Elektrochemický článok

z Wikipédie, slobodnej encyklopédie
Prejsť na: navigácia, hľadanie
Schematické zobrazenie elektrochemického článku Cu-Zn

Elektrochemický článok (staršie galvanický článok (v širšom zmysle)) je chemický zdroj elektrického napätia skladajúci sa z dvoch materiálov spojených elektrolytom. V praktickom prevedení je známy ako monočlánok. Delí sa predovšetkým na:

Dejiny elektrochemických článkov[upraviť | upraviť zdroj]

Galvanický článok dostal svoj názov podľa talianského lekára a prírodovedca Luigiho Galvaniho, ktorý v roku 1780 pri pitvaní žabích stehienok spozoroval ich zášklby po dotyku dvoch rozdielnych kovových predmetov na rôzne konce nervov, podobné zášklbom vyvolávaným elektrickým nábojom. Tento jav správne vysvetlil taliansky fyzik Alessandro Volta, a to vznikom elektrického napätia medzi dvoma kovmi (nástrojom a kovovým podkladom) vodivo prepojenými elektrolytom (obsiahnutých v bunkách). Na základe týchto úvah zostavil v roku 1800 článok, skladajúci sa z medenej a zinkovej elektródy ponorenej do roztoku kyseliny sírovej. Voltov článok dával napätie približne 1 V a stal sa prvým zdrojom stáleho elektrického prúdu, do tej doby sa elektrina vytvárala trením alebo indukčnou elektrinou. Objav Voltovho článku vydláždil cestu pre rozvoj skúmania elektrických javov.

Použitie elektrochemických článkov[upraviť | upraviť zdroj]

Elektrochemické články sa používajú predovšetkým v prenosných elektrických spotrebičoch - baterkách, hodinkách, mobilných telefónoch, prenosných počítačoch, fotoaparátoch, kamerách, všade tam, kde sa spotrebič nedá pripojiť na elektrickú sieť alebo priamo použiť mechanický zdroj generátora. Ich nevýhodou môže byť nízke elektromotorické napätie, nízky výkon a krátka životnosť. Akumulátory sa dajú použiť aj na uloženie elektrickej energie, sú potrebné pri prerušení dodávky zo siete, napríklad v záložných zdrojoch alebo ako zdroj elektriny v stojacom automobile.

=

Elektrochemický článok v elektrickom obvode[upraviť | upraviť zdroj]

Po zapojení článku do elektrického obvodu prebiehajú vo vnútri článku reakcie, ktorými sa postupne znižuje elektrická energia, článok sa vybíja. Tieto reakcie môžu byť nevratné - napätie článku sa po vybití nedá obnoviť (primárny elektrochemický článok) alebo vratné - článok sa dá znova nabiť (sekundárny elektrochemický článok = akumulátor).

Pri prechode elektrického prúdu článkom sa prejaví vnútorný odpor článku. Vnútorný odpor Ri má za následok zníženie napätia článku na svorkovom napätí U:

 U = U_e - R_i I , kde Ue je elektromotorické napätie, I je elektrický prúd (pri vyššom zaťažení - vyššom prúde - sa napätie článku viac zníži).

Elektrochemický článok je vždy zdroj jednosmerného prúdu. V elektrických obvodoch, kde záleží na smere prúdu, je treba pred zapojením skontrolovať správnu polaritu elektród.

Zloženie elektrochemických článkov[upraviť | upraviť zdroj]

Pri zostavovaní elektrochemického článku sa pre elektródy a elektrolyty používa taká kombinácia chemických látok, aby potenciál vznikajúci na elektróde bol čo najväčší, a zároveň aby článok čo najviac vydržal.

Vhodnými a najčastejšími látkami pre zápornú elektródu je zinok, kadmium, lítium a hydrid rôznych kovov, pre kladnú elektródu uhlík (grafit) obklopený burelom (MnO2), nikel a striebro.

Ako elektrolyt sa používa v suchých článkoch a v olovenom akumulátore roztok kyseliny, v alkalických článkoch a v akumulátoroch sa používa roztok zásaditých zlúčenín alkalických kovov.

Prípadné ďalšie látky v elektrochemických článkoch majú za úlohu regulovať chemické reakcie tak, aby sa napríklad predĺžila životnosť článku, znížila možnosť úniku nebezpečných látok a pod.

Spájanie elektrochemických článkov[upraviť | upraviť zdroj]

Na dosiahnutie vyššieho napätia sa články spájajú sériovo do batérií, celkové napätie sa získa ako súčet napätí jednotlivých článkov v batérii. Napríklad plochá batéria obsahuje 3 suché články, 9V batéria obsahuje 6 suchých alebo alkalických článkov, automobilový akumulátor obsahuje 6 akumulátorových článkov.

Pri paralelnom spojení článkov zostáva elektromotorické napätie rovnaké, batéria však znesie vyššie zaťaženie (môže dodávať väčší elektrický prúd). Paralelné spojenie článkov sa používa len zriedkavo, keďže vplyvom malých rozdielov vo vlastnostiach článkov môžu mať články rozdielne napätie, čo má za následok vyrovnávacie prúdy a zníženie kapacity batérie.

Parametre elektrochemických článkov[upraviť | upraviť zdroj]

  1. druh článku - primárny (po vybití sa nedá nabiť) alebo sekundárny (akumulátor, dá sa nabiť)
  2. elektromotorické napätie - veľkosť napätia medzi elektródami nezaťaženého článku
  3. vnútorný odpor - veľkosť odporu článku pri priechode elektrického prúdu
  4. elektrický výkon - množstvo energie, ktorú je článok schopný dodať za jednotku času, články s veľkým výkonom sa označujú ako tvrdé zdroje, články s malým výkonom sa označujú ako mäkké zdroje
  5. celková elektrická energia, ktorá sa dá dostať z čerstvého článku až do úplného vybitia (kapacita)
  6. merná energia - podiel celkovej energie a hmotnosti článku
  7. hustota energie - podiel celkovej energie na objeme článku
  8. životnosť článku - doba dodávania energie pri bežnom zaťažení
  9. nabíjací prúd a nabíjacia doba - pre sekundárne články (akumulátory)
  10. účinnosť - podiel vydanej a dodanej energie u akumulátorov
  11. cena - ovplyvnená cenou materiálu (burel a zinok je lacnejší, striebro a lítium sú drahšie)

Prehľad elektrochemických článkov[upraviť | upraviť zdroj]

Ue = elektromotorické napätie
em = merná energia (E/m, kde E je elektrická energia, m je hmotnosť)
eV = hustota energie (E/V, kde E je elektrická energia, V je objem)
hodnoty em a ev platia pre čerstvý článok, pri vybíjaní sa znižujú
+ kladná elektróda
− záporná elektróda
elektrolyt - vždy roztok uvedenej látky

názov článku elektródy elektrolyt Ue [V] em [kJ/kg] eV [MJ/m3] poznámka
primárne články
Voltov článok +meď Cu
zinok Zn
kyselina sírová H2SO4 1 ? ? historicky prvý zdroj stáleho elektrického prúdu (1800)
suchý článok
(Leclanchéov článok)
+burel MnO2
−zinok Zn
salmiak NH4Cl 1,5 240 450 obyčajná batéria
alkalický článok +burel MnO2
−zinok Zn
hydroxid draselný KOH 1,5 280 900 kvalitnejšia batéria
zinkovo-strieborný článok +striebro Ag
−zinok Zn
hydroxid draselný KOH 2,2 440 1400 veľmi kvalitná batéria
lítiový článok +burel MnO2
lítium Li
hydroxid draselný KOH 3,1 ? 2100 dlhá životnosť
sekundárne články
olovený akumulátor +oxid olovnatý PbO2
olovo Pb
kyselina sírová H2SO4 2,2 140 240 tvrdý zdroj
niklovo-oceľový akumulátor (NiFe) +nikel Ni
oceľ
hydroxid draselný KOH 1,2 ? ? nízka účinnosť
niklovo-kadmiový alkalický akumulátor +nikel Ni
kadmium Cd
hydroxid draselný KOH 1,3 120 350 obyčajné dobíjacie batérie, jedovaté
niklovo-vodíkový alkalický akumulátor +nikel Ni
vodík MH)*
hydroxid draselný KOH 1,3 280 720 kvalitné akumulátory, nejedovatý, nemajú pamäťový jav
  • vodík viazaný v hydride kovu MH, kde M je niektorý z kovov (z angl. nickel metal-hydrid).

Praktické vyhotovenie[upraviť | upraviť zdroj]

Primárne elektrochemické články aj akumulátory sa vyrábajú v rôznych rozmeroch a tvaroch (a v súvislosti s tým v rôznych kapacitách). Niektoré rozmery najmä článkov a batérií používaných v spotrebnej elektronike sú štandardizované napríklad:

  • článok AA (= tzv. batéria AA, ceruzková batéria)
  • článok AAA (= tzv. batéria AAA, mikroceruzková batéria)

Pozri aj[upraviť | upraviť zdroj]