Товарознавчі характеристики виробів, що є хімічними джерелами елекричної енергії для продукції побутового і промислового призначення

Перше хімічне джерело струму сконструював італійський вчений Алессандро Вольта у 1800 році. Елемент Вольта складався із мідної та цинкової пластин, занурених у солону воду. Згодом Вольта з’єднав елементи у батарею, яку ще називають стовпом Вольта. У 1836 році англійський хімік Джон Даніель удосконалив елемент Вольта, помістивши мідний та цинковий електроди у розчин сульфатної кислоти. Ця конструкція дістала назву «елемента Даніеля». У 1859 році французький фізик Гастон Планте винайшов свинцево-кислотний акумулятор. Цей тип елемента і сьогодні використовується в автомобільних акумуляторах. 1866 року французький хімік Жорж Лекланше створив свій гальванічний елемент (елемент Лекланше), який складається із цинкового стаканчика, заповненого водним розчином хлорид амонію, у який занурений електрод із манган (IV) оксиду марганцю із графітовим струмовідводом. Модифікація цієї конструкції досі також використовується у сольових батарейках для різних побутових пристроїв. У 1890 році у Нью-Йорку Конрад Губерт створює перший кишеньковий електричний ліхтар, використавши елемент Лекланше. А вже у 1896 році компанія National Carbon започатковує серійне виробництво перших у світі сухих елементів Лекланше «Columbia». У 1899 році Вальдемар Юнгнер опрацював перші взірці нікель-кадмієвих акумуляторів (Ni-Cd), а у 1946 році розпочато виготовлення герметичних нікель-кадмієвих акумуляторів. Починаючи із 1960 року, на ринку з’являються лужні марганцево-цинкові елементи. 1970 року стартувала ера літієвих хімічних джерел струму. Масове виробництво металогідридних акумуляторів (Ni-MH) налагоджено у 1990 році [1−5].

В основі товарознавчих характеристик хімічних джерел електричної енергії лежать базові електричні характеристики, на яких ґрунтуються і подальші економічні показники хімічних джерел електричної енергії як товару. Нижче наведено їх перелік.

Електрорушійна сила ∆ε (ЕРС) – це різниця термодинамічних потенціалів ХДЕЕ при рівноважних умовах:

де ε – електрорушійна сила джерела енергії;

Електрорушійна сила ХДЕЕ пов’язана з вільною енергією Гіббса таким співвідношенням:

Звідси ,

де ∆G – вільна енергія Гіббса;

∆H – зміна ентальпії сумарної струмоутворювальної реакції;

T – температура;

∆S – зміна ентропії сумарної струмоутворювальної реакції;

Напруга розімкненого кола (U_РК) включає суму потенціалів на границі різних металів зовнішнього електричного кола. Достатньо довго ЕРС і U_РК вважали тотожними, однак звично ЕРС > U_РК. Це зумовлено або нестехіометричністю активних матеріалів, або варіаціями у складі електроліту джерела.

Номінальна розрядна напруга (U_розр) – усереднена величина між початковою (U_п) та кінцевою (U_к) напругами при розряді заданим струмовим навантаженням за визначених умов.

Розрядний струм (І_р) – це струм, який протікає у замкнутому колі при підключення зовнішнього джерела споживання електричної енергії (розрядне навантаження). Процес розряду можна проводити при різних навантаженнях, тобто у замкнутому електричному колі протікатиме струм заданої величини.

Номінальна розрядна ємність (C) – це кількість електрики, яку ХДЕЕ віддає для досягнення заданої кінцевої розрядної напруги за визначених умов. При проведенні розряду у гальваностатичному режимі розрядна ємність визначається як добуток сили струму I на час розряду t:

.
(1.118)

Одиницею вимірювання є ампер·година (А·год).

Питома ємність (с) – це кількість електрики, яку ХДЕЕ віддає для досягнення заданої кінцевої розрядної напруги, віднесена до маси джерела:

,
(1.119)

де I – сила розрядного струму;

Вимірюється питома ємність у А·год/кг або мА·год/г.

Питома енергоємність (W) – це кількість електричної енергії, яка припадає на одиницю маси або об’єму ХДЕЕ:

,
(1.120)

або

де U_розр – номінальна розрядна напруга;

Вимірюють питому енергоємність у Вт·год/кг або Вт·год/л і використовують для порівняння та оцінки хімічних джерел струму. Порівняння енергетичних характеристик деяких первинних та вторинних джерел струму наведено у табл. 1.80.

Внутрішній опір (R_i) – параметр, який включає омічну і поляризаційну складову. Величина внутрішнього опору залежить від провідності електроліту і електродних матеріалів, розмірів та конструкції ХДЕЕ. Чим менше значення внутрішнього опору, тим більший струм може віддати джерело. Зазвичай, чим більші розміри ХДЕЕ, тим менше значення його внутрішнього опору і більша потужність.

Таблиця 1.80

Енергетичні характеристики деяких типів ХДЕЕ

Омічну складову внутрішнього опору можна виміряти таким чином. При навантаженні джерела струмом і₁ за декілька секунд заміряють значення напруги U₁, а потім збільшують струм до величини і₂ і заміряють зменшену напругу U₂. Омічну складову внутрішнього опору R_i визначають за формулою:

Оцінити приблизну величину внутрішнього опору можна також за величиною струму короткого замикання (І_к.з.).

Точніше визначити внутрішній опір можна на основі імпедансних вимірювань.

Як було зазначено вище, електричні характеристики хімічних джерел електричної енергії лежать в основі експлуатаційних, інакше кажучи, товарознавчих характеристик, серед яких основними є такі: термін дії, ресурс, збереженість заряду, температурний інтервал роботоздатності джерела, токсичність та інші (табл. 1.81).

Термін дії ХДЕЕ – інтервал часу, протягом якого джерело зберігає паспортні характеристики, які подає підприємство-виробник. Термін дії сучасних ХДЕЕ − 3-5 років, але для окремих типів може сягати десятиріч.

Ресурс ХДЕЕ оцінюють кількістю заряд-розрядних циклів, які повинен витримати акумулятор. Ресурс акумулятора залежить від глибини розряду, наприклад, при глибині розряду 30% нікель-кадмієва батарея має ресурс 2000 циклів, при глибині розряду 80% – 800 циклів, а при 100% – 500 циклів.

Експлуатаційні характеристики деяких типів ХДЕЕ