Химические источники тока (ХИТ) — это такие источники тока, в которых химическая энергия активных веществ при протекании пространственно разделенных окислительно-восстановительных процессов превращается непосредственно в электрическую. Совокупность активных веществ, на основе которых работает химический источник тока, называется электрохимической системой. Она может быть обратимой, когда образовавшиеся в процессе разряда вещества могут быть превращены в первоначальные, и необратимой. когда обратное превращение невозможно.
Химические источники тока делятся на первичные, вторичные и топливные элементы. Источники тока, действие которых основано на использовании энергии необратимых химических систем, называют первичными, одноразовыми элементами. Такие гальванические элементы и их комбинации в обиходе называют батарейками, хотя в технической литературе этот термин относится к батарее из нескольких элементов (англ. cell — элемент, baterry cell — батарея элементов).
Вторичные многоразовые источники тока работают за счет обратимых химических реакций, которые могут происходить в цикле «зарядка — разрядка» до тысячи раз. Одиночные вторичные аккумуляторные элементы и их комбинации обычно называют аккумуляторами. Кроме того, используются аккумуляторные батареи.
Каждый элемент состоит из корпуса электродов и загущенного или твердого электролита. Химические процессы, обеспечивающие образование тока, протекают в электролите (загущенный раствор хлорида аммония) между анодом и катодом.
Системы, образующие анод — катод, могут быть марганцево-цинковыми, воздушно-цинковыми, ртутно-цинковыми (с твердым электролитом). У марганцево-цинковых элементов анодом является цинковый сосуд, а катодом — угольный стержень с выводом наружу, вокруг которого уложен деполяризатор из смеси графита и диоксида марганца. В воздушно-цинковых элементах отрицательным электродом является цинк, положительным — кислород воздуха. Ртутно-цинковые элементы, у которых анодом является оксид ртути, а катодом цинковый порошок, обладают большей емкостью и величиной разрядного тока, чем марганцево-цинковые и воздушно-цинковые элементы.
Ассортимент химических источников тока является вторичным по отношению к рынку аппаратов-потребителей, что привело к возникновению множества типов и видов химических источников тока.
Химический источник тока характеризуется электрохимической системой; начальным и конечным напряжениями; емкостью; количеством циклов «зарядка – разрядка; интервалом температур, в котором они сохраняют заданные показатели; формой (цилиндрические разных диаметров и длин, квадратные, прямоугольные, в виде галет, круглые плоские); размерами; номинальным током разряда, А; гарантийным сроком хранения; продолжительностью работы.В настоящее время широко используются 11 систем первичных и 12 систем вторичных ХИТ.
Классификация химических элементов предусматривает три группы. Первая группа — простые элементы Лекланше напряжением 1,5 В. Отрицательными полюсами являются дно цинкового стаканчика, положительный латунный колпачок иа конце графитового стержня. Они имеют простой солевой электролит, малую емкость и не имеют специального защитного корпуса; стаканчик обернут кабельной бумагой. В процессе работы элемент быстро разрушается, электролит через бумажную оболочку протекает внутрь аппарата.
Вторая группа — конструктивно усовершенствованные элементы Лекланше. Изделия характеризуются плотной набивкой активных элементов, что увеличивает их емкость иа 30%, и наличием более эффективного хлоридного электролита. Показателем качества является внешний вид дна. Если дно отрицательного вывода элемента плоское, то его следует отнести к первой или второй группе. Конструкция дна, выполненная в виде штампованной фасонной шайбы, позволяет отнести элемент к третьей группе.
Третья группа — это элементы с хлоридным электролитом и специальными добавками в активные материалы. Их конструкция более герметична, а между цинковым стаканчиком и металлическим или пластмассовым корпусом есть особая прокладка Элементы третьей труппы бывают двух разновидностей: емкость у первых увеличена на 60-70%, у вторых — почти вдвое. Их срок годности увеличен до 24 мес. Отсутствие единых требований к маркировке элементов на международном уровне не позволяет точно определить их принадлежность к группам.
Цилиндрические алкалические элементы, использующие щелочной электролит и металлический стакан, отличаются высокой степенью герметичности и емкостью, в три раза большей, чем у цементов с хлоридным электролитом. Ил срок службы составляет до 5 лет, а масса на 15-20% больше, чем у предыдущих цементов. В маркировку этих изделий дополнительно вносится буква L.
К вторичным источникам тока относят аккумуляторы. В них в качестве электролита используют раствор серной кислоты (кислотные аккумуляторы с положительным электродом из диоксида свинца и отрицательным — из губчатого свинца) и раствор гидроксида калия (щелочные аккумуляторы систем гидроксида никель-железа, гидроксида никель-кадмия и др.). Их ассортимент подразделяется по числу элементов, емкости, напряжению и по форме.
Номинальная емкость аккумулятора (А*ч) — количество электричества, которое он может отдать при разряде до определенного снижения напряжения. На количество циклов и емкость аккумулятора влияют характер подключения нагрузки (непрерывный, переменный или импульсный), отбираемая мощность (максимальная, средняя, минимальная), режим заряда (нормальный, ускоренный, быстрый/форсированный), постоянный режим подзаряда. Зарядные и разрядные характеристики определяют время стандартного или быстрого заряда и допустимые при этом напряжение и токи. При стандартном времени заряда емкость аккумулятора больше, чем при быстром, что позволяет обеспечить большие разрядные токи и время работы. При импульсной (повторно-кратковременной) нагрузке, когда время рабочего цикла меньше следующей за ним паузы, величина разрядного тока может быть в несколько раз больше, чем при обычном разряде. Учитывая эти обстоятельства, выпускаются отдельные группы аккумуляторов с одним профилирующим параметром. В конструкции аккумуляторов в виде элементов или батарей предусмотрено наличие встроенного или автономного зарядного устройства. .
В бытовой радиоэлектронной аппаратуре широко применяются никель-кадмиевые аккумуляторы. По сравнению с кислотными аккумуляторами щелочные аккумуляторы лучше переносят тряску, короткие замыкания и при равных электрических показателях в три раза легче.
Кислотные аккумуляторы отличаются большой емкостью, способностъю подзаряжаться от генератора во время использования, значительным током разряда. В то же время они способны терять свои свойства при хранении и несвоевременной зарядке. Их применяют в автомобилях, например для питания термоэлектрических холодильников. За последние годы конструкция кислотных аккумуляторов существенно изменилась.
Появились необслуживаемые или малообслуживаемые аккумуляторы. обеспечена иммобилизация («неподвижность») электролита, выпушены герметизированные модели, улучшена работа в буферных режимах со сроком службы до 25 лет и увеличением ресурса до 800 циклов. Сформирована единая стандартизация кислотных аккумуляторов.
К преимуществам литиевых аккумуляторов относятся высокое рабочее напряжение 3,6 В, малые габаритные размеры, наличие встроенных микропроцессорных устройств в зарядных системах.
Для удобства потребителей в конструкции химических источников тока (например, алкалические элементы Duracell, Energizer) предусмотрены электрохимические индикаторы, позволяющие оценить величину электрической энергии по интенсивности окраски полосы тестера, появлению надписей или др.
По оценке экспертов, на рынке химических источников тока представлены 24 отечественные и 71 зарубежная торговые марки. На упаковке качественных ХИТ (прозрачная полимерная потребительская тара (блистер), наклеенная на картонную основу, содержащую 1-4 элементов) должны быть указаны страна — производитель товара; название торговой марки со знаком регистрации, например Duracell R; адрес фирмы и ее представительства в России; срок годности; сертификат соответствия; типоразмер по 2-4 стандартам (например ANSI, DIN, NEDA); краткие рекомендации по эксплуатации. Кроме блистеров для упаковки батареек используют прозрачную термоусадочную пленку, или пленку в виде мешочка (у батареек напряжением 9 В), и коробки для батареек на 24 шт., не имеющих или имеющих индивидуальную упаковку. Кроме обязательной информации, производитель указывает особые свойства источника тока, как правило, на английском языке (Extra Power, Heavy Duly, Super Heavy Duty, Nothing Last Longer, 0%, Mercury — без ртути).