Piles et batteries galvaniques — dispositif, principe de fonctionnement, types

Sources d'énergie électrique à faible puissance

Les cellules galvaniques et les batteries sont utilisées pour alimenter les équipements électriques et radio portables.

Cellules galvaniques - ce sont des sources d'actions ponctuelles, accumulateurs — sources d'action réutilisables.

L'élément galvanique le plus simple

L'élément le plus simple peut être constitué de deux bandes : cuivre et zinc immergées dans de l'eau légèrement acidifiée avec de l'acide sulfurique. Si le zinc est suffisamment pur pour ne pas avoir de réactions locales, aucun changement notable ne se produira tant que le cuivre et le zinc ne seront pas réunis.

Cependant, les bandes ont un potentiel différent, l'une par rapport à l'autre, et lorsqu'elles sont connectées par un fil, elles apparaîtront électricité… Par cette action, la bande de zinc se dissoudra progressivement et des bulles de gaz se formeront près de l'électrode de cuivre, s'accumulant à sa surface. Ce gaz est de l'hydrogène généré par l'électrolyte. Le courant électrique circule de la bande de cuivre le long du fil vers la bande de zinc, et de celle-ci à travers l'électrolyte vers le cuivre.

Progressivement, l'acide sulfurique de l'électrolyte est remplacé par du sulfate de zinc formé à partir de la partie dissoute de l'électrode de zinc. Cela réduit la tension de la cellule. Cependant, une chute de tension encore plus importante est causée par la formation de bulles de gaz sur le cuivre. Les deux actions provoquent une «polarisation». De tels articles n'ont presque aucune valeur pratique.

Paramètres importants des cellules galvaniques

L'amplitude de la tension fournie par les cellules galvaniques ne dépend que de leur type et de leur dispositif, c'est-à-dire du matériau des électrodes et de la composition chimique de l'électrolyte, mais ne dépend pas de la forme et de la taille des cellules.

Le courant qu'une cellule galvanique peut fournir est limité par sa résistance interne.

Une caractéristique très importante de la cellule galvanique est capacité électrique… La capacité électrique désigne la quantité d'électricité qu'une cellule galvanique ou de stockage est capable de fournir tout au long de son fonctionnement, c'est-à-dire jusqu'au début de la décharge finale.

La capacité donnée par la cellule est déterminée en multipliant l'intensité du courant de décharge, exprimée en ampères, par le temps en heures pendant lequel la cellule s'est déchargée jusqu'au début de la décharge complète. Par conséquent, la capacité est toujours exprimée en ampères-heures (Ah).

Par la valeur de la capacité de la cellule, il est également possible de déterminer à l'avance combien d'heures elle fonctionnera avant le début de la décharge complète. Pour ce faire, vous devez diviser la capacité par la force du courant de décharge admissible pour cet élément.

Cependant, la capacité n'est pas strictement constante. Elle varie dans des limites assez larges en fonction des conditions de fonctionnement (mode) de l'élément et de la tension finale de décharge.

Si la cellule est déchargée au courant maximum et, de plus, sans interruptions, elle donnera une capacité beaucoup plus faible. Au contraire, lorsque la même cellule est déchargée à un courant plus faible et avec des interruptions fréquentes et relativement longues, la cellule va abandonner sa pleine capacité.

Quant à l'influence de la tension de décharge finale sur la capacité de la cellule, il convient de garder à l'esprit que lors de la décharge de la cellule galvanique, sa tension de fonctionnement ne reste pas au même niveau, mais diminue progressivement.

Types courants de cellules électrochimiques

Les cellules galvaniques les plus courantes sont les systèmes manganèse-zinc, manganèse-air, air-zinc et mercure-zinc avec des électrolytes salins et alcalins.Les cellules sèches manganèse-zinc avec électrolyte salin ont une tension initiale de 1,4 à 1,55 V, la durée de fonctionnement à une température ambiante de -20 à -60 ОDe 7 à 340 du matin

Les piles sèches zinc-manganèse et zinc-air à électrolyte alcalin ont une tension de 0,75 à 0,9 V et une durée de fonctionnement de 6 heures à 45 heures.

Les piles sèches au mercure-zinc ont une tension de démarrage de 1,22 à 1,25 V et une durée de fonctionnement de 24 heures à 55 heures.

Les cellules sèches au mercure-zinc ont la plus longue durée de vie garantie allant jusqu'à 30 mois.

Batteries

Batteries Ce sont des cellules électrochimiques secondaires Contrairement aux cellules galvaniques, aucun processus chimique n'a lieu dans la batterie immédiatement après l'assemblage.

Pour que la batterie déclenche des réactions chimiques associées au mouvement des charges électriques, il est nécessaire de modifier de manière appropriée la composition chimique de ses électrodes (et en partie de l'électrolyte).Cette modification de la composition chimique des électrodes se produit sous l'action d'un courant électrique traversant la batterie.

Par conséquent, pour qu'une batterie produise du courant électrique, elle doit d'abord être "chargée" avec du courant électrique continu provenant d'une source de courant externe.

Les batteries se distinguent également des cellules galvaniques conventionnelles par le fait qu'après décharge, elles peuvent être rechargées. Avec un bon entretien et dans des conditions de fonctionnement normales, les batteries peuvent durer jusqu'à plusieurs milliers de charges et de décharges.
Appareil alimenté par batterie

Actuellement, les batteries au plomb et au cadmium-nickel sont le plus souvent utilisées dans la pratique. Dans la première solution d'acide sulfurique sert d'électrolyte, et dans la seconde solution d'alcali dans l'eau. Les batteries au plomb sont également appelées batteries acides et batteries alcalines au nickel-cadmium.

Le principe de fonctionnement des batteries est basé sur la polarisation des électrodes pendant l'électrolyse... La batterie acide la plus simple est structurée comme suit : il s'agit de deux plaques de plomb immergées dans un électrolyte. À la suite de la réaction de substitution chimique, les plaques sont recouvertes d'une fine couche de sulfate de plomb PbSO4, comme il ressort de la formule Pb + H2SO4 = PbSO4 + H2.

Appareil à batterie acide

Cet état des plaques correspond à une batterie déchargée. Si la batterie est maintenant allumée pour la charge, c'est-à-dire connectée à un générateur de courant continu, la polarisation des plaques y commencera en raison de l'électrolyse. À la suite de la charge de la batterie, ses plaques sont polarisées, c'est-à-dire qu'elles changent la substance à leur surface et d'homogène (PbSO4) à différente (Pb et PbO2).

La batterie devient la source de courant, avec une plaque recouverte de dioxyde de plomb comme électrode positive et une plaque de plomb propre comme électrode négative.

À la fin de la charge, la concentration de l'électrolyte augmente en raison de l'apparition de molécules d'acide sulfurique supplémentaires dans celui-ci.

C'est une des caractéristiques de la batterie au plomb : son électrolyte ne reste pas neutre et participe lui-même aux réactions chimiques lors du fonctionnement de la batterie.

À la fin de la décharge, les deux plaques de la batterie sont à nouveau recouvertes de sulfate de plomb, à la suite de quoi la batterie cesse d'être une source de courant. La batterie n'est jamais amenée dans cet état. Du fait de la formation de sulfate de plomb sur les plaques, la concentration de l'électrolyte diminue en fin de décharge. Si la batterie est chargée, alors la polarisation peut être à nouveau provoquée pour la remettre en décharge, etc.

Comment charger la batterie

Il existe plusieurs manières de recharger les batteries. Le plus simple est la charge normale de la batterie, qui se fait comme suit. Initialement, pendant 5 à 6 heures, la charge est effectuée à double courant normal jusqu'à ce que la tension de chaque batterie atteigne 2,4 V.

Le courant de charge normal est déterminé par la formule Aztax = Q / 16

où Q — capacité nominale de la batterie, Ah.

Après cela, le courant de charge est réduit à une valeur normale et la charge se poursuit pendant 15 à 18 heures jusqu'à ce que des signes de fin de charge apparaissent.

Piles modernes

Les piles au nickel-cadmium ou alcalines sont apparues bien plus tard que les piles au plomb et, comparées à elles, sont des sources de courant chimique plus modernes.Le principal avantage des piles alcalines par rapport aux piles au plomb réside dans la neutralité chimique de leur électrolyte par rapport aux masses actives des plaques. Par conséquent, l'autodécharge des piles alcalines est nettement inférieure à celle des piles au plomb. Le principe de fonctionnement des piles alcalines repose également sur la polarisation des électrodes lors de l'électrolyse.

Pour alimenter les équipements radio, des batteries scellées au cadmium-nickel sont produites, qui sont efficaces à des températures de -30 à +50 ОC et résistent à 400 - 600 cycles de charge-décharge. Ces accumulateurs se présentent sous la forme de parallélépipèdes compacts et de disques pesant de quelques grammes à des kilogrammes.

Des batteries nickel-hydrogène sont produites pour alimenter des objets autonomes. L'énergie spécifique de la batterie nickel-hydrogène est de 50 à 60 Wh kg-1.