Гальванические элементы. Классификация. Назначение. Основные характеристики. Принцип работы

Гальванические элементы (ГЭ) – это первичные элементы, которые допускают лишь однократное использование заключенных в них активных элементов. Им свойственен только процесс разряда. Различают ГЭ сухие (с невыливающимся электролитом) и с жидким электролитом (наливные).

ГЭ любого типа состоит из двух разнородных электродов (проводников первого рода, которые разделяются слоем электролита (проводник второго рода)). Между этими электродами возникает разность потенциалов, которая зависит от материала электродов и состава электролита.

Элемент Вольта состоит из сосуда с раствором Н₂SO₄ и двух электродов – цинкового и медного. Цинковый электрод в электролите растворяется. Под действием химических сил в электролит переходят ионы цинка. Эти ионы, соединяясь с отрицательным ионом SO₄, образуют молекулы цинкового купороса ZnSO₄. При этом нарушается электрическая нейтральность электролита и он заряжается положительно. Свободные валентные электроны, остающиеся в цинке, заряжая цинковый электрод отрицательно. В области соприкосновения цинкового электрода с цинком образуется электрическое поле. Силы электрического поля направлены противоположно химическим силам, т.е. препятствуют растворению цинка. Если цепь разомкнута, то химические силы уравновешиваются силами электрического поля и процесс растворения цинка быстро прекращается. При этом между цинковым электродом и электролитом возникает определенная разность потенциалов, которая называется электродным потенциалом металла. Электродный потенциал цинка φ_Zn = -0.76 В. Медный электрод нейтрализует часть ионов водорода электролита, отдавая им свободные электроны, поэтому получает положительный потенциал φ_Cu = +0.36 В. Следовательно, ЭДС элемента Вольта составляет: E = φ_Cu - φ_Zn = 1.12 В.ЭДС многих ГЭ находится в пределах 0,8÷1,6 В. Поэтому для получения больших напряжений ГЭ соединяют последовательно. При замыкании внешней цепи валентные электроны цинка начинают перемещаться по проводнику R. При этом ослабляется электрическое поле между цинковым электродом и электролитом. Нарушается равновесие электрических и химических сил. В связи с этим под действием последних возобновляется процесс растворения цинка, перемещение ионов цинка и водорода к медному электроду, а ионы кислотного остатка – к цинковому электроду, т.е. осуществляется процесс разрядки ГЭ.

Важной характеристикой качественной работы ГЭ является устранение т.н. явления поляризации. Во время работы ГЭ происходит непрерывный процесс растворения отрицательного электрода, а к положительному электроду из электролита подходят ионы водорода, которые разряжаются на нем. При этом молекулы водорода на положительном электроде образуют непроводящий слой. Это явление называется поляризацией. В результате этого явления увеличивается внутреннее сопротивление элемента и снижается его напряжение. Для устранения поляризации в состав элемента вводят деполяризаторы, т.е. вещества, богатые кислородом, например, перекись марганца. Деполяризаторы превращают водород в воду и освобождают положительный электрод от непроводящего слоя водорода.

Емкость и саморазряд ГЭ. Количество электричества, которое можно получить от элемента в течение разряда, называется емкостью первичного элемента: Q = I_Р·t_Р, где I_p – ток разряда (А); t_p – время разряда (ч). Емкость первичного элемента зависит от количества заложенных в него активных веществ, разрядного тока, режима разряда, температуры электролита и времени хранения. Увеличение разрядности тока ухудшает процесс деполяризации. Активные вещества, заложенные в элемент, используются не полностью. В результате снижается емкость элементов. Для улучшения условий эксплуатации ГЭ рекомендуется производить перерывы разрядного тока, что будет улучшать процесс деполяризации и способствовать увеличению емкости ГЭ. С увеличением температуры электролита химические процессы в элементах протекают более интенсивно и емкость электролита возрастает. Однако при слишком высоких температурах происходит высыхание электролита и снижение емкости.

Даже при отключенной нагрузке в ГЭ происходит процесс саморазряда, т.е. бесполезный расход его активных веществ. Саморазряд элемента вызывается несовершенством изоляции между электродами и образованием на отрицательном электроде местных гальванических пар в местах вкрапления в электрод посторонних примесей. Саморазряд увеличивается при установке элемента в сыром месте, при загрязнении его пылью и грязью.

Номинальная или гарантированная емкость элемента. Номинальная емкость элемента – минимально допустимая емкость, которую должен отдавать элемент в режиме работы, указанном заводом-изготовителем. Фактическая емкость обычно превосходит на 10-20% его номинальную. Номинальная емкость марганцево-цинкового элемента определяется при непрерывном разряде на R = 10 Ом и t = 15÷30 ºC до напряжения 0,7 В и определяется выражением: Q = [(U_H + 2·U_K)·t_P]/2R, где U_Н – начальное напряжение, измеренное на зажимах элемента в течение первых 10 с после начала разряда; U_К – конечное напряжение разряда (0,7 В); R – сопротивление разрядной цепи (10 Ом); t – время разряда.

Температура элемента существенно влияет на величину отдаваемой емкости. При повышении температуры внешней цепи интенсивность электрохимических процессов возрастает, что приводит к увеличению саморазрядов элементов, а это приводит к быстрому уменьшению их емкости. Зависимость емкости элемента от температуры определяется следующим выражением: Q_t2 = Q_t1/[1-α·(t₂-t₁)], где t₁ – начальная температура; t₂ – конечная температура; α – температурный коэффициент емкости.

Марганцево-цинковые элементы (МЦЭ)

1 – графитовый стержень, 2 – камера для отвода газов, 3 – металлический колпачок, 4 – слой компаунда (на битумной основе), 5 – картонные шайбы, 6 – пастовая диафрагма, 7 – отрицательный электрод (цинковый стакан), 8 – положительный электрод из активной массы, которая напрессовывается на графитовый стержень 1. Эта масса называется агломератом, состоит из двуокиси марганца в смеси с графитом. 9 – электролит (хлористый алюминий), 10 – изоляционно-картонная чашка. Конструктивно они почти не отличаются от выше рассмотренного. Основное их преимущество: большой срок сохраняемости и относительная экономичность в изготовлении. Начальное напряжение в МЦЭ 1,4÷1,55 В и во время разряда снижается до 0,85÷1 В. Внутреннее сопротивление таких элементов 1÷20 Ом.