит, могли полностью свободно перемещаться через электролит, они в конечном итоге покрыли бы поверхности электродов и забили бы всю систему.Таким образом, в клетке обычно есть какой-то барьер, чтобы этого не произошло.

При использовании батареи возникает ситуация, когда происходит непрерывный поток электронов (через внешнюю цепь) и положительно заряженных ионов (через электролит). Если этот непрерывный поток остановлен — если цепь разомкнута, например, когда ваш фонарик выключен — поток электронов остановлен. Заряды будут накапливаться, и химические реакции, приводящие в движение аккумулятор, прекратятся.

По мере использования батареи и протекания реакций на обоих электродах возникают новые химические продукты.Эти продукты реакции могут создавать своего рода сопротивление, которое может помешать продолжению реакции с такой же эффективностью. Когда это сопротивление становится слишком большим, реакция замедляется. Электронное перетягивание каната между катодом и анодом также теряет свою силу, и электроны перестают течь. Аккумулятор медленно разряжается.

Зарядка аккумулятора

Некоторые обычные батареи предназначены только для одноразового использования (так называемые первичные или одноразовые батареи).Электроны перемещаются от анода к катоду в одну сторону. Либо их электроды истощаются по мере того, как они выделяют свои положительные или отрицательные ионы в электролит, либо накопление продуктов реакции на электродах препятствует продолжению реакции, и это делается и вытирается пыль. Батарея оказывается в мусорном ведре (или, надеюсь, на переработку, но это уже другая тема Nova).

Но. Изящная вещь в этом потоке ионов и электронов, который имеет место в некоторых типах батарей с соответствующими материалами электродов, заключается в том, что он также может двигаться в обратном направлении, возвращая нашу батарею в исходную точку и давая ей совершенно новую жизнь. .Подобно тому, как батареи изменили способ использования различных электрических устройств, аккумуляторные батареи еще больше изменили полезность этих устройств и их продолжительность жизни.

Когда мы подключаем почти разряженную батарею к внешнему источнику электричества и отправляем энергию обратно в батарею, происходит обратная химическая реакция, которая произошла во время разряда. Это отправляет положительные ионы, выпущенные из анода, в электролит, обратно к аноду, а электроны, которые катод принимает, также обратно к аноду.Возврат как положительных ионов, так и электронов обратно в анод подготавливает систему, так что она снова готова к работе: ваша батарея заряжена.

Однако процесс не идеален. Замена отрицательных и положительных ионов электролита обратно на соответствующий электрод при перезарядке батареи не такая аккуратная и не такая хорошо структурированная, как электрод вначале. Каждый цикл зарядки еще больше ухудшает состояние электродов, а это означает, что батарея со временем теряет производительность, поэтому даже аккумуляторные батареи не работают вечно.

В течение нескольких циклов зарядки и разрядки форма кристаллов аккумулятора становится менее упорядоченной. Это усугубляется, когда аккумулятор разряжается / заряжается с высокой скоростью — например, если вы едете на электромобиле с большой скоростью, а не с постоянной скоростью. Высокоскоростное переключение приводит к тому, что кристаллическая структура становится более неупорядоченной, что приводит к менее эффективной батарее.

Эффект памяти и саморазряд

Почти, но не полностью обратимые реакции разряда и перезарядки также способствуют так называемому «эффекту памяти».Когда вы перезаряжаете некоторые типы аккумуляторных батарей, не разрядив их сначала, они «запоминают», где находились в предыдущих циклах разрядки, и не перезаряжаются должным образом.

В некоторых элементах это вызвано тем, как металл и электролит реагируют с образованием соли (и тем, как эта соль затем снова растворяется и металл заменяется на электродах при перезарядке). Мы хотим, чтобы наши клетки имели красивые, однородные, маленькие кристаллы соли, покрывающие идеальную металлическую поверхность, но это не то, что мы получаем в реальном мире! Некоторые кристаллы образуются очень сложно, а некоторые металлы откладываются во время перезарядки, поэтому некоторые типы батарей имеют больший эффект памяти, чем другие.Дефекты в основном зависят от первоначального состояния заряда батареи, температуры, напряжения заряда и тока зарядки. Со временем недостатки в одном цикле зарядки могут вызвать то же самое в следующем цикле зарядки и так далее, и наша батарея накапливает некоторые плохие воспоминания. Эффект памяти силен для некоторых типов элементов, таких как батареи на никелевой основе. Другие типы, такие как литий-ионные, не страдают этой проблемой.

Другой аспект аккумуляторных батарей заключается в том, что химический состав, делающий их перезаряжаемыми, также означает, что они имеют более высокую тенденцию к саморазряду.Это когда внутренние реакции происходят внутри аккумуляторного элемента, даже когда электроды не подключены через внешнюю цепь. Это приводит к тому, что клетка со временем теряет часть своей химической энергии. Высокая скорость саморазряда серьезно ограничивает срок службы аккумуляторов — и приводит к их разрядке во время хранения.

Литий-ионные аккумуляторы в наших мобильных телефонах имеют довольно хорошую скорость саморазряда около 2–3 процентов в месяц, и наши свинцово-кислотные автомобильные аккумуляторы также довольно разумны — они, как правило, теряют 4–6 процентов. месяц.Никелевые батареи теряют около 10–15 процентов своего заряда в месяц, что не очень хорошо, если вы планируете хранить фонарик в течение всего сезона, когда он вам не нужен! Неперезаряжаемая щелочная батарея теряет около 2–3% своего заряда в год.

Напряжение, ток, мощность, емкость… в чем разница?

Все эти слова в основном описывают мощность батареи, не так ли? Ну вроде как.Но все они несколько разные.

Напряжение = сила, при которой реакция, приводящая в действие аккумулятор, проталкивает электроны через элемент. Это также известно как электрический потенциал и зависит от разницы потенциалов между реакциями, которые происходят на каждом из электродов, то есть от того, насколько сильно катод будет тянуть электроны (через цепь) от анода. Чем выше напряжение, тем больше работы может совершить то же количество электронов.

Ток = количество электронов, которые проходят через любую точку цепи в данный момент времени.Чем выше ток, тем больше работы он может выполнять при том же напряжении. Внутри ячейки ток можно также рассматривать как количество ионов, проходящих через электролит, умноженное на заряд этих ионов.

Мощность = напряжение x ток. Чем выше мощность, тем быстрее батарея может работать — это соотношение показывает, насколько важны и напряжение, и ток для определения того, для чего подходит батарея.

Емкость = мощность батареи как функция времени, которая используется для описания продолжительности времени, в течение которого батарея может обеспечивать питание устройства.Аккумулятор большой емкости сможет проработать более длительный период, прежде чем разрядится / разрядится. У некоторых батарей есть небольшая печальная особенность: если вы слишком быстро попытаетесь извлечь из них слишком много энергии, химические реакции не успеют поспеть, и емкость станет меньше! Итак, мы всегда должны быть осторожны, когда говорим о емкости батареи, и помнить, для чего она будет использоваться.

Еще один популярный термин — «плотность энергии». Это количество энергии, которое устройство может удерживать на единицу объема, другими словами, сколько энергии вы получите за свои деньги с точки зрения мощности по сравнению сразмер. С батареей, как правило, чем выше плотность энергии, тем лучше, так как это означает, что батарея может быть меньше и компактнее, что всегда является плюсом, когда вам нужно заряжать то, что вы хотите держать в кармане. Для электромобилей это даже плюс — аккумулятор должен как-то влезать в машину!

Для некоторых приложений, таких как хранение электроэнергии на возобновляемых электростанциях, таких как ветряная или солнечная электростанция, высокая плотность энергии не является большой проблемой, поскольку в них, скорее всего, будет достаточно места для хранения батарей.Основная цель такого использования — просто хранить как можно больше электроэнергии, как можно безопаснее и дешевле.

Почему так много типов?

Ряд материалов (раньше это были просто металлы) можно использовать в качестве электродов в батарее. За прошедшие годы было опробовано много-много различных комбинаций, но лишь немногие из них действительно прошли дистанцию.Но зачем вообще использовать разные комбинации металлов? Если у вас есть пара металлов, которые хорошо работают вместе в качестве электродов, зачем возиться с другими?

Различные материалы имеют разные электрохимические свойства, поэтому они дают разные результаты, когда вы соединяете их в аккумуляторном элементе. Например, некоторые комбинации будут производить высокое напряжение очень быстро, но затем быстро падают, не в состоянии поддерживать это напряжение в течение длительного времени. Это хорошо, если вам нужно произвести, скажем, внезапную вспышку света, такую ​​как вспышка фотоаппарата.

Другие комбинации будут производить только тонкую струйку тока, но они будут поддерживать эту струю на века. Например, нам не нужен большой ток для питания детектора дыма, но мы хотим, чтобы наши детекторы дыма работали долгое время.

Еще одна причина для использования различных комбинаций металлов заключается в том, что часто два или более аккумуляторных элемента необходимо уложить в стопку для получения необходимого напряжения, и оказывается, что некоторые комбинации электродов складываются вместе намного удобнее, чем другие комбинации.Например, литий-железо-фосфатные батареи (тип литий-ионных аккумуляторов), используемые в электромобилях, складываются вместе для создания систем высокого напряжения (100 или даже более вольт), но вы никогда не сделаете этого с теми батареями NiCad Walkman, которые имеют горячий!

Наши различные потребности с течением времени привели к разработке огромного количества типов батарей. Чтобы узнать больше о них и о том, что ждет аккумулятор в будущем, ознакомьтесь с другими нашими темами о Nova.

Концентрация электролита — обзор

2.3.4 Гидратация в концентрированных растворах

По мере увеличения концентрации электролита количество молекул воды во вторичной гидратной сфере уменьшается. Следовательно, происходит усиление связи между катионом металла и гидратными водами во внутренней сфере (Choppin, Jensen, 2006). Основываясь на ЯМР-исследованиях трехвалентных актинидов и лантаноидов, Чоппин пришел к выводу, что комплексообразование внутренней сферы перхлорат-ионами не происходит ниже примерно 8-10 М (Choppin, Labonne-Wall, 1997).Множественные равновесия для системы уранилхлорида (UO ₂ Cl ₂ (H ₂ O) ₂ , UO ₂ Cl ₃ (H ₂ O) ^— и UO ₂ Cl ₄ ^2–) использовались для отделения урана от его дочерних продуктов или других металлов. Поскольку Th ^{4 +} не образует анионных хлоридных комплексов, он удерживается на катионообменной смоле, в то время как анионные хлоридные комплексы UO ₂ ^{2 +} проходят через колонку в элюате.Альтернативно такие анионные комплексы можно удерживать на анионообменной колонке.

Число гидратации Eu (III) остается относительно постоянным в соляной кислоте примерно до 6–8 M, выше которой концентрация уменьшается. То же самое верно и для числа гидратации Cm (III) в HCl, которое начинает снижаться примерно при 5 M HCl. Эта разница между (Eu ^{3 +} и Cm ^{3 +} ) отражает большее комплексообразование трехвалентного иона актинида с относительно мягким анионом Cl ^—.Разница в комплексообразовании хлоридов использовалась для обеспечения эффективного отделения трехвалентных актинидов от трехвалентных актинидов в концентрированных растворах HCl путем пропускания через колонки с катионообменной смолой с 1950-х годов (Diamond et al., 1954).

Нитратные комплексы для четырехвалентных актинидов, например Th ^{4 +} и Pu ^{4 +} , чрезвычайно важны в процессах разделения и очистки актинидов. Нитрат-ионы начинают образовывать комплексы внутренней сферы при более низких концентрациях, чем хлорид-анионы; это наблюдение подтверждается уменьшением числа гидратации катиона даже при относительно более низких концентрациях (Choppin, Jensen, 2006).Однако, поскольку атомы кислорода нитрата являются твердыми донорами, нет никаких доказательств какого-либо ковалентного усиления его связывания, как это видно с анионами хлорида для трехвалентных катионов актинидов по сравнению с катионами лантанидов (Choppin, Jensen, 2006). В процессах разделения и очистки чрезвычайно важны нитратные комплексы актинидов. Раствор нитрат-азотной кислоты является наиболее распространенной водной средой в процессах разделения ядер. В случае нейтральных экстрагентов, таких как трибутилфосфат (TBP), карбамоилметилфосфиноксид (CMPO) или дипиколинамиды (DPA), он обеспечивает нитратные единицы, необходимые для компенсации заряда катионов актинидов для обеспечения экстракции.Комплексообразование нитрата с шестивалентными ионами актинида происходит очень слабо, и определение констант образования для разновидностей водного раствора нитрата является чрезвычайно трудным. В водных условиях с высокими концентрациями азотной кислоты комплексы формы AnO ₂ (NO ₃ ) (H ₂ O) _x ⁺ , AnO ₂ (NO ₃ ) ₂ (H ₂ O) ₂ и AnO ₂ (NO ₃ ) ₃ ^— (An = U, Np, Pu).Лимитирующим веществом в ряду нитратов является комплекс гексанитрато, An (NO ₃ ) ₆ ^2– (Matonic et al., 2002). Известно комплексообразование пятивалентных ионов Pa и Np нитратом; однако доступны ограниченные термодинамические и структурные данные. Предполагаемая стехиометрия для разновидностей Np (V) — NpO ₂ (NO ₃ ) (H ₂ O) _x . Для протактиния, который легко гидролизуется, были предложены смешанные гидроксо / нитрато- или оксо / нитрато-комплексы.