Zdroje napětí 1

Úvod Objevy spojené s pokusy Luigi Galvaniho a Alessandra Volty vedly ke vzniku prvních prakticky použitelných zdrojů elektrické energie: Galvaniho článku a Voltova sloupu. Luigi Galvani  (1737 –  1798) byl italský lékař (anatom, fyziolog) a fyzik. Proslavil se svými pokusy s živočišnou elektřinou. Alessandro Volta  (1745  – 1827) byl italský fyzik proslulý svými objevy v oboru elektřiny. Vynalezl například třecí elektriku, elektrický článek a konden- zátor S dalším rozvojem techniky vzrostla potřeba vývoje zdrojů elektrického napětí (akumulátorů) jako zdroje elektrické energie pro pohon strojů, zařízení či automobilů. Moderní elektrotechnická zařízení vyžadují zdroje malých rozměrů s vysokou kapacitou a dlouhou životností.

Voltampérová charakteristika Voltampérovou charakteristikou elektrolytu rozumíme závislost elektrického proudu I procházejícího elektrolytem na napětí U mezi elektrodami. V A I [A] U [V] Do elektrolytu ponoříme elektrody připojené ke zdroji elektrického napětí. Pomocí potenciometru zvyšujeme napětí přivedené na elektrody a sledujeme proud prochá- zející elektrolytem.

Roztok CuSO4 + elektrody z Cu Při použití elektrolytu CuSO4 a do něj ponořených dvou měděných elektrod zjistíme, že při zvyšování napětí zdroje roste přímo úměrně elektrický proud procházející elektrolytem. Platí tedy Ohmův zákon: I [A] U [V] voltampérová charakteristika elektrolytu CuSO4

Elektrický odpor elektrolytu V A r l S Vzdálíme-li elektrody od sebe nebo snížíme-li hladinu elektro-lytu v nádobě, dojde ke zmenšení elektrického proudu v obvodu. Odpor elektrolytu R pak určíme podle vztahu: r – měrný elektrický odpor elektrolytu (rezistivita) l – vzdálenost mezi elektrodami S – obsah plochy elektrod ponořených v elektrolytu Rezistivita elektrolytu r klesá s rostoucí teplotou.

Roztok H2SO4 + elektrody z C nebo Pt Při použití zředěné kyseliny sírové jako elektrolytu a uhlí-kových nebo platinových elektrod vznikne při malém napětí proud, který za krátkou dobu zanikne. Při malém zvyšování napětí se tento jev opakuje dokud nepřekročíme hodnotu rozkladného napětí Ur. Po překročení Ur proud s napětím lineárně roste podle vztahu: I [A] U [V] Ur voltampérová charakteristika elektrolytu H2SO4

Příčina rozkladného napětí Příčinou vzniku rozkladného napětí jsou děje probíhající na elektrodách. Ponořením kovové elektrody do elektrolytu dochází k reakci, při níž část iontů kovu přechází do elektro- lytu a na elektrodě převládne záporný náboj elektronů (pono- ření Zn elektrody do roztoku ZnSO4) nebo se část kationtů z elektrolytu připojí ke krystalické mříži elektrody, která se nabije kladně (ponoření Cu elektrody do CuSO4). Na rozhraní kovu a elektrolytu vzniká elektrická dvojvrstva  s určitým elektromotorickým napětím. + Zn – + Cu –

Elektrochemická řada napětí Už Alessandro Volta zjistil, že mezi každými dvěma kovy vzniká potenciální rozdíl a tedy i elektrické napětí. Potenciální rozdíl závisí na druhu kovů. Beketov sestavil řadu kovů, kde potenciální rozdíl mezi nimi (napětí) je tím větší, čím dál jsou kovy od sebe v této řadě. záporný potenciál 0 kladný potenciál – K Na Cs Mg Al Zn Fe Sn Pb H Cu Ag Hg Au +

Rozdělení elektrochemických článků Elektrochemické články se dělí do dvou skupin: primární galvanické články sekundární články (akumulátory) Děje probíhající na jejich elektrodách jsou nevratné, jsou určeny pro jednorázové použití. Nedají se opakovaně nabíjet. Galvanické články zalo-žené na polarizaci elektrod. Dají se opakovaně nabíjet.

Nejstarší galvanický článek V roce 1936 našli dělníci při stavbě železnice v Iráku na hrobku, ve které objevili keramickou baňku, do jejíhož hrdla byl zapuštěn měděný váleček utěsněný asfaltem. Tímto válečkem procházela železná tyčinka. Jedná se pravděpodobně o galvanický článek z doby před více než 2 100 lety. Jako elektrolyt se v něm zřejmě používala šťáva z vylisovaných hroznů. Dával napětí 0,5 V po dobu 14 dnů a sloužil asi k elektrolytickému pozlacování předmětů ve šperkařství. Tento předchůdce galvanických článků je od roku 1937 uložen v Bagdádském muzeu a bývá označován jako bagdádská baterie (VIDEO 1. )

Luigi Galvani Na cestě k objevu galvanického článku byl italský lékař Luigi Galvani, který při přípravě žabích stehýnek pro svou nemocnou manželku zpozoroval, že stehýnka položená na stole sebou trhala, když se jejich nervů dotýkal kovem svého nože. Výzkumům žabích stehýnek věnoval 11 let a domníval se, že objevil živočišnou elektřinu. (VIDEO 2, VIDEO 3)

Galvanický článek Galvanický článek přeměňuje chemickou energii na elektrickou. Galvanický článek je tvořen dvěma různými elektrodami, ponořenými do elektrolytu. Pro elektrody a elektrolyty se v galvanických článcích používají takové kombinace různých kovů, aby rozdíl elektrochemických potenciálů napětí byl co největší a zároveň aby článek co nejdéle vydržel (VIDEO 4). Cu Zn + H2SO4 + H2O spotřebič e I Záporná elektroda: zinek, kadmium, lithium a hydridy různých kovů, Kladná elektroda: měď, uhlík (grafit) obklopený MnO2 (burel), nikl a stříbro. Elektrolyt v suchých článcích a olověném akumulátoru roztok kyselin nebo jejich solí, v alkalických článcích a akumulátorech roztok zásaditých sloučenin alkalických kovů. Model galvanického článku s měděnou a zinkovou elektrodou, elektrolytem je roztok kyseliny sírové

Voltův sloup Alessandro Volta navázal na Galvaniho pokusy a experimentoval přikládáním cínové fólie na špičku svého jazyka, na kterém měl položenou stříbrnou minci. Po spojení obou kovů měděným drátkem pociťoval silně kyselou chuť. Vyvrátil myšlenku živočišné elektřiny a další podobné pokusy jej vedly k sestavování kovových vodičů do řady podle jejich elektrochemických potenciálů. V roce 1800 sestavil první elektrický článek – Voltův sloup. Šlo o galvanickou baterii z navrstvených měděných a zinkových plíšků, proložených plátky kůže provlhčených kyselinovým roztokem (VIDEO 5). Alessandro Volta předvádí svoji baterii Napoleonu Bonapartovi

Leclanchéův suchý článek V roce 1866 vytvořil francouzský inženýr Georges Leclanché suchý elektrický článek, dnes označovaný jako zinko - uhlíkový článek. Jeho elektrolyt není tekutý. Článek je tvořen zinkovou nádobkou, která zároveň tvoří záporný pól článku. Kladnou elektrodou je uhlíková tyčinka a elektrolytem je chlorid amonný NH4Cl (salmiak). Na kladné elektrodě vzniká vodík reagující s oxidem manganičitým MnO2 (burel) na vodu. Burel je s práškovým uhlíkem přimíchán k elektrolytu do formy polotuhé pasty a zajišťuje depolarizaci uhlíkové elektrody Zinková nádobka se postupně rozpouští a elektrolyt pak může proniknout do jeho okolí a poškodit zařízení připojené k tomuto zdroji. Obvyklé napětí suchého článku je 1,5 V. kovová čepička – kladný pól zalévací hmota anoda – uhlíková tyčinka katoda – zinková nádoba ochranný obal depolarizátor – burel a uhlík elektrolyt – salmiak záporný pól

Alkalický článek Vnějším obalem je ocelový váleček, který postupně směrem zvenku vyplňuje kladná elektroda - katoda tvořená směsí burelu a uhlíku. Vnitřní plocha katody je pokryta separátorem, což je papír nasycený elektrolytem hydroxidem draselným KOH. Ve vnitřní části alkalického článku je gel s rozptýleným práškovým zinkem, který tvoří zápornou elektrodu – anodu. Do válečku anody je zasunuta mosazná jehla spojená s vodivým dnem článku, které je záporným pólem článku. Alkalické články patří mezi primární články, mají větší kapacitu, až 6x delší životnost než suché články. Jejich napětí je opět 1,5 V.

Knoflíkový článek Knoflíková baterie je miniaturní elektrický článek s dlouhou životností. Anoda je tvořena gelem, v němž je rozptýlen práškový zinek. Katodou je tableta se směsí oxidu stříbrného Ag2O, uhlíku a nepatrného množství MnO. Elektrolytem je hydroxid draselný KOH obsažený v gelu anody. Obě části článku odděluje celofán jako separátor, který zabraňuje vzájemnému pronikání částic pevných látek obou elektrod. Napětí knoflíkového článku je 1,5 V.

Olověný akumulátor Olověný akumulátor, používaný jako autobaterie v autech, patří mezi sekundární zdroje napětí (VIDEO 6). Záporná i kladná elektroda jsou z olova pokrytého vrstvičkou síranu olovnatého (PbSO4). Elektrolytem je vodou zředěná kyselina sírová H2SO4. Vybíjením se na anodě spotřebovává olovo a vzniká PbSO4, na katodě se spotřebovává PbO2 a vzniká PbSO4. Elektrolyt je ochuzován o kyselinu sírovou a obohacován o vodu. Při vybíjení tedy klesá koncentrace elektrolytu a naopak při nabíjení jeho koncentrace roste. Napětí jednoho článku je kolem 2 V a v autobaterii je obvykle 6 těchto článků. Pb + H2SO4 + H2O PbSO4

Ni-Cd akumulátory Nikl – kadmiové akumulátory jsou sekundární články, které mají podobu tužkového monočlánku. Kladná elektroda (oxihydroxid niklu NiOOH) a záporná elektroda (Ni) je oddělena separátorem ze syntetických vláken nasyceným elektrolytem hydroxidem draselným (KOH). Elektrody jsou svinuty do válečku vsunutého do poniklované ocelové nádobky. Elektromotorické napětí je 1,25 V, obsahují však toxické kadmium, které zatěžuje životní prostředí. Nabité akumulátory samovolně ztrácejí své napětí a negativně zde působí paměťový efekt, který při nabíjení nevybitého akumulátoru snižuje celkovou kapacitu. Nenabité akumulátory je nejprve nutné naformátovat opakovaným nabíjením a úplným vybíjením.

Ni-MH akumulátory Nahradily toxické akumulátory Ni-Cd. Změnou jejich konstrukce došlo ke zvětšení kapacity až o 40%. Kladnou elektrodu tvoří hydroxid nikelnatý Ni(OH)2, který se při nabíjení mění na oxihydroxid niklu NiOOH. Zápornou elektrodou je kov, který při nabíjení absorbuje vodík a mění se na hydrid kovu (odtud značka metalhydrid – MH). Elektrolytem je opět hydroxid draselný KOH. Jmenovité napětí článku je kolem 1,2 V.

Li-ion a Li-pol akumulátory V současné době nejpoužívanější akumulátory vyráběné v nejrůznějším provedení a tvarech. Obvykle mají podobu tenkého bloku, který se vkládá do mobilů, fotoaparátů, kamer či notebooků. Jednotlivé články se spojují do sad (akupaků), aby se získalo požadované napětí. Součástí bývají ochranné elektronické obvody, které kontrolují nabíjecí napětí, maximální proudy a teplotu při nabíjení. Kladnou elektrodu tvoří oxid kobaltnatolithný (LiCoO2) nebo oxid manganičito-lithný (LiMn2O4). Zápornou elektrodou je uhlík nebo grafit s atomy lithia. Jako elektrolyt se používá lithiová sůl (tetrafluoroboritanlithný LiBF2). Obě elektrody odděluje separátor v podobě mikroporézní fólie z polyethylenu. Předností těchto akumulátorů je až 4x větší energie, kterou z nich lze ve srovnání s akumulátory Ni-Cd odebrat. Jmenovité napětí článku je 3,6 V, životnost až 1 200 nabíjecích cyklů, bez paměťových efektů.

Kapacita akumulátoru Kapacita akumulátoru je určena celkovým nábojem, který může akumulátor vydat při vybíjení. Kapacita akumulátoru se udává v ampérhodinách A.h. 1 A.h = 3 600 C Na obrázcích jsou zvýrazněny kapacity jednotlivých akumulátorů.