Маломощные источники электрической энергии

Для питания переносной электрои радиоаппаратуры применяют гальванические элементы и аккумуляторы. Гальванические элементы — это источники одноразового действия, аккумуляторы — источники многоразового действия.

Гальванические элементы.

Наиболее распространены гальванические элементы марганцево-цинковой, марганцево-воздушной, воздушно-цинковой и ртутно-цинковой систем с солевым и щелочным электролитами. Сухие марганцево-цинковые элементы с солевым электролитом имеют начальное напряжение от 1,4 до 1,55 В, продолжительность работы при температуре окружающей среды от -20 до +60 °С от 7 ч (тип 336) до 340 ч (тип 465).

Сухие марганцево-цинковые и воздушно-цинковые элементы со щелочным электролитом имеют напряжение от 0,75 до 0,9 В и продолжительность работы от 6 ч (тип А-332) до 45 ч (типы А-316 и А-373).

Сухие ртутно-цинковые элементы имеют начальное напряжение от 1,22 до 1,25 В и продолжительность работы от 24 ч (тип РЦ53) до 55 ч (типы РЦ75 и РЦ85).

Наибольший гарантийный срок хранения, достигающий 30 мес, имеют сухие ртутно-цинковые элементы.

Аккумуляторы — это вторичные гальванические элементы. От обычных гальванических элементов аккумуляторы выгодно отличаются тем, что после разряда они опять могут быть заряжены. При хорошем уходе за ними и при нормальных условиях эксплуатации аккумуляторы выдерживают до нескольких тысяч зарядов и разрядов.

Рнс. 4.5. Кислотный аккумулятор.

В настоящее время на практике применяют свинцовые и кадмиевоникелевые аккумуляторы. У первых электролитом служит раствор серной кислоты, а у вторых — раствор щелочей (КОН, NaOH) в воде. Свинцовые аккумуляторы называют также кислотными, а кадмиево-никелевые — щелочными.

Принцип работы аккумуляторов основан на поляризации электродов при электролизе. Простейший кислотный аккумулятор представляет собой две свинцовые пластины, опущенные в электролит (рис. 4.5). В результате химической реакции замещения пластины покрываются слабым налетом сернокислого свинца PbS0₄, как это следует из формулы.

Такое состояние пластин соответствует разряженному аккумулятору. Если теперь аккумулятор включить на заряд, т. е. подсоединить его к генератору постоянного тока, то в нем вследствие электролиза начнется поляризация пластин. В результате заряда аккумулятора его пластины поляризуются, т. е. изменяют вещество своей поверхности, и из однородных (PbS0₄) превращаются в разнородные (РЬ и РЬ0₂). Аккумулятор становится источником тока, причем положительным электродом у него служит пластина, покрытая двуокисью свинца, а отрицательным — чистая свинцовая пластина.

К концу заряда концентрация электролита повышается вследствие появления в нем дополнительных молекул серной кислоты. В этом одна из особенностей свинцового аккумулятора: его электролит не остается нейтральным и сам участвует в химических реакциях при работе аккумулятора.

По мере того как поверхность пластин очищается от сернокислого свинца, в аккумуляторе постепенно начинается электролиз воды. К концу заряда, когда пластины полностью очищаются от сернокислого свинца, электролиз воды идет очень интенсивно и сопровождается бурным выделением кислорода и водорода. Выделение газов из электролита («кипение» электролита) — одно из признаков конца заряда аккумуляторов.

К концу разряда обе пластины аккумулятора опять покрываются сернокислым свинцом, в результате чего аккумулятор перестает быть источником тока. До такого состояния аккумулятор никогда не доводят. Вследствие образования сернокислого свинца на пластинах, концентрация электролита в конце разряда понижается. Если аккумулятор поставить на заряд, то вновь можно вызвать поляризацию, чтобы опять поставить его на разряд и т. д.

Существует несколько способов заряда аккумуляторов. Наиболее простой — нормальный заряд аккумулятора, который происходит следующим образом. Вначале на протяжении 5…6 ч заряд ведут двойным нормальным током, пока напряжение на каждой аккумуляторной банке не достигнет 2,4 В. Нормальный зарядный ток определяют по формуле

где Q — номинальная емкость аккумулятора, А ч.

После этого зарядный ток уменьшают до нормального значения и продолжают заряд в течение 15… 18 ч, до появления признаков конца заряда.

Кадмиево-никелевые, или щелочные аккумуляторы, появились значительно позже свинцовых и по сравнению с ними представляют собой более совершенные химические источники тока. Главное преимущество щелочных аккумуляторов перед свинцовыми заключается в химической нейтральности их электролита по отношению к активным массам пластин. Благодаря этому саморазряд у щелочных аккумуляторов получается значительно меньше, чем у свинцовых. Принцип действия щелочных аккумуляторов также основан на поляризации электродов при электролизе.

Для питания радиоаппаратуры выпускают герметичные кадмиево-никелевые аккумуляторы, которые работоспособны при температурах от —30 до +50 °С и выдерживают 400…600 циклов зарядразряд. Эти аккумуляторы выполняют в форме компактных параллелепипедов и дисков с массой от нескольких граммов до килограммов.

Выпускают никель-водородные аккумуляторы для энергоснабжения автономных объектов. Удельная энергия никель-водородного аккумулятора составляет 50…60 Вт ч • кг^-1. Перспективны серебряно-водородные и свинцово-водородные аккумуляторы, у которых удельная энергия достигает 320 Вт • ч • кг^-1.