Kuidas aku sündis? Patareid: loomise ja arendamise ajalugu

Mis on ühist nutitelefonidel, sülearvutitel, taskulampidel, laste interaktiivsetel liikuvatel mänguasjadel ja kelladel? Vastus on lihtne – aku. Seda kõike saame kasutada tänu silmapaistmatutele ringidele, silindritele ja ristkülikutele.

Mitu aastat on möödunud aku leiutamisest? Enamik ütleb, et esimesed versioonid ilmusid 18. sajandi lõpus. See on üsna mõistlik, sest 1798. aastal ehitas itaalia krahv Alessandro Volta esimese ürgpatarei, mis sai nime "Voltaic Pillar". Ta ladus tsingi- ja vaskkettad üksteise peale ning eraldas need leelises või happes leotatud lapiga. Selline "torn" oli poole meetri kõrgune. Aga! On tõendeid selle kohta, et aku päritolu on vanem. Kõige esimene primitiivne isend oli inimestele teada 2000 aastat tagasi.

20. sajandi keskel (1938) leidis Wilhelm Koenig Iraagis väljakaevamistel 13 cm kõrguse vasest silindriga savipoti, millesse torgati teisest metallist varras. Arheoloogid on väitnud, et see on vanim aku.

Kuidas seda kannu muistse Iraagi elanikud kasutasid, me aga täpselt teada ei saa. Kuid itaallase Luigi Galvani ja loomade elektri kohta on palju teada. Ta märkas, et konna keha tõmbles, kui see puutus kokku kahe metallelemendiga või asus elektrimasina läheduses ja sealt lendas sädemeid. Luigi pakkus, et elekter on looma kehas endas.

Just tema katsed konnajalgadega inspireerisid Volti elektrivoolu allikat otsima. Ta viis läbi rea katseid ja märkas, et kui looma keha puutus kokku samast metallist esemetega, siis ei juhtunud midagi, aga kui metallid olid erinevad, siis tekkis soovitud efekt. Ehitades oma metallplaatidest torni, tõestas ta, et elektrivool ei ilmu loomade kudedesse. Katsed näitasid, et kõige põhjuseks on keemilised reaktsioonid erinevate metallide vahel, mida ühendab juht (Galvanil oli konnakeha).

Mõlemad itaallased said kuulsaks, nende järgi said nime pinge mõõtühik Volt ja “galvaaniline element” ise.

Aku ajalugu

Aku või õigemini selle vanavanavanavanaema avastamisest on möödunud väga vähe aega ja 1836. aastal lahendas inglane George Frederick Daniel "voltaic kolonni" põhiprobleemi - korrosiooni.

1859. aastal lõi aku prantslane Gaston Plante ehk tema vanavanavanaisa. Ta kasutas väävelhapet ja pliiplaate. Loodud seadme eeliseks oli see, et pärast alalisvooluallikast laadimist andis see selle juba ära ja muutus elektriallikaks.

Saatuslikuks aastaks võib pidada 1868. aastat. Prantsuse keemik Georges Leclanchet lõi "kuiva" akuelemendi "vedela" eellase. 20 aasta pärast proovis sakslane Karl Gassner ja sai sama "kuiva". See sarnanes peaaegu igas mõttes tänapäevase versiooniga.

Pärast seda sai akude tootmise ajalugu ainult hoo sisse. Galvaanielemendid on asendanud nikkel-kaadmium ja nikkel-metallhüdriid akud. Teadlaste põhiülesanne oli võimsuse ja kasutusea suurendamine, samuti mõõtmete vähendamine. Probleemi lahenduseks oli liitiumioon- ja liitiumpolümeerakude tekkimine. Nad hoiavad laadimist pikka aega ilma probleemideta, neid eristab suur mahutavus ja väike suurus.

Akude arendamise ajalugu jätkub. Teadlased otsivad "igavest" akut ja üsna tõenäoliselt leiavad nad selle varsti.

Kaasaegne elu kulgeb elektri märgi all, mida on kõikjal. Õudne on isegi mõelda, mis saab siis, kui kõik elektriseadmed äkki kaovad või üles ütlevad. Erinevat tüüpi elektrijaamad, mis on hajutatud üle maailma, varustavad regulaarselt elektrivõrke, mis toidavad seadmeid tootmises ja kodus. Inimene on aga korraldatud nii, et ta pole kunagi rahul sellega, mis tal on. Traadiga pistikupessa sidumine on liiga ebamugav. Pääste selles olukorras on seadmed, mis varustavad elektrilisi taskulampe, mobiiltelefone, kaameraid ja muid seadmeid, mida kasutatakse elektriallikast kaugel. Isegi väikesed lapsed teavad, et nende nimi on patareid.

Rangelt võttes ei ole üldnimetus "aku" täiesti õige. See ühendab korraga mitut tüüpi elektriallikaid, mis on mõeldud seadme autonoomseks toiteallikaks. See võib olla üks galvaaniline element, aku või mitme sellise elemendi kombinatsioon akuks, et suurendada eemaldatud pinget. Just sellest ühendusest sündis meie kõrva jaoks tuttav nimi.

Patareid, galvaanilised elemendid ja akud on keemiline elektrivoolu allikas. Esimese sellise allika leiutas, nagu teaduses sageli juhtub, kogemata Itaalia arst ja füsioloog Luigi Galvani 18. sajandi lõpus.

Kuigi elekter kui nähtus on inimkonnale teada olnud juba iidsetest aegadest, polnud neil vaatlustel paljude sajandite jooksul praktilist rakendust. Alles 1600. aastal avaldas inglise füüsik William Gilbert teadusliku töö “On the Magnet, Magnetic Bodies and the Great Earth Magnet”, kus võeti kokku tol ajal teadaolevad andmed elektri ja magnetismi kohta ning aastal 1650 lõi Otto von Guericke elektrostaatilise masin, mis oli metallvardale kinnitatud väävlipall. Sajand hiljem õnnestus hollandlasel Pieter van Muschenbroekil esimest korda koguda väike kogus elektrit, kasutades esimese kondensaatori "Leydeni purki". Tõsiste katsete jaoks oli see aga liiga väike. Sellised teadlased nagu Benjamin Franklin, Georg Richman, John Walsh tegelesid "loodusliku" elektri uurimisega. Just viimase töö elektrikiirtega huvitas Galvanit.

Füsioloogias revolutsiooni muutnud ja igaveseks oma nime teadusesse kirjutanud Galvani kuulsa eksperimendi tegelikku eesmärki ei mäleta enam keegi. Galvani lahkas konna lahti ja asetas selle lauale, kus seisis elektrostaatiline masin. Tema abiline puudutas kogemata skalpelli otsaga konna lahtist reieluu närvi ja surnud lihas tõmbus ootamatult kokku. Teine abiline märkas, et see juhtub ainult siis, kui masinast on eemaldatud säde.

Avastusest inspireerituna asus Galvani metoodiliselt uurima avastatud nähtust – surnud ravimi võimet demonstreerida elektri mõjul elutähtsaid kokkutõmbeid. Pärast tervet rida katseid sai Galvani vaskkonksude ja hõbeplaadi abil eriti huvitava tulemuse. Kui jalga hoidev konks puudutas plaati, tõmbus plaati puudutav jalg kohe kokku ja tõusis. Olles kaotanud kontakti plaadiga, lõdvestuvad jalalaba lihased koheselt, see langes uuesti plaadile, tõmbus uuesti kokku ja tõusis.

Luigi Galvani. Ajakirja illustratsioon. Prantsusmaa. 1880

Nii avastati mitmete hoolikate katsete tulemusena uus elektriallikas. Galvani ise aga ei arvanud, et tema avastatud nähtuse põhjuseks oli erinevate metallide kokkupuude. Tema arvates toimis lihas ise vooluallikana, mida erutas närvide kaudu edastatud aju tegevus. Galvani avastus tekitas sensatsiooni ja viis paljude katseteni erinevates teadusharudes. Itaalia füsioloogi järgijate hulgas oli tema kaasmaalane füüsik Alessandro Volta.

1800. aastal andis Volta mitte ainult Galvani avastatud nähtuse õige selgituse, vaid kavandas ka seadme, millest sai maailma esimene tehislik keemiline elektrivoolu allikas, kõigi kaasaegsete akude eellane. See koosnes kahest elektroodist, oksüdeerivat ainet sisaldavast anoodist ja redutseerivat ainet sisaldavast katoodist, mis puutusid kokku elektrolüüdiga (soola, happe või leelise lahusega). Elektroodide potentsiaalide erinevus vastas antud juhul redoksreaktsiooni (elektrolüüsi) vabale energiale, mille käigus elektrolüütide katioonid (positiivselt laetud ioonid) redutseeritakse ja anioonid (negatiivselt laetud ioonid) oksüdeeritakse vastavatel elektroodidel. Reaktsioon saab alata ainult siis, kui elektroodid on ühendatud välise vooluringiga (Volta ühendas need tavalise juhtmega), mida mööda liiguvad vabad elektronid katoodilt anoodile, tekitades seeläbi tühjendusvoolu. Ja kuigi tänapäevastel akudel on Volta seadmega vähe ühist, jääb nende tööpõhimõte samaks: need on kaks elektrolüüdilahusesse sukeldatud elektroodi, mis on ühendatud välise vooluringiga.

Volta leiutamine andis olulise tõuke elektriga seotud teadusuuringutele. Samal aastal lagundasid teadlased William Nicholson ja Anthony Carlyle elektrolüüsi abil vee vesinikuks ja hapnikuks, veidi hiljem avastas Humphry Davy samal viisil kaaliummetalli.

Galvani katsed konnaga. Graveering aastast 1793

Kuid esiteks on galvaanilised elemendid kahtlemata kõige olulisem elektrivoolu allikas. Alates 19. sajandi keskpaigast, kui ilmusid esimesed elektriseadmed, algas keemiapatareide masstootmine.

Kõik need elemendid võib jagada kahte põhitüüpi: esmane, milles keemiline reaktsioon on pöördumatu, ja sekundaarne, mida saab uuesti laadida.

See, mida me varem akuks nimetasime, on esmane keemiline vooluallikas, teisisõnu mittelaetav element. Esimesed masstootmisse lastud patareid olid 1865. aastal prantslase Georges Leclanchet leiutatud mangaan-tsinkpatareid soolaga ja seejärel paksendatud elektrolüüdiga. Kuni 1940. aastate alguseni oli see praktiliselt ainuke kasutatud galvaaniliste elementide tüüp, mis oma madala hinna tõttu on siiani laialdaselt kasutusel. Neid patareisid nimetatakse kuiv- või süsinik-tsinkelementideks.

W. Wollastoni poolt X. Davy katsete jaoks disainitud hiiglaslik elektriaku.

Tehiskeemilise vooluallika tööskeem A. Volta.

1803. aastal lõi Vassili Petrov 4200 metallringi abil maailma võimsaima voltasamba. Tal õnnestus arendada 2500-voldine pinge, samuti avastada selline oluline nähtus nagu elektrikaar, mida hiljem hakati kasutama nii elektrikeevitamisel kui ka lõhkeainete elektrilisel süütamisel.

Kuid tõeline tehnoloogiline läbimurre oli leelispatareide tulek. Kuigi nende keemiline koostis ei erine kuigi palju Leclanchet elementidest ja nende nimipinge on kuivelementidega võrreldes veidi kõrgem, võivad leeliselemendid konstruktsiooni põhimõttelise muudatuse tõttu kesta neli kuni viis korda kauem kui kuivad, kuid tingimusel teatud tingimused.

Akude arendamise kõige olulisem ülesanne on elemendi erivõimsuse suurendamine, vähendades samal ajal selle suurust ja kaalu. Selleks otsitakse pidevalt uusi keemilisi süsteeme. Tänapäeval on kõige kõrgtehnoloogilisemad primaarelemendid liitium. Nende võimsus on kaks korda suurem kui kuivelementidel ja kasutusiga on palju pikem. Lisaks, kui kuiv- ja leelispatareid tühjenevad järk-järgult, hoiavad liitiumakud pinget peaaegu kogu eluea jooksul ja alles siis kaotavad selle järsult. Kuid isegi parim aku ei suuda vastata taaslaetava aku efektiivsusele, mis põhineb keemilise reaktsiooni pöörduvusel.

Sellise seadme loomise võimalusele hakati mõtlema 19. sajandil. 1859. aastal leiutas prantslane Gaston Plante pliiaku. Selles olev elektrivool tekib plii ja pliidoksiidi reaktsioonide tulemusena väävelhappekeskkonnas. Praeguse põlvkonna ajal tarbib tühjenev aku väävelhapet, moodustades pliisulfaati ja vett. Selle laadimiseks on vaja teisest allikast saadud vool läbi vooluahela suunata vastupidises suunas, samas kui vett kasutatakse väävelhappe moodustamiseks koos plii ja pliidoksiidi vabanemisega.

Hoolimata asjaolust, et sellise aku tööpõhimõtet kirjeldati juba ammu, algas selle masstootmine alles 20. sajandil, kuna seadme laadimiseks on vaja kõrgepingevoolu, aga ka mitmete muude tingimuste järgimist. . Elektrivõrkude arenedes on pliiakud muutunud asendamatuks ja neid kasutatakse siiani autodes, trollibussides, trammides ja muudes elektritranspordivahendites, samuti avariitoite jaoks.

Paljud väikesed kodumasinad töötavad ka "taastäidetavate akudega", taaslaetavate patareidega, mis on sama kujuga kui taastumatutel galvaanilistel elementidel. Elektroonika areng sõltub otseselt selle valdkonna edusammudest.

Aku J. Leclanchet.

Kuiv aku.

Mobiiltelefon, digikaamera, navigaator, mobiilne arvuti ja muud sarnased seadmed XXI sajandil. te ei üllata enam kedagi, kuid nende välimus sai võimalikuks alles tänu kvaliteetsete kompaktsete akude leiutamisele, mille võimsust ja kasutusiga pikeneb igal aastal.

Esimesena asendasid galvaanilised elemendid nikkel-kaadmium ja nikkel-metallhüdriidakud. Nende oluline puudus oli "mäluefekt" - võimsuse vähenemine, kui laadimine viidi läbi mittetäielikult tühjenenud akuga. Lisaks kaotasid nad järk-järgult oma laengu isegi koormuse puudumisel. Neid probleeme on suures osas käsitletud liitiumioon- ja liitiumpolümeerakude väljatöötamisel, mis on nüüd mobiilseadmetes üldlevinud. Nende võimsus on palju suurem, nad laevad igal ajal kadudeta ja hoiavad laengut hästi ooterežiimis.

Mõned aastad tagasi lekkisid meediasse kuulujutud, et Ameerika teadlased jõudsid lähedale beetavolta raku "igavese patarei" leiutamisele, mille energiaallikaks on beetaosakesi kiirgavad radioaktiivsed isotoobid. Eeldatakse, et selline energiaallikas võimaldab mobiiltelefonil või sülearvutil töötada ilma laadimiseta kuni 30 aastat. Pealegi jääb mittetoksiline ja mitteradioaktiivne aku oma kasutusaja lõpus täiesti ohutuks. Selle imeseadme ilmumine, mis kahtlemata teeks tööstuses revolutsiooni, lööks traditsiooniliste akutootjate taskusse kõvasti, võib-olla seetõttu pole seda siiani riiulitel.

Kaasaegne seade laetavate AA elementide laadimiseks.

Kooli teaduslik ja praktiline konverents

noored ja koolilapsed

"Otsing. Teadus. Avamine."

Novocheboksarski linn

Aleksander Nikolajev

klassi õpilane SM "Keskkool nr 13"

Novocheboksarski linn

Teadusnõustaja:

Komissarova Natalja Ivanovna,

füüsikaõpetaja, SM "13. keskkool"

Novocheboksarsk, 2011

2. Aku ajalugu………………………………………………………………… 3-5

3. Aku seade .. ……………………………………………………………………… 5

4. Katse……………………………………………………………………………… 5

5. Puu- ja juurviljade kasutamisest elektrienergia tootmiseks. ................ 7

6. Järeldused……………………………………………………………………………………… 8

7. Kasutatud kirjandus……………………………………………………………….. 8

Sissejuhatus

Meie töö on pühendatud ebatavalistele energiaallikatele.

Keemilised vooluallikad mängivad meid ümbritsevas maailmas väga olulist rolli. Neid kasutatakse mobiiltelefonides ja kosmoselaevades, tiibrakettides ja sülearvutites, autodes, taskulampides ja tavalistes mänguasjades. Tegeleme iga päev patareide, akude, kütuseelementidega.

Puuviljade ebatraditsioonilisest kasutamisest loeme esimest korda Nikolai Nosovi raamatust. Lillelinnas elanud Shorty Vintik ja Shpuntik lõid kirjaniku idee järgi auto, mis töötab siirupiga soodaga. Ja siis mõtlesime, et mis siis, kui köögiviljad ja puuviljad hoiavad veel saladusi. Selle tulemusena soovisime võimalikult palju teada saada köögiviljade ja puuviljade ebatavalistest omadustest.

Meie töö eesmärk on puu- ja köögiviljade elektriliste omaduste uurimine.

Oleme seadnud endale järgmise ülesandeid:

1 Õppige tundma akuseadet ja selle leiutajaid.

2. Uurige, millised protsessid aku sees toimuvad.

3.Määrake katseliselt "maitsva" aku sees pinge ja selle poolt tekitatav vool.

4. Pange kokku mitmest sellisest akust koosnev ahel ja proovige lambipirn põlema panna.

5. Uurige, kas juurvilja- ja puuviljaakusid kasutatakse praktikas.
Aku ajalugu

Esimese keemilise elektrivoolu allika leiutas juhuslikult 17. sajandi lõpus Itaalia teadlane Luigi Galvani. Tegelikult ei olnud Galvani uurimistöö eesmärk üldsegi uute energiaallikate otsimine, vaid katseloomade reaktsiooni uurimine erinevatele välismõjudele. Eelkõige avastati voolu ilmumise ja kulgemise fenomen, kui konnajala lihase külge kinnitati kahest erinevast metallist ribad. Galvani teoreetiline seletus vaadeldud protsessi kohta oli vale.

Galvani katsed said aluseks teise Itaalia teadlase Alessandro Volta uurimistööle. Ta sõnastas leiutise peamise idee. Elektrivoolu põhjus on keemiline reaktsioon, milles osalevad metallplaadid. Oma teooria kinnitamiseks lõi Volta lihtsa seadme. See koosnes tsink- ja vaskplaatidest, mis olid sukeldatud soolveega anumasse. Selle tulemusena hakkas tsinkplaat (katood) lahustuma ja vaskterasele (anood) tekkisid gaasimullid. Volta pakkus välja ja tõestas, et läbi juhtme voolab elektrivool. Mõnevõrra hiljem pani teadlane kokku terve aku järjestikku ühendatud elemente, tänu millele oli võimalik väljundpinget oluliselt tõsta.

Just sellest seadmest sai maailma esimene aku ja kaasaegsete akude eellane. Ja akusid Luigi Galvani auks nimetatakse nüüd galvaanilisteks elementideks.

Vaid aasta pärast seda, 1803. aastal, pani vene füüsik Vassili Petrov elektrikaare demonstreerimiseks kokku võimsaima keemiapatarei, mis koosnes 4200 vask- ja tsinkelektroodist. Selle koletise väljundpinge ulatus 2500 voltini. Midagi põhimõtteliselt uut selles “voltakolonnis” aga polnud.

1836. aastal täiustas inglise keemik John Daniel Volta elementi, asetades tsingi ja vase elektroodid väävelhappe lahusesse. See disain sai tuntuks kui "Danieli element".

1859. aastal leiutas prantsuse füüsik Gaston Plante pliiaku. Seda tüüpi elemente kasutatakse autoakudes siiani.

Primaarsete keemiliste vooluallikate tööstusliku tootmise alguse pani 1865. aastal prantslane J. L. Leklanshe, kes pakkus välja soolaelektrolüüdiga mangaan-tsinkelemendi.

1890. aastal loob Venemaalt pärit immigrant Konrad Hubert New Yorgis esimese taskulambi elektrilise taskulambi. Ja juba 1896. aastal alustas ettevõte National Carbon maailma esimeste kuivelementide Leklanshe "Columbia" masstootmist. Kõige pikema elueaga galvaaniline element on tsink-väävelaku, mis on valmistatud Londonis 1840. aastal.

Kuni 1940. aastani oli mangaani-tsingi soola element praktiliselt ainus kasutatud keemiline vooluallikas.

Vaatamata teiste kõrgemate omadustega primaarsete vooluallikate ilmumisele tulevikus, kasutatakse mangaani-tsinksoolaelementi väga laialdaselt, seda suuresti selle suhteliselt madala hinna tõttu.

Kaasaegses keemias kasutatakse vooluallikaid:

redutseerijana (anoodil) - plii Pb, kaadmium Cd, tsink Zn ja muud metallid;

oksüdeeriva ainena (katoodil) - plii(IV)oksiid PbO2, nikkelhüdroksiid NiOOH, mangaan(IV)oksiid MnO2 ja teised;

elektrolüüdina - leeliste, hapete või soolade lahused.
Aku seade

Kaasaegsetel galvaanilistel elementidel on Alessandro Volta loodud seadmega väliselt vähe ühist, kuid põhiprintsiip on jäänud muutumatuks. Akud toodavad ja salvestavad elektrit. Kuivelemendi sees on kolm põhiosa, mis toidavad seadet. See on negatiivne elektrood (-), positiivne elektrood (+) ja nende vahel paiknev elektrolüüt, mis on kemikaalide segu. Keemilised reaktsioonid põhjustavad elektronide voolamist negatiivselt elektroodilt läbi instrumendi ja seejärel tagasi positiivsele elektroodile. Tänu sellele seade töötab. Kuna kemikaalid on ära kasutatud, saab aku tühjaks.

Tsingist valmistatud patareikorpuse saab väljastpoolt katta papi või plastikuga. Korpuse sees on kemikaalid pasta kujul ja mõnel akul on süsinikvarras keskel. Kui aku võimsus langeb, tähendab see, et kemikaalid on otsas ja aku ei suuda enam elektrit toota.

Selliste akude laadimine on võimatu või väga ebaratsionaalne (näiteks peate teatud tüüpi akude laadimiseks kulutama kümneid kordi rohkem energiat, kui nad suudavad salvestada, samas kui muud tüüpi akud võivad koguda vaid väikese osa oma esialgsest laadimisest). Pärast seda tuleb aku ainult prügikasti visata.

Enamik kaasaegseid akusid töötati välja juba 20. sajandil suurettevõtete või ülikoolide laborites.
eksperimentaalne osa

Teadlased ütlevad, et kui teie majast läheb elekter ära, võite mõneks ajaks oma maja sidruniga valgustada. Tõepoolest, igas puu- ja köögiviljas on elekter, sest need laevad meid, inimesi, tarbides energiat.

Kuid me pole harjunud kõigi sõna võtma, nii et otsustasime seda oma kogemuses testida. Niisiis, "maitsva" aku loomiseks võtsime:

sidrun, õun, sibul, toores ja keedetud kartul;
paar vaskplaati elektrostaatilisest komplektist - see on meie positiivne poolus;
tsingitud plaadid samast komplektist - negatiivse pooluse loomiseks;
juhtmed, klambrid;
millivoltmeetrid, voltmeetrid
ampermeetrid.
lambipirn alusel, mille nimipinge on 2,5 V ja vool 0,16 A.

Enamik puuvilju sisaldab oma koostises nõrku hapete lahuseid. Seetõttu saab neist hõlpsasti teha kõige lihtsama galvaanilise elemendi. Kõigepealt puhastasime liivapaberiga vask- ja tsinkelektroodid. Ja nüüd piisab, kui sisestate need köögivilja või puuvilja sisse ja saate "aku". Elektroodid asetati üksteisest samale kaugusele.

Katse tulemused sisestasime tabelisse.

Järeldus: elektroodide vaheline pinge on ligikaudu sama. Ja voolu suurus on ilmselt seotud toote happesusega. Mida suurem on happesus, seda suurem on voolutugevus.

Kui kasutate mitte tooreid, vaid keedetud kartuleid, suureneb seadme võimsus 4 korda.

Otsustasime uurida, kuidas pinge ja vool sõltuvad elektroodide vahelisest kaugusest. Selleks võeti keedetud kartul, muudeti anoodi ja katoodi kaugust ning mõõdeti aku pinget ja voolu. Katse tulemused kanti tabelisse.

Elektroodide vaheline kaugus, cm	Elektroodide vaheline pinge, V	Lühisvool, mA
1	0,6	2,1
2,5	0,7	3,6
3,5	0,7	3,8
5	0,8	4,2

Järeldus: elektroodide vaheline pinge ja voolutugevus suurenevad nendevahelise kauguse suurenedes. Lühisvool on väike, kuna kartuli sisetakistus on suur.

Järgmiseks otsustasime teha kahest, kolmest, neljast kartulist koosneva aku. Olles eelnevalt suurendanud elektroodide vahelist kaugust maksimaalselt, kaasati kartulid järjestikku vooluringi. Katse tulemused kanti tabelisse.

Järeldus: pinge aku klemmidel suureneb ja vool väheneb. Vool on liiga madal, et pirn põlema panna.

Seetõttu plaanime edaspidi uurida, millistel viisidel on võimalik voolutugevust vooluringis suurendada ja lambipirni hõõguma panna.

Oleme oma "maitsvaid" akusid juba mõnda aega jälginud. Akude mõõdetud pinge tulemused kanti tabelisse:

Järeldus: järk-järgult väheneb pinge kõigil "maitsvatel" patareidel. Siiani on veel tüve õuna, sibula ja keedukartuli peal.

Puu- ja köögiviljadest vask- ja tsinkplaate välja tõmmates märkasime, et need olid tugevalt oksüdeerunud. See tähendab, et hape reageeris tsingi ja vasega. Selle keemilise reaktsiooni tõttu voolas väga nõrk elektrivool.

Puu- ja juurviljade kasutamisest elektri tootmiseks.

Hiljuti on Iisraeli teadlased leiutanud uue puhta elektriallika. Ebatavalise aku energiaallikana tegid teadlased ettepaneku kasutada keedetud kartulit, kuna seadme võimsus suureneb sel juhul 10 korda võrreldes toore kartuliga. Sellised ebatavalised akud võivad kesta mitu päeva või isegi nädalat ning nende toodetav elekter on 5-50 korda odavam kui traditsioonilistest akudest saadav ja valgustamiseks vähemalt kuus korda ökonoomsem kui petrooleumilamp.

India teadlased on otsustanud kasutada puuvilju, köögivilju ja nende jäätmeid lihtsate kodumasinate toiteks. Patareide sees on taaskasutatud banaanidest, apelsinikoortest ja muudest juur- või puuviljadest valmistatud pasta, millesse asetatakse tsingi- ja vaseelektroodid. Uudsus on mõeldud eelkõige maapiirkondade elanikele, kes saavad ise valmistada puu- ja juurviljade koostisosi ebatavaliste akude laadimiseks.

Järeldused:

1 Tutvusime akuseadme ja selle leiutajatega.

2. Saime teada, millised protsessid aku sees toimuvad.

3. Valmistatud juurvilja- ja puuviljapatareid

4. Õppisime määrama “maitsva” aku sees olevat pinget ja sellest tekkivat voolutugevust.

5. Märkasime, et elektroodide vaheline pinge ja voolutugevus suurenevad nendevahelise kauguse suurenedes. Lühisvool on väike, kuna aku sisetakistus on kõrge.

6. Leidsime, et mitmest köögiviljast koosneva aku klemmide pinge kasvab ja vool väheneb. Vool on liiga madal, et pirn põlema panna.

7. Kokkupandud vooluringis ei saanud pirn põlema, sest vool on väike.

Viited:
1 Noore füüsiku entsüklopeediline sõnaraamat. -M.: Pedagoogika, 1991

2 O. F. Kabardin. Teatmematerjalid füüsikast.-M.: Haridus 1985. a.

3 Noore tehniku entsüklopeediline sõnaraamat. -M.: Pedagoogika, 1980.

4 Ajakiri "Teadus ja elu", nr 10, 2004.

5 A. K. Kikoin, I.K. Kikoin. Elektrodünaamika.-M.: Nauka 1976.

6 Kirilova I. G. Füüsika lugemiseks mõeldud raamat - Moskva: Haridus 1986.

7 Ajakiri "Teadus ja elu", nr 11, 2005.

8 N.V. Gulia. Hämmastav füüsika. - Moskva: "NTs ENAS kirjastus" 2005

Interneti-ressurss.

Kokkupuutel

Klassikaaslased

Esimese leiutas juhuslikult, 17. sajandi lõpus, Itaalia teadlane Luigi Galvani. Tegelikult ei olnud Galvani uurimistöö eesmärk üldsegi uute energiaallikate otsimine, vaid katseloomade reaktsiooni uurimine erinevatele välismõjudele. Eelkõige avastati voolu ilmumise ja kulgemise fenomen, kui konnajala lihase külge kinnitati kahest erinevast metallist ribad. Galvani vaadeldud protsessi teoreetiline seletus arenes valesti, kuid tema katsed said aluseks teise itaalia teadlase Alessandro Volta uurimistööle, kes sõnastas tegelikult leiutise põhiidee - elektrivoolu põhjus on kemikaal. reaktsioon, milles osalevad metallplaadid. Oma teooria kinnitamiseks lõi Volt lihtsa seadme, mis koosnes soolalahuse anumasse sukeldatud tsingi- ja vaskplaatidest. Just sellest seadmest sai maailma esimene autonoomne aku ja moodsate akude eellane, mida nimetatakse Luigi Galvani auks galvaanilisteks elementideks.

Kaasaegsetel autonoomsetel jõuallikatel on Alessandro Volta loodud seadmega vähe ühist, kuid põhiprintsiip on jäänud muutumatuks. Iga aku koosneb kolmest põhielemendist - kahest elektroodist, mida nimetatakse anoodiks ja katoodiks, ning nende vahel asuvast elektrolüüdist. Elektrivoolu tekkimine on elektroodidevahelise redoksreaktsiooni kõrvalsaadus. Aku väljundvool, pinge ja muud parameetrid sõltuvad anoodi, katoodi ja elektrolüüdi valitud materjalidest, samuti aku enda konstruktsioonist. Kõik akud võib jagada kahte suurde klassi – primaarseks ja sekundaarseks. Primaarpatareides on keemilised reaktsioonid pöördumatud, sekundaarakudes aga pöörduvad. Sellest lähtuvalt saab sekundaarseid elemente, mida me teame, taastada (laadida) ja uuesti kasutada.

Primaarsete keemiliste vooluallikate tööstusliku tootmise alguse pani 1865. aastal prantslane J. L. Leklanshe, kes pakkus välja soolaelektrolüüdiga mangaan-tsinkelemendi. 1880. aastal lõi F. Laland paksendatud elektrolüüdiga mangaan-tsinkelemendi. Hiljem on seda elementi oluliselt täiustatud. Märkimisväärne jõudluse paranemine saavutati elektrolüütilise mangaandioksiidi kasutamisega katoodil ja tsinkkloriidi kasutamisel elektrolüüdis. Kuni 1940. aastani oli mangaani-tsinksoola element praktiliselt ainus kasutatud esmane keemiline vooluallikas. Vaatamata teiste kõrgemate omadustega primaarsete vooluallikate ilmumisele tulevikus, kasutatakse mangaani-tsinksoolaelementi väga laialdaselt, seda suuresti selle suhteliselt madala hinna tõttu.

Üks olulisemaid tegureid akude (nagu ka kõigi nendest toidetavate seadmete) arendamisel on saavutada antud (minimaalse) suuruse ja kaaluga elemendi maksimaalne erivõimsus. Elemendi sees toimuvad keemilised reaktsioonid määravad nii selle võimsuse kui ka füüsikalised mõõtmed. Põhimõtteliselt taandub kogu akude arendamise ajalugu uute keemiliste süsteemide leidmisele ja nende võimalikult väikestesse pakenditesse pakkimisele.

Tänapäeval toodetakse palju erinevat tüüpi akusid, millest mõned töötati välja juba 19. sajandil, teised aga on vaevu tähistanud kümnendit. Seda mitmekesisust seletatakse asjaoluga, et igal tehnoloogial on oma tugevad küljed. Räägime kõige levinumatest mobiilseadmetes kasutatavatest.
Kuivad patareid

Esimesed masstoodetud akud olid kuivad. Leclanche'i leiutise pärijad on maailmas kõige levinumad. Ainuüksi Energizer müüb neid patareisid aastas üle 6 miljardi. Üldiselt "me ütleme aku, me mõtleme kuivelementi." Ja seda hoolimata asjaolust, et neil on kõigist "massi" tüüpidest madalaim erivõimsus. Sellist populaarsust seletab esiteks nende odavus ja teiseks asjaolu, et selle nimega kutsutakse korraga kolme erinevat keemilist süsteemi: kloor-tsink-, leelis- ja mangaan-tsinkpatareid (Leclanchet-elemendid). Nende nimed annavad aimu keemilistest süsteemidest, millel need põhinevad.

Kuivelementides asub katoodvoolukollektori süsinikvarras piki telge. Katood ise on terve süsteem, mis sisaldab mangaandioksiidi, elektroodi süsinikku ja elektrolüüti. Tsink "tass" toimib anoodina ja moodustab raku metallkeha. Elektrolüüt on omakorda samuti segu, mis sisaldab ammoniaaki, mangaandioksiidi ja tsinkkloriidi.

Mangaan-tsink ja tsink-kloori rakud erinevad tegelikult elektrolüüdi poolest. Esimesed sisaldavad ammoniaagi ja tsinkkloriidi segu, mis on lahjendatud veega. Tsink-kloori elektrolüüdis on peaaegu 100% tsinkkloriid. Nende nimipinge erinevus on minimaalne: vastavalt 1,55 V ja 1,6 V.

Vaatamata asjaolule, et tsinkkloriidi elemendid on suurema mahutavusega kui Leclanche'i elemendid, kaob see eelis väikese koormuse korral. Seetõttu kirjutatakse need sageli "raskeveokiteks", st suurenenud võimsusega elementideks. Olgu kuidas on, kõigi kuivelementide tõhusus langeb koormuse suurenemisega dramaatiliselt. Seetõttu ei tohiks neid tänapäevastesse kaameratesse panna, need pole lihtsalt selleks mõeldud.

Ükskõik kui palju roosasid jänkusid reklaamides jooksevad, on leelispatareid ikka samad söe-tsingi fossiilid 19. sajandist. Ainus erinevus seisneb spetsiaalselt valitud elektrolüütide segus, mis võimaldab saavutada selliste akude mahutavuse ja säilivusaja pikenemist. Mis on saladus? See segu on mõnevõrra leeliselisem kui kaks teist tüüpi.

Kui leelispatareide keemiline koostis erineb vähe Leclanche elemendi omast, siis on erinevused disainis märkimisväärsed. Võime öelda, et leelispatarei on pahupidi pööratud kuivelement. Nende väliskorpus ei ole anood, see on lihtsalt kaitsekesta. Anoodiks on siin tarretisesarnane tsingipulbri segu, mis on segatud elektrolüüdiga (mis omakorda on kaaliumhüdroksiidi vesilahus). Katood, süsiniku ja mangaandioksiidi segu, ümbritseb anoodi ja elektrolüüti. Seda eraldab mittekootud materjali kiht, näiteks polüester.

Olenevalt rakendusest võivad leelispatareid kesta kuni 4-5 korda kauem kui tavalised tsink-süsinik akud. See erinevus on eriti märgatav selle kasutusviisi puhul, kui lühikesi suure koormuse perioode katkestab pikk tegevusetus.

Oluline on meeles pidada, et leelispatareid ei ole taaslaetavad, kuna nende aluseks olev keemia ei ole pöörduv. Kui paned selle laadijasse, siis see ei käitu nagu aku, vaid pigem nagu takisti – hakkab kuumenema. Kui seda sealt õigel ajal ei eemaldata, kuumeneb see piisavalt tugevalt, et plahvatada.

Nimi ütleb meile, et seda tüüpi akudel on nikli anood ja kaadmiumanood. Nikkel-kaadmiumakud (tähisega Ni-Cad) on tarbijate seas kogu maailmas teenitult populaarsed. Viimaseks, kuid mitte vähemtähtsaks, on see tingitud asjaolust, et need peavad vastu suurele hulgale laadimis-tühjenemistsüklitele – 500 ja isegi 1000 – ilma, et nende jõudlus oluliselt halveneks. Lisaks on need suhteliselt kerged ja energiamahukad (kuigi nende erimahutavus on umbes poole väiksem leelispatareide omast). Teisest küljest sisaldavad need mürgist kaadmiumi, mistõttu tuleb nendega olla ettevaatlik nii kasutamise ajal kui ka pärast utiliseerimist.

Enamiku akude väljundpinge langeb nende tühjenemisel, kuna nende sisetakistus suureneb keemiliste reaktsioonide tulemusena. Nikkel-kaadmiumakusid iseloomustab väga madal sisetakistus ja seetõttu suudavad nad väljundisse anda üsna suure voolu, mis pealegi tühjenemisel praktiliselt ei muutu. Sellest lähtuvalt jääb ka väljundpinge peaaegu muutumatuks, kuni laeng peaaegu täielikult kuivab. Seejärel langeb väljundpinge järsult peaaegu nullini.

Konstantne väljundpingetase on eeliseks elektriahelate projekteerimisel, kuid muudab ka praeguse laengutaseme määramise peaaegu võimatuks. Selle funktsiooni tõttu arvutatakse järelejäänud energia konkreetset tüüpi aku tööaja ja teadaoleva võimsuse põhjal ning seetõttu on see ligikaudne väärtus.

Palju tõsisem puudus on "mäluefekt". Kui selline aku pole täielikult tühjenenud ja seejärel laaditud, võib nende võimsus väheneda. Fakt on see, et sellise "vale" laadimise korral tekivad anoodile kaadmiumi kristallid. Nad mängivad aku keemilise "mälu" rolli, mäletades seda vahepealset taset. Kui aku langeb järgmisel tühjenemisel sellele tasemele, langeb väljundpinge samamoodi nagu aku täieliku tühjenemise korral. Anoodil moodustuvad ka edaspidi karmid kristallid, mis võimendavad seda ebameeldivat efekti. Sellest vabanemiseks peate pärast selle keskmise taseme saavutamist jätkama tühjenemist. Ainult nii saab mälu "kustutada" ja aku täisvõimsust taastada.

Seda tehnikat nimetatakse tavaliselt sügavaks tühjenemiseks. Kuid sügav ei tähenda täit, "nulli". See ainult kahjustab ja lühendab elemendi eluiga. Kui kasutamise ajal langeb väljundpinge alla 1 volti (nimipingel 1,2 V), võib see juba põhjustada aku kahjustamist. Keerukad seadmed, nagu pihuarvutid või sülearvutid, on konfigureeritud välja lülituma enne, kui aku tase langeb alla piiri. Akude sügavaks tühjendamiseks peate kasutama spetsiaalseid seadmeid, mida toodavad paljud tuntud ettevõtted.

Mõned tootjad väidavad, et mäluefekt ei mõjuta uusi nikkel-kaadmiumpatareisid. Praktikas pole seda aga tõestatud.

Ükskõik, mida tootjad lubavad, tuleks maksimaalse efektiivsuse saavutamiseks akud iga kord täis laadida ja seejärel oodata normaalset tühjenemist, et need ei halveneks ja kestaks kogu perioodi.

Nikkel-kaadmiumpatareide puuduste osaliseks kõrvaldamiseks kasutati nikkel-metallhüdriid (Ni-MH) akusid, milles puudus "ohtlik" kaadmium. Nii nagu nikkel-kaadmiumpatareidel, on ka nikkel-metallhüdriidakudel nikli anood, kuid katoodid valmistati hüdriididest, mis on tegelikult metallisulamid, mis suudavad hoida aatomi vesinikku. Nikkelmetallhüdriidakudel on palju nõrgem mäluefekt, neil on parem mahtuvuse ja üldmõõtmete suhe. Kuid nikkel-metallhüdriidakud taluvad vähem laadimis-tühjenemistsükleid ja on kallimad kui nikkel-kaadmiumakud. Samuti oli nikkel-metallhüdriidakude probleemiks suur isetühjenemise väärtus - päevaks ilma koormuseta suutsid seda tüüpi akud kaotada kuni 5% oma mahust.

Enamik akusid maailmas on plii. Neid kasutatakse peamiselt autode mootorite käivitamiseks. Nende elementide prototüübiks oli Plante arendus. Neil on ka kärgpliist valmistatud anoodid ja pliioksiidist katoodid. Mõlemad elektroodid on sukeldatud elektrolüüdi - väävelhappesse.

Plii tõttu on need akud väga rasked. Ja kuna need on üle ujutatud väga söövitava happega (mis muudab ka akud raskemaks), muutuvad need ka ohtlikuks, nõudes erilist tähelepanu. Hape ja aurud võivad kahjustada läheduses asuvaid esemeid (eriti metalli). Ja kui laadimisega liialdada, võib alata happes sisalduva vee elektrolüüs. See tekitab vesinikku, plahvatusohtlikku gaasi, mis teatud tingimustel võib plahvatada (nagu Hindenburgi plahvatuste puhul).

Vee lagunemine akus võib kaasa tuua veel ühe efekti: väheneb ju akus oleva vee koguhulk. Samal ajal väheneb aku sees olev reaktsiooniala ja aku mahutavus väheneb vastavalt. Lisaks võimaldab vedeliku vähendamine akut tühjendada kokkupuutel atmosfääriga. Elektroodid võivad aku lahti kooruda ja lühistada.

Esimesed pliiakud nõudsid regulaarset hooldust – igas elemendis oli vaja hoida õiget vee/happe taset. Kuna akus elektrolüüsib ainult vesi, tuleb välja vahetada ainult vesi. Aku saastumise vältimiseks soovitavad tootjad hoolduseks kasutada ainult destilleeritud vett. Tavaliselt laetakse aku normaalsele tasemele. Kui akul pole jälge, tuleb seda täita nii, et vedelik kataks sees olevad elektroodiplaadid.

Fikseeritud seadmetes on aku korpus klaasist. See mitte ainult ei hoia hapet hästi, vaid võimaldab ka hoolduspersonalidel ilma suuremate raskusteta määrata elementide seisukorda. Autotehnoloogias on vaja tugevamaid korpuseid. Nendel eesmärkidel kasutasid insenerid eboniiti või plasti.

Pärast elementide tihendamist muutus selliste pliiakude kasutamise mugavus hindamatuks. Selle tulemusena ilmusid nn hooldusvabad akud. Kuna aur jääb rakkudesse, on elektrolüüsikaod minimeeritud. Seetõttu ei vaja sellised akud veega tankimist (vähemalt ei tohiks).

Kuid see ei tähenda, et sellistel akudel pole üldse hooldusprobleeme. Sees loksub endiselt hapet. Ja see hape võib aku ventiilide kaudu välja lekkida. See võib kahjustada akupesasid või isegi seadmeid, kuhu see on paigaldatud. Insenerid väldivad seda olukorda kahel viisil. Hapet on võimalik hoida plastseparaatoris rakuelektroodide vahel (tavaliselt valmistatud mikropoorsest polüolefiinist või polüetüleenist). Või võite geeli moodustamiseks segada elektrolüüti mõne muu ainega, näiteks kolloidse massiga, nagu želatiin. Selle tulemusena leket ei toimu.

Lisaks ohtlikule täidisele on pliiakudel ka muid puudusi. Nagu eespool märgitud, on need väga rasked. Energiahulk, mis selliste patareide massiühikus sisaldub, on väiksem kui peaaegu mis tahes muu tehnoloogiaga akude puhul. See on ainus asi, millega pole rahul autotootjad, kes neid odavaid pliiakusid elektriautodes hea meelega kasutaksid.

Teisest küljest, kuigi need akud on odavad, on nende ajalugu 150 aastat vana. Tehnoloogia võimaldab akusid täiendada erivajaduste jaoks, näiteks kasutamiseks pikkade tühjenemistsüklitega seadmetes (kus akusid kasutatakse ainsa toiteallikana) või katkematu toiterakendustes, näiteks suurtes andmekeskustes. Pliiakud on ka väikese sisetakistusega ja võivad seetõttu tekitada väga suuri voolusid. Erinevalt eksootilisematest elementidest, nagu nikkel-kaadmium, ei allu neile mäluefekt. (See efekt vähendab nikkel-kaadmiumelementide puhul aku mahtuvust, kui seda enne täielikku tühjenemist uuesti laadida.) Lisaks on sellistel akudel pikk kasutusiga ja need on etteaimatavad. Ja loomulikult on need odavad.

Enamik neist allikatest kasutab tarretisesarnase elektrolüüdiga pliiakusid. Tavaliselt on sellised seadmed hoolduses tagasihoidlikud. See tähendab, et te ei mõtle nende hooldusele. Toiteplokid on aga üsna kohmakad, sest akud on sees. Täielikult laetuna halvenevad tarretisesarnased elemendid pideva nõrga voolu laengu mõjul järk-järgult. (Enamik pliiakusid hoitakse täielikult laetuna.) Seetõttu vajavad sellised elemendid spetsiaalseid laadijaid, mis lülituvad automaatselt välja kohe, kui element on täielikult laetud. Laadija peaks uuesti sisse lülituma niipea, kui aku on eelnevalt kindlaksmääratud tasemeni tühjenenud (kas koormuse all või isetühjenemine). Tavaliselt kontrollivad katkematu toiteallikad regulaarselt aku laetust.

Elektrolüüsi ennetamine

Nagu pliiakudes, on ka nikkel-kaadmiumpatareides võimalik elektrolüüs – elektrolüüdis oleva vee lagunemine potentsiaalselt plahvatusohtlikuks vesinikuks ja hapnikuks. Akude tootjad võtavad selle mõju vältimiseks mitmesuguseid meetmeid. Tavaliselt on elemendid lekke vältimiseks hermeetiliselt suletud. Lisaks on akud konstrueeritud nii, et kõigepealt ei toodeta hapnikku, vaid hapnikku, mis takistab elektrolüüsi reaktsiooni.

Selleks, et suletud akud ei plahvataks ja gaas neisse ei koguneks, on akudes tavaliselt klapid. Kui need ventilatsiooniavad on ummistunud, tekib plahvatusoht. Tavaliselt on need augud nii väikesed, et jäävad märkamatuks. Need töötavad automaatselt. See hoiatus (ärge katke ventilatsiooniavasid) kehtib peamiselt seadmete tootjate kohta. Standardsed akupesad võimaldavad ventilatsiooni, kuid kui täidate aku epoksiidiga, siis ventilatsiooni ei toimu.

Liitium on kõige reaktiivsem metall ja seda kasutatakse väikseimates süsteemides, mis toidavad kõige arenenumat mobiiltehnoloogiat. Liitiumkatoode kasutatakse peaaegu kõigis suure võimsusega akudes. Kuid selle metalli aktiivsuse tõttu pole akud mitte ainult väga mahukad, vaid neil on ka kõrgeim nimipinge. Olenevalt anoodist on liitiumi sisaldavate elementide väljundpinge vahemikus 1,5 V kuni 3,6 V!

Liitiumi kasutamise peamine probleem on jällegi selle kõrge aktiivsus. See võib isegi vilkuda – rääkimata sellest, et see pole akude puhul kõige toredam funktsioon. Nende probleemide tõttu said liitiummetallielemendid, mis hakkasid ilmuma juba 20. sajandi 70-80ndatel aastatel, kuulsaks oma madala töökindluse poolest.

Nendest raskustest ülesaamiseks on akutootjad püüdnud kasutada liitiumi ioonide kujul. Nii õnnestus neil saada kõik kasulikud elektrokeemilised omadused ilma kapriisse metallivormiga jamamata.

Liitiumioonrakkudes seovad liitiumioonid teiste materjalide molekulid. Tavalisel Li-Ion akul on süsinikanood ja liitiumkoobaltdioksiidi katood. Elektrolüüt põhineb liitiumisoolade lahusel.

Liitiumakud on tihedamad kui nikkel-metallhüdriidakud. Näiteks sülearvutites võivad sellised akud töötada poolteist korda kauem kui nikkel-metallhüdriid. Lisaks on liitiumioonelemendid säästetud mäluefektidest, mis vaevasid varajasi nikkel-kaadmiumakusid.

Teisest küljest on tänapäevaste liitiumelementide sisetakistus suurem kui nikkel-kaadmiumelementidel. Seetõttu ei saa nad nii tugevaid voolusid pakkuda. Kui nikkel-kaadmiumelemendid suudavad münti sulatada, siis liitiumelemendid seda ei suuda. Kuid ikkagi on selliste akude võimsus sülearvuti töötamiseks täiesti piisav, kui seda ei seostata vahelduvate koormustega (see tähendab, et mõned seadmed, näiteks kõvaketas või CD-ROM, ei tohiks põhjustada suuri pingeid. äärmuslikud režiimid – näiteks esialgsel pöörlemisel või puhkerežiimist ärkamisel). Veelgi enam, kuigi liitiumioonakud võivad vastu pidada sadu laadimisi, kestavad need vähem kui niklit kasutavad akud.

Tulenevalt asjaolust, et liitiumioonelemendid kasutavad vedelat elektrolüüti (isegi kui neid eraldab koekiht), on need peaaegu alati silindrikujulised. Kuigi see vorm ei ole halvem kui teiste elementide vormid, muutuvad polümeriseeritud elektrolüütide tulekuga liitiumioonakud kompaktsemaks.

Tänapäeval kasutatav kõige arenenum akutehnoloogia on liitiumpolümeer. Juba praegu on nii akude kui ka arvutiseadmete tootjate seas olnud suund järkjärgulisele üleminekule seda tüüpi elementidele. Liitiumpolümeerakude peamine eelis on vedela elektrolüüdi puudumine. Ei, see ei tähenda, et teadlased on leidnud viisi, kuidas üldse ilma elektrolüüdita hakkama saada. Anood eraldatakse katoodist polümeerist deflektoriga, mis on komposiitmaterjal, näiteks polüakrülonitriit, mis sisaldab liitiumisoola.

Vedelate komponentide puudumise tõttu võivad liitiumpolümeerelemendid erinevalt teist tüüpi silindrilistest akudest võtta peaaegu igasuguse kuju. Tavalised pakendivormid on nende jaoks lamedad plaadid või latid. Sellisel kujul täidavad nad paremini akupesa ruumi. Selle tulemusena suudavad optimaalse kujuga liitiumpolümeerakud sama erikaalu korral salvestada 22% rohkem energiat kui võrreldavad liitiumioonakud. See saavutatakse lahtri nurkades olevate "surnud" mahtude täitmisega, mis silindrilise aku puhul jääksid kasutamata.

Lisaks nendele ilmsetele eelistele on liitiumpolümeerelemendid välise metallkorpuse puudumise tõttu keskkonnasõbralikud ja kergemad.
Liitium-rauddisulfiidpatareid

Erinevalt teistest liitiumi sisaldavatest akudest, mille väljundpinge on üle 3 V, on liitium-rauddisulfiidil poole väiksem. Lisaks ei saa neid laadida. See tehnoloogia on kompromiss, mille arendajad on teinud, et tagada liitiumtoiteallikate ühilduvus leelispatareide kasutamiseks mõeldud tehnoloogiaga.

Akude keemilist koostist on spetsiaalselt muudetud. Nendes on liitiumanood eraldatud rauddisulfiidkatoodist elektrolüüdikihiga. See võileib on pakendatud suletud ümbrisesse, kus on ventilatsiooniks mõeldud mikroventiilid, nagu ka nikkel-kaadmiumakud.

Seda tüüpi elemendid loodi leelispatareide konkurendiks. Liitium-rauddisulfiid kaaluvad nendega võrreldes kolmandiku võrra vähem, on suurema mahutavusega ja lisaks peavad need ka kauem vastu. Isegi pärast kümmet aastat ladustamist säilitavad need peaaegu kogu laengu.

Üleolekut konkurentidest näidatakse kõige paremini just suurel laadimisel. Suure koormusvoolu korral võivad liitiumrauddisulfiidelemendid kesta kuni 2,5 korda kauem kui sama suurusega leelispatareid. Kui väljund ei vaja suurt voolu, on see erinevus palju vähem märgatav. Näiteks väidab üks akutootja kahte tüüpi AA-patareide puhul järgmisi omadusi: 20 mA juures peab leelispatarei vastu 122 tundi ja liitiumrauddisulfiidpatarei puhul 135 tundi. Kui koormust suurendada 1A-ni, on töö kestus vastavalt 0,8 ja 2,1 tundi. Nagu öeldakse, on tulemus ilmne.

Nii võimsaid akusid pole mõtet panna pikka aega suhteliselt vähe energiat tarbivatesse seadmetesse. Need olid spetsiaalselt mõeldud kasutamiseks kaamerates, võimsates taskulampides ja leelispatareid on parem panna äratuskella või raadiovastuvõtjasse.

Laadimistehnoloogiad

Kaasaegsed laadijad on üsna keerukad elektroonikaseadmed, millel on erinev kaitse nii teie kui ka teie akude jaoks. Enamasti on igal elemenditüübil oma laadija. Kui laadijat kasutatakse valesti, võivad kahjustada mitte ainult akud, vaid ka seade ise või isegi akutoitel töötavad süsteemid.

Laadijatel on kaks töörežiimi – püsiva pingega ja konstantse vooluga.

Kõige lihtsamad on püsiva pingega seadmed. Nad toodavad alati sama pinget ja annavad voolu, mis sõltub aku tasemest (ja muudest keskkonnateguritest). Aku laadimisel selle pinge suureneb, mistõttu laadija ja aku potentsiaalide erinevus väheneb. Selle tulemusena läbib ahelat vähem voolu.

Sellise seadme jaoks on vaja ainult trafot (laadimispinge vähendamiseks aku poolt nõutavale tasemele) ja alaldit (vahelduvvoolu alaldamiseks aku laadimiseks kasutatavaks alalisvooluks). Selliseid lihtsaid laadimisseadmeid kasutatakse autode ja laevade akude laadimiseks.

Katkematu toiteallika pliiakusid laadivad reeglina sarnased seadmed. Lisaks kasutatakse liitiumioonelementide laadimiseks ka püsipingeseadmeid. Ainult akude ja nende omanike kaitsmiseks on lisatud vooluringid.

Teist tüüpi laadija tagab pideva voolu ja muudab pinget, et tagada vajalik vooluhulk. Kui pinge jõuab täislaadimistasemeni, laadimine peatub. (Pidage meeles, et elemendi tekitatud pinge langeb tühjenemisel.) Tavaliselt laevad sellised seadmed nikkel-kaadmiumi ja nikkel-metallhüdriidelemente.

Lisaks soovitud pingetasemele peate teadma, kui kaua kulub elemendi laadimiseks. Aku võib kahjustuda, kui laadite seda liiga kaua. Sõltuvalt aku tüübist ja laadija "intelligentsusest" kasutatakse laadimisaja määramiseks mitmeid tehnoloogiaid.

Lihtsamal juhul kasutab see aku tekitatud pinget. Laadija jälgib aku pinget ja lülitub välja, kui aku pinge jõuab lävitasemeni. Kuid see tehnoloogia ei sobi kõigi elementide jaoks. Näiteks nikli-kaadmiumi puhul ei ole see vastuvõetav. Nendes elementides on tühjenduskõver sirgjoone lähedal ja lävipinge taseme määramine võib olla väga keeruline.

"Keerukamad" laadijad määravad laadimisaja temperatuuri järgi. See tähendab, et seade jälgib elemendi temperatuuri ja lülitab välja või vähendab laadimisvoolu, kui aku hakkab kuumenema (mis tähendab ülelaadimist). Tavaliselt on sellistesse akudesse sisse ehitatud termomeetrid, mis jälgivad elemendi temperatuuri ja edastavad vastava signaali laadijasse.

"Nutikad" seadmed kasutavad mõlemat meetodit. Need võivad minna kõrgest laadimisvoolust madala laadimisvooluni või säilitada konstantset voolu spetsiaalsete pinge- ja temperatuuriandurite abil.

Tavalised laadijad annavad väiksema laadimisvoolu kui elemendi tühjendusvool. Ja suure vooluväärtusega laadijad annavad rohkem voolu kui aku nimilahendusvool. Nõrklaadimisseade kasutab nii väikest voolu, et see peaaegu ei lase akul isetühjenemist (definitsiooni järgi kasutatakse selliseid seadmeid isetühjenemise kompenseerimiseks). Tavaliselt on selliste seadmete laadimisvool üks kahekümnendik või üks kolmekümnendik aku nimivoolust. Kaasaegsed laadijad saavad sageli hakkama mitme laadimisvooluga. Nad kasutavad algul suuremat voolu ja lülituvad täislaadimisel järk-järgult madalamatele vooludele. Kui kasutate akut, mis talub tilklaadimist (näiteks nikkel-kaadmium mitte), lülitub seade laadimistsükli lõpus sellele režiimile. Enamik sülearvutite ja mobiiltelefonide laadijaid on konstrueeritud nii, et need ühendatakse püsivalt rakkudega, kahjustamata neid.

Elektriaku ehk igapäevaelus kõige levinum termin "aku" on tänapäeva maailmas üks enim kasutatavaid elektrienergia allikaid. Neid kasutatakse elektriseadmetes.

Elektriakut on väga mugav kasutada, kuna see võimaldab genereerida elektrivoolu igal pool ja igal ajal. Elektriaku toidab erinevaid elektriseadmeid, taskulampe, äratuskellasid, kellasid, kaameraid ja palju muud. Aku eluiga pole aga pikk, sest selles sisalduvad keemilised komponendid kuluvad järk-järgult ära.

Elektriakusid on erineva kuju, võimsuse ja suurusega, alates tihvtipeast kuni mitmesaja ruutmeetrini. Väga võimsaid plii- ja nikkel-kaadmiumpatareisid leidub toitesüsteemides, neid kasutatakse varutoiteallikana või elektriliste koormuste tasandamiseks.
Suurim selline aku võeti kasutusele 2003. aastal Fairbanksis (Fairbanks, Alaska, USA); see koosneb 13 760 nikkel-kaadmiumelemendist ning on inverteri ja trafo kaudu ühendatud 138 kV võrku. Aku nimipinge on 5230 V ja energiamaht 9 MWh; elementide kasutusiga on 20 kuni 30 aastat. 99% ajast töötab see reaktiivvõimsuse kompensaatorina, kuid suudab vajadusel anda võrku 46 MW võimsust kolm minutit (või 27 MW võimsust 15 min). Aku kogumass on 1500 t ja selle valmistamine läks maksma 35 miljonit dollarit. Hädaolukorras suudab see 12 000 elanikuga linna elektriga varustada 7 minutiga. Saadaval on veelgi suurema mälumahuga akud; üks selline aku (energiavõimsusega 60 MWh) on paigaldatud varutoiteallikaks Californias (California, USA) ja suudab 6 tunni jooksul võrku varustada 6 MW võimsusega.

Millal ilmusid esimesed elektriakud?

Esimesed patareid ilmusid juba 250 eKr. Bagdadi piirkonnas elanud partlased valmistasid primitiivseid patareisid. Savikann täideti äädika (elektrolüüdiga), seejärel asetati vasest silinder ja raudvarras, mille otsad tõusid pinnast kõrgemale. Selliseid patareisid kasutati hõbeda galvaniseerimiseks.

Kuid kuni 1700. aastate lõpuni ei teinud teadlased tõsiseid katseid elektrienergia tootmise, salvestamise ja edastamisega. Pideva ja kontrollitud elektrivoolu loomise katsed ei toonud edu.

1800. aastal lõi itaalia füüsik Alessandro Volta esimese kaasaegse aku, mida tuntakse voltasamba nime all.

See seade oli silinder, mille sisse olid asetatud vask- ja tsinkplaadid, mida ümbritses äädikast ja soolveest koosnev elektrolüüt. Taldrikud olid virnastatud vaheldumisi ja ei puutunud üksteisega kokku. Keemilise reaktsiooni tulemusena hakkas tekkima elekter. Tema leiutise olulisim eelis oli see, et erinevalt varasematest katsetest oli kolonnis madal vool ja selle tugevust oli võimalik kontrollida.

Napoleon Bonaparte, kellele Volta oma leiutise esitles, avaldas füüsiku leiutisest muljet ja andis talle krahvi tiitli. Lisaks nimetati selle avastuse tähtsuse rõhutamiseks elektromotoorjõu ühik Volti järgi. Hoolimata asjaolust, et A. Volta leiutis ei sarnanenud meile hästi tuntud elektriakuga, jääb selle tööpõhimõte samaks tänaseni.