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BÜCHER UND ARTIKEL Kapitel 1 1.1. Arten von galvanischen Zellen
Verzeichnis / Batterien und Akkus Einweg-Galvanikstromquellen sind ein einheitlicher Behälter, der einen Elektrolyten enthält, der vom aktiven Material des Separators und der Elektroden (Anode und Kathode) absorbiert wird. Daher werden sie Trockenzellen genannt. Dieser Begriff wird für alle Zellen verwendet, die keinen flüssigen Elektrolyten enthalten. Zu den herkömmlichen Trockenzellen gehören Kohlenstoff-Zink-Zellen oder Leclanchet-Zellen [1]. Trockenzellen werden für niedrige Ströme und intermittierenden Betrieb verwendet. Daher werden solche Elemente häufig in Telefonen, Spielzeugen, Alarmanlagen usw. verwendet. Da die Palette der Geräte, die Trockenzellen verwenden, sehr breit ist und darüber hinaus ein regelmäßiger Austausch erforderlich ist, gibt es Standards für ihre Abmessungen [1]. Während des Entladevorgangs sinkt die Trockenzellenspannung von der Nennspannung auf die Abschaltspannung (die Abschaltspannung ist die Mindestspannung, bei der die Batterie die Mindestenergie liefern kann), d. h. typischerweise 1,2 V bis 0,8 V/Zelle, je nach Anwendung. Im Falle einer Entladung sinkt die Spannung an seinen Anschlüssen bei Anschluss an ein Element mit konstantem Widerstand nach dem Schließen des Stromkreises stark auf einen bestimmten Wert, der etwas unter der Anfangsspannung liegt. Der dabei fließende Strom wird Anfangsentladestrom genannt. Die Funktionalität einer Trockenzelle hängt vom Stromverbrauch, der Abschaltspannung und den Entladebedingungen ab. Der Wirkungsgrad der Zelle steigt mit abnehmendem Entladestrom. Bei Trockenzellen kann eine kontinuierliche Entladung von weniger als 24 Stunden als Hochgeschwindigkeitsentladung eingestuft werden. Die elektrische Kapazität einer Trockenzelle wird für eine Entladung über einen festen Widerstand bei einer gegebenen Endspannung in Stunden, abhängig von der anfänglichen Entladung, ausgehandelt und durch ein Diagramm oder eine Tabelle dargestellt. Es empfiehlt sich, die Tabelle oder Tabelle des Herstellers für eine bestimmte Batterie zu verwenden. Dies liegt nicht nur an der Notwendigkeit, die Eigenschaften des Produkts zu berücksichtigen, sondern auch daran, dass jeder Hersteller seine Empfehlungen für die optimale Verwendung seiner Produkte abgibt. Der Innenwiderstand der Batterie kann die benötigte Strommenge begrenzen, beispielsweise bei Blitzeinsätzen. Der anfängliche Dauerstrom, den eine Batterie für kurze Zeit liefern kann, wird als Blitzstrom bezeichnet. Die Elementtypbezeichnung enthält Buchstaben, die den Blitzströmen und dem Innenwiderstand des Elements, gemessen bei Gleich- und Wechselstrom, entsprechen. Der Blitzstrom und der Innenwiderstand sind sehr schwer zu messen und die Zellen sind möglicherweise lange haltbar, der Blitzstrom kann jedoch abnehmen. 1.1 Arten von galvanischen Zellen Kohlenstoff-Zink-Elemente Kohlenstoff-Zink-Zellen (Mangan-Zink) sind die am häufigsten vorkommenden Trockenzellen. Zink-Kohlenstoff-Zellen verwenden einen passiven (Kohlenstoff-)Stromkollektor in Kontakt mit einer Mangandioxid-Anode (MnO2), einem Ammoniumchlorid-Elektrolyten und einer Zinkkathode. Der Elektrolyt liegt in pastösem Zustand vor oder imprägniert ein poröses Diaphragma. Ein solcher Elektrolyt ist nicht sehr mobil und breitet sich nicht aus, daher werden die Zellen als trocken bezeichnet. Die Nennspannung der Kohlenstoff-Zink-Zelle beträgt 1,5 V. Trockenelemente können eine zylindrische, scheibenförmige und rechteckige Form haben. Das Gerät aus rechteckigen Elementen ähnelt dem von Scheiben. Die Zinkanode hat die Form eines zylindrischen Bechers, der gleichzeitig als Behälter dient. Die Scheibenzellen bestehen aus einer Zinkplatte, einem mit einer Elektrolytlösung imprägnierten Kartondiaphragma und einer gepressten positiven Elektrodenschicht. Die Scheibenelemente werden in Reihe miteinander verbunden, die resultierende Batterie wird isoliert und in einem Gehäuse verpackt. Kohlenstoff-Zink-Elemente werden während einer Arbeitspause „zurückgewonnen“. Dieses Phänomen ist auf die allmähliche Nivellierung lokaler Inhomogenitäten in der Elektrolytzusammensetzung zurückzuführen, die während des Entladevorgangs entstehen. Durch die periodische „Ruhe“ verlängert sich die Lebensdauer des Elements. Dies sollte berücksichtigt werden, wenn die Zellen intensiv genutzt werden (und mehrere Sätze für den Betrieb verwendet werden, damit ein Satz ausreichend Zeit zur Erholung hat). Bei der Verwendung des Players ist es beispielsweise nicht empfehlenswert, einen Satz Batterien zu verwenden für mehr als zwei Stunden am Stück. Beim Wechsel von zwei Sätzen verdreifachen sich die Betriebszeitelemente. Der Vorteil von Kohlenstoff-Zink-Elementen sind ihre relativ geringen Kosten. Zu den wesentlichen Nachteilen zählen ein deutlicher Spannungsabfall beim Entladen, eine geringe spezifische Leistung (5 ... 10 W/kg) und eine kurze Haltbarkeit. Niedrige Temperaturen verringern die Effizienz des Einsatzes galvanischer Zellen, und die innere Erwärmung der Batterie erhöht sie. Eine Temperaturerhöhung führt zu einer chemischen Korrosion der Zinkelektrode durch das im Elektrolyten enthaltene Wasser und zur Austrocknung des Elektrolyten. Diese Faktoren können etwas ausgeglichen werden, indem die Batterie auf erhöhter Temperatur gehalten und durch ein zuvor gebohrtes Loch eine Salzlösung in die Zelle eingeführt wird. Alkalische Elemente Alkalische Zellen verwenden wie Zink-Kohlenstoff eine MnO2-Anode und eine Zinkkathode mit einem separaten Elektrolyten. Der Unterschied zwischen alkalischen und Kohlenstoff-Zink-Zellen liegt in der Verwendung eines alkalischen Elektrolyten, wodurch es bei der Entladung praktisch zu keiner Gasentwicklung kommt und sie versiegelt werden können, was für viele ihrer Anwendungen sehr wichtig ist. Die Spannung alkalischer Zellen ist unter den gleichen Bedingungen etwa 0,1 V niedriger als die von Kohlenstoff-Zink-Zellen. Daher sind diese Elemente austauschbar. Die Spannung von alkalischen Elektrolytzellen schwankt deutlich weniger als die von Salzelektrolytzellen. Zellen mit alkalischem Elektrolyt haben außerdem eine höhere spezifische Energie (65...90 Wh/kg), spezifische Leistung (100...150 kWh/m3) und eine längere Haltbarkeit. Laden von Mangan-Zink-Zellen und Batterien erfolgt durch asymmetrischen Wechselstrom. Sie können Zellen mit Kochsalzlösung oder alkalischem Elektrolyten beliebiger Konzentration aufladen, jedoch nicht zu stark entladen und ohne Beschädigung der Zinkelektroden. Innerhalb des für einen bestimmten Zellen- oder Batterietyp festgelegten Ablaufdatums ist eine mehrfache (6 ... 8-malige) Wiederherstellung der Leistungsfähigkeit möglich [2]. Trockenbatterien und -zellen werden von einem speziellen Gerät geladen, das es Ihnen ermöglicht, den Ladestrom in der erforderlichen Form zu erhalten: mit einem Verhältnis der Lade- und Entladekomponenten von 10:1 und einem Verhältnis der Impulsdauer dieser Komponenten von 1:2 . Mit diesem Gerät können Sie Uhrenbatterien laden und alte kleine Batterien aktivieren. Beim Laden von Uhrenbatterien sollte der Ladestrom 2 mA nicht überschreiten. Die Ladezeit beträgt nicht mehr als 5 Stunden. Der Akku wird über zwei parallel geschaltete Diodenketten mit Widerständen eingeschaltet. Der asymmetrische Ladestrom ergibt sich aus der Widerstandsdifferenz der Widerstände. Das Ende des Ladevorgangs wird durch das Ende des Spannungsanstiegs an der Batterie bestimmt. Die Spannung der Sekundärwicklung des Ladetransformators wird so gewählt, dass die Ausgangsspannung die Nennspannung des Elements um 50 ... 60 % übersteigt. Die Akkuladezeit mit dem beschriebenen Gerät sollte ca. 12 ... 16 Stunden betragen. Die Ladekapazität sollte ca. 50 % größer sein als die Nennkapazität des Akkus. Quecksilber Elemente Quecksilberelemente sind alkalischen Elementen sehr ähnlich. Sie verwenden Quecksilberoxid (HgO). Die Kathode besteht aus einer Mischung aus Zink- und Quecksilberpulver. Anode und Kathode sind durch einen Separator und ein mit einer 40 %igen Alkalilösung imprägniertes Diaphragma getrennt. Diese Elemente haben eine lange Haltbarkeit und höhere Kapazitäten (bei gleichem Volumen). Die Spannung einer Quecksilberzelle ist etwa 0,15 V niedriger als die einer Alkalizelle. Quecksilberzellen zeichnen sich durch eine hohe spezifische Energie (90...120 Wh/kg, 300...400 kWh/m3), Spannungsstabilität und hohe mechanische Festigkeit aus. Für kleine Geräte wurden modernisierte Elemente der Typen RTs-31S, RTs-33S und RTs-55US erstellt. Die spezifische Energie der Elemente RTs-31S und RTs-55US beträgt 600 kWh/m3, die der Elemente RTs-33S beträgt 700 kWh/m3. RC-31S- und RC-33S-Elemente werden zum Antrieb von Uhren und anderen Geräten verwendet. RC-55US-Elemente sind für medizinische Geräte, insbesondere für implantierbare medizinische Geräte, konzipiert. Die Elemente RC-31S und RC-33C arbeiten 1,5 Jahre lang bei Strömen von 10 bzw. 18 μA, und das Element RC-55US gewährleistet den Betrieb implantierbarer medizinischer Geräte 5 Jahre lang. Quecksilberzellen sind im Temperaturbereich von 0 bis +50 °C einsetzbar; Es gibt Modifikationen von Elementen, bei denen anstelle von Zinkpulver (negative Elektrode) Legierungen aus Indium und Titan verwendet werden. Da Quecksilber knapp und giftig ist, sollten Quecksilberzellen nach dem Aufbrauchen nicht weggeworfen werden. Sie müssen recycelt werden. silberne Elemente Sie haben „silberne“ Kathoden aus Ag2O und AgO. Ihre Spannung ist um 0,2 V höher als die von Kohlenstoff-Zink unter vergleichbaren Bedingungen [1]. Lithiumzellen Sie verwenden Lithiumanoden, einen organischen Elektrolyten und Kathoden aus verschiedenen Materialien. Sie sind sehr lange haltbar, haben eine hohe Energiedichte und sind in einem weiten Temperaturbereich einsetzbar, da sie kein Wasser enthalten. Da Lithium gegenüber allen Metallen das höchste negative Potenzial aufweist, zeichnen sich Lithiumzellen durch die höchste Spannungsfestigkeit bei minimalen Abmessungen aus. Als Lösungsmittel werden in solchen Zellen meist organische Verbindungen verwendet. Lösungsmittel können auch anorganische Verbindungen wie SOCl2 sein, die ebenfalls reaktive Substanzen sind. Die Ionenleitfähigkeit wird durch das Einbringen von Salzen mit großen Anionen in Lösungsmittel gewährleistet, zum Beispiel: LiAlCl4, LiClO4, LiBFO4. Die spezifische elektrische Leitfähigkeit nichtwässriger Elektrolytlösungen ist 1 ... 2 Größenordnungen niedriger als die Leitfähigkeit wässriger Lösungen. Darüber hinaus laufen kathodische Prozesse in ihnen meist langsam ab, daher sind in Zellen mit nichtwässrigen Elektrolyten die Stromdichten gering. Zu den Nachteilen von Lithiumzellen zählen ihre relativ hohen Kosten aufgrund des hohen Lithiumpreises, besondere Anforderungen an ihre Herstellung (Notwendigkeit einer inerten Atmosphäre, Reinigung nichtwässriger Lösungsmittel). Zu bedenken ist auch, dass manche Lithiumzellen beim Öffnen explosiv sind. Solche Elemente werden normalerweise in Druckknopfausführung mit einer Spannung von 1,5 V und 3 V hergestellt. Sie versorgen den Stromkreis erfolgreich mit Strom mit einem Verbrauch von etwa 30 μA im Dauerbetrieb oder 100 μA im intermittierenden Modus. Lithiumzellen werden häufig in Notstromversorgungen für Speicherschaltkreise, Messgeräte und andere High-Tech-Systeme eingesetzt. 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