Как устроена анодная батарея

Анодная батарея

• Ано́дная батаре́я — химический источник тока, применяемый для питания анодных цепей ламповой радиоаппаратуры с автономным питанием. Представляет собой батарею из последовательно включенных гальванических элементов (обычно марганцево-цинковых) с суммарной ЭДС от нескольких десятков до ста и более вольт. Обычно такая батарея имела три вывода: два от крайних полюсов и третий от части элементов. Это позволяло использовать часть батареи, а когда её ЭДС заметно снизится — подключить батарею целиком, вместе с оставшимися свежими элементами, и таким образом продлить срок действия батареи. Кроме того, от отвода можно было питать экранирующие сетки тетродов и пентодов. Нередко анодная батарея конструктивно объединялась с источником питания накальных цепей (анодно-накальная батарея) или напряжения смещения (анодно-сеточная батарея). Несмотря на то, что батарейная ламповая аппаратура по всему миру практически вышла из употребления, анодные батареи выпускаются российской промышленностью до сих пор для использования в других целях.

Ниже приведены характеристики некоторых выпускавшихся в СССР анодных батарей.

Связанные понятия

Приведённые ниже таблицы являются списками типоразмеров гальванических элементов, аккумуляторов и батарей, которые применяются в бытовой электронной аппаратуре. Обратите внимание, что существуют и другие типоразмеры, не указанные в таблице, но они отсутствуют в свободной продаже вследствие прекращения выпуска или смены технического назначения. Например, не перечислены батареи для ламповой радиоаппаратуры. Также стоит обратить внимание на различие понятий «батарея» и «элемент питания». Вообще, батарея.

Конденсаторные двигатели — разновидность асинхронных двигателей, в обмотки которого включены конденсаторы для создания сдвига фазы тока. Подключаются в однофазную сеть посредством специальных схем. По количеству фаз статора делятся на двухфазные и трёхфазные.

Электролити́ческие конденсаторы — разновидность конденсаторов, в которых диэлектриком между обкладками является плёнка оксида металла между металлом электрода электролита.

Как работает батарейка: строение и состав

Батарейки являются наиболее распространенным источником питания. Современный мир не представляет себя без различной электроники, для нее необходима электроэнергия. Не всегда получается применять обычные сетевые источники, для этого и нужны гальванические элементы. Глядя на них наверняка каждый задавался вопросом из чего состоит батарейка и как она работает?

Что такое батарейка

Обыкновенная батарейка представляет собой некий источник электрического тока в котором несколько электрохимических элементов объединены между собой в пакет. Стоит обратить внимание, что батарея — это именно несколько объединенных между собой гальванических элементов. Электричество в батарейке вырабатывается вследствие протекающей химической реакции. Изобретателем батареек принято считать ученого Алессандро Вольта, который создал в 1800 г. «Вольтов столб» — первый в мире электрохимический источник тока, ставший прародителем современных батарей.

Устройство батарейки

Рассмотрим, как устроена батарейка в разрезе на примере щелочного элемента как наиболее распространенного. Работа щелочной батарейки основана на окислительно-восстановительной реакции между цинком и диоксидом марганца. Корпусом элемента и по совместительству плюсовым контактом «+» является никелированный стальной стакан. Катодная паста представляет собой смесь диоксида марганца (MnO₂) и графита. Анодная паста – это смесь цинкового порошка (Zn) и густого щелочного электролита (как правило, гидроксид калия, КОН). Анодная и катодная масса разделены сепаратором. Сепаратор разделяет реагенты, исключая их перемешивание и нейтрализацию заряда. Сепаратор также пропитан электролитом. Отрицательный потенциал снимается с латунного токосъемника, который окружён анодной пастой. Стальная тарелка контактирует с латунным стержнем – токосъёмником и является отрицательным контактом элемента «—». Прокладка изолирует никелированный стальной стакан от стальной тарелки, препятствуя тем самым короткому замыканию. Кроме этого прокладка сдерживает давление газа, который в незначительном количестве образуется при химической реакции. Предохранительная мембрана служит для того, чтобы при чрезмерном давлении газа предотвратить взрыв батареи выпустив газ наружу. Как правило, это приводит к разгерметизации элемента и течи электролита. Протекший электролит, по сути, обычная щелочь. При попадании на контакты вызывает их коррозию, на одежду — разъедает ее, на руки — вплоть до ожога. Именно поэтому на упаковке с батарейками можно найти предупреждение о том, что севшие элементы нужно вынимать из электроприборов, а длительное хранение электроприборов с батарейками внутри недопустимо.

Иногда, забыв вынуть уже подсевшие батарейки, через некоторое время можно обнаружить, что в батарейном отсеке появилась какая-то жидкость. Это и есть потёкший электролит. Поэтому на упаковке с батарейками можно найти предупреждение о том, что севшие элементы нужно вынимать из электроприборов. Теперь вы знаете, зачем это нужно делать.
Итак, с устройством разобрались, теперь поговорим о том, как работает щелочной элемент.

Принцип работы батарейки

На аноде проходит реакция окисления цинка. Вначале образуется гидроксид цинка

Zn + 2OH − → Zn(OH)₂ + 2e −

На катоде проходит реакция восстановления оксида марганца IV в оксид марганца III

Общая картина следующая

Zn + 2KOH + 2MnO₂ + 2e − → 2e − + ZnO + 2KOH + Mn₂O₃

Из первой формулы видно, что на аноде имеется избыток электронов. Но ведь анод это «+»? Дело в том, что в физике принято считать за направление тока движение положительных зарядов, т.е. от плюса (анода) к минусу (катоду). Но электрический ток это упорядоченное движение электронов, которые имеют отрицательный заряд. Поэтому, ток течёт оттуда, где есть избыток электронов, в направлении, где есть нехватка отрицательных зарядов (это и есть плюс – недостаток электронов). При этом получается, что ток течёт в реальности от отрицательного контакта к положительному. В электрохимии анодом принято считать тот электрод, на котором происходит процесс окисления, катодом же считается электрод, где происходит реакция восстановления.

Интересно знать! В результате химических реакций внутри элемента питания происходит необратимое разрушение металлических элементов питания, батарейка теряет свою емкость.

Важно! Поскольку химические изменения в процессе разряда батарейки необратимы — они не подлежат восстановлению заряда.

Разновидности

По форме и размерам согласно мировым стандартам элементы питания разделяются на такие виды:

• АА- пальчиковая;
• ААА- мизинчиковая;
• АААА;
• С- дюймовочка;
• D- бочка;
• квадратная;
• РР3- крона;
• Источники питания миниатюрных размеров.

В настоящее время существует большое количество разнообразных источников питания. Между собой они отличаются материалами, применяемыми для изготовления электродов и электролита. Среди многочисленных батареек выделяют несколько основных видов:

• солевые;
• щелочные;
• ртутные;
• серебряные;
• литиевые.

Солевые

Такие гальванические элементы имеют низкую стоимость относительно аналогов, однако имеется один существенный недостаток это низкая внутренняя емкость таких батареек.

Щелочные

Состав батарейки такого вида отличается от своих аналогов применяемым электролитом, в них используется активная щелочь гидроксид калия KOH. Электрод выполнен из двуокиси таких металлов, как цинк и марганец. Нашли широкое применение в современной электронике, на корпусе элементов указывается маркировка «ALKALINE».

Основным плюсом такой батарейки является продолжительный срок службы, в процессе эксплуатации номинальное напряжение понижается с меньшей скоростью. К минусам относят повышенную стоимость.

Серебряные

В качестве электролита применяют КОН, в состав электродов включено серебро. В таких элементах отмечают значительно увеличение срока службы, повышенную энергетическую плотность, постоянное номинальное напряжение, а также полную безвредность. Недостатками являются высокая цена.

Ртутные

В строении таких батареек используется цинк в качестве металла для анода, катод выполняется из ртутного оксида. Электроды разделяются сепаратором пропитанным электролитом. Такой элемент питания способен выполнять функции аккумулятора, однако емкость будет постепенно понижаться с каждым циклом восстановления заряда. При разряде происходит слипание ртути, а при заряде образуются дендриты цинка. Во время эксплуатации не допускается разгерметизация корпуса в связи с повышенной вредностью паров ртути. К преимуществам относят сохранение длительных значений плотности энергии, емкости и напряжения.

Внимание! Ртутные источники питания являются потенциально опасными для здоровья человека и окружающей среды.

Литиевые

Данные элементы питания постепенно вытесняют все аналоги в своей области применения. Отрицательные электроды такой батарейки сделаны из лития. В них постоянно совершенствуются основные технические характеристики. К плюсам батареек с литиевым электродом относят увеличение срока хранения, широкий диапазон рабочих температур, повышенная внутренняя емкость. Основным минусом является повышенная стоимость.

Применение

Различные виды могут применяться по-разному, зависит это от их основных конструктивных свойств и характеристик:

• Элементы питания с твердым электролитом используют в устройствах с малым значением потребляемого тока. Например, часы фонарики с малой мощностью, а также пульты дистанционного управления.
• Щелочные батарейки применяют в электротехнике с повышенным значением тока, к ним можно отнести различные камеры и магнитофоны, а также игрушки с электродвигателем.
• Источники питания с серебряными электродами способны обеспечить электроэнергией в калькуляторах, переносных инструментах и аппаратах для улучшения слуха.
• Литиевые батарейки используют в портативной электронике, где необходимо стабильное значение емкости и потребляемого тока.

Выбор источника питания

Для правильного выбора элементов питания необходимо обратить внимание на следующие факторы:

1. В аппаратах и оборудовании какого вида он будет применяться.
2. Электролит какого состава используется в конструкции.
3. Стоимость батарейки, иногда более выгодно приобрести несколько дешевых, чем один очень дорогой.
4. Каждый элемент питания на корпусе имеет маркировку, по которой можно определить вид и состав источника питания.
5. Необходимо ориентироваться по условиям окружающей среды в процессе эксплуатации.
6. Рекомендуется приобретать источники питания, произведенные сравнительно недавно, так как с течением времени емкость может понижаться.
7. Перед покупкой следует обратить внимание на целостность упаковки и самого корпуса элемента.
8. Батарейка должна конструктивно соответствовать своему посадочному месту в электроприборе.

Правильный выбор и соблюдение требований к безопасной эксплуатации позволит продлить работу любого элемента питания. Для определенных видов техники необходим свой вид батарейки.

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Анодная батарея Ба создает поле, вызывающее движение электронов в сторону анода. Так как падение потенциала почти полностью происходит у катода, то вылетевшие из него электроны приобретают вблизи катода соответствующую скорость v и движутся далее по инерции.  [2]

Анодная батарея представляет собой половину батареи БАС-Г-60 ( галетного типа) напряжением 30 в. По мере иссякания батареи провод питания схемы переключается на другие клеммы. Такой метод обеспечивает подачу необходимого напряжения ( около 20 в) питания моста длительное время.  [3]

Анодные батареи , вышедшие из строя из-за высыхания электролита, во многих случаях удается восстановить, используя следующий способ.  [4]

Анодная батарея создает для электронов, вылетевших из катода, ускоряющее поле. Но электроны, находящиеся между катодам и анодом, образуют электронное облачко, так называемый пространственный, или объемный, заряд, препятствующий1 движению электронов к аноду. Таким образом, на движение электронов от катода к аноду действует результирующая сила, образованная ускоряющим полем анодной батареи и тормозящим полем пространственного заряда.  [6]

Анодная батарея создает для электронов, вылетевших из катода, ускоряющее поле. Но электроны, находящиеся между катодом и анодом, образуют электронное облачко, так называемый пространственный, или объемный, заряд, препятствующий движению электронов к аноду. Таким образом, на движение электронов от катода к аноду действует результирующая сила, образованная ускоряющим полем анодной батареи и тормозящим полем пространственного заряда.  [8]

Анодные батареи для питания радиоприемников выпускаются нескольких различных типов. Далее следует число, указывающее напряжение батареи.  [10]

Анодные батареи рекомендуется сначала включать не на полное напряжение, пользуясь для этого дополни тельными выводами. Так, например, батарею типа БАС-80, имеющую выводы на 80 и 90 в, следует первоначально включить выводом на 80 в, оставляя вывод ча 90 в в качестве резервного.  [11]

Свежие анодные батареи имеют напряжение выше номинального. Для лучшего использования батарей и для более правильной работы аппаратуры следует включать батареи сначала промежуточными токоотврдами, а затем, по мере снижения напряжения, вводить дополнительные элементы путем переключения на крайние токо-отводы.  [12]

Анодная батарея Бл служит для создания электрического поля Евя между катодом и анодом. Когда нить разогрета, возникает электронное облако, несущее отрицательный заряд.  [14]

Иногда анодные батареи собирают из нескольких батареек для карманного фонаря, в каждой из которых находятся три сухих элемента такого же типа, как и в батареях типа БАС.  [15]

Российские ученые выяснили принцип работы анода натрий-ионных аккумуляторов

Ученые из Сколтеха и МГУ определили процессы, лежащие в основе работы анодного материала для нового перспективного класса химических источников тока – натрий-ионных аккумуляторов (НИА). Полученные данные, в совокупности с разработанным этой же группой способом получения анодов, позволят приблизить коммерциализацию НИА в России и мире. Исследование опубликовано в журнале Electrochimica Acta.

Иллюстрация: Сколтех.

Литий-ионные аккумуляторы (ЛИА) – наиболее востребованный на сегодняшний день химический источник тока. Их сфера применения крайне обширна – от мобильных телефонов (несколько ватт-часов) до буферных систем электростанций (миллионы ватт-часов). Потребность в ЛИА и средний размер накопителей постоянно растет, но этот тренд сталкивается с определенными проблемами – дороговизна литиевых солей, ограниченность его мировых запасов, неоднородность распределения литий-содержащих полезных ископаемых по странам. Для преодоления этих трудностей ученые всего мира, в том числе и в России, создают альтернативную технологию – натрий-ионные аккумуляторы (НИА), которая сможет потеснить не только ЛИА, но и все еще активно используемые свинец-кислотные аккумуляторы.

Натрий – шестой по распространенности в земной коре элемент, его соли стоят примерно на два порядка ниже солей лития. По своим химическим свойствам он близок к литию, но имеющиеся различия обуславливают необходимость разработки новых подходов для создания НИА. Основные компоненты аккумулятора – катод, анод и электролит. Существует целый ряд составов и структур, перспективных для катодных материалов; то же касается и электролита. Основная на сегодняшний день проблема НИА – анод. Если в ЛИА успешно применяют графит, то для НИА он не подходит – из-за несоответствия размеров углеродных шестиугольников и катиона натрия интеркаляции не происходит. Фактически есть только один материал, способный применяться на практике – так называемый «твердый углерод», или hard carbon. Он представляет собой разупорядоченное формирование из изогнутых графитоподобных слоев и способен запасать количество натрия, сопоставимое с графитом в литиевой системе. А вот как именно это происходит – до сих пор доподлинно неизвестно.

«Существует целый ряд гипотез о возможных механизмах внедрения натрия в hard carbon, – говорит руководитель работы, старший научный сотрудник Центра энергетических наук и технологий Сколтеха и МГУ Олег Дрожжин, – мы в своей работе доказали правомерность одной из них, дополнительно слегка ее расширив. Мы обнаружили, что основной заряд «твердый углерод» набирает по интеркаляционному механизму, и это отличная новость. Интеркаляция – это то, что нужно аккумулятору, а поверхностные процессы, связанный с «псевдоемкостью» – это удел суперконденсаторов, то есть очень узкой ниши химических источников тока. Забавно, что наш японский коллега, у которого проходила стажировку главный исполнитель этой работы – аспирантка МГУ Зоя Бобылева – придерживался поначалу совсем другой теории. Он является чуть ли не главным специалистом в мире по НИА и «твердому углероду», и убедить его в нашей правоте было непросто. Но мы это сделали»

В прошлом году Нобелевскую премию по химии получили трое ученых, чьи работы заложили основу для ЛИА. Одна из этих премий получена благодаря «твердому углероду» – именно после открытия этого анода технология ЛИА обрела свою жизнь. Впоследствии «твердый углерод» в ЛИА был заменен на графит. Теперь, спустя три десятилетия, «твердый углерод» снова сможет оказаться родоначальником новой технологии.

«Эта работа примечательна не только выяснением механизма работы «твердого углерода» в натрий-ионной системе, – комментирует профессор Сколтеха и заведующий кафедрой электрохимии на Химическом факультете МГУ Евгений Антипов, – но и тем, что мы научились делать «твердый углерод» с емкостью более 300 мАч/г – то есть он уже не уступает графиту в ЛИА. Понятно, что кропотливая работа по разработке и оптимизации методики обычно остается «за кадром», о ней редко пишут в такого рода статьях, поэтому нам важно показать результат: мы научились делать хорошие анодные материалы для НИА и мы понимаем, как они работают».

Работа была выполнена при участии ученых из Токийского университета науки и Университета г. Страсбург и при финансовой поддержке Российского научного фонда.