バッテリーの世界 - パート 3
現代の電池の歴史は XNUMX 世紀に始まり、今日使用されている設計のほとんどはこの世紀に由来します。 この状況は、一方では当時の科学者の優れたアイデアを証明し、他方では新しいモデルの開発で生じる困難を証明しています。
改善できないほど優れているものはほとんどありません。 このルールはバッテリーにも当てはまります。XNUMX世紀のモデルは、現在の形になるまで何度も改良されました。 これは以下にも当てはまります ルクランシュ細胞.
改善するためのリンク
フランスの化学者のデザインが変更されました カール・ガスナー 製造コストが安く、安全に使用できるという、本当に便利なモデルになります。 しかし、まだ問題がありました - 要素の亜鉛コーティングは、ボウルを満たす酸性電解質と接触すると腐食し、攻撃的な内容物が飛び散ると、動力を与えられたデバイスを無効にする可能性がありました. 決定になった 合併 亜鉛ボディの内面（水銀コーティング）。
亜鉛アマルガムは実際には酸と反応しませんが、純粋な金属のすべての電気化学的特性を保持しています。 ただし、環境規制により、セルの寿命を延ばすこの方法はますます使用されなくなりました (水銀を含まないセルでは、碑文または) (1) を見つけることができます。
2. アルカリ電池のレイアウト: 1) ケース (カソード リード)、2) 二酸化マンガンを含むカソード、3) 電極セパレーター、4) KOH と亜鉛粉を含むアノード、5) アノード端子、6) セル シーリング (電極絶縁体)。 .
細胞の寿命と寿命を延ばすもう XNUMX つの方法は、追加することです。 塩化亜鉛 ZnCl2 カップフィリングペースト用。 この設計のセルはしばしばヘビー デューティーと呼ばれ、(名前が示すように) よりエネルギー集約型のデバイスに電力を供給するように設計されています。
使い捨て電池の分野におけるブレークスルーは、1955 年の建設でした。 アルカリ電池. カナダのエンジニアの発明 ルイス・アーリー現在のエナジャイザー社が使用しているセルは、ルクランシェセルとは少し構造が異なります。
まず、黒鉛陰極や亜鉛カップがありません。 両方の電極は湿った分離ペーストの形で作られ (増粘剤と試薬: カソードは二酸化マンガンとグラファイトの混合物で構成され、アノードは亜鉛末と水酸化カリウムの混合物で構成されています)、それらの端子は金属で作られています ( 2)。 ただし、操作中に発生する反応は、ルクランシェセルで発生する反応と非常によく似ています。
チャレンジ。 内容物が実際にアルカリ性であることを確認するために、アルカリ電池で「化学解剖」を行います (3)。 ルクランシェセルの解体にも同じ注意事項が適用されることを忘れないでください。 アルカリ電池の識別方法については、バッテリー コード フィールドを参照してください。
3. アルカリセルの「断面」でアルカリ量を確認。
自家製バッテリー
4. 国産のニッケル水素およびニカド電池。
使用後に再充電できるセルは、電気科学の発展の初期から設計者の目標であったため、多くの種類があります。
現在、小型家電製品に電力を供給するために使用されているモデルの XNUMX つは、 ニッケルカドミウム電池. 彼らのプロトタイプは、1899 年にスウェーデンの発明家が開発したときに登場しました。 エルンスト・ユングナー 自動車業界ですでに広く使用されているバッテリーと競合する可能性のあるニッケルカドミウムバッテリーの特許を申請しました。 鉛蓄電池.
セルのアノードはカドミウム、カソードは 1,2 価のニッケル化合物、電解質は水酸化カリウム溶液 (最新の「ドライ」設計では、KOH 溶液で飽和した増粘剤の湿ったペースト) です。 Ni-Cd バッテリー (これがその名称です) の動作電圧は約 XNUMX V です。これは使い捨てセルよりも低いですが、ほとんどのアプリケーションでは問題になりません。 大きな利点は、かなりの電流 (数アンペアでも) を消費できることと、幅広い動作温度範囲に対応できることです。
5. 充電する前に、さまざまな種類のバッテリーの要件を確認してください。
ニッケルカドミウム電池の欠点は、厄介な「メモリー効果」です。 これは、部分的に放電した Ni-Cd バッテリーを頻繁に再充電する場合に発生します。システムは、その容量が再充電によって補充された電荷と等しいかのように動作します。 一部のタイプの充電器では、特別なモードでセルを充電することによって「メモリー効果」を減らすことができます。
したがって、放電したニッケルカドミウム電池は完全なサイクルで充電する必要があります。最初に完全に放電し (適切な充電機能を使用)、次に再充電します。 頻繁に再充電すると、推定寿命が 1000 ～ 1500 サイクル短くなります (多くの使い捨てセルは、その寿命の間に XNUMX つのバッテリーに交換されるため、購入コストが高くなっても、バッテリーへの負担が大幅に軽減されることは言うまでもありません)。 ）。 細胞の生産と廃棄を伴う環境）。
有毒なカドミウムを含むNi-Cd要素は置き換えられました ニッケル水素電池 (ニッケル水素指定)。 それらの構造は Ni-Cd バッテリーに似ていますが、カドミウムの代わりに、水素を吸収する能力を持つ多孔質金属合金 (Ti、V、Cr、Fe、Ni、Zr、希土類金属) が使用されています (4)。 Ni-MH電池の動作電圧も約1,2Vで、NiCd電池と互換的に使用できます。 ニッケル水素電池の容量は、同じサイズのニッケルカドミウム電池よりも大きくなっています。 ただし、NiMH システムは自己放電が速くなります。 この欠点を持たない最新のデザインはすでにありますが、標準モデルよりもはるかに高価です。
ニッケル水素電池には「メモリー効果」がありません（部分的に放電したセルは再充電できます）。 ただし、充電器の取扱説明書で各タイプの充電要件を確認する必要があります (5)。
Ni-Cd および Ni-MH バッテリーの場合、分解はお勧めしません。 まず、それらに役立つものは何も見つかりません。 第二に、ニッケルとカドミウムは安全な元素ではありません。 不必要にリスクを冒さず、訓練を受けた専門家に処分を任せてください。
アキュムレータの王様、つまり...
6. 「バッテリーの王様」の仕事。
… 鉛蓄電池、フランスの物理学者によって 1859 年に建てられました。 ガストナ・プランテゴ (はい、はい、デバイスは今年 161 歳になります!)。 バッテリーの電解液は約 37% の硫酸 (VI) 溶液で、電極は鉛 (陽極) であり、鉛は二酸化鉛 PbO の層でコーティングされています。2 （陰極）。 動作中、硫酸鉛(II)(II)PbSOの沈殿物が電極上に形成されます。4. 充電中、2 つのセルの電圧は XNUMX ボルトを超えます。
鉛バッテリー 実際にはすべての欠点があります。かなりの重量、放電と低温に対する感度、充電状態での保管の必要性、積極的な電解液漏れのリスク、有毒金属の使用です。 さらに、慎重な取り扱いが必要です: 電解液の密度をチェックし、チャンバーに水を追加します (蒸留または脱イオンのみを使用)。 電圧制御 （1,8つのチャンバーでXNUMX Vを下回ると電極が損傷する可能性があります）および特別な充電モード。
では、なぜ古代の建造物が今も使われているのでしょうか? 「アキュムレータの王」は、本当の支配者の属性である力を持っています。 高い消費電流と最大 75% の高いエネルギー効率 (充電に使用されるこの量のエネルギーは、動作中に回収できます)、シンプルな設計と低生産コストは、次のことを意味します。 鉛バッテリー 内燃機関の始動だけでなく、非常用電源の要素としても使用されます。 160 年の歴史にもかかわらず、鉛バッテリーは今でもうまく機能しており、これらのデバイスの他のタイプに取って代わられることはありません (そして、バッテリーのおかげで、鉛自体は最も大量に生産される金属の 6 つです)。 . 内燃機関に基づくモータリゼーションが発展し続ける限り、その地位はおそらく脅かされることはないでしょう(XNUMX)。
発明者は、鉛蓄電池の代替品を作ろうとすることを止めませんでした。 一部のモデルは人気を博し、現在も自動車業界で使用されています。 XNUMX 世紀と XNUMX 世紀の変わり目に、H 溶液を使用しない設計が作成されました。2SO4しかし、アルカリ電解質。 例として、エルンスト・ユングナーのニッケルカドミウム電池が上に示されています。 1901年 トーマス・アルバ・エジソン カドミウムの代わりに鉄を使用するように設計を変更しました。 アルカリ乾電池は、酸性乾電池に比べてはるかに軽く、低温で動作し、取り扱いもそれほど難しくありません。 ただし、それらの生産はより高価であり、エネルギー効率は低くなります。
そして次は？
もちろん、バッテリーに関する記事は質問を尽くすものではありません。 たとえば、計算機やコンピューターのマザーボードなどの家庭用電化製品に電力を供給するためにも一般的に使用されるリチウム電池については触れていません。 それらについては、昨年のノーベル化学賞に関する XNUMX 月の記事で、そして実際的な部分について、XNUMX か月で (解体と経験を含めて) 学ぶことができます。
セル、特にバッテリーには明るい見通しがあります。 世界はますますモバイル化が進んでおり、これは電源ケーブルから独立する必要があることを意味します。 電気自動車への効率的なエネルギー供給を確保することも大きな課題です。 -効率の面でも内燃機関を搭載した車と競争できるようにするため。
蓄電池
細胞タイプの識別を容易にするために、特別な英数字コードが導入されました。 私たちの家庭で最も一般的に見られる小型家電のタイプの場合、number-letter-letter-number の形式になります。
そしてそうです。
- 最初の桁はセルの数です。 単一セルでは無視されます。
– 最初の文字は細胞の種類を示します。 欠落している場合は、ルクランシュ リンクを扱っています。 他の細胞型は次のように分類されます。
C – リチウム電池 (最も一般的なタイプ),
H – ニッケル水素電池、
K – ニッケルカドミウム電池,
L – アルカリ電池;
- 次の文字はリンクの形状を示します。
F - 皿、
R - 円筒形、
P - 円筒形以外の形状を持つリンクの一般的な名称。
– 最終的な数字または数字は、リンクのサイズを示します (カタログ値または直接寸法を示す) (7).
7. 一般的なセルとバッテリーの寸法。
マーキングの例：
R03
- 小指サイズの亜鉛グラファイトセル。 もう一つの呼称はAAAか。
LR6 - 指サイズのアルカリ電池。 別の指定はAAまたはです。
HR14 – ニッケル水素電池; 文字 C は、サイズを示すためにも使用されます。
KR20 – Ni-Cd バッテリー、サイズにも文字 D が付いています。
3LR12 – 4,5 つの円筒形アルカリ電池で構成される、電圧が XNUMX V の扁平型電池。
6F22 - 9 個のルクランシェ フラット セルからなる XNUMX ボルト バッテリー。
CR2032 – 直径 20 mm、厚さ 3,2 mm のリチウム電池。
参照してください：
