Galvanické články a akumulátory

Galvanické články a akumulátory

Na sklonku leta roku 1786 pitval taliansky lekár Luigi Galvani žabu. Neviem síce, akému cieľu mala táto zábavka pôvodne slúžiť, ale Galvani pri nej prišiel na jednu veľmi zaujímavú vec. Pitvaná žaba bola položená na oceľovej doske. Keď sa medeným drôtikom zapichnutým do jej miechy dotkol oceľovej dosky, žabie stehienka "ožili" a začali sa zmršťovať. Samotný Galvani si tento úkaz vysvetľoval ako tzv. zvieraciu elektrinu, čo však nebolo správne vysvetlenie. Žaba žiadnu elektrinu nevyrábala. Prvý galvanický článok zostavil ruku 1800 A. Volta.

Galvanické články môžeme rozdeliť na:
a) primárne články: premieňajú chemickú energiu na elektrickú
b) sekundárne články: dajú sa nabíjať a vybíjať a znovu nabíjať, teda pracujú obrátene - akumulátory
c) palivové články: dodávajú elektrický výkon tak dlho, pokiaľ je im privádzané palivo.

Akumulátory
Akumulátor je elektrochemický zásobník el. energie, ktorý je možné opakovane nabíjať. Pri nabíjaní akumulátoru cez jeho elektródy sa elektrická energia mení na chemickú, pri vybíjaní sa opäť uvoľňuje elektrická energia. Akumulátory existujú iba pre jednosmerný prúd. Poskytujú prúd nezávisle na elektrickej sieti a umožňujú vyrovnávanie prúdových špičiek. Stav nabitia akumulátoru sa kontroluje stanovením hustoty elektrolytu. Sériovým zapojením niekoľkých článkov za sebou do batérie sa znásobuje napätie, paralelné zapojenie zvyšuje kapacitu. Doposiaľ najpoužívanejší je olovený akumulátor, vynájdený v roku 1859 Francúzom Gastonom Planté. Jeho základom sú dosky zhotovené z inertného nosiča, ktorý je upravený do tvaru mriežky, aby mal čo najväčší povrch. Na mriežku sa nanáša pasta tvorená síranom olovnatým a kyselinou sírovou, ktorá sa používa aj ako elektrolyt (20% roztok). Dosky sú oddelené tzv. separátorom, ktorý je zhotovený zo sklenenej vaty a obsahuje ďalšie prímesi. Pokiaľ k elektródam pripojíme zdroj jednosmerného elektrického prúdu, na katóde sa bude vylučovať tmavošedé olovo a na anóde sa bude vytvárať vrstvička červenohnedého oxidu olovičitého. Týmto spôsobom vznikne sústava, ktorá sa dá po odpojení zdroja jednosmerného elektrického prúdu využiť ako galvanický článok.

Galvanické články
Podľa L. Galvaniho pomenované zariadenie na priamy prevod chemickej energie na elektrickú. Skladá sa z dvoch rozdielnych, prevažne kovových elektród, ktoré sú ponorené do spoločného elektrolytu, resp. do dvoch elektrolytov oddelených pórovitou prepážkou, bez toho aby sa vzájomne dotýkali. Vo vonkajšom vodiči, ktorý spája elektródy, vzniká elektrický prúd. Pre vznikajúce napätie na elektródach, ktoré vyvolá el. prúd, je rozhodujúce postavenie dotyčných látok v elektrochemickom napäťovom rade. Prvý galvanický článok zostrojil r. 1800 N. Volta. Článok, vynájdený francúzskym chemikom G. Leclanché (1839 až 82), dosiahol v suchej batérii napätí 1,5 V. V zinkovej nádobe ako negatívnej katóde a v elektrolyte z 10–20% roztoku salmiaku sa ako anóda nachádza uhlíková tyčinka, ktorá je obklopená burelom, umiestneným do vrecúška alebo hlineného valca. V bureli oxiduje vznikajúci vodík na vodu. Vznikajúca elektromotorická sila má hodnotu 1,5 V.

Palivový článok
Palivový článok je vlastne galvanický článok na premenu chemickej energie plynnej látky (vodíka) na energiu elektrickú. K premene dochádza pri katalytickej reakcii s oxidovadlom na elektródach. Palivové články sa vyznačujú vysokou účinnosťou premeny energie (85%) a ekologickými výhodami, jediným odpadovým produktom je voda. Najznámejším palivovým článkom je článok kyslíkovodíkový.

Na to, aby sme pochopili fungovanie galvanických článkov a akumulátorov si musíme vysvetliť elektrickú vodivosť kvapaliny a jej praktické využitie. V kvapalinách sprostredkujú elektrický prúd voľné pohyblivé katióny a anióny. Vodivé roztoky nazývame elektrolyty. Vznikajú rozpustením iónovej zlúčeniny v nejakom rozpúšťadle. Elektrolyty sú vodné roztoky mnohých solí (NaCl, KCl), kyselín (H2SO4 , HNO3) a zásad (KOH, NaOH). Ióny spolu s molekulami rozpúšťadla vykonávajú neustály a neusporiadaný pohyb. Ak do elektrolytu vložíme dve elektródy a pripojíme ich ku svorkám jednosmerného zdroja napätia, vznikne medzi elektródami elektrické pole vo vnútri elektrolytu, ktoré vyvolá usmernený pohyb iónov v roztoku (iónová vodivosť).
Katióny sa začnú pohybovať ku katóde pripojenej k zápornej svorke zdroja a anióny k anóde (elektróde pripojenej ku kladnej svorke zdroja). S prenosom náboja pozorujeme tiež prenos látky. Usporiadaný pohyb iónov v el. poli medzi elektródami tvorí el. prúd v elektrolyte. Podľa dohody je smer prúdu určený smerom pohybu kladných iónov. Usporiadaný pohyb iónov v elektrolyte končí na elektródach, kde ióny odvádzajú náboje a vylučujú sa na povrchu elektród ako atómy, alebo molekuly, alebo chemicky reagujú s materiálom elektródy, či elektrolytom. Dej, pri ktorom priechodom el. prúdu elektrolytom dochádza k látkovým zmenám nazývaným elektrolýza.
1. Faradayov zákon
Pri elektrolýze sa na katóde vždy vylučuje vodík, alebo kov. Výsledky elektrolýzy daného roztoku závisí od materiálu z ktorého sú elektródy. Vedením el. prúdu v elektrolytoch študoval anglický fyzik M. Faraday (1791 - 1867). Zistil, že hmotnosti látok vylúčených na - 2 - elektródach sú priamo úmerné celkovému el. náboju, ktorý preniesli ióny pri elektrolýze - je to 1. Faradayov zákon. Polarizácia elektród sa využíva v sekundárnych galvanických článkoch - akumulátoroch. Príkladom je olovený akumulátor. U nabitého akumulátora sú obe elektródy tvorené PbSO4 . Vzniknutý galvanický článok má napätie asi 2,1 V (volta). Pri vybíjaní vzniká na oboch elektródach opäť PbSO4 . Akumulátor sa teda dá mnohokrát nabiť. Po častom nabíjaní sa akumulátor znehodnocuje, až nebude použiteľný.

Využitie v praxi
Do misky s roztokom síranu zinočnatého vložíme očistený zinkový plech. Do druhej misky s roztokom síranu meďnatého vložíme očistený medený plech. Obidva roztoky vodivo spojíme drôtom. V tomto prípade vzniká napätie 1.1 V. Oba kovy spojíme do elektrického obvodu, kde spotrebičom je žiarovka, napr. 2,5 V. Žiarovka zapojená do elektrického obvodu sa rozsvieti. Pri odoberaní elektrického prúdu z tohto článku prebiehajú tieto reakcie:
a) Kovový zinok sa oxiduje (uvoľňuje prúd elektrónom) a vznikajú zinočnaté katióny
b) Meďnaté katióny sa redukujú (prijímajú elektróny) a vzniká meď

Batéria
- zariadenie produkujúce elektrinu pomocou chemických reakcií medzi jeho zložkami. Najbežnejším typom je zinkovo-uhlíková batéria so suchými článkami. Používa sa napríklad vo vreckových baterkách. Má zinkový obal vyplnený vlhkou vodivou pastou a v strede je uhlíková tyčinka. Keď sa batéria zapojí do obvodu, elektróny tečú od záporného pólu batérie do spotrebiča a nazad ku kladnému pólu. Keď sa chemikálie svojou vzájomnou reakciou spotrebujú, batéria prestane fungovať – vybije sa. Automobilové batérie (akumulátory) obsahujú olovené platne, pričom jedna z nich je pokrytá oxidom olovnatým. Obe platne sú ponorené do kyseliny sírovej. Výsledkom chemických reakcií medzi platňami a kyselinou je elektrina poháňajúca štartér motora a zapaľovanie. Keď motor beží, batéria sa dobíja elektrinou z generátora. Prvú batériu vynašiel v r. 1799 taliansky fyzik Alessandro Volta. Podľa neho bola pomenovaná jednotka elektrického napätia – volt. V r. 1938 sa na území Iraku našli nádobky pochádzajúce asi z r. 50 pred n. l. Na voskových zátkach boli zavesené medené tyčinky a v nádobách bola kyselina. Keď reagovala s kovovými tyčinkami, produkovala napätie asi dva volty. Úplne to stačilo na galvanické pozlacovanie a postriebrovanie.

Princíp funkcie a zloženie primárnych zinkochloridových a alkalických batérií

Zinkochloridové baterie - zloženie
Zinková nádobka (kalíšok) zastupuje funkciu zápornej elektródy. Do tejto nádobky je vložená korunka a zvitok separačného papiera. Do zvitku je nalisovaná zmes burelu a sadzí (uhlík). Ako výstupná kladná elektróda je v tejto zmesy zaražený uhlíkový klin, na ktorý je nalisovaná kovová čiapočka, ako kladný pól batérie. Funkciu elektrolytu tu zastupuje roztok chloridu zinočnatého. Tento elektrolyt je sučasťou zmesy pre kladnú elektródu. Celá zostava - zmes, uhlík, separátor je zaliata hmotou (ceresin, asfalt), aby bolo zabránené prístupu vzduchu. Celý článok je potom vybavený vonkajším obalom či už fóliou, papierom alebo kovovou dutinou. Funkcie - zmes kladnej elektródy je použitá o pomerne vysokej vlhkosti. Táto navlhčí separačný papier a reaguje so zápornou zinkovou elektródou. V priebehu vybíjania sa spotrebováva vlhkosť obsiahnutá v článku, takže na konci vybíjania je vnútro článku suché. Preto je nutné u nových článkov zaistenie dokonalej hermetičnosti - pokiaľ by prišlo k porušeniu hermetičnosti, článok by vyschol a ku reakcii by nemohlo dôjsť. V skorších systémoch tíchto suchých článkov se ako elektrolyt používal pastovitý roztok salmiaku. U tejto technologie dochádzalo pri vybíjaní k vzniku volnej vody a tím bylo zapríčinené vytekanie elektrolytu.

Alkalické baterie - složení
Ocelová nádobka zastáva funkciu kladného pólu batérie. Do tejto nádobky sú nalisované buď krúžky alebo rúrka zo zmesy burelu a uhlíku (sadzí) - kladná elektróda. Do stredu kladnej elektródy je vložený separátor nasýtený lúhom. V tomto separátore je vložený valček zápornej elektrody - emulzia zinkového prášku v tyloze. Do tejto zápornej elektródy je zarazená ihla (obvykle mosadzná) ako záporný zberač a vývod. Preto je u alkalických článkov na rozdiel od zinkochloridových izolovane zamontovaná korunka článku - záporný pól.

Funkcia - je založená na rovnakom princípe ako u zinkochloridových článkov, t.j. reakcia zinku a uhlíku. Na rozdiel od normálnych batérií tu reakcia prebieha za prítomnosti alkalického elektrolytu - lúhu. Rozdiely medzi týmito dvoma druhmi primárnych článkov. V alkalických batériách se používajú suroviny s vyššou elektrickou vodivosťou (sadze), ďalej je v nich podstatne vyšší podiel elektrolytického burelu. Vďaka použitiu zinkového prachu ako zápornej elektródy má táto väčšiu reakčnú plochu. Tým je dané, že tieto batérie majú vyššiu kapacitu a aj ich zaťažovacie prúdy sú vyššie ako u klasických článkov.
Použitie jednotlivých typov batérií:
Zinkochloridové - lampy, rozhlasové prijímače, hračky s nižšími nárokmy na odber.
Alkalické - hračky, ktoré používajú pre pohon motory, walkmany, discmany, lampy používajúce halogénové žiarovky, blesky a aplikácie vyžadujúce nárazove vyššie prúdy.

Rozdiel medzi primárnym elektrickým článkom a akumulátorom:
V primárnom (zinkochloridovom alebo alkalickom) článku sa v priebehu vybíjania chemickou reakciou medzi kladnou a zápornou elektródou spotrebovávajú materiály tíchto elektród (obvykle zinok a uhlík). Tieto články sú po zostavení schopné okamžite dodávať energiu až do vyčerpania chemických surovín. Akumulátor nie je schopný po zostavení okamžite dodávať energiu. Je ale schopný chemickou premenou aktívnych materiálov v elektródach viazať (akumulovať) energiu pri nabíjaní a túto energiu postupne podľa potreby opäť vydávať. Pri tomto výdaji energie dochádza opäť k premene aktívneho materiálu na pôvodné zloženie.

Pretože primárne zdroje energie (galvanické články) celkom nevyhovujú a sú relatívne veľkou záťažou pre životné prostredie, prišlo k veľkému rozvoju sekundárnych prenosných zdrojov energie - rôzných typov hermeticky uzavretých akumulátorov. V bežnej praxi se stretávame s tímito typmy hermeticky uzavretých akumulátorov:

Olovené akumulátory
Elektrolyt v týchto akumulátoroch je buď vo forme gélu alebo viazaný v separátore, oddelujíci jednotlivé kladné a záporné dosky. Preto je možné tieto tzv. gélové akumulátory prevádzkovať v ľubovoľnej polohe. Obmedzením sú iba maximálne použitelné vybíjacie prúdy (so stúpajúcim vybíjacím prúdom výrazne klesá použiteľná kapacita) a špecifické požiadavky na spôsob nabíjania. Najviac je tento druh akumulátorov využívaný ako zálohový zdroj energie pre počítače (UPS), alarmy a pod. Pre svoju váhu nie sú bežne využívané v prenosných spotrebičoch. Tento druh akumulátorov je nutné skladovať vždy v nabitom stave. Pokiaľ by došlo k vybitiu a následnému uskladneniu, dôjde k nenávratnej strate kapacity až ku zničeniu akumulátora - sulfatácia elektród. Doporučuje se preto pri skladovaní minimálne 1x ročne tieto akumulátory nabiť. Nevýhodou olovených akumulátorov je tiež zhoršenie elektrických vlastností pri použití v medzných teplotách či už kladných alebo záporných.

Zloženie:
Kladná elektróda - oxid olova
Záporná elektróda - olovo
Elektrolyt - kyselina sírová

Nikeladmiové akumulátory
U týchto akumulátorov je elektrolyt viazaný v separátore a elektródach. Tieto akumulátory sú používané pre veľmi priaznivé vlastnosti s ohľadom na pomer hmotnosti ku kapacite. Ďalšou výhodou týchto akumulátorov je ich schopnosť funkcie i v extrémnych klimatických podmienkach (do -40°C). Veľký rozmach výroby týchto akumulátorov priamo súvisel s rozvojem výroby rôznych prenosných tranzistorových prístrojov. V súčasnosti sú používané v aplikáciách vyžadujících veľké prúdové zaťaženie, prípadne pre použitie v extrémnych klimatických podmienkach. Nevýhodou je, že obsahujú ťažké kovy. Tieto akumulátory je možné skladovať vo vybitom stave bez ujmy na elektrických vlastnostiach v podstate ľubovoľnú dobu.

Zloženie:
Kladná elektróda - nikel
Záporná elektróda - kadmium
Elektrolyt - draselný lúh

Lithium-ionové
V posledných rokoch sa stále viac používajú v mobilných telekomunikáciách (telefóny) a v prenosných počítačoch akumulátory Lithium-ionové. Táto technológia bola vyvinutá z primárnych lithiových článkov. Protože tieto akumulátory majú menovité napätie 3,6 V oproti klasickým NiCd a NiMH akumulátorom (1,2V) pri rovnakej veľkosti, je ich pomer akumulovanej energie v porovnaní s váhou veľmi priaznivý. Nevýhodou týchto akumulátorov je nutnosť elektronickej ochrany jednotlivých článkov pri nabíjaní a vybíjaní - nesmie byť prekročené konečné napätie pri nabíjaní, ani vybití pod tesne stanovenú hranicu. Toto je zaistené ochrannými obvodmy na každom jednotlivom článku. Nie je možné zatiaľ realizovať zámenu článkov jednotlivých výrobcov, pretože tieto konečné parametre sú u každého rozdielne. Prevádzkové podmienky týchto akumulátorov sú obdobné ako u NiMH akumulátorov ako čo do rozsahu prevádzkových teplôt, tak aj použiteľných prúdových záťaží. Pri skladovaní je nutné tieto články minimálne jedenkrát ročne nabiť, aby vlastným samovybíjaním nedošlo k vybitiu pod stanovenú hranicu.

Zloženie:
Kladná elektróda - zmes oxidov lithia s ďalším kovom
Záporná elektróda - uhlík so smesou ďalších chemikálií
Elektrolyt - zmes esterov - každý výrobca si chráni svoje zloženie