Гальвани́ческий элеме́нт (электрохимическая цепь)— химический источник электрического тока, основанный на взаимодействии двух металлов и/или их оксидов в электролите, приводящем к возникновению в замкнутой цепи электрического тока. Назван в честь Луиджи Гальвани. Переход химической энергии в электрическую энергию происходит в гальванических элементах.
Предпосылки открытия гальванических элементов
Изучение "животного электричества" итальянским ученым Луиджи Гальвани в конце XVIII века стало важной предпосылкой для открытия гальванических элементов. Гальвани проводил опыты по стимуляции мышц лягушки с помощью электричества и случайно обнаружил, что при прикосновении к препарированной лягушке двух разнородных металлов возникают мышечные сокращения. Это явление Гальвани ошибочно объяснил наличием в живых организмах особого "животного электричества".
Однако дальнейшие эксперименты итальянского физика Алессандро Вольта показали, что причиной возникновения электрического тока является контакт разнородных металлов через проводящую жидкую среду, а не "животное электричество". Вольта сконструировал первый источник постоянного электрического тока - Вольтов столб, состоящий из чередующихся медных и цинковых дисков, разделенных пропитанными кислотой картонными прокладками. Это изобретение Вольты 1800 года считается рождением гальванического элемента.
Принцип работы гальванических элементов
Принцип работы любого гальванического элемента основан на возникновении электрического тока при контакте двух разнородных проводников (металлов) через электролит. Такая пара проводников называется гальванопарой .
При погружении металлов в электролит на их поверхности протекают окислительно-восстановительные реакции. Металл, отдающий электроны (процесс окисления), становится анодом. Металл, принимающий электроны (процесс восстановления), - катодом. Анод заряжен отрицательно, катод - положительно.
Электролит обеспечивает замыкание электрической цепи за счет диссоциации (распада) на ионы и возникновения собственной электропроводности. При замыкании внешней цепи электроны двигаются по ней от анода к катоду, создавая электрический ток.
Величина напряжения гальванического элемента зависит от природы металлов гальванопары и количества последовательно соединенных пар. Чем больше гальванопар - тем выше напряжение.
Классификация гальванических элементов
Гальванические элементы делятся на первичные и вторичные.
- Первичные элементы - источники тока одноразового действия, в которых химическая энергия реагентов необратимо преобразуется в электрическую. Они не подлежат перезарядке.
- Вторичные элементы (аккумуляторы) - источники тока многоразового действия, в которых электрическая энергия обратимо преобразуется в химическую и накапливается. Их можно многократно заряжать.
Первичные гальванические элементы в свою очередь подразделяют на:
- Солевые элементы на основе диоксида марганца и цинка.
- Щелочные элементы с электролитом из щелочи.
- Литиевые элементы с органическим электролитом.
Эти типы отличаются по емкости, напряжению, температурным характеристикам. Солевые элементы дешевле, но уступают по параметрам. Литиевые элементы имеют наибольшую удельную энергию.
Устройство солевого гальванического элемента
Рассмотрим подробнее устройство солевого марганцево-цинкового элемента, широко используемого в батарейках для бытовой техники.
Корпус такого элемента чаще всего цинковый. Он служит отрицательным электродом ( анодом ). Положительный электрод ( катод ) изготавливают из смеси диоксида марганца с графитом, который обеспечивает электропроводность.
В качестве электролита применяют водные растворы хлорида аммония или хлорида цинка с добавками. Для загущения и предотвращения вытекания используют крахмал.
Центральный стержень катода из угольного стержня пропитан парафином, который задерживает электролит внутри активной массы катода. Сверху стержень закрыт металлическим колпачком.
К недостаткам солевых элементов относятся небольшой срок хранения, падение мощности на морозе, возможность подтекания электролита. Но их дешевизна и технологичность до сих пор обеспечивают массовое производство.
Особенности щелочных элементов
В щелочных гальванических элементах в качестве электролита используется щелочь - чаще гидроксид калия KOH. Это позволяет увеличить емкость элемента по сравнению с солевыми за счет более эффективного использования активных веществ.
Вместо цинкового корпуса применяют стальной, так как отрицательным электродом служит порошковый цинк. Он компактно размещается внутри стального стакана, пропитанный электролитом. Это дает возможность увеличить объем активной массы по сравнению с солевым элементом.
Положительный электрод изготавливают из смеси диоксида марганца с графитом, как и в солевых элементах. Щелочной электролит менее агрессивен, чем солевой, что увеличивает сохранность положительного электрода.
Благодаря этим особенностям алкалиновые элементы обеспечивают увеличенную емкость и стабильную работу даже при низких температурах. Но их стоимость несколько выше из-за более сложной технологии производства.
Литиевые гальванические элементы
Литиевые гальванические элементы отличаются использованием лития в качестве отрицательного электрода и органических соединений (чаще всего диоксида марганца) в качестве положительного электрода.
В качестве электролита применяют твердые органические вещества вместо жидкостей. Это исключает опасность протечек, но требует надежной герметизации корпуса из-за высокой химической активности лития на воздухе.
Формы литиевых элементов могут быть цилиндрическими, дисковыми, призматическими. По габаритам они близки к щелочным или солевым аналогам. Но удельная энергоемкость литиевых элементов значительно выше.
К недостаткам относятся высокая стоимость и опасность возгорания при нарушении герметичности. Поэтому литиевые элементы применяют там, где важны миниатюрные размеры и долговечность - часы, кардиостимуляторы и т.п.
Области применения гальванических элементов
Гальванические элементы используются в самых различных областях благодаря простоте, надежности, безопасности.
В бытовой электронике это всевозможные пульты, игрушки, часы и т.д. Для медицинской техники элементы должны отличаться долговечностью - кардиостимуляторы, слуховые аппараты. В военной сфере применяются специальные типы для экстремальных условий.
Гальванические элементы незаменимы как аварийные источники тока, например в системах пожаротушения, аварийного освещения. Они используются на транспорте, в космических аппаратах и других ответственных устройствах. Как видите данные знания очень глубоко вошли в нашу повседневную жизнь.
Правила безопасного использования гальванических элементов
Несмотря на кажущуюся простоту, при использовании гальванических элементов нужно соблюдать ряд мер безопасности, чтобы предотвратить несчастные случаи:
- Недопустимо короткое замыкание элементов, которое может привести к опасному разогреву и возгоранию.
- Категорически запрещается разбирать или нагревать элементы, особенно литиевые - это чревато взрывом.
- Отработанные элементы должны утилизироваться в специально отведенных местах, нельзя выбрасывать их вместе с бытовым мусором.
Особо опасно нарушение герметичности литиевых элементов. При появлении деформации корпуса, подтеканий, запаха необходимо немедленно прекратить использование и утилизировать такой элемент.
Перспективы развития гальванических элементов
Несмотря на долгую историю, разработка и совершенствование гальванических источников тока продолжается. Основные направления:
- Повышение емкости и энергоэффективности.
- Создание экологичных элементов из безопасных материалов.
- Разработка гибких и тонких конструкций.
- Интеграция с возобновляемыми источниками энергии.
Перспективны наноструктурированные электроды, органические электролиты, а также гибридные солнечно-гальванические элементы.
Экономические аспекты производства гальванических элементов
Производство гальванических элементов - многомиллионный бизнес. Лидерами по выпуску являются Китай, Япония и США. Объем мирового рынка оценивается примерно в 65 млрд долларов по состоянию на 2022 год.
Себестоимость производства во многом зависит от стоимости сырья, особенно металлов. Для снижения себестоимости производители оптимизируют технологии, внедряют автоматизацию.
Потребительская цена определяется брендом, типом элемента, емкостью. Премиальные бренды устанавливают значительную наценку. Литиевые элементы стоят дороже щелочных и тем более солевых.
Экологические аспекты использования гальванических элементов
Хотя гальванические элементы кажутся экологически безопасными, их производство, использование и утилизация создают определенные экологические риски:
- При производстве используются токсичные вещества, требующие очистки стоков.
- Некоторые элементы содержат тяжелые металлы, опасные при утечках.
- Неправильная утилизация приводит к попаданию вредных веществ в почву и воду.
Для минимизации вреда необходим строгий экологический контроль производства, использование безопасных материалов, организация раздельного сбора отработанных элементов.
Перспективы замены гальванических элементов
Несмотря на широкое распространение, в перспективе гальванические элементы могут уступить место более совершенным источникам энергии:
- Аккумуляторам на основе новых материалов с улучшенными характеристиками.
- Топливным элементам, использующим энергию химических реакций газов.
- Солнечным батареям в сочетании с накопителями энергии.
Гальванические элементы сохранят нишу для специальных применений, где нужна простота и автономность. Но массовое использование будет сокращаться.
Инновационные разработки в области гальванических элементов
Несмотря на зрелость технологии, ведутся инновационные разработки для улучшения характеристик гальванических элементов:
- 3D-печать электродов сложной формы для увеличения площади поверхности.
- Использование графена и нанотрубок в электродах.
- Твердые полимерные и керамические электролиты.
- Гибкие и растяжимые элементы на основе органики.
Эти разработки открывают путь к элементам нового поколения, которые займут достойное место среди источников энергии будущего.
История развития гальванических элементов в России
Российские ученые также внесли вклад в развитие гальванических элементов. В 1835 году Б.С. Якоби предложил цинк-угольный элемент, а П.Н. Яблочков в 1866 году - угольно-цинковый элемент.
В СССР были разработаны магниево-серебряные, медно-аммиачные и другие типы элементов для нужд авиации, космонавтики, связи. В Институте физической химии АН СССР под руководством А.Н. Фрумкина велись передовые работы в этой области.
Сегодня российские производители выпускают широкий ассортимент гальванических элементов различного назначения, однако зависят от импортных материалов и комплектующих.
Применение гальванических элементов в космической технике
Уникальные требования космических аппаратов обусловили применение специальных типов гальванических элементов:
- Серебряно-цинковые элементы для долговременного использования.
- Литий-ионные аккумуляторы большой емкости.
- Термоэлектрические радиоизотопные генераторы.
Для работы в открытом космосе элементы должны выдерживать перепады температур, вакуум, радиацию. Достижения в этой области позволили осуществить многолетние межпланетные миссии.
Примеры практического использования гальванических элементов
Несмотря на кажущуюся простоту, гальванические элементы решают важные практические задачи:
- Резервное питание систем аварийной сигнализации, освещения.
- Источники тока в метеозондах, датчиках.
- Питание часов, калькуляторов, игрушек.
- Медицинские имплантаты - кардиостимуляторы.
Эти примеры демонстрируют, что гальванические элементы остаются эффективным техническим решением во многих областях.
