Keemiline vooluallikas

Keemiline vooluallikas on seade, milles elektrokeemilises reaktsioonis vabanev energia muundub vahetult elektrienergiaks.
 pisi|70px|Patarei tingmärk

pisi|70px|Keemilise vooluallika üldtingmärk
Liigitus ja terminid
Keemilised vooluallikad jagunevad ühekordselt ja mitmekordselt kasutatavaiks. Esimesi saab tühjendada, s.t neist energiat elektrivooluna tarbida ühekordselt (pidevalt või vaheaegadega), korduvalt kasutatavad vooluallikad on tühjendamise järel elektrivooluga laetavad; laadimisel muundub tarbitav elektrienergia aktiivainete keemiliseks energiaks.

Ühekordselt kasutatav keemiline vooluallikas on tehnikaterminites väljendatuna primaarne (esmane) vooluallikas, lühemalt primaarvooluallikas ehk primaarallikas,  ja laetav keemiline vooluallikas on sekundaarne (teisene) vooluallikas, lühemalt sekundaarvooluallikas ehk sekundaarallikas.

Primaarvooluallika algüksus on primaarelement ja sekundaarvooluallika algüksus on sekundaarelement. Primaarelemendi kohta kasutatakse veel ka ajaloolist nimetust galvaanielement. Sekundaarelemendi tuntum nimetus on akuelement.

Kaks või enam elektriliselt ühendatud elementi moodustavad patarei. Primaarelementide ühendamisel saadakse primaarpatarei. Sekundaarelementide ühendusena saadud sekundaarpatareid tuntakse rohkem akupatareina.

Igapäevases keelekasutuses on välja kujunenud lühinimetused: kõiki ühekordselt kasutatavaid keemilisi vooluallikaid (seega siis ka üksikuid primaarelemente) nimetatakse patareideks (nt kellapatarei) ja laetavaid allikaid (ka mitmest elemendist koosnevaid) akudeks (nt autoaku).

Mõnes seoses tähendab patarei mistahes liiki keemilist vooluallikat; nii võib seadme (taskulambi, seinakella, juhtmeta hiire) patareitoite (s.t mitte võrgutoite) allikaks olla üks või mitu nn ümarpatareid või vastavat akut. Inglise keeles ongi battery üldiselt kasutusel selles laias tähenduses. Primaar-sekundaar-liigitus on eri keeltes samatähenduslik.

Üldine ehitus ja talitlus
pisi|350px|Keemilise vooluallika tööpõhimõte
Keemilise vooluallika põhiosadeks on positiivne ja negatiivne elektrood ning elektrolüüt. Elektroodi aktiivainena kasutatakse elektrokeemiliselt aktiivseid metalle  ja nende keemilisi ühendeid. Elektrolüüdiks on hapete, aluste ja soolade lahused või ioonvedelikud.

Keemilises vooluallikas toimuvad elektrokeemilised protsessid põhinevad redoksreaktsioonidel.  Vooluallika elemendi negatiivne elektrood on niisugusest metallist, mis elektrolüüdiga reageerides oksüdeerub. Oksüdeerumisprotsessis eralduvad metalli aatomeist elektronid, s.o negatiivse laengu kandjad. Kui ühendada vooluallika klemmidega elektritarviti, moodustub vooluring ja elektronid liiguvad välisahelas negatiivselt elektroodilt positiivsele, s.t tekib elektrivool. Positiivsel elektroodil osalevad elektronid reduktsioonireaktsioonis.

Elektrolüüdis kannavad laengut ühelt elektroodilt teisele ioonid. Elektroode eraldav separaator võib olla immutatud elektrolüüdilahusega või sisaldada tahkiselektrolüüti.

Voolu tarbimisel toimib positiivne elektrood vooluallika sees katoodina ning negatiivne elektrood anoodina. Vastupidisel juhul – kui keemilise vooluallika laadimisel toimub elektrolüüsiprotsess – vahetavad katood ja anood kohad, nii et oksüdatsioon leab aset positiivsel elektroodil ja reduktsioon negatiivsel elektroodil.

Tunnussuurused
Elektromotoorjõud ehk avaahelapinge on koormamata elemendi klemmidevaheline pinge.
Nimipinge on uue elemendi klemmipinge (positiivse ja negatiivse elektroodi vaheline pinge) teatud kindla koormusvoolu korral.
pisi|300px|Mitmesuguste primaarallikate energiatihedus Wh/kg sõltuvalt ümbrustemperatuurist
Sisetakistus on takistus, mida avaldavad elemendi elektroodid ja elektrolüüt teda läbivale voolule. Koormamisel jääb allika klemmipinge väiksemaks ava-ahelapingest vooluallika sisetakistusel tekkiva pingelangu võrra. Järelikult mida väiksem on vooluallika sisetakistus, seda vähem tema pinge koormamisel langeb, ja seda tugevamat voolu on element suuteline tarbijale andma. Sisetakistus suureneb elemendi säilitamisel, kasutamisel, samuti temperatuuri alanemisel.
Mahutavus ehk nimilaeng on elektrihulk, mida värske primaarelement (galvaanielement) või laetud aku on võimeline andma teatud kindlatel tühjendustingimustel; seda väljendatakse ampertundides (Ah).
Energiatihedus ehk erienergia väljendab vooluallika energiasisaldust vatt-tundides (Wh) allika massiühiku kohta (ühik enamasti Wh/kg) või mahuühiku kohta (ühik nt Wh/dm2).
Säilimiskestus ehk säilivus on ajavahemik, mille lõppedes toatemperatuuril säilitatud primaarelemendil on alles veel 90% esialgsest mahutavusest. Säilimisaja lõpu kuu ja aasta on märgitud elemendile. Kuigi primaarelemente võib ka pikemat aega hoida toatemperatuuril, säilivad nad jahedas mõnevõrra kauem; temperatuuril üle 25 °C kiireneb isetühjenemine tunduvalt.

Ühendamine
Enamasti ühendatakse primaar- ja sekundaarvooluallikate elemendid patareis järjestikku ehk jadamisi, kui on vaja saada kõrgemat pinget. Elementide paralleel- ehk rööpühenduse korral on patarei suuteline andma tugevamat voolu.

Elektrokeemiliste vooluallikate süsteeme
Keemiliste vooluallikate IEC-tüübitähise esimene täht määratleb elemendi elektrokeemilise süsteemi ja ühtlasi tema nimipinge.Thomas Roy Crompton, Battery reference book,Newnes, 2000 ISBN 0-7506-4625-X, Appendix 2

Tabelis on laetavad vooluallikad paksus kirjas ja eriotstarbelised kaldkirjas.
TähtkoodNegatiivne elektroodElektrolüütPositiivne elektroodNimipingeVElemendi või aku tüüp(puudub)TsinkAmmooniumkloriid/TsinkkloriidMangaandioksiid1,5TsinksüsielementATsinkAmmooniumkloriid/TsinkkloriidHapnik1,4TsinkõhkelementBLiitiumOrgaanilineSüsinikmonofluoriid3,0LiitiumelementCLiitiumOrgaanilineMangaandioksiid3,0LiitiumelementELiitiumMitteorgaanilineTionüülkloriid3,6LiitiumelementFLiitiumOrgaanilineRauddisulfiid1,5LiitiumelementGLiitiumOrgaanilineVask(II)oksiid1,5LiitiumelementHVesinikkuabsorbeeriv ühendLeelisNikkeloksiid||1,2||Nikkel-metallhüdriidaku
|-
|K||Kaadmium||Leelis||Nikkeloksiid||1,2||Nikkelkaadmiumaku
|-
|L||Tsink||Leelis||Mangaandioksiid||1,5||Leeliselement
|-
|P||Tsink||Leelis||Hapnik||1,65||Tsinkõhkelement
|-
|PB||Plii||Väävelhape||Pliidioksiid||2,0'''PliiakuSTsinkLeelisHõbeoksiid1,55HõbeoksiidelementZTsinkLeelisMangaandioksiid ja nikkeloksühüdroksiid1,70Nikkeloksühüdroksiidelement
Vaata ka
Primaarelement
Sekundaarelement
Nööpelement
Elektriakumulaator
Patarei

Viited

Välislingid
Patareid
 Battery Chemistry FAQ
Sharing battery knowledge


Kategooria:Elektrokeemia