СУХАЯ ЯЧЕЙКА: СТРУКТУРА И ФУНКЦИИ - ХИМИЯ - 2026

Сухой элемент представляет собой батарея , чья электролитической среда состоит из пасты , а не решение. Однако указанная паста имеет определенный уровень влажности и по этим причинам не является строго сухой.

Небольшого количества воды достаточно для движения ионов и, как следствие, потока электронов внутри ячейки.

Источник: Эмилиан Роберт Викол через Flickr.

Его огромное преимущество перед первыми жидкостными батареями состоит в том, что, поскольку это электролитическая паста, ее содержимое нельзя пролить; Так было с мокрыми батареями, которые были более опасными и хрупкими, чем их сухие аналоги. Учитывая невозможность разлива, сухой элемент находит применение во многих портативных и мобильных устройствах.

На верхнем изображении - сухой угольно-цинковый аккумулятор. Точнее, это современная версия стека Жоржа Лекланше. Из всех он самый распространенный и, пожалуй, самый простой.

Эти устройства представляют собой энергетическое удобство из-за того, что в их кармане есть химическая энергия, которая может быть преобразована в электричество; и, таким образом, независимо от розеток или энергии, поставляемой крупными электростанциями и их обширной сетью опор и кабелей.

Структура сухих ячеек

Как устроена сухая ячейка? На изображении вы можете увидеть его крышку, которая представляет собой не что иное, как полимерную пленку, сталь и два вывода, изолирующие шайбы которых выступают спереди.

Однако это только его внешний вид; Внутри него находятся самые важные его части, которые гарантируют его правильное функционирование.

Каждый сухой элемент будет иметь свои собственные характеристики, но будет рассматриваться только углеродно-цинковый элемент, общая структура которого может быть описана для всех остальных аккумуляторов.

Под аккумулятором понимается объединение двух или более аккумуляторов, причем последние представляют собой гальванические элементы, как будет объяснено в следующем разделе.

Электроды

Источник: Википедия

На верхнем изображении показана внутренняя структура угольно-цинковой батареи. Независимо от того, что такое гальванический элемент, всегда должно быть (обычно) два электрода: один, от которого отводятся электроны, и другой, принимающий их.

Электроды - это электропроводящие материалы, и для протекания тока оба должны иметь разную электроотрицательность.

Например, цинк, белая банка, которая закрывает аккумулятор, - это то место, где электроны уходят в электрическую цепь (устройство), к которой он подключен.

С другой стороны, во всей среде находится графитовый углеродный электрод; также погружают в пасту, состоящую из NH ₄ Cl, ZnCl ₂ и MnO ₂ .

Этот электрод принимает электроны, и обратите внимание, что он имеет символ «+», что означает, что это положительный полюс батареи.

терминалы

Как видно выше графитового стержня на изображении, есть положительный электрический вывод; и ниже, внутренняя цинковая банка, из которой текут электроны, отрицательный вывод.

Вот почему батарейки отмечены знаком «+» или «-», чтобы указать, как правильно подключить их к устройству и, таким образом, позволить ему включиться.

Песок и воск

Хотя это и не показано, паста защищена демпфирующим песком и восковой прокладкой, которая предотвращает ее разлив или контакт со сталью при незначительных механических ударах или взбалтывании.

Функционирование

Как работает сухой элемент? Начнем с того, что это гальванический элемент, то есть он вырабатывает электричество в результате химических реакций. Следовательно, внутри клеток происходят окислительно-восстановительные реакции, при которых виды приобретают или теряют электроны.

Электроды служат поверхностью, которая способствует развитию этих реакций. В зависимости от их заряда может происходить окисление или восстановление частиц.

Чтобы лучше понять это, будут объяснены только химические аспекты угольно-цинковой батареи.

Окисление цинкового электрода

Как только электронное устройство включается, батарея высвобождает электроны, окисляя цинковый электрод. Это может быть представлено следующим химическим уравнением:

Zn => Zn ²⁺ + 2e ^-

Если вокруг металла много Zn ²⁺ , произойдет смещение положительного заряда, поэтому дальнейшего окисления не будет. Следовательно, Zn ²⁺ должен диффундировать через пасту к катоду, куда электроны войдут обратно.

Как только электроны активировали артефакт, они возвращаются к другому электроду: графитовому, чтобы найти какие-то химические соединения, «ожидающие» его.

Восстановление хлорида аммония

Как упоминалось ранее, в макаронах есть NH ₄ Cl и MnO ₂ , вещества, которые делают ее pH кислым. Как только электроны войдут, произойдут следующие реакции:

2NH ₄ ⁺ + 2e ^- => 2NH ₃ + H ₂

Два продукта, аммиак и молекулярный водород, NH ₃ и H ₂ , являются газами и поэтому могут «разбухать» аккумулятор, если они не претерпевают других превращений; такие как следующие два:

Zn ²⁺ + 4NH ₃ => ²⁺

H ₂ + 2MnO ₂ => 2MnO (ОН)

Обратите внимание, что аммиак был восстановлен (приобрел электроны) до NH ₃ . Затем эти газы нейтрализовались другими компонентами пасты.

Комплекс ²⁺ облегчает диффузию ионов Zn ²⁺ к катоду и, таким образом, предотвращает «срыв» ячейки.

Внешняя цепь устройства действует как мост для электронов; иначе между цинковой банкой и графитовым электродом никогда не было бы прямого соединения. На изображении конструкции эта схема представляет собой черный кабель.

Скачать

Сухие элементы бывают разных вариантов, размеров и рабочих напряжений. Некоторые из них не перезаряжаемые (первичные гальванические элементы), а другие (вторичные гальванические элементы).

Цинково-угольный аккумулятор имеет рабочее напряжение 1,5 В. Их формы меняются в зависимости от их электродов и состава электролитов.

Наступит момент, когда весь электролит прореагирует, и независимо от того, насколько сильно цинк окислится, не будет частиц, которые получат электроны и будут способствовать их высвобождению.

Кроме того, это может быть случай, когда образующиеся газы больше не нейтрализуются и продолжают оказывать давление внутри ячеек.

Углеродно-цинковые батареи и другие неперезаряжаемые батареи необходимо утилизировать; поскольку его компоненты, особенно никель-кадмиевые компоненты, вредны для окружающей среды, загрязняя почвы и воды.

Ссылки

1. Шивер и Аткинс. (2008). Неорганическая химия. (Четвертое издание). Мак Гроу Хилл.
2. Уиттен, Дэвис, Пек и Стэнли. (2008). Химия. (8-е изд.). CENGAGE Обучение.
3. Батарея "сухих" элементов. Получено с: makahiki.kcc.hawaii.edu
4. Хоффман С. (10 декабря 2014 г.). Что такое сухая батарея? Получено с: upsbatterycenter.com
5. Виид, Джеффри. (24 апреля 2017 г.). Как работают сухие батареи? Sciencing. Получено с: sciencing.com
6. Вудфорд, Крис. (2016) Батареи. Получено с: exploainthatstuff.com.