Pracownia Elektrochemii - wstęp teoretyczny

Ćwiczenie 5 : „Kontrolowane wyładowanie ogniwa pierwotnego”

Ogniwo jest urządzeniem, służącym do przetwarzania energii reakcji chemicznej na energię elektryczną. Dla otrzymania wyższych napięć łączy się ogniwa w baterie. Ogniwa dzieli się najczęściej na dwie grupy: ogniwa pierwotne i wtórne. Nazwy te są stare i wynikają z tego, że kiedyś ładowano ogniwo wtórne z ogniwa pierwotnego. Obecnie te drugie nazywamy akumulatorami.

Ogniwa pierwotne służą do jednorazowego użytku. Reakcja chemiczna, która wytwarza w nich energię elektryczną jest nieodwracalna.

Ogniwa wtórne mogą być rozładowane i ponownie ładowane. Reakcja chemiczna, która w nich przebiega jest odwracalna poprzez doprowadzenie prądu z zewnątrz. Ogniwa używane do akumulowania (gromadzenia) energii nazywamy akumulatorami lub ogniwami ładowalnymi.

OGNIWA PIERWOTNE

Do tej grupy zalicza się np. ogniwa cynkowo węglowe (braunsztynowe), alkaliczne, magnezowe, rtęciowe, srebrowe i litowe.

Ogniwa cynkowo - węglowe są najczęściej spotykanymi. Biegun dodatni wykonany jest w postaci pręta węglowego, wokół którego umieszczony jest sproszkowany dwutlenek manganu (braunsztyn). Ujemnym biegunem jest cynk uformowany w kształcie pojemnika. Między biegunami znajduje się kwaśny elektrolit, w skład którego wchodzi salmiak i chlorek cynku. Zewnętrzna strona cynkowego pojemnika pokryta jest szczelną osłoną zabezpieczającą przed wyciekami elektrolitu. Gdy kwaśny elektrolit wydostanie się na zewnątrz ogniwa może zniszczyć gniazdo baterii, obwody drukowane lub elementy elektroniczne.

Nowe ogniwo ma napięcie 1,5 V, które spada w trakcie wyładowania. Pojemność ogniwa obniża się znacznie przy temperaturach poniżej 0 stopni Celsjusza.

Ogniwo alkaliczne ma elektrolit zasadowy będący wodnym roztworem wodortlenku potasu. Elektrody wykonane są następująco: biegun ujemny z tlenku cynku, biegun dodatni z dwutlenku manganu. Pojemność ogniw alkalicznych jest wyższa niż cynkowo - węglowych i wytrzymują one wyższy pobór prądu. Różnice w pojemności między ogniwami cynkowo - węglowymi i alkalicznymi są najwyższe przy dużym obciążeniu. Dlatego są szczególnie godne polecenia w małych magnetofonach typu "walkman", w przetwornicach lamp błyskowych itd. Ogniwa alkaliczne pracują efektywnie w zakresie temperatur - 30 do +70 stopni Celsjusza.

Ogniwo tlenkowo - srebrowe posiada biegun ujemny z cynku, dodatni z tlenku srebra. Elektrolit jest alkaliczny. Największą zaletą jest fakt, że napięcie wyjściowe jest względnie stałe o wartości 1,5 V; po wyładowaniu ogniwa gwałtownie spada. Stosowane są przede wszystkim w kamerach, kalkulatorach i zegarkach. Istnieją ogniwa alkaliczne skonstruowane z wykorzystaniem innych, tańszych rozwiązań, ale ich napięcie spada wraz z poborem prądu i dlatego nie mogą być używane w urządzeniach czułych na zmiany napięcia zasilania.

Ogniwo rtęciowe posiada biegun ujemny wykonany z cynku, biegun dodatni z rtęci, a elektrolit jest wodnym roztworem wodorotlenku potasu. Dają one 1,35 V (zdarza się 1,4 V) w zakresie użytecznym, po czym napięcie spada gwałtownie. Zakres zastosowania jest podobny jak ogniw z tlenku srebra.

Ogniwo litowe występuje dzisiaj w wielu odmianach handlowych do rozlicznych zastosowań. Katoda i elektrolit mogą być wykonane z różnych materiałów. Najczęstszym zakresem zastosowań są układy podtrzymujące pamięć, zegary, kamery, kalkulatory i urządzenia zabezpieczające przed włamaniem, gdzie najistotniejszym parametrem jest pojemność i niezawodność. Stosowane są również w urządzeniach narażonych na ciężkie warunki pracy, ze względu na ich zdolność do pracy w ekstremalnych temperaturach.

Nominalne napięcie ogniwa litowego wynosi 3 V, poza chlorkowo - jonowymi, które mają 3,6 V.

Obecnie znajdują się na rynku również ogniwa litowe ładowalne.

Ogniwa cynkowo - powietrzne są trzecim typem ogniwa pierwotnego, którego budowa i zastosowane materiały są przyjazne dla środowiska. Nominalne napięcie wynosi 1,4 V. W ogniwie wykorzystuje się reakcję katalitycznego utleniania cynku tlenem atmosferycznym. Zamknięte fabrycznie ogniwo może być przechowywane aż do 4 lat. Po rozpakowaniu, musi być ono zużyte w ciągu 3-4 miesięcy po czym jej zawartość nasyca się węglem. Napięcie wyjściowe w czasie cyklu wyładowania wynosi 1,2 do 1,3 V. Gęstość energii w ogniwie jest bardzo wysoka, dwa razy wyższa niż w bateriach litowych.

Ogniwo cynkowo powietrzne pracuje w zakresie temperatur w zakresie od -20 do +60 stopni Celsjusza, ale możliwość poboru prądu zmniejsza się wraz ze spadkiem temperatury. Na pojemność ma również wpływ wilgotność względna powietrza i zawartość w nim dwutlenku węgla. Inną wadą ogniwa jest ograniczenie pobieranego prądu. Może to zakłócać pracę pewnych urządzeń, jak np. aparaty dla słabo słyszących, w których zastosowano układ przeciwsobny. Mimo tego w większości wypadków ogniwo powietrzno - cynkowe może zastąpić ogniwo rtęciowe. Nadaje się ono również do pagerów i urządzeń telemetrycznych.

Bateria to dwa lub więcej ogniw elektrochemicznych połączonych szeregowo lub równolegle.

Baterie pierwotne - charakterystyka

	Napięcie nominalne [V]	Gęstość energii [kWh/m^3]	Samoroz- ładowanie [%/rok]	Temperatura pracy [°C]	Główne zastosowania
Cynkowo-węglowe, cynkowo-chlorkowe	1.5	160	7	-5 ÷ 55	Radioodbiorniki przenośne, magnetofony, dyktafony, sprzęt komunikacji radiowej, kalkulatory, latarki, zabawki, sprzęt pomiarowy, ...
Alkaliczne	1.5	400	4	-20 ÷ 55	Radioodbiorniki przenośne, magnetofony, dyktafony, sprzęt komunikacji radiowej, aparaty fotograficzne, lampy błyskowe, piloty zdalnego sterowania, kalkulatory, latarki, zabawki, sprzęt pomiarowy, ...
Srebrowe	1.55	500	8	-20 ÷ 60	Zegarki, kalkulatory, mikronadajniki, mikroczujniki, aparaty słuchowe, precyzyjny sprzęt fotograficzny i pomiarowy, ...
Litowe	3.0	550	<1	-40 ÷ 85	Aparaty fotograficzne, kalkulatory, zegarki, notesy elektroniczne, obwody podtrzymania pamięci, ...
Cynkowo-powietrzne	1.4	1000	<2	-5 ÷ 55	Aparaty słuchowe, mikronadajniki, sprzęt medyczny, pagery, ...

Ćwiczenie 4

„Wykonanie ogniwa pierwotnego typoszeregu R”

Celem wykonywanego ćwiczenia jest praktyczne wykonanie baterii R-14 z gotowych elementów składowych.

Wykonanie ćwiczenia

1. Do dwóch zlewek 150 ml odważono kolejno 20 g brausztynu „chońskiego” oraz 20 g brausztynu „belgijskiego”

2. Następnie do każdej zlewki dodano 4 g drobno zmielonego ZnCl₂, 4 g sadzy acetylenowej oraz 8 ml elektrolitu o składzie 20% wagowych ZnCl₂, 20% wag. NH₄Cl i 60% wag. H₂O

3. Uważamy ażeby z sadzą obchodzić się ostrożnie, gdyż bardzo pyli

4. Przygotowujemy dla każdego rodzaju brausztynu po jednym kubku cynkowym

5. Umieszczamy wzdłuż bocznej ścianki separator nasycony elektrolitem o długości7,8 cm ( błyszczącą powierzchnią od strony mieszanki depolaryzacyjnej )

6. Na dno kubków wsuwamy izolację denną

7. Do każdego depolaryzatora odważamy po 20 g masy elektrodowej do przygotowanych kubków cynkowych R-14

8. Prasujemy bateryjkę

9. Mierzymy napięcie i notujemy jego wartości

10. Baterie przechowujemy do następnej pracowni

Wyniki pomiarów

	Eo(1)[V]	1,6475
	Eo(2)[V]	1,4838
t[min]	Eo(1)[V]	Eo(2)[V]	Wzorzec
1	1,127	0,9175
2	1,12	0,7817
3	1,1435	0,6977
4	1,156	0,6481
5	1,1531	0,6198
6	1,1409	0,5978
7	1,1247	0,5804
8	1,1055	0,5652
9	1,0895	0,5553
10	1,0751	0,5480
11	1,0606	0,5404
12	1,0466	0,5340
13	1,0326	0,5281
14	1,0202	0,5226
15	1,0099	0,5180
16	9975	0,5118
17	0,9856	0,5056
18	0,9737	0,4995
19	0,9626	0,4929
20	0,9506	0,4863
22	0,9272	0,4772
24	0,9056	0,4734
26	0,8856	0,4738
28	0,8683	0,4762
30	0,8506	0,4770
32	0,8331	0,4760
34	0,8184	0,4727
36	0,8033	0,4686
38	0,7894	0,4636
40	0,7747	0,4571
42	0,7599	0,4500
44	0,7475	0,4433
46	0,7356	0,4379
48	0,7220	0,4313
50	0,7100	0,4253
52	0,6978	0,4196
54	0,6867	0,4138
56	0,6754	0,4069
58	0,6650	0,4004
60	0,6541	0,3942
65	0,6296	0,3801
70	0,6039	0,3659
75	0,5816	0,3552
80	0,5579	0,3445
85	0,5385	0,3363
90	0,5192	0,3267
95	0,5011	0,3192
100	0,4852	0,3121
105	0,4702	0,3057
110	0,4564	0,3000
115	0,4439	0,2949
120	0,4344	0,2911
125	0,4219	0,2868
130	0,4116	0,2829
135	0,4023	0,2781
140	0,3936	0,2741
145	0,3858	0,2718
150	0,3783	0,2673

Przez (1) rozumiemy baterię sporządzoną z użyciem brausztynu „chińskiego”, natomiast przez (2) baterię sporządzoną z użyciem brausztynu „belgijskiego”.

Wnioski

Analizując uzyskane wykresy stwierdzamy, że brausztyn „chiński” charakteryzuje się większą wytrzymałością na wyładowanie aniżeli brausztyn „belgijski”. W początkowej fazie rozładowywania zauważamy w obydwu przypadkach znaczny spadek napięcia. Jest on większy w przypadku bateryjki zbudowanej z użyciem brausztynu „belgijskiego”. Obserwując spadek napięcia w dłuższym okresie czasu zauważamy, że bateria „belgijska” rozładowuje się równomierniej, jest bardziej wytrzymała.

Dominik Piotr Wypij

2002-12-05

6

---