Aku , elektris ja elektrokeemias, mis tahes klassi seadmeid, mis muudavad keemilise energia otse elektrienergiaks. Kuigi termin aku tähistab ranges kasutuses kahest või enamast selliseks võimeks olevast galvaanielemendist koosnevat komplekti energia muundamine , rakendatakse seda tavaliselt ühele sedasorti rakule.
leeliselise-mangaandioksiidi patarei: väljalõigatud vaade Aluselise – mangaandioksiidiga elektrielemendi lõikevaade. Encyclopædia Britannica, Inc.
Igal patareil (või elemendil) on katood või positiivne plaat ja anood või negatiivne plaat. Need elektroodid peavad olema eraldatud elektrolüüdiga, mis võimaldab ioonide liikumist elektroodide vahel, ja neid sukeldatakse sageli. Elektroodimaterjalid ja elektrolüüt on valitud ja paigutatud nii, et neid oleks piisavalt elektromotoorjõud (mõõdetud volti ) ja elektrivool (amprites mõõdetuna) saab valguste, masinate või muude seadmete käitamiseks välja töötada aku klemmide vahel. Kuna elektrood sisaldab ainult piiratud arvu elektrienergiaks konverteeritavaid keemilise energia ühikuid, järeldub sellest, et kindla suurusega patareil on seadmete käitamiseks ainult teatud võimsus ja see saab lõpuks otsa. Aku aktiivsed osad on tavaliselt ümbritsetud kaanesüsteemi (või ümbrisega) karpi, mis hoiab õhu väljas ja elektrolüüdi lahustit sees ning tagab montaaži jaoks struktuuri.
elektrokeemiline element: põhikomponendid Elektrokeemilise elemendi põhikomponendid. Encyclopædia Britannica, Inc.
Kaubanduslikult saadaval olevad patareid on kavandatud ja ehitatud turutegureid silmas pidades. Materjalide kvaliteet ning elektroodide ja konteinerite disaini keerukus kajastuvad iga konkreetse toote turuhinnas. Uute materjalide avastamisel või traditsiooniliste omaduste paranemisel suureneb aga isegi vanemate akusüsteemide tüüpiline jõudlus mõnikord suure protsendi võrra.
Patareid on jagatud kahte üldrühma: (1) primaarpatareid ja (2) sekundaarsed või akupatareid. Primaarpatareid on mõeldud kasutamiseks seni, kuni pinge on antud seadme kasutamiseks liiga madal ja seejärel visatakse need minema. Sekundaarpatareidel on palju spetsiaalseid disainifunktsioone, samuti konkreetsed materjalid elektroodide jaoks, mis võimaldavad neid taastada (uuesti laadida). Pärast osalist või täielikku tühjendamist saab neid laadida alalisvoolu (DC) abil. Kui tavaliselt ei taastata algset olekut täielikult, on kaubanduslike patareide kaod ühe laadimistsükli kohta isegi erinevates tingimustes vaid väike osa - 1 protsent.
mis aastal leiutas Samuel Morse telegraafi
Elektrokeemilise elemendi anood on tavaliselt metall, mis oksüdeerub (loobub elektronidest) potentsiaaliga vahemikus 0,5 volt ja umbes 4 volti katoodi omast kõrgem. Katood koosneb tavaliselt metallioksiidist või sulfiidist, mis muundatakse vähem oksüdeerunud olekusse, aktsepteerides elektronid koos ioonidega oma struktuuri. Elektroonide kandmiseks anoodist negatiivsesse aku kontakti tuleb tagada juhtiv ühendus välise vooluahela (nt lamp või muu seade) kaudu. Samuti peab olema piisavalt elektrolüüdi. Elektrolüüt koosneb lahustist (veest, orgaanilisest vedelikust või isegi tahkest ainest) ja ühest või mitmest kemikaalist, mis lahustis lahustuvad ioonideks. Need ioonid tarnivad elektrone ja keemilisi aineid raku sisemusse, et tasakaalustada elektrivoolu voolu väljaspool rakku raku töö ajal.
Aku kasulikkust piirab lisaks võimsusele ka see, kui kiiresti saab sellest voolu ammutada. Elektrolüüdi lahuse jaoks valitud soolaioonid peavad olema võimelised liikuma läbi lahusti piisavalt kiiresti, et elektroodide vahel oleks elektrivajaduse määraga võrdne keemiline aine. Seega piirab aku jõudlust difusioon sisemiste kemikaalide määrad ja maht.
Mõlemad elemendi pinged ja difusiooni kiirused selle sees vähenevad, kui temperatuur langetatakse võrdluspunktist, näiteks 21 ° C (70 ° F). Kui temperatuur langeb alla elektrolüüdi külmumistemperatuuri, tekitab rakk tavaliselt väga vähe kasulikku voolu ja võib tegelikult muuta sisemõõtmeid, mille tulemuseks on sisemised kahjustused ja vähenenud jõudlus isegi pärast selle uuesti soojenemist. Kui temperatuuri tõstetakse tahtlikult, on võimalik kiirem tühjenemine, kuid see pole üldjuhul soovitatav, sest akukemikaalid võivad aurustuda või üksteisega spontaanselt reageerida, mis võib põhjustada varajast riket.
Elektrokeemilise elemendi toimimise põhisuhe, mille on välja pannud inglise füüsik-keemik Michael Faraday aastal 1834 tähendab see, et iga teatud aja jooksul voolava ampri kohta peab toimuma vastav keemiline reaktsioon või muud muutused. Selliste muutuste ulatus sõltub elementide molekulaarsest ja elektroonilisest struktuurist moodustavad aku elektroodid ja elektrolüüt. Võib esineda ka sekundaarseid muutusi, kuid elektri tootmiseks peab elektroodide juures toimuma esmane teoreetiliselt pöörduvate reaktsioonide paar. Aku poolt toodetavat tegelikku energiat mõõdetakse toodetud amprite arvu järgi × ajaühik × selle aja keskmine pinge. Tsingi ja mangaandioksiidi elektroodidega elemendi jaoks (nt tavaline taskulampiga kuiv element) leitakse, et tsingi keemiline ekvivalent kaalub 32,5 grammi (1,4 untsi) ja mangaandioksiidi umbes 87 grammi (3,1 untsi). Kõigi nende elektroodide ühe ekvivalentkaalu eraldumine põhjustab 32,5 grammi tsingi lahustumist ja 87 grammi mangaandioksiidi muutumist erinevaks oksiidiks, mis sisaldab rohkem vesinikku ja tsingiioone. Osa elektrolüüdist kulub ka reaktsioonis. Iga elektroodi üks keemiline ekvivalent tekitab ühe faradiidi ehk 96 485 kulonbi voolu, mis võrdub 26,8 ampriga tunnis. Kui rakud töötavad keskmiselt 1,2 volti , see annaks 32,2 vatt-tundi alalisvoolu energiat. Väljendatud muul viisil, kus n võrdub eraldatud keemiliste ekvivalentide arvuga, F on Faraday konstant (9,6485 × 104kulongid mooli kohta), V on elemendi keskmine (mitte tingimata püsiv) pinge tühjendusperioodil ja joule ≅ 2,78 × 10−4vatt-tundi.
taskulampide patareid Taskulambi toiteallikad. Encyclopædia Britannica, Inc.
Elemente on suur hulk ja ühendid millest valida patareide jaoks potentsiaalselt kasulikud kombinatsioonid. Tavakasutuses olevad kaubandussüsteemid esindavad arvukate katsete ellujääjaid, kus edasine kasutamine sõltub piisavast pingest, suurest voolu kandevõimest, odavatest materjalidest ja tolerantsusest kasutaja hooletuse korral. Parem tihendustehnoloogia ja plastmass võimaldavad edasi arendada kõiki rakusüsteeme, eriti neid, mis kasutavad anoodiks väga aktiivset liitiumit. See olukord on andnud kaubanduslikud rakud, mille koormus on 3,9 volti ja väga kõrge voolu kandevõime.
Patareitootjad on erinevate spetsialiseeritud rakenduste jaoks välja töötanud palju erineva suuruse, pinge ja praeguse koormuse. Tavaliste leibkonna patareide puhul ( vaata tabel), standardsuurused ja elektrilised omadused on kehtestanud Ameerika Riiklik Standardiinstituut (ANSI) ja Rahvusvaheline Elektrotehnika Komisjon (IEC). ANSI (IEC) kujul on kõige tavalisemad suurused AAA (R03), AA (R6), C (R14), D (R20) ja 9V (6F22).
Primaarpatareid | |||
---|---|---|---|
tüüp | keemia | suurused ja tavalised rakendused | Funktsioonid |
tsink-süsinik (Leclanché) | tsingisulamist anood-mangaandioksiidi katood koos elektrolüütide seguga, mis sisaldab 80 protsenti ammooniumkloriidi ja 20 protsenti tsingikloriidi, mis ümbritseb süsinikvarda elektroodi; 1,55 volti raku kohta, kasutus väheneb | laiim valik suurusi, kujusid ja mahtu (sealhulgas kõik peamised silindrikujulised ja ristkülikukujulised jakid); kasutatakse kaugjuhtimispuldides, taskulampides, kaasaskantavates raadiotes | odav ja kerge; madal energiatihedus; väga nõrk suure äravooluga rakenduste jaoks; halb jõudlus madalatel temperatuuridel; tsingi sulamis leiduva mürgise elavhõbeda ja kaadmiumi kõrvaldamise oht |
tsinkkloriid | tsinkanood-mangaandioksiidi katood tsinkkloriidi elektrolüüdiga; 1,55 volti raku kohta, kasutus väheneb | lai valik silindrilisi ja ristkülikukujulisi jakke; kasutatakse mootoriga mänguasjades, kassett- ja CD-mängijates, taskulampides, kaasaskantavates raadiotes | tavaliselt sildiga “raskeveok”; vähem pinge langust kõrgemate äravoolukiiruste ja madalamate temperatuuride korral kui tsink-süsinik; tavaliselt 2–3 korda suurem tsink-süsinikpatareide eluiga; keskkonnaohutu |
Leeliseline | |||
tsink-mangaandioksiid | tsinkanood-mangaandioksiidi katood kaaliumhüdroksiidi elektrolüüdiga; 1,55 volti raku kohta | lai valik silindrilisi ja ristkülikukujulisi jakke; parim kasutamiseks mootoriga mänguasjades, kassett- ja CD-mängijates | pikk säilivusaeg; lekkekindel; parim jõudlus raskete koormuste korral; 4–10 korda suurem tsink-süsinikpatareide eluiga |
tsink-hõbeoksiid | tsinkanood-hõbeoksiidkatood kaaliumhüdroksiidi elektrolüüdiga; 1,55 volti raku kohta | nööbipatareid; kasutatakse kuuldeaparaatides, kellades, kalkulaatorites | suur energiatihedus; pikk säilivusaeg; kallis |
tsink-õhk | tsinkanood-hapnikukatood kaaliumhüdroksiidi elektrolüüdiga | silindrikujulised, 9-voldised, nööbiga ja müntjoped; kasutatakse kuuldeaparaatides, piiparites, kellades | kõigi ühekordsete patareide suurim energiatihedus; praktiliselt piiramatu säilivusaeg; keskkonnaohutu |
Liitium | |||
liitium-raudsulfiid | liitiumanood-rauasulfiid katood orgaanilise elektrolüüdiga; 1,6 volti raku kohta | silindrilised ja nööppatareid; kasutatakse digikaamerates, väikestes seadmetes | suur energiatihedus; toetab kõrget tühjenemismäära; pikk säilivusaeg; kallis |
liitium-mangaandioksiid | liitiumanood-mangaandioksiidi katood orgaanilise elektrolüüdiga; 2,8–3,2 volti raku kohta | silindrilised ja nööppatareid; kasutatakse digikaamerates, väikestes seadmetes | suur energiatihedus; toetab kõrget tühjenemismäära; pikk säilivusaeg; kallis |
Sekundaarsed (laetavad) patareid | |||
tüüp | keemia | suurused ja tavalised rakendused | Funktsioonid |
pliihape | pliianood-pliidioksiidkatood väävelhappe elektrolüüdiga | lai valik suurusi; kasutatakse autodes, ratastoolides, laste elektrisõidukites, avariitoiteallikates | odavaim ja raskem aku; pikk eluiga; puudub mäluefekt; lai valik tühjendusmäärasid |
Leeliseline | |||
nikkel-kaadmium | kaadmiumanood-nikkeldioksiidi katood kaaliumhüdroksiidi elektrolüüdiga | tavalised silindrikujulised jakid; kasutatakse elektritööriistades, juhtmeta telefonides, biomeditsiinilistes seadmetes | suurepärane jõudlus suure tühjenemise korral; peaaegu püsiv pinge; parim laetava tsükli eluiga; mõnel mäluefekt; kaadmium on väga mürgine ja kantserogeenne, kui seda valesti ringlusse võtta |
nikkel-metallhüdriid | lantaniidi või nikli sulamist anood-nikkeldioksiidi katood kaaliumhüdroksiidi elektrolüüdiga | mõned silindrikujulised jakid; kasutatakse suitsuandurites, elektritööriistades, mobiiltelefonides | suur energiatihedus; hea jõudlus suure koormuse korral; peaaegu pidev 1,2-voldine tühjendus; puudub mäluefekt; keskkonnaohutu |
Liitium | |||
liitiumioon | orgaanilise elektrolüüdiga süsinikanood-liitium-koobaltdioksiidi katood | enamus silindrilisi jakke; kasutatakse mobiiltelefonides, kaasaskantavates arvutites | suurema energiatiheduse ja lühema elueaga kui nikkel-kaadmiumil; kallis; mäluefekti pole |
Copyright © Kõik Õigused Kaitstud | asayamind.com