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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Características comparativas de elementos galvánicos de tamaño AA. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / Cargadores, baterías, celdas galvánicas Hoy en día puedes encontrar muchos elementos galvánicos diferentes en tiendas y mercados. ¿Cuáles elegir? Este artículo le ayudará a tomar la decisión correcta. Las pilas y baterías galvánicas se utilizan ampliamente para alimentar diversos equipos electrónicos. Los elementos más comunes son el tamaño AA. En los lineales se pueden encontrar productos similares de diferentes empresas, principalmente de dos sistemas electroquímicos: salino y alcalino. Más recientemente, Energizer comenzó a producir pilas de litio de tamaño AA de 1,5 V. La característica más importante de una celda galvánica, la capacidad (la cantidad de electricidad que es capaz de entregar a una carga), casi nunca se indica en la etiqueta. Los compradores sólo pueden confiar en los anuncios de televisión sobre pilas que “duran hasta diez veces más que las pilas salinas convencionales”, o confiar en la palabra de Energizer de que sus nuevas pilas de litio e2 de tamaño AA duran cinco veces más que las pilas alcalinas convencionales [1]. Además, no queda del todo claro qué elementos se denominan "ordinarios". Para comparar cuantitativamente los parámetros de elementos de diferentes sistemas electroquímicos, es necesario probarlos en las mismas condiciones. Estas pruebas se llevaron a cabo con tres tipos de elementos: sal Philips Long Life (EMF de un elemento "fresco" - 1,65 V), alcalina Duracell Ultra MZ (1,62 V) y litio Energizer e2 (1,8 V). Cada uno de ellos fue cargado con una resistencia de 15 ohmios, lo que corresponde a una corriente de descarga inicial de aproximadamente 100 mA. Para elementos de tamaño estándar AA, esta corriente de carga es típica. La descarga se realizó en ciclos de varias horas al día, lo que corresponde a las condiciones reales de funcionamiento. Esto explica los "picos" de voltaje en las curvas de descarga que se muestran en la Fig. 1. La curva azul corresponde al elemento sal, la roja al elemento alcalino y la verde al elemento litio. Durante el período de "reposo", el voltaje en un elemento de cualquier tipo aumentó ligeramente, pero después de conectar la carga disminuyó rápidamente al mínimo en el ciclo anterior. Los puntos marcan los valores de la FEM de los elementos: el voltaje sobre ellos sin carga.
Si tomamos como criterio para la descarga completa de una pila una disminución del voltaje en su carga a 0,9 V, la capacidad determinada experimentalmente de la pila de sal fue de 1 Ah, de la pila alcalina de 2,9 Ah y de la pila de litio de 3,5 Ah. . En consecuencia, no es necesario hablar de diferencias de cinco y diez veces en la capacidad de los elementos de diferentes sistemas electroquímicos. En la fig. 2 muestra otra serie de curvas.
Muestran cómo cambió la resistencia interna de los elementos durante el proceso de descarga. La correspondencia entre el tipo de elemento y el color de la curva aquí es la misma que en la Fig. 1. Los valores de resistencia interna R se calcularon mediante la fórmula
donde E es la FEM del elemento; U - voltaje bajo carga; RH es la resistencia de carga. La resistencia interna de la sal y los elementos alcalinos aumenta monótonamente a medida que avanza la descarga. Y la resistencia del litio, que ha disminuido drásticamente al comienzo de la descarga, permanece prácticamente sin cambios hasta el final y luego aumenta con la misma rapidez. Por supuesto, los experimentos realizados no pueden considerarse exhaustivos. La capacidad de un elemento no es un valor estrictamente fijo; depende de muchos factores externos. Para diferentes elementos, su máximo se puede alcanzar en condiciones de descarga significativamente diferentes. Para tener todo esto en cuenta, sería necesario realizar una serie muy grande de experimentos, poco realistas en condiciones de aficionados. Sin embargo, intentemos comprobar los resultados obtenidos mediante el cálculo. Para estimar la capacidad teóricamente máxima posible de los elementos de varios sistemas electroquímicos, es necesario conocer la composición química de sus electrodos, el electrolito y la reacción química que ocurre en el elemento. Para las pilas alcalinas y de sal, el cátodo es zinc y el ánodo es dióxido de manganeso. Es por esta razón que estos elementos se denominan colectivamente manganeso-zinc. Pero el electrolito que contienen es diferente: sal (generalmente cloruro de amonio) o álcali (hidróxido de potasio). Según [2], la reacción se produce en el elemento sal de manganeso-zinc.
y en alcalino
No existe información confiable sobre el material del electrodo y la reacción química en la celda de litio. Sólo se puede suponer que los electrodos son litio y dióxido de manganeso, y que el electrolito es una solución de perclorato de litio en carbonato de propileno. Si esta suposición es correcta, según [2], se produce una reacción en la celda de litio.
Utilizando la ley de Faraday obtenemos una expresión para determinar la capacidad de una celda galvánica C, Ah:
donde m es la masa de las sustancias que reaccionan F = 96,5-103 C/g-eq - número de Faraday; n - valencia (para pilas galvánicas alcalinas y salinas - 2, para litio - 1); M es el peso molecular total de las sustancias que reaccionan. Pesamos celdas galvánicas de tamaño AA: sal - 17 g, alcalinas - 24 g, litio - 15 g Supongamos que, en comparación con la masa de las sustancias que reaccionan, la masa del cuerpo de la celda y las sustancias que no participan en la reacción (electrodo de carbono, electrolito en pilas alcalinas y de litio), es insignificante y puede despreciarse. Calculamos el peso molecular total de las sustancias que reaccionan a partir de las ecuaciones de reacciones químicas anteriores: para sal - 346 g, para alcalinas - 257 g, para litio - 94 g. Sustituyendo valores numéricos en la fórmula, obtenemos el máximo posible capacidad de la celda de sal - 2,6 Ah, alcalina - 5 Ah, litio - 4,3 Ah. Las diferencias entre los valores de capacitancia calculados y los medidos pueden explicarse por suposiciones bastante aproximadas hechas en los cálculos. Por lo tanto, no se encontraron diferencias de cinco o diez veces. La capacidad teórica de una pila alcalina es aproximadamente el doble que la de una pila de sal, y el litio no tiene ninguna ventaja sobre las alcalinas a este respecto. Esto es consistente con los resultados experimentales. En base a los resultados de todo el trabajo realizado, podemos concluir lo siguiente: 1. Las celdas galvánicas de litio tienen el voltaje más estable, la resistencia interna más baja, que prácticamente no depende del grado de descarga, y la capacidad más alta, aunque no mucho. Se utilizan preferentemente para alimentar equipos con alto consumo de corriente, así como en dispositivos que se apagan automáticamente cuando cae la tensión de alimentación (por ejemplo, cámaras digitales). 2. Las pilas alcalinas tienen una capacidad comparable a la del litio y también son capaces de suministrar alta corriente a la carga, pero a un voltaje más bajo. Se utilizan mejor en dispositivos con consumo de corriente promedio sin control automático de voltaje. En muchos casos, se prefieren las pilas alcalinas a las de litio porque son de tres a cuatro veces más baratas. 3. Las celdas de sal tienen la menor capacidad y la mayor resistencia interna. Es recomendable utilizarlos en equipos de bajo consumo de corriente. Literatura
Autor: I.Podushkin, Moscú
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Comentarios sobre el artículo: invitado Artículo explicativo, gracias.
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