סוֹלְלָה , בחשמל ואלקטרוכימיה, כל אחד מסוגי מכשירים הממירים אנרגיה כימית ישירות לאנרגיה חשמלית. למרות שהמונח סוֹלְלָה , בשימוש קפדני, מייעד מכלול של שני תאים גלווניים או יותר המסוגלים לכך המרת אנרגיה , הוא מוחל בדרך כלל על תא בודד מסוג זה.
סוללת אלקליין-מנגן דו-חמצני: מבט חתוך מבט חתומי של תא כוח אלקליין-מנגן דו-חמצני. אנציקלופדיה בריטניקה, בע'מ
לכל סוללה (או תא) יש קתודה, או פלטה חיובית, ואנודה, או פלטה שלילית. אלקטרודות אלו חייבות להיות מופרדות על ידי ולעתים קרובות הם שקועים באלקטרוליט המאפשר מעבר יונים בין האלקטרודות. חומרי האלקטרודה והאלקטרוליט נבחרים ומסודרים כך שיספיקו כוח אלקטרומוטיבי (נמדד ב וולט ) ו זרם חשמלי (נמדד באמפר) ניתן לפתח בין מסופי הסוללה להפעלת אורות, מכונות או מכשירים אחרים. מאחר ואלקטרודה מכילה רק מספר מוגבל של יחידות אנרגיה כימית הניתנות להמרה לאנרגיה חשמלית, מכאן נובע כי לסוללה בגודל נתון יש יכולת מסוימת בלבד להפעלת מכשירים ובסופו של דבר תשתשש. החלקים הפעילים של הסוללה בדרך כלל עטופים בקופסה עם מערכת כיסוי (או מעטה) השומרת אוויר בחוץ וממיס האלקטרוליטים בפנים ומספק מבנה להרכבה.
תא אלקטרוכימי: מרכיבים בסיסיים רכיבים בסיסיים של תא אלקטרוכימי. אנציקלופדיה בריטניקה, בע'מ
סוללות זמינות מסחרית מעוצבות ונבנות תוך התחשבות בגורמי השוק. איכות החומרים ומורכבות עיצוב האלקטרודה והמכולה באים לידי ביטוי במחיר השוק המבוקש לכל מוצר ספציפי. כאשר מתגלים חומרים חדשים או משפרים את המאפיינים של חומרים מסורתיים, לעומת זאת, הביצועים האופייניים של מערכות סוללות ישנות אפילו גדלים לפעמים באחוזים גדולים.
הסוללות מחולקות לשתי קבוצות כלליות: (1) סוללות ראשוניות (2) סוללות משניות, או לאחסון. סוללות ראשוניות מיועדות לשימוש עד שהמתח נמוך מדי להפעלת מכשיר מסוים ואז מושלך. לסוללות משניות תכונות עיצוב מיוחדות רבות, כמו גם חומרים מסוימים לאלקטרודות, המאפשרים להרכיבן מחדש (להטעין אותן). לאחר פריקה חלקית או מלאה, ניתן לטעון אותם באמצעות יישום מתח זרם ישר (DC). בעוד שהמצב המקורי בדרך כלל אינו משוחזר לחלוטין, ההפסד למחזור טעינה בסוללות מסחריות הוא רק חלק קטן של אחוז אפילו בתנאים מגוונים.
מתי נולד האמן המפורסם מיכלאנג'לו?
האנודה של תא אלקטרוכימי היא בדרך כלל מתכת המחומצנת (מוותרת על אלקטרונים) בפוטנציאל שבין 0.5 ווֹלט וכ -4 וולט מעל לקתודה. הקתודה מורכבת בדרך כלל מתחמוצת מתכתית או מגופרית שהופכת למצב פחות מחומצן על ידי קבלת אלקטרונים, יחד עם יונים, למבנה שלה. יש לספק קישור מוליך דרך מעגל חיצוני (למשל, מנורה או התקן אחר) שיוביל אלקטרונים מהאנודה למגע הסוללה השלילי. חייבים להיות קיימים גם אלקטרוליטים מספיקים. האלקטרוליט מורכב ממס (מים, נוזל אורגני, או אפילו מוצק) וכימיקלים אחד או יותר המתנתקים ליונים בממיס. יונים אלה משמשים למסירת אלקטרונים וחומר כימי דרך פנים התא כדי לאזן את זרימת הזרם החשמלי מחוץ לתא במהלך פעולת התא.
התועלת בסוללה מוגבלת לא רק על ידי קיבולת, אלא גם על ידי כמה זרם מהיר ניתן לשאוב ממנה. יוני המלח שנבחרו לתמיסת האלקטרוליטים חייבים להיות מסוגלים לנוע במהירות מספקת דרך הממס בכדי להוביל חומר כימי בין האלקטרודות השווה לקצב הביקוש החשמלי. ביצועי הסוללה מוגבלים לפיכך על ידי ריכוך שיעורי כימיקלים פנימיים וכן לפי קיבולת.
המתח של תא בודד ושיעורי הדיפוזיה בתוכו מופחתים אם טֶמפֶּרָטוּרָה מורדת מנקודת ייחוס, כמו 21 מעלות צלזיוס (70 מעלות צלזיוס). אם הטמפרטורה יורדת מתחת לנקודת ההקפאה של האלקטרוליט, התא בדרך כלל ייצר מעט מאוד זרם שימושי ועשוי למעשה לשנות ממדים פנימיים, וכתוצאה מכך נזק פנימי וירידה בביצועים גם לאחר שהתחמם שוב. אם מעלים את הטמפרטורה בכוונה, ניתן לשמור על פריקה מהירה יותר, אך בדרך כלל אין זה מומלץ, מכיוון שכימיקלי הסוללה עלולים להתאדות או להגיב באופן ספונטני זה עם זה, ולהוביל לכשל מוקדם.
הקשר הבסיסי של פעולת תאים אלקטרוכימיים, שהוצג על ידי הפיזיקאי-כימאי האנגלי מייקל פאראדיי בשנת 1834, היא שלכל אמפר שזורם לתקופה מסוימת, חייבת להתקיים תגובה כימית תואמת או שינוי אחר. היקף השינויים הללו תלוי במבנה המולקולרי והאלקטרוני של היסודות מהווה אלקטרודות הסוללה והאלקטרוליטים. שינויים משניים עשויים להתרחש, אך זוג ראשי של תגובות הפיכות תיאורטית חייב להתרחש באלקטרודות כדי לייצר חשמל. האנרגיה בפועל שמייצרת סוללה נמדדת במספר האמפר המיוצר × יחידת הזמן × המתח הממוצע לאורך זמן זה. עבור תא עם אלקטרודות של אבץ ומנגן דו-חמצני (למשל, התא היבש הפנס הנפוץ), מגלים כי משקל כימי של אבץ שוקל 32.5 גרם (1.4 אונקיות) ושל מנגן דו-חמצני כ- 87 גרם (3.1 אונקיות). פריקה של משקל שווה ערך אחד מכל אחת האלקטרודות הללו תגרום להתמוססות של 32.5 גרם אבץ ו- 87 גרם של מנגן דו-חמצני להחלפה לתחמוצת אחרת המכילה יותר מימן ואבני אבץ. חלק מהאלקטרוליטים ייצרכו בתגובה. שווה ערך כימית אחת לכל אלקטרודה מייצרת יום אחד רחוק, או 96,485 קולומבים של זרם השווה ל -26.8 אמפר לשעה. אם התאים פועלים בממוצע 1.2 וולט זה יניב 32.2 וואט שעות של אנרגיית DC. התבטא בדרך אחרת, איפה נ שווה למספר המקבילות הכימיות המוזרמות, F הוא קבוע פאראדיי (9.6485 × 104קולומבים לשומה), ו הוא המתח הממוצע (לא בהכרח קבוע) של התא לתקופת הפריקה, ו- 1 ג'אוּל ≅ 2.78 × 10−4שעות ואט.
סוללות פנס סוללות המספקות פנס לפנס. אנציקלופדיה בריטניקה, בע'מ
יש מספר רב של אלמנטים ו תרכובות שממנו ניתן לבחור שילובים פוטנציאליים לשימוש עבור סוללות. המערכות המסחריות הנמצאות בשימוש נפוץ מייצגות את ניצולי המבחנים הרבים שבהם המשך השימוש תלוי במתח מספק, בכושר נשיאת זרם גבוה, בחומרים בעלות נמוכה ובסובלנות להזנחת משתמשים. טכנולוגיית איטום ופלסטיק טובים יותר מאפשרים פיתוח נוסף של כל מערכות התאים, במיוחד אלה המשתמשות בליתיום פעיל מאוד עבור האנודה. מצב זה הניב תאים מסחריים עם עומס של עד 3.9 וולט ויכולת נשיאת זרם גבוהה מאוד.
יצרני סוללות תכננו גדלים, מתחים ועומסי זרם שונים עבור יישומים מיוחדים שונים. במקרה של סוללות ביתיות נפוצות ( לִרְאוֹת טבלה), גדלים סטנדרטיים ותכונות חשמל נקבעו על ידי מכון התקנים הלאומי האמריקאי (ANSI) והוועדה הבינלאומית לאלקטרוטכניקה (חברת החשמל). הגדלים הנפוצים ביותר, הניתנים בצורה ANSI (IEC), הם AAA (R03), AA (R6), C (R14), D (R20) ו- 9V (6F22).
סוללות ראשוניות | |||
---|---|---|---|
סוּג | כִּימִיָה | גדלים ויישומים נפוצים | תכונות |
אבץ פחמן (לקלאנשה) | קתודה דו-חמצנית של סגסוגת אבץ אנודה-מנגן עם תערובת אלקטרוליטים של 80 אחוז אמוניום כלורי ו -20 אחוז אבץ כלורי המקיף אלקטרודת מוט פחמן; 1.55 וולט לתא, ירידה בשימוש | מגוון רחב ביותר של גדלים, צורות ויכולות (כולל כל המעילים הגליליים והמלבניים העיקריים); משמש בשלט רחוק, פנסים, מכשירי רדיו ניידים | זול וקל משקל; צפיפות אנרגיה נמוכה; גרוע מאוד ליישומים בעלי ניקוז גבוה; ביצועים ירודים בטמפרטורות נמוכות; סכנת סילוק מכספית רעילה וקדמיום הקיימים בסגסוגת אבץ |
אבץ כלורי | אבץ אנודה-מנגן דו-חמצני עם אלקטרוליט אבץ כלורי; 1.55 וולט לתא, ירידה בשימוש | מגוון רחב של מעילים גליליים ומלבניים; משמש בצעצועים ממונעים, נגני קלטות ותקליטורים, פנסים, מכשירי קשר ניידים | בדרך כלל מתויג 'כבד'; ירידת מתח פחות בקצב ניקוז גבוה יותר וטמפרטורות נמוכות יותר מפחמן אבץ; בדרך כלל פי 2-3 מחיי סוללות אבץ-פחמן; בטוח מבחינה סביבתית |
בְּסִיסִי | |||
אבץ-מנגן דו-חמצני | קתודה דו-חמצנית של אנודה-אבץ-מנגן עם אלקטרוליט אשלגן הידרוקסיד; 1.55 וולט לתא | מגוון רחב של מעילים גליליים ומלבניים; הטוב ביותר לשימוש בצעצועים ממונעים, קלטות ונגני CD | חיי מדף ארוכים; עמיד בפני דליפות; הביצועים הטובים ביותר בעומסים כבדים; פי 4 - 10 מחיי סוללות אבץ-פחמן |
תחמוצת אבץ-כסף | קתודת תחמוצת אנודה-אבץ-כסף עם אלקטרוליט אשלגן הידרוקסיד; 1.55 וולט לתא | סוללות כפתור; משמש במכשירי שמיעה, שעונים, מחשבונים | צפיפות אנרגיה גבוהה; חיי מדף ארוכים; יָקָר |
אבץ-אוויר | קתודת אנודה-חמצן אבץ עם אלקטרוליט אשלגן הידרוקסיד | מעילי גלילי, 9 וולט, כפתורים ומטבעות; משמש במכשירי שמיעה, איתורים, שעונים | צפיפות האנרגיה הגבוהה ביותר מכל הסוללות החד פעמיות; חיי מדף כמעט בלתי מוגבלים; בטוח מבחינה סביבתית |
לִיתִיוּם | |||
גופרתי ליתיום-ברזל | קתודת גופרית אנתי ברזל ליתיום עם אלקטרוליט אורגני; 1.6 וולט לתא | סוללות גליליות וכפתורים; משמש במצלמות דיגיטליות, מכשירים קטנים | צפיפות אנרגיה גבוהה; תומך בשיעורי פריקה גבוהים; חיי מדף ארוכים; יָקָר |
דו תחמוצת ליתיום-מנגן | קתודת ליתיום אנודה-מנגן דו-חמצני עם אלקטרוליט אורגני; 2.8–3.2 וולט לתא | סוללות גליליות וכפתורים; משמש במצלמות דיגיטליות, מכשירים קטנים | צפיפות אנרגיה גבוהה; תומך בשיעורי פריקה גבוהים; חיי מדף ארוכים; יָקָר |
סוללות משניות (נטענות) | |||
סוּג | כִּימִיָה | גדלים ויישומים נפוצים | תכונות |
חומצה עופרת | להוביל קתודה דו-חמצנית עופרת אנודה עם אלקטרוליט חומצה גופרתית | מגוון רחב של גדלים; משמש במכוניות, כסאות גלגלים, רכבים חשמליים לילדים, ספקי כוח חירום | הסוללה הזולה והכבדה ביותר; חיים ארוכים; אין אפקט זיכרון; מגוון רחב של שיעורי פריקה |
בְּסִיסִי | |||
ניקל-קדמיום | קדודיום אנודה-ניקל קתודה דו-חמצנית עם אלקטרוליט אשלגן הידרוקסיד | מעילים גליליים נפוצים; משמש בכלי חשמל, טלפונים אלחוטיים, ציוד ביו-רפואי | ביצועים מצוינים תחת פריקה כבדה; מתח כמעט קבוע; חיי המחזור הנטענים הטובים ביותר; אפקט זיכרון אצל חלקם; קדמיום רעיל מאוד ומסרטן אם הוא ממוחזר בצורה לא נכונה |
ניקל-מתכת הידריד | לקתודה אנודה-ניקל דו-חמצני מסגסוגת לנתניד או ניקל עם אלקטרוליט אשלגן הידרוקסיד | כמה מעילים גליליים; משמש אזעקות עשן, כלי חשמל, טלפונים סלולריים | צפיפות אנרגיה גבוהה; ביצועים טובים תחת פריקה כבדה; פריקה כמעט קבועה של 1.2 וולט; אין אפקט זיכרון; בטוח מבחינה סביבתית |
לִיתִיוּם | |||
ליתיום-יון | קתודת פחמן דו-חמצני של אנודה-ליתיום עם אלקטרוליט אורגני | המעילים הגליליים ביותר; משמש בטלפונים סלולריים, מחשבים ניידים | צפיפות אנרגיה גבוהה יותר וחיים קצרים יותר מניקל קדמיום; יָקָר; אין אפקט זיכרון |
Copyright © כל הזכויות שמורות | asayamind.com