Batterijen voor speciale doeleinden

Kwik standaard cel

In de begindagen van de elektrische meettechnologie was een speciaal type batterij bekend als een kwikstandaardcel werd in de volksmond gebruikt als een standaard voor spanningskalibratie. De output van een kwikcel was 1,0183 tot 1,0194 volt gelijkstroom (afhankelijk van het specifieke ontwerp van de cel) en was extreem stabiel in de tijd. Geadverteerde drift was ongeveer 0,004 procent van de nominale spanning per jaar. Mercury-standaardcellen stonden soms bekend als Weston-cellen of cadmiumcellen .

Helaas waren kwikcellen nogal intolerant voor stroomverbruik en konden ze zelfs niet worden gemeten met een analoge voltmeter zonder de nauwkeurigheid in gevaar te brengen. Fabrikanten vroegen doorgaans niet meer dan 0,1 mA stroom door de cel, en zelfs dat cijfer werd als een momenteel beschouwd , of piek maximaal! Bijgevolg konden standaardcellen alleen worden gemeten met een potentiometrisch (nulbalans) apparaat waar de stroomafname bijna nul is. Het kortsluiten van een kwikcel was verboden, en als de cel eenmaal was kortgesloten, kon er nooit meer op worden vertrouwd als een standaardapparaat.

Soorten kwikstandaardcellen

Mercury-standaardcellen waren ook gevoelig voor kleine spanningsveranderingen als ze fysiek of thermisch werden verstoord. Er zijn twee verschillende soorten kwikstandaardcellen ontwikkeld voor verschillende kalibratiedoeleinden:verzadigd en onverzadigd . Verzadigde standaardcellen zorgden in de loop van de tijd voor de grootste spanningsstabiliteit, ten koste van thermische instabiliteit. Met andere woorden, hun spanning dwaalde heel weinig af in de loop van de tijd (slechts een paar microvolts in een tijdsbestek van een decennium!) maar neigde te variëren met veranderingen in temperatuur (tientallen microvolts per graad Celsius). Deze cellen functioneerden het best in temperatuurgecontroleerde laboratoriumomgevingen waar stabiliteit op de lange termijn van het grootste belang is. Onverzadigde cellen zorgden voor thermische stabiliteit ten koste van stabiliteit in de tijd, de spanning bleef vrijwel constant bij temperatuurveranderingen, maar nam gestaag af met ongeveer 100 µV per jaar. Deze cellen functioneerden het best als "veld" kalibratie-apparaten waar de omgevingstemperatuur niet nauwkeurig wordt gecontroleerd. De nominale spanning voor een verzadigde cel was 1,0186 volt en 1,019 volt voor een onverzadigde cel.

Moderne referenties voor halfgeleiderspanning (zenerdioderegelaar) hebben standaard celbatterijen vervangen als laboratorium- en veldspanningsnormen.

Brandstofcel

Een fascinerend apparaat dat nauw verwant is aan primaire celbatterijen is de brandstofcel , zo genoemd omdat het de chemische reactie van verbranding gebruikt om een ​​elektrische stroom te genereren. Het proces van chemische oxidatie (zuurstofionische binding met andere elementen) kan net zo goed stroom tussen twee elektroden produceren als elke combinatie van metalen en elektrolyten. Een brandstofcel kan worden gezien als een batterij met een extern geleverde chemische energiebron.

Tot op heden zijn de meest succesvolle geconstrueerde brandstofcellen die welke op waterstof en zuurstof werken, hoewel er veel onderzoek is gedaan naar cellen die koolwaterstofbrandstoffen gebruiken. Bij het "verbranden" van waterstof zijn de enige afvalbijproducten van een brandstofcel water en een kleine hoeveelheid warmte. Bij het werken op koolstofhoudende brandstoffen komt ook kooldioxide als bijproduct vrij. Omdat de bedrijfstemperatuur van moderne brandstofcellen ver onder die van normale verbranding ligt, worden er geen stikstofoxiden (NOx) gevormd, waardoor deze veel minder vervuilend is, terwijl alle andere factoren gelijk zijn.

De efficiëntie van de energieconversie in een brandstofcel van chemisch naar elektrisch overtreft ver de theoretische Carnot-efficiëntielimiet van een verbrandingsmotor, wat een opwindend vooruitzicht is voor stroomopwekking en hybride elektrische auto's.

Zonnecel

Een ander type "batterij" is de zonnecel , een bijproduct van de halfgeleiderrevolutie in de elektronica. Het foto-elektrisch effect , waarbij elektronen onder invloed van licht uit atomen worden losgemaakt, is al tientallen jaren bekend in de natuurkunde, maar het is pas met recente vorderingen in de halfgeleidertechnologie dat er een apparaat bestond dat dit effect praktisch kon benutten. De conversie-efficiëntie voor siliciumzonnecellen is nog steeds vrij laag, maar hun voordelen als stroombronnen zijn legio:geen bewegende delen, geen lawaai, geen afvalproducten of vervuiling (afgezien van de productie van zonnecellen, wat nog steeds een vrij "vuile" industrie is ), en onbeperkte levensduur.

De specifieke kosten van zonneceltechnologie (dollars per kilowatt) zijn nog steeds erg hoog, met weinig uitzicht op een significante daling, behoudens een soort revolutionaire vooruitgang in technologie. In tegenstelling tot elektronische componenten gemaakt van een halfgeleidermateriaal, die door een betere kwaliteitscontrole steeds kleiner kunnen worden gemaakt met minder schroot, heeft een enkele zonnecel nog steeds dezelfde hoeveelheid ultrazuiver silicium nodig om te maken als dertig jaar geleden. Superieure kwaliteitscontrole levert niet dezelfde productiewinst op als bij de productie van chips en transistors (waar geïsoleerde spikkels onzuiverheden vele microscopisch kleine circuits op één plak silicium kunnen ruïneren). Hetzelfde aantal onzuivere insluitsels heeft weinig invloed op de algehele efficiëntie van een 3-inch zonnecel.

Chemische detectiecel

Nog een ander type speciale "batterij" is de chemische detectiecel . Simpel gezegd, deze cellen reageren chemisch met specifieke stoffen in de lucht om een ​​spanning te creëren die recht evenredig is met de concentratie van die stof. Een veel voorkomende toepassing voor een chemische detectiecel is de detectie en meting van de zuurstofconcentratie. Veel draagbare zuurstofanalysatoren zijn rond deze kleine cellen ontworpen. De celchemie moet worden ontworpen om overeen te komen met de specifieke stof(fen) die moeten worden gedetecteerd, en de cellen hebben de neiging om te "slijten", omdat hun elektrodematerialen opraken of verontreinigd raken door gebruik.

BEOORDELING:

• Kwik standaardcellen zijn speciale soorten batterijen die ooit werden gebruikt als spanningskalibratiestandaarden vóór de komst van precisie-referentieapparatuur voor halfgeleiders.
• Een brandstofcel is een soort batterij die een brandbare brandstof en oxidatiemiddel gebruikt als reactanten om elektriciteit op te wekken. Het zijn veelbelovende bronnen van elektrische energie in de toekomst, "verbrandende" brandstoffen met een zeer lage uitstoot.
• Een zonnecel gebruikt omgevingslichtenergie om ladingsdragers van de ene elektrode naar de andere te motiveren, waardoor spanning wordt geproduceerd (en stroom, als er een extern circuit is).
• Een chemische detectiecel is een speciaal type voltaïsche cel die een spanning produceert die evenredig is met de concentratie van een aangebrachte stof (meestal een specifiek gas in de omgevingslucht).

GERELATEERDE WERKBLAD:

• Werkblad Batterijen