Какие превращения энергии происходят при работе гальванического элемента? И какие превращения энергии происходят при зарядке и разрядке аккумулятора? Свинцовый аккумулятор

На окислительных свойствах четырехвалентного свинца и его переходе в более устойчивое двухвалентное состояние основано устройство и действие широко применяемых на практике свинцовых аккумуляторов.

Электрическими аккумуляторами называются приборы, позволяющие накапливать электрическую энергию с тем, чтобы потом расходовать ее в нужный момент. Это накопление энергии осуществляется путем пропускания через аккумулятор электрического тока, в силу чего в нем происходит химический процесс, сопровождающийся превращением электрической энергии в химическую; аккумулятор, как говорят, заряжается. Заряженным аккумулятором можно пользоваться как гальваническим элементом, причем та же самая реакция, которая происходила при зарядке аккумулятора, протекает в обратном направлении и накопленная в аккумуляторе химическая энергия превращается в электрическую; по мере ее расходования аккумулятор разряжается.

Свинцовый аккумулятор составляется в простейшем случае из двух решетчатых свинцовых пластин, ячейки которых заполняются тестообразной смесью окиси свинца с водой. Пластины погружаются в прямоугольную стеклянную банку, наполненную разбавленной серной кислотой уд. веса 1,15-1,20 (22-28% H 2 SO 4).

Вследствие реакции

РbО + H 2 SO 4 = PbSO 4 + Н 2 O

окись свинца превращается через некоторое время в сернокислый . Если теперь пропускать через прибор постоянный ток, соединив одну пластину с отрицательным, а другую - с положительным полюсом источника тока, аккумулятор будет заряжаться, причем у электродов будут происходить следующие процессы:

Складывая эти уравнения, получаем общее уравнение реакции, происходящей при зарядке аккумулятора:

2PbSO 4 + 2Н 2 O = Pb + РbO 2 + 4Н + 2SO 4 »

Таким образом, по мере пропускания тока сернокислый превращается на катоде в рыхлую массу металлического свинца, а на аноде - в темнобурую двуокись свинца.

Когда этот процесс закончится, - аккумулятор заряжен. Об окончании зарядки свидетельствует начало энергичного разложения воды: у катода выделяется , у анода- (аккумулятор «кипит»).

При соединении пластин заряженного аккумулятора проводником в последнем появляется ток, причем электроны перемещаются от пластины, покрытой свинцом, к пластине, покрытой двуокисью свинца. Возникновение тока объясняется следующим образом. С пластины, покрытой свинцом, часть ионов Рb ++ переходит в раствор, вследствие чего пластина заряжается отрицательно. Освобождающиеся у свинцовой пластины электроны переходят к РbO 2 и восстанавливают четырехвалентный в двухвалентный. В результате у той и другой пластины образуются ионы Рb , которые соединяются с находящимися в растворе ионами SO 4 »в нерастворимый сернокислый свинец, и аккумулятор разряжается.

Происходящие при разряде аккумулятора процессы передает следующая схема:

Сложив написанные уравнения, нетрудно убедиться, что происходящая при разряде аккумулятора реакция обратна той, которая имела место при его зарядке. Поэтому оба процесса могут быть выражены одним уравнением:

зарядка

2PbSО 4 + 2Н 2 О ⇄Pb + Pb0 2 + 4Н + 2SО 4 »

разряд

При разрядке аккумулятора концентрация серной кислоты уменьшается, так как расходуются ионы Н и SO 4 » и образуется . Поэтому о степени разряженности аккумулятора можно судить по удельному весу кислоты, измеряя его ареометром.

Напряжение свинцового аккумулятора равно 2 вольтам и при нормальной нагрузке остается почти неизменным во время его работы. Если напряжение начинает падать, аккумулятор необходимо снова зарядить.

Вы читаете, статья на тему Свинцовый аккумулятор

Типы аккумуляторов электрической энергии

Аккумуляторы являются неотъемлемой частью любой системы, ориентированной на получение альтернативных видов энергии.

Наибольшее распространение к настоящему времени получили электрохимические аккумуляторы электрической энергии, в которых преобразование химической энергии в электрическую при разряде аккумулятора происходит посредством химической реакции. При зарядке аккумулятора химическая реакция протекает в обратном направлении.

Кроме электрохимических аккумуляторов электроэнергию можно запасать в конденсаторах и соленоидах (катушках индуктивности).

В заряженном конденсаторе энергия хранится в виде энергии электрического поля диэлектрика. Ввиду того что удельная энергия, запасаемая конденсатором, очень невелика (практически от 10 до 400 Дж/кг), а длительность возможного хранения энергии вследствие имеющейся ее утечки небольшая, этот тип аккумулятора энергии применяется только в тех случаях, когда надо отдать электроэнергию потребителю за очень короткое время при кратком сроке ее хранения.

В соленоиде электрическая энергия аккумулируется в виде энергии магнитного поля. Поэтому этот тип накопителя именуется электромагнитным. Но время выдачи энергии электромагнитными аккумуляторами обычно измеряется даже не секундами, а долями секунды.

Для зарядки аккумулятора нужен внешний источник энергии, причем в процессе зарядки могут возникать потери энергии. После зарядки аккумулятор может оставаться в состоянии готовности (в заряженном состоянии), но и в этом состоянии часть энергии может теряться из-за произвольного рассеяния, утечки, саморазряда или других подобных явлений. При отдаче энергии из аккумулятора также могут возникать ее потери; кроме того, иногда невозможно получить обратно всю аккумулированную энергию. Некоторые аккумуляторы устроены так, что в них должна оставаться некоторая остаточная энергия.

Характеристики аккумуляторов

Основной характеристикой аккумулятора является его электрическая ёмкость. Единицей измерения этой ёмкости является ампер-час (А·ч) - внесистемная единица измерения электрического заряда.

Исходя из физического смысла, 1 ампер-час - это электрический заряд, который проходит через поперечное сечение проводника в течение одного часа при наличии в нём тока силой в 1 ампер. Теоретически заряженный аккумулятор с заявленной ёмкостью в 1 А·ч способен обеспечить силу тока 1 ампер в течение одного часа (или, например, 0,1 А в течение 10 часов, или 10 А в течение 0,1 часа).

На практике же емкость аккумулятора рассчитывают исходя из 20-часового цикла разряда до конечного напряжения, которое для автомобильных аккумуляторов составляет 10,8 В. Например, надпись на маркировке аккумулятора «55 А·ч» означает, что он способен выдавать ток 2,75 ампер на протяжении 20 часов, и при этом напряжение на клеммах не опустится ниже 10,8 В.

Слишком большой ток разряда аккумулятора приводит к менее эффективной отдаче электроэнергии, что нелинейно уменьшает время его работы с таким током и может приводить к перегреву.

Производители аккумуляторов иногда в качестве емкости указывают в технических характеристиках запасаемую энергию в Вт·ч. Поскольку 1 Вт = 1 А * 1 В, то если запасаемая энергия равна 720 Вт·ч мы можем поделить это значение на величину напряжения (скажем 12 В) и получим емкость в ампер-часах (в нашем примере 720 Вт·ч / 12 В = 60 А·ч.).

Свинцово-кислотные аккумуляторы

В заряженном состоянии анод (отрицательный электрод) такого аккумулятора состоит из свинца, а катод (положительный электрод) — из двуокиси свинца РbO2 . Оба электрода изготовлены пористыми, чтобы площадь их соприкосновения с электролитом была как можно больше. Конструктивное исполнение электродов зависит от назначения и емкости аккумулятора и может быть весьма разнообразным.

Химические реакции при заряде и разряде аккумулятора представляются формулой

РbO2 + Рb + 2Н2SO4 <—> 2РbSO4 + Н2О

Для заряда аккумулятора теоретически требуется удельная энергия 167 Вт/кг. Этим же числом выражается, следовательно, и теоретический его предел удельной аккумулирующей способности. Однако фактическая аккумулирующая способность намного меньше, вследствие чего из аккумулятора при разряде обычно получается электрическая энергия приблизительно 30 Вт/кг. Факторы, обусловливающие снижение аккумулирующей способности, наглядно представлены на рис. 1. Кпд аккумулятора (отношение энергии, получаемой при разряде, к энергии, расходуемой при заряде) обычно находится в пределах от 70 % до 80 %.

Рис.1. Теоретическая и фактическая удельная аккумулирующая способность свинцового аккумулятора

Различными специальными мерами (повышением концентрации кислоты до 39 %, использованием пластмассовых конструкционных частей и медных соединительных частей и др.) в последнее время удалось повысить удельную аккумулирующую способность до 40 Вт ч/кг и даже немногим выше.

Из вышеприведенных данных вытекает, что удельная аккумулирующая способность свинцового аккумулятора (а также, как будет показано в дальнейшем, и других типов аккумуляторов) существенно ниже, чем первичных гальванических элементов. Однако этот недостаток обычно компенсируется

• возможностью многократного заряда и, как результат, приблизительно десятикратным снижением стоимости получаемой из аккумулятора электроэнергии,
• возможностью составлять аккумуляторные батареи с очень большой энергоемкостью (при необходимости, например, до 100 МВт ч).

Каждый цикл заряда-разряда сопровождается некоторыми необратимыми процессами на электродах, в том числе медленным накапливанием невосстанавливающегося сернокислого свинца в массе электродов. По этой причине через определенное число (обычно приблизительно 1000) циклов аккумулятор теряет способность нормально заряжаться. Это может случиться и при длительном неиспользовании аккумулятора, так как электрохимический разрядный процесс (медленный саморазряд) протекает в аккумуляторе и тогда, когда он не соединен с внешней электрической цепью. Свинцовый аккумулятор теряет из-за саморазряда обычно от 0,5 % до 1 % своего заряда в сутки. Для компенсации этого процесса в электроустановках используется постоянный подзаряд при достаточно стабильном напряжении (в зависимости от типа аккумулятора, при напряжении от 2,15 В до 2,20 В).

Другим необратимым процессом является электролиз воды («закипание» аккумулятора), возникающий в конце зарядного процесса. Потерю воды легко компенсировать путем доливки, но выделяющийся водород может вместе с воздухом привести к образованию взрывоопасной смеси в аккумуляторном помещении или отсеке. Во избежание опасности взрыва должна предусматриваться соответствующая надежная вентиляция.

Другие типы аккумуляторов

В последние 20 лет появились герметически закрытые свинцовые аккумуляторы, в которых применяется не жидкий, а желеобразный электролит. Такие аккумуляторы могут устанавливаться в любом положении, а кроме того, учитывая, что во время заряда они не выделяют водорода, могут размещаться в любых помещениях.

Кроме свинцовых выпускается более 50 видов аккумуляторов, основанных на различных электрохимических системах. В энергоустановках довольно часто находят применение щелочные (с электролитом в виде раствора гидроокиси калия КОН) никель-железные и никель-кадмиевые аккумуляторы, ЭДС которых находится в пределах от 1,35 В до 1,45 В, а удельная аккумулирующая способность — в пределах от 15 Вт ч/кг до 45 Вт ч/кг. Они менее чувствительны к колебаниям температуры окружающей среды и менее требовательны к условиям эксплуатации. Они обладают также большим сроком службы (обычно от 1000 до 4000 циклов заряда-разряда), но их напряжение изменяется во время разряда в более широких пределах, чем у свинцовых аккумуляторов, и кпд у них несколько ниже (от 50 % до 70 %).

В литий-ионных аккумуляторах анод состоит из углерода, содержащего в заряженном состоянии карбид лития Li х C 6 , а катод — из окиси лития и кобальта Li 1-х CoO 2 . В качестве электролита применяются твердые соли лития (LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 или другие), растворенные в жидком органическом растворителе (например, в эфире). К электролиту обычно добавляют сгуститель (например, кремнийорганические соединения), благодаря чему он приобретает желеобразный вид. Электрохимические реакции при разряде и заряде заключаются в переходе ионов лития с одного электрода на другой и протекают по формуле

Li x C 6 + Li 1-x CoO 2 <—> C 6 + LiCoO 2

По внешней форме элементы литий-ионных аккумуляторов могут быть плоскими (похожими на четырехугольные пластины) или цилиндрическими (с рулонными электродами). Выпускаются также аккумуляторы, в которых применяются другие материалы анода и катода. Одним из важных направлений развития является разработка быстрозаряжаемых аккумуляторов.

Существует много других видов аккумуляторов (всего около 100). Например, в системах электроснабжения самолетов, где масса оборудования должна быть как можно меньше, находят применение серебряно-цинковые аккумуляторы с удельной аккумулирующей способностью, в среднем, 100 Вт ч/кг. Наивысшую ЭДС (6,1 В) и наибольшую удельную аккумулирующую способность (6270 Вт ч/кг) имеют фторо-литиевые аккумуляторы, серийного производства которых, однако, еще нет.

Первичные гальванические элементы хорошо подходят для работы в длительном режиме, а аккумуляторы могут использоваться как для длительной работы, так и для покрытия кратковременных и толчковых нагрузок. Конденсаторы и катушки индуктивности используются, главным образом, для покрытия импульсных нагрузок и для выравнивания мощности при быстрых изменениях нагрузок. Для выравнивания мощности, отдаваемой в энергосистему ветряными и солнечными электростанциями, могут применяться комбинации аккумуляторов с ультраконденсаторами.

Область применения некоторых аккумулирующих устройств по длительности нагрузки и по отдаваемой мощности характеризует рис. 2.

1.5. Характеристики заряда и разряда аккумуляторной батареи

Основные характеристики аккумулятора - зарядные и разрядные. Процесс, при котором происходит преобразование химической энергии в электрическую, называется разрядом, обратный процесс - зарядом.

После полного восстановления активных веществ плотность электролита перестает повышаться. Это служит признаком конца заряда аккумулятора. В конце заряда также начинается процесс разложения воды нa кислород и водород, характеризующийся появлением на поверхности электролита пузырьков газа.

Разрядными характеристиками аккумулятора называют зависимость изменения ЭДС, напряжения и плотности электролита аккумулятора при постоянной силе разрядного тока от времени заряда (рис. 1.2).

В момент включения аккумулятора на разряд напряжение на его зажимах падает скачком на величину J p R a

вcледствие падения напряжения аккумулятора (см. рис. 1.2)

Рис. 1.2 Характеристики разряда

U p = E a - I p R a ,

где I p - ток разряда; R a - внутреннее сопротивление

Происходящее при разряде поглощение сepной кислоты и выделение взамен ее воды вызывает уменьшение концентрации электролита, находящегося в поpax пластин, вследствие чего ЭДС аккумулятора E a , а слeдoвaтeльно, и напряжение плавно снижаются. Сначала химическим превращениям подвергаются наиболее доступные поверхностные слои активной массы, затем химические реакции распространяются на наиболее глубокие слои пластин. Кроме того, сернокислый свинец PbSO 4 , в который превращается активная масса пластин при разряде, занимает больший объем, чем исходные материалы (PbO 2 и Pb) и, отлагаясь на внутренних поверхностях пор, суживает их сечение. Эти два обстоятельства замедляют диффузию электролита в пластины, и к концу разряда концентрация последнего в порах пластин и с ней ЭДС аккумулятора быстро падают, стремясь к нулю, а значительная часть активной массы, лежащая в глубине пластин, еще не использована. При этом происходят уже необратимые процессы, и сильно ускоряется сульфатация аккумулятора, поэтому аккумулятор нельзя разряжать ниже 1,7 В.

Если разряженный аккумулятор выключить, то его ЭДС будет плавно повышаться. Это восстановление ЭДС называется "отдыхом" аккумулятора.

Плотность электролита по мере разряда уменьшается по закону прямой, так как при постоянной силе разрядного тока количество серной кислоты, замещаемой водой за единицу времени в результате химических реакций, будет одинаково. Признаки, определяющие конец разряда:

1. Понижение напряжения до предельного значения (1,7 В на элемент).

2. Уменьшение плотности электролита до определенного минимума ( 1,15 г/см 3).

На характер зависимости разрядного напряжения аккумулятора от времени влияют температура электролита и сила разрядного тока. При понижении температуры (ниже О °С) резко увеличиваются вязкость и удельное сопротивление электролита. Последнее в диапазоне температур +30...40 о С возрастает в 20 - 30 paз. С повышением вязкости уменьшается скорость диффузии.

3арядные характеристики аккумулятора - зависимость изменения плотности электролита, ЭДС и напряжения аккумулятора при постоянной силе зарядного тока от времени заряда (рис. 1.3).

В начале заряда резко увеличивается напряжение заряда по отношению к ЭДС на значение падения напряжения на внутреннее сопротивление. Затем напряжение медленно возрастает, что обусловлено увеличением ЭДС в результате повышения плотности электролита. Происходящая химическая реакция при заряде возвращает активную массу пластин в ее первоначальное состояние. При этих реакциях взамен поглощаемой воды выделяется серная кислота, вследствие чего плотность электролита повышается. К концу заряда в ocнoвнoм весь сернокислый свинец превратится в пероксид свинца на положительном и губчатый свинец на отрицательном электродах. Химические реакции прекращаются и вследствие этого напряжение и плотность электролита перестают увеличиваться. Дальнейшее прохождение тока вызывает только разложение воды на водород и кислород, которые энергично выделяются в виде пузырьков. Перезаряд аккумулятора вредно отражается на пластинах.

Рис 1.3. Характеристики заряда аккумулятора

1. Напряжение аккумулятора достигло максимального значения и перестало повышаться.

2.Плотность электролита достигла максимума и перестала увеличиваться.

3.Интенсивно выделяются пузырьки газа (аккумулятор «кипит»)

Явление поляризации, вредное в гальванических элементах, находит, однако, и полезное применение. В 1895 г. Планте показал, что э. д. с. поляризации можно, использовать для практического получения электрического тока. Он построил элемент с двумя свинцовыми электродами, погруженными в раствор серной кислоты. Элемент в таком виде не обладает еще э. д. с., так как оба его электрода одинаковы. Если, однако, через такой элемент пропускать известное время ток, то на его электродах выделяются продукты электролиза, которые вступают в химическую реакцию с электродами. Благодаря этому электроды оказываются различными по химическому составу, и появляется определенная э. д. с. – именно, э. д. с. поляризации, равная приблизительно 2 В. Элемент в таком состоянии является уже сам источником тока и при замыкании на какую-либо цепь может создавать в ней в течение некоторого времени электрический ток. Таким образом, для появления э. д. с. в элементе Планте через него необходимо пропускать в течение известного времени ток от постороннего источника. Этот процесс называется зарядкой элемента.

Элемент Планте и ему подобные, использующие явление поляризации, называются вторичными элементами или аккумуляторами, так как в них можно запасать (аккумулировать) энергию. После израсходования энергии аккумулятора его можно вновь зарядить пропусканием тока и повторять этот процесс много раз.

С энергетической точки зрения дело обстоит так. Реакции, протекающие в аккумуляторе при его зарядке и делающие первоначально одинаковые электроды химически различными, являются реакциями, которые могут осуществляться лишь при притоке энергии извне. Эту энергию доставляет генератор, при помощи которого мы заставляем ионы перемещаться в растворе и выделяться на соответствующих электродах. Напротив, при разрядке аккумулятора в нем происходят реакции, идущие с выделением энергии. Эти реакции и являются источником э. д. с. аккумулятора. Таким образом, при зарядке аккумулятора происходит превращение электрической энергии в скрытую химическую энергию, а при его разрядке – обратный переход химической энергии в энергию электрического тока.

Устройство современного свинцового аккумулятора показано на рис. 124. Он состоит из ряда положительных и отрицательных пластин, находящихся в банке с водным раствором (15-20%) серной кислоты. Все положительные пластины соединены между собой, так же как и все отрицательные, благодаря чему в небольшом сосуде можно иметь большую площадь электродов, разделенных тонким слоем электролита, т. е. иметь элемент с чрезвычайно малым внутренним сопротивлением.

Рис. 124. Свинцовый аккумулятор

Отрицательные пластины состоят из чистого металлического свинца, поверхность которого сделана мелкопористой для увеличения действующей площади электродов (губчатый свинец). Положительные пластины имеют более сложное строение, показанное на рис. 125. При их изготовлении сначала отливают (или штампуют) раму из свинца, снабженную многими ячейками наподобие пчелиных сотов, и в них впрессовывают специальную массу, состоящую из окислов свинца и связующих веществ.

Рис. 125. Положительная пластина свинцового аккумулятора

В незаряженном состоянии оба электрода покрыты слоем сернокислого свинца (). При зарядке ионы перемещаются к одному электроду и превращают его в перекись свинца по уравнению

а ионы H+ восстанавливают второй электрод в металлический свинец по уравнению

Соединение становится анодом, a Pb – катодом заряженного аккумулятора. При разрядке ток по внешней цепи идет от к Pb, а внутри аккумулятора ионы и движутся в направлениях, обратных их движению при зарядке, и реакции на электродах протекают в обратном направлении. Во вполне разряженном аккумуляторе оба электрода опять состояли бы из . В рабочих условиях не доводят аккумулятор до полной разрядки и вновь заряжают его, когда напряжение на электродах падает примерно до 1,8 В. Свежезаряженный свинцовый аккумулятор имеет напряжение около 2,7 В. Но при разрядке это напряжение быстро падает до 2 В и затем долго остается постоянным. После длительной разрядки напряжение аккумулятора вновь начинает падать; разрядку его следует прекратить, когда напряжение упадет до 1,85 В.

Помимо свинцовых аккумуляторов существуют и другие. В настоящее время широко употребляются железоникелевые аккумуляторы («щелочные» аккумуляторы). У них электродами являются железо и никель, а электролитом – 20%-ный раствор едкой щелочи (КОН или NaOH). В заряженном состоянии никелевые пластины покрыты слоем окиси никеля () и служат положительным полюсом, а металлическое железо – отрицательным; э. д. с. этих аккумуляторов равна 1,4-1,1 В. Железоникелевые аккумуляторы характеризуются большой устойчивостью: механические сотрясения и небрежность в уходе, могущая вызывать вредные химические реакции, для этих элементов гораздо менее опасны, чем для свинцовых.

Различные аккумуляторы характеризуются максимальным количеством электричества, которое можно получить от них без новой зарядки. Это количество электричества принято выражать в ампер-часах (А×ч) и называть емкостью аккумулятора. Так, например, переносные аккумуляторы, применяющиеся для автомобилей, имеют обычно емкость 40 А×ч. Это значит, что они могут давать ток 1 А в течение 40 ч или ток 2 А в течение 20 ч и т. д. При этом, конечно, разрядный ток не должен превышать некоторой максимальной силы (для свинцового аккумулятора приблизительно 1 А на каждый квадратный дециметр поверхности положительных пластин), так как в противном случае пластины быстро разрушаются. Чем больше площадь пластин аккумулятора, тем больше продуктов электролиза может быть удержано на пластинах, а значит, и тем больший заряд можно получить от аккумулятора при разрядке, т. е. тем больше его емкость.

79.1. Батарея аккумуляторов емкости 20 А×ч питает лампочку, потребляющую ток 0,25 А. Сколько времени может гореть лампочка без новой зарядки аккумуляторов?

Аккумуляторы играют в современной электротехнике важную роль. Так, например, на электрических станциях с неравномерной нагрузкой часто устанавливают, кроме генераторов постоянного тока, еще и батареи аккумуляторов (буферные аккумуляторы). При малой нагрузке станции часть энергии, вырабатываемой генераторами, расходуется на зарядку аккумуляторов, а в периоды большой нагрузки эти аккумуляторы питают сеть параллельно с генераторами. Электростанции, использующие энергию ветра, всегда бывают снабжены аккумуляторами, которые заряжаются в те периоды, когда имеется ветер, а затем уже расходуют запасенную энергию по мере надобности и независимо от метеорологических условий.

Аккумуляторы широко применяют на всех подводных судах (кроме подводных судов с атомным двигателем). При надводном плавании аккумуляторы заряжаются от генератора постоянного тока, а при погружении под воду все механизмы приводятся в движение исключительно от аккумуляторов. Аккумуляторы с успехом применяются в электрических грузовых тележках, так называемых электрокарах, которые должны работать короткие промежутки времени и делать частые остановки и на которых поэтому невыгодна установка двигателей внутреннего сгорания, непрерывно поглощающих топливо; в автомобилях (зажигание в моторах, освещение); для питания рудничных ламп и еще во многих важных промышленных машинах и приборах. Очень широко распространены аккумуляторы в лабораторной практике, где они являются хорошими источниками постоянного тока, а также в радиотехнике.

Несмотря на большие преимущества аккумуляторов, которые во многих случаях вытеснили гальванические элементы, последние все еще имеют ряд важных применений: в качестве эталонов напряжения (нормальные элементы, § 75), для питания радиоприемников, карманных фонарей, микрокалькуляторов и т. п.

Химическим источником тока называется устройство, в котором за счет протекания пространственно разделенных окислительно-восстановительных химических реакций их свободная энергия преобразуется в электрическую. По характеру работы эти источники делятся на две группы:

Первичные химические источники тока или гальванические элементы;

Вторичные источники или электрические аккумуляторы.

Первичные источники допускают только однократное использование, так как вещества, образующиеся при их разряде, не могут быть превращены в исходные активные материалы. Полностью разряженный гальванический элемент, как правило, к дальнейшей работе непригоден - он является необратимым источником энергии.

Вторичные химические источники тока являются обратимыми источниками энергии - после как угодно глубокого разряда их работоспособность можно полностью восстановить путем заряда. Для этого через вторичный источник достаточно пропустить электрический ток в направлении, обратном тому, в котором он протекал при разряде. В процессе заряда образовавшиеся при разряде вещества, превратятся в первоначальные активные материалы. Так происходит многократное превращение свободной энергии химического источника тока в электрическую энергию (разряд аккумулятора) и обратное превращение электрической энергии в свободную энергию химического источника тока (заряд аккумулятора).

Прохождение тока через электрохимические системы связано с происходящими при этом химическими реакциями (превращениями). Поэтому между количеством вещества, вступившего в электрохимическую реакцию и подвергшегося превращениям, и количеством затраченного или высвободившегося при этом электричества существует зависимость, которая была установлена Майклом Фарадеем.

Появление разности потенциалов объясняется тем, что вещество электрода под действием химических сил растворяется в электролите (например, цинк в растворе серной кислоты) и положительные ионы его переходят в электролит. Помещая в электролит два электрода из равных металлов, получим между ними разность электродных потенциалов - стороннюю ЭДС E = φ1-φ2 - Следовательно, устройство, состоящее из двух разнородных электродов, помещенных в электролит, является источником питания – гальваническим или первичным элементом, в котором происходит процесс преобразования (необратимый) химической энергии в электрическую.

Большое распространение получили сухие и наливные марганцово-цинковые элементы. По конструкции они делятся на стаканчиковые и галетные. В элементе стаканчиковой конструкции цинковый электрод имеет форму стакана, внутри которого расположен положительный электрод - угольный стержень. Угольный электрод окружен деполяризатором из двуокиси марганца, графита и сажи. Цинковый стакан заполняется электролитом – водным раствором хлористого аммония (нашатыря) с добавлением крахмала в качестве загустителя. Электродвижущая сила элемента E=1,5 В. Номинальным разрядным током элемента называется наибольший длительный ток, допускаемый при его эксплуатации. Емкостью элемента называется количество электричества, выраженное в ампер-часах (А·ч), которое можно получить от элемента за весь период его работы. Как от дельные элементы, так и собранные из них батареи широко применяются в радиотехнике, аппаратуре проводной связи, для карманных фонарей, слуховых аппаратов и т. д.

Аккумуляторы (вторичные элементы). Гальванические элементы, у которых после их разрядки возможен обратный процесс зарядки с преобразованием электрической энергии в химическую, называются аккумуляторами или вторичными элементами.

Щелочной аккумулятор получил такое название по электролиту- щелочи, а именно 21 %-му водному раствору едкого калия КОН или едкого натрия NaOH . Аккумулятор состоит из двух блоков – пластин, расположенных в стальном сосуде с электролитом. Пластины – это стальные рамки с вставленными в них стальными коробочками, заполненными активной массой. Активная масса отрицательных пластин кадмиево-никелевых элементов состоит из губчатого кадмия, а железо-никелевых – из губчатого железа. Активная масса положительных пластин у обоих аккумуляторов состоит из гидрата окиси никеля Ni(OH)3 .

При разрядке гидрат окиси никеля переходит в гидрат закиси никеля, а губчатый кадмий (железо) – в гидрат его закиси. Химическая реакция при разрядке выражается уравнением:

2Ni(OH)3 + 2КОН + Cd ->- 3Ni(OH)2 + 2KOН + Cd(OH)2.

При зарядке реакция идет в обратном направлении и, следовательно, происходит восстановление активной массы электродов. Концентрация электролита при разрядке и зарядке остается неизменной. При разрядке напряжение с 1,4 В сначала быстро уменьшается до 1,3 В, а затем медленно до 1,15 В; при этом напряжении разрядку необходимо прекращать. При зарядке напряжение с 1,15 В быстро увеличивается до 1,75 В, а затем после незначительного понижения медленно увеличивается до 1,85 В. Кроме щелочных широко применяются и кислотные /свинцовые) аккумуляторы.