Гальванические элементы, единичные ячейки химических источников тока, предназначенных для однократного электрического разряда (непрерывного или прерывистого). После разряда гальванические элементы, в отличие от аккумуляторов, теряют работоспособность. Иногда термин "гальванические элементы" применяют и для обозначения единичных ячеек аккумуляторных батарей, которые предназначены для многократного использования, то есть после разряда могут быть снова заряжены. Главные составные части гальванические элементы: два электрода различной природы и электролит. Обычно электроды - это металлические пластинки или сетки, на которые нанесены реагенты ("активные вещества"); на отрицательный электрод - восстановитель (Zn, Li и др.), на положительный - окислитель (оксиды Mn, Hg и др., а также соли). На каждом из электродов, погруженных в электролит, устанавливается определенный потенциал (окислительно-восстановительный потенциал данной электродной реакции); разность этих потенциалов в отсутствие тока называют напряжением разомкнутой цепи (НРЦ). При соединении электродов между собой с помощью внешней электрической цепи электроны начинают перетекать от отрицательного электрода к положительному - возникает электрический ток. Суммарная электрохимическая реакция на обоих электродах. называется токообразующей; по мере ее протекания восстановитель отдает, а окислитель присоединяет электроны. Ток прекращается при размыкании внешней цепи, а также после израсходования запаса хотя бы одного из реагентов. Побочные химические или электрохимические реакции приводят к саморазряду гальванические элементы, ограничивающему длительность их хранения, которая для лучших образцов может достигать 10 лет. Гальванические элементы применяют главным образом для питания переносной аппаратуры (например, транзисторных радиоприемников) и поэтому изготавливают преимущественно с невыливающимся электролитом (загущенным или твердым). В отличие от аккумуляторов, гальванические элементы не нуждаются в особом уходе при эксплуатации.
Наиболее распространены марганцево-цинковые элементы (окислитель - МnО2, восстановитель - Zn) с солевым электролитом (р-р NH4Cl и др.) или щелочным (раствор КОН). Для них НРЦ 1,5-1,8 В, удельная энергия 10-80 Вт-ч/кг. Стоимость элементов сравнительно невелика, и их мировое производство достигает 8-10 млрд. штук в год. Элементы со щелочным электролитом дороже, но обладают лучшими характеристиками, особенно при низких температурах и повышенных токах разряда.
Для ртутно-цинковых элементов (окислитель-HgO) со щелочным электролитом НРЦ 1,35 В, удельная энергия до 400 Вт • ч/л. Их изготавливают в виде малогабаритных ("пуговичных") герметичных устройств и применяют для питания радиоприемников, кино- и фотоаппаратуры и т.п.
В воздушно-цинковых элементах окислителем вместо относительно дорогих оксидов металлов служит О2 воздуха, который участвует в реакции на электроде, изготовленном из каталитически активного угля. Специальное отверстие в крышке обеспечивает свободный доступ воздуха к электроду. Отсутствие заложенного запаса окислителя обеспечивает высокие значения удельной энергии - до 250 Вт*ч/кг. Недостатки этих элементов - небольшое значение разрядного тока и сравнительно быстрый саморазряд, что обусловлено взаимодействие щелочного электролита с окружающей атмосферой. В результате электролит высыхает либо взаимодействует с СО2 воздуха (карбонизируется). Поэтому такие элементы пока не получили широкого распространения.
В гальванических элементах с неводными электролитами возможно применение очень активных восстановителей (например, щелочных металлов) и окислителей, которые в водных растворах неустойчивы. При использовании расплавленных или твердых электролитов такие гальванические элементы могут работать при повышенных температурах. В литиевых элементах на основе апротонных растворителей восстановителем служит тонкий лист Li, напрессованный на пластину или сетку из Ni или Си. Окислители - главным образом твердые МnО2 или фторированный графит. Разработаны элементы с растворителями, выполняющими одновременно роль окислителя, - жидким SOCl2 или сжиженным SO2. Toкообразующие реакции приводят к непосредственному восстановлению молекул растворителя под действием Li; детальный механизм разряда окончательно не установлен. Благодаря высокому отрицательному потенциалу Li и его малому расходу литиевые элементы имеют высокие НРЦ (2,5-3,5 В) и удельную энергию (250-600 Вт*ч/кг). Литиевые элементы применяют преимущественно для питания кардиостимуляторов, микрокалькуляторов и других миниустройств.
Разновидность гальванических элементов - резервные элементы, в которых с целью снижения саморазряда электролит разобщен с электродами, или находится в твердом неионопроводящем состоянии. Непосредственно перед использованием таких гальванических элементов электроды приводят в контакт с электролитом или расплавляют электролит. Например, при изготовлении так называемых водоактивируемых гальванических элементов безводную щелочь или соль закладывают в мешочках в межэлектродное пространство; перед эксплуатацией в отверстие в крышке заливают воду, и образуется электролит требуемой концентрации.
