admin / 14.05.2018

Химические источники тока

Химические источники тока

Химические источники тока (ХИТ) – электрохимические устройства, в результате работы которых химическая энергия окислительно-восстановительных процессов превращается в электрическую энергию постоянного тока. К ним относятся гальванические элементы, аккумуляторы, топливные элементы.

Основными характеристиками ХИТ являются ЭДС, напряжение, мощность, энергия, которую они отдают во внешнюю цепь, саморазряд.

Химические источники тока должны иметь: как можно большее значение ЭДС; максимально высокие удельные мощность и емкость; по возможности меньшую разность между напряжением источника тока и его ЭДС; максимально низкий саморазряд (потеря емкости ХИТ при разомкнутой цепи).

Гальванические элементы – устройства, в которых энергия химической окислительно-восстановительной реакции превращается в электрическую. Он состоят из двух электродов, имеющих различный электродный потенциал, электролита, который дает возможность перемещаться ионам от одного электрода к другому, и металлического проводника для перемещения электронов, направленный поток которых приводит к возникновению электрического тока.

Рассмотрим механизм возникновения электрического тока на примере медно-цинкового гальванического элемента (элемента Даниэля – Якоби). Он состоит из двух электродов – цинкового и медного, погруженных в соответствующие растворы сульфатов цинка и меди, которые разделены полупроницаемой перегородкой 1 (внутренняя цепь) (рис. 8.3.). Электроды соединены друг с другом металлическим проводником (внешняя цепь) через гальванометр 2.

Если цепь замкнута, то происходят процессы гидратации ионов металлов на обоих электродах и устанавливается химическое равновесие между металлом и его ионами в растворе:

Zn » Zn2++ 2 ;

Cu » Cu2++ 2 .

Металлы приобретают разный по величине заряд, так как Zn и Cu имеют различную активность, которая может быть оценена с помощью стандартных электродных потенциалов ( =−0,76 В, =+0,34 В).

Рис. 8.3. Схема гальванического элемента Даниэля-Якоби

Таким образом, концентрация свободных электронов на этих электродах различна. При замыкании внешней цепи происходит выравнивание этих концентраций и электроны по внешнему проводнику перемещаются от Zn электрода к Cu электроду. Концентрация электронов на цинковом электроде уменьшается, что приводит к смещению равновесия на границе Zn/ZnSO4 в сторону образования катионов Zn2+,т.е. происходит процесс растворения цинка (Zn Zn2++ 2 ).

Процесс окисления в электрохимии называется анодным процессом, а сам электрод – анодом.

Концентрация свободных электронов на медном электроде увеличивается в результате поступивших электронов с цинка и равновесие на границе Cu/CuSO4 смещается в сторону образования металлической меди (Cu Cu2++ 2 ), т.е. происходит процесс восстановление меди.

Процесс восстановления в электрохимии называется катодным процессом, а сам электрод – катодом.

На Zn – аноде происходит процесс окисления, в результате которого цинк переходит в раствор в виде катионов, на Cu – катоде – процесс восстановления ионов меди:

(−) А: Zn » Zn2++ 2 ;

(+) К: Cu2++ 2 » Cu;

Cu2+ + Zn » Zn2++ Cu.

Таким образом, при работе гальванического элемента одновременно происходят процессы окисления и восстановления.

Схематически работа гальванического элемента записывается следующим образом:

2

(−) Zn /Zn2+ ç H2SO4 ç Cu2+ /Cu (+).

SO42-

В гальваническом элементе происходит движение ионов (SO42-) во внутренней цепи и электронов (2 ) во внешней, т.е. возникает электрический ток.

В скобках указываются знаки электродов, причем анод записывается слева, катод – справа. Стрелки указывают направление движения электронов во внешней цепи и ионов SO42-во внутренней.

Важной характеристикой гальванического элемента является его движущая сила (ЭДС), которая представляет собой разность потенциалов электродов при отсутствии тока во внешней цепи:

ЭДС= ЕCu2+/ Cu – EZn2+/ Zn.

Потенциалы каждого электрода зависят от концентрации потенциалопределяющих ионов и вычисляются по уравнению Нернста (8.4).

Если условия стандартные ( и = 1 моль/л, температура Т = 298 К), то для медно–цинкового элемента стандартная ЭДСо равна:

ЭДСо = +0,34 – (–0,76) = 1,1 В.

Среди большого разнообразия гальванических элементов можно выделить три основных типа:

1. Два различных металла находятся в растворах своих солей.

К этому типу относится рассмотренный гальванический элемент Даниэля–Якоби.

2. Два различных металла находятся в одном электролите.

Примером такого элемента может служить элемент Вольта, состоящий из двух пластин (Zn и Cu), находящихся в растворе серной кислоты.

При его работе происходят следующие процессы:

(–) А: Zn » Zn2++ 2 ;

(+) К: 2Н++ 2 » Н2 (на Cu).

Выделяющийся водород насыщает поверхность катода (меди), в результате чего получается электрод другого состава (не медный, а водородный). Схема гальванического элемента Вольта:

2

(−) Zn/Zn2+çH2SO4ç2H+/H2 (Cu) (+).

3. Два одинаковых электрода находятся в растворах своих солей с различной концентрацией ионов металла в электролите. Такой элемент называется концентрационным.

Схема медного концентрационного гальванического элемента:

2

(−) Cu/CuSO4 ççCuSO4/Cu (+).

Роль анода выполняет электрод, находящийся в более разбавленном растворе, так как его электродный потенциал имеет более низкое значение по сравнению со вторым электродом. ЭДС такого гальванического элемента зависит только от соотношения концентраций потенциалопределяющих ионов (в данном случае от концентрации CuSO4).

Как источники электрической энергии концентрационные гальванические элементы практического значения не имеют.

Электродвижущая сила и напряжение гальванического элемента. ЭДС – разность потенциалов между катодом и анодом в условиях обратимой работы ГЭ. Измерение ЭДС обычно проводят компенсационным методом при отсутствии тока в цепи.

Прямым измерением разности потенциалов на клеммах элемента с помощью обычного вольтметра можно получить значение напряжения U, которое не равно ЭДС элемента.

Напряжение – разность между электродами работающего гальванического элемента (в необратимых условиях работы). Напряжение элемента U < ЭДС на величину перенапряжения и величину омического падения напряжения во внешней и внутренней цепях I (r1 + r2):

U=ЭДС– –I (r1 + r2),

где – перенапряжение (поляризация элемента, равная сумме катодной К и анодной А поляризаций); I – ток; r1, r2 – сопротивления соответственно внешней и внутренней цепей электрохимической системы.

Поляризация – явление отклонения потенциала электрода от его равновесного значения при прохождении через систему электрического тока. В результате поляризации потенциал анода смещается в положительную сторону, потенциал катода – в отрицательную сторону и в соответствии с уравнением Нернста ЭДС элемента уменьшается.

Разница между ЭДС и напряжением обусловлена падением напряжения внутри элемента при прохождении тока и другими эффектами. Для увеличения напряжения на клеммах в гальванических элементах снижают поляризацию анода и катода и максимально уменьшают внутреннее сопротивление ХИТ.

Процесс уменьшения электродной поляризации называют деполяризацией. Ее уменьшают путем изменения условий протекания электродных процессов или применением специальных веществ – деполяризаторов, способных электрохимически окисляться или восстанавливаться, изменяя тем самым природу электродных процессов. Деполяризаторами-окислителями являются, например, H2Cr2O7, MnO2, кислород воздуха, деполяризаторами-восстановите-лями – Na2SO3, Na2PO3 и др.

Аккумуляторы – гальванические элементы, которые на основе обратимых электрохимических реакций могут многократно накапливать химическую энергию и отдавать ее для потребления в виде электрической энергии постоянного тока.

Аккумуляторы – устройства многоразового действия, сочетающие в себе гальванический элемент и электролизер. Под воздействием внешнего постоянного тока в них аккумулируется (накапливается) химическая энергия, которая затем превращается в электрическую энергию в результате окислительно-восстановительной реакции.

Процесс накопления химической энергии называют зарядом аккумулятора, процесс ее превращения в электрическую – разрядом аккумулятора. В первом случае аккумулятор работает как электролизер, во втором – как гальванический элемент.

Устройство и принцип действия всех аккумуляторов одинаковы. Основное отличие состоит в материале электродов и типе электролита. На аноде как при разряде, так и при заряде протекает процесс окисления, на катоде – процесс восстановления.

Наиболее распространенными являются кислотные и щелочные аккумуляторы.

Кислотный аккумулятор (свинцовый аккумулятор) представляет собой пластины в виде отливок из хартблея (твердого свинца с примесью сурьмы) ячеистой структуры, собранные в батареи и помещенные в баки из эбонита или полипропилена с электролитом. В ячейки пластин предварительно запрессовывается смесь оксида свинца (PbO) с глицерином, обладающая способностью затвердевать в виде глицерата свинца. Электролитом служит раствор серной кислоты с концентрацией 35-40 %. Анодная и катодная части разделены токонепроводящим сепаратором.

Cхема кислотного аккумулятора:

(−) Pb/ Pb2+|H2SO4|Pb2+/PbO2 (+).

При взаимодействии оксида свинца с H2SO4 образуется PbSO4

PbO(тв) + H2SO4(р-р) ↔ PbSO4(тв) + H2O.

При первичном и последующих зарядах аккумулятора, когда он работает как электрохимическая ячейка, PbSO4 на катоде превращается в свинец Pb, а на аноде – в диоксид свинца PbO2, которые и являются электродами.

При работе аккумулятора – его разряде, когда он работает как химический источник тока, на электродах протекают электродные процессы в обратном направлении.

(−) К: PbSO4(тв) + 2 ↔ Pb(тв) + SO (р-р);

(+) А: PbSO4(тв) + 2Н2О ↔ PbО2(тв) + 2 + 4Н+ + SO (р-р);

2PbSO4(тв) + 2H2O ↔ Pb(тв) + PbO2(тв) + 2H2SO4(р-р).

Электродные реакции в свинцовом аккумуляторе можно представить в виде:

Pb(тв) + SO » PbSO4(тв) + 2 ;

PbО2(тв) + 2 + 4Н+(р-р) +SO » PbSO4(тв) + 2Н2О;

«разряд»

Pb(тв) + PbO2(тв) + 2H2SO4 (р-р) » 2PbSO 4(тв) + 2H2O.

«заряд»

По мере его разряда расходуются материалы катода (PbО2) , анода (Pb) и электролит – серная кислота. Напряжение на зажимах аккумулятора падает, и его необходимо заряжать. Свинцовый аккумулятор не должен разряжаться до полного расходования активности веществ. Если это произойдет, то станет невозможной его перезарядка (аккумулятор можно разряжать до 1,8 В). Для заряда аккумулятор подключают к внешнему источнику тока, направление тока противоположно разрядному.

Во время заряда аккумулятора растет напряжение на его полюсах. В конце оно достигает такого значения, что начинается электролиз воды, сопровождающийся выделением водорода на катоде и кислорода – на аноде:

(−) К: 4Н++ 4 » 2Н2 ;

(+) А: 2Н2О » О2 + 4Н++ 4 ;

2Н2О » 2Н2 + О2 .

Так называемое «кипение» электролита является признаком окончания заряда свинцового аккумулятора.

Стандартные величины потенциалов для электродов свинцового аккумулятора имеют следующие значения: Ео = −0,356 В, Ео = +1,685 В.

ЭДС аккумулятора как химического источника тока рассчитывается по уравнению:

ЭДС аккумулятора зависит от концентрации (активности) серной кислоты, которая возрастает при заряде аккумулятора и уменьшается при его разряде. О степени разряда аккумулятора судят по концентрации электролита, т.е. концентрации H2SO4. На практике с помощью ареометра обычно измеряется не концентрация кислоты, а ее плотность.

При плотности =1,19 г/см3 аккумулятор разряжен на 50%, при =1,11 г/см3 аккумулятор разряжен полностью. Используя концентрированные растворы H2SO4, можно было бы увеличить ЭДС аккумулятора, однако при концентрации H2SO4 больше 39% резко уменьшается электропроводность растворов и увеличивается растворимость свинца, поэтому оптимальными являются 32-39 % − ные растворы H2SO4.

ЭДС заряженного аккумулятора приблизительно равна 2 В. Если последовательно соединить 6 элементов, то получится обычный автомобильный аккумулятор с ЭДС=12 В.

Заряженный аккумулятор может быть сразу использован по назначению. При хранении же из него выливают электролит и промывают водой. В таком виде он может находиться до 2−х лет, и для его использования достаточно лишь залить электролит. При хранении незаряженного аккумулятора с раствором серной кислоты происходит его «сульфатирование» – образование на пластинках большого количества PbSO4.

Когда кислотный аккумулятор работает, давая ток, PbSO4 осаждается в очень мелкозернистой форме на поверхности электродов. Когда же аккумулятор выключен, мелкозернистый слой рекристаллизуется и образуются более крупные кристаллы, которые могут закупорить поры электрода, уменьшая его поверхность, или отрываться от электрода и основной причиной выхода аккумулятора из строя, поэтому нужно следить, чтобы аккумулятор не простаивал частично в разряженном состоянии.

Преимущества свинцового аккумулятора – высокий КПД (около 80 %), высокая ЭДС и относительно малое ее изменение при разряде, большая электрическая емкость, устойчивость в работе.

Недостатки – большая масса и, следовательно, малая удельная емкость, саморазряд аккумулятора при хранении, малый срок службы (2-5 лет), а также токсичность свинца и сильные окислительные свойства H2SO4. Совершенствование свинцовых аккумуляторов идет по пути изыскания новых сплавов свинца для решеток, препятствующих образованию и выпадению шлама, кристаллизации сульфата свинца, облегченных и прочных материалов корпусов и улучшения качества сепараторов.

Щелочные аккумуляторы различаются по материалу пластин отрицательно заряженного электрода. Наиболее распространенные из них кадмий – никелевые (Cd − Ni) и железо – никелевые (Fe – Ni) аккумуляторы. Активная масса положительных пластин состоит в основном из гидратированного оксида никеля (III). Кроме того, в ней содержится графит, добавляемый для увеличения электропроводности. Электролитом служит раствор КОН (20 %), содержащий небольшое количество LiOH. ЭДС заряженного аккумулятора (Cd − Ni) приблизительно равна 1,3 В.

Окислительно-восстановительные процессы, протекающие при работе щелочного аккумулятора (Сd – Ni), могут быть представлены следующими уравнениями:

(−) A: Cd + 2OH- Cd (OH)2 + 2 ; (+) K: 2NiO(OH) + 2H2O + 2 2Ni(OH)2 + 2OH –; 2NiO(OH) + 2H2O + Cd Cd(OH)2 + 2Ni(OH)2.

Cхемы щелочных аккумуляторов:

(−) Cd/ KOH, LiOH /NiO(OH), C (+);

(−) Fe/ KOH, LiOH /NiO(OH), C (+).

В отличие от свинцового аккумулятора срок службы щелочных аккумуляторов порядка 10 лет. Они хорошо выдерживают перегрузку и длительное время пребывания в разряженном состоянии. Однако меньшая ЭДС и более высокая стоимость не позволяют во многих случаях заменить ими свинцовые аккумуляторы. Щелочные аккумуляторы выпускаются промышленностью различной удельной емкости (0,5–120 А ч). В последние годы проводятся исследования по совершенствованию существующих и созданию новых аккумуляторов, что обусловлено необходимостью создания экологически чистых автомобилей.

Топливные элементы (ТЭ) – перспективные химические источники тока (электрохимические генераторы), способные непрерывно работать за счет постоянного подвода к электродам новых порций реагентов и отвода продуктов реакции.

Топливными элементами называются устройства, в которых химическая энергия окисления топлива превращается в электрическую энергию.

ТЭ относятся к первичным химическим источникам тока с непрерывной подачей реагентов (окислителя и восстановителя) и непрерывным удалением продуктов сгорания.

Сгорание топлива (окисление) практически во всех ТЭ происходит на поверхности инертных электродов (Сграфит, Pt, Ag, Ni и др.), содержащих катализаторы.

В качестве топлива (восстановителя) используют жидкие или газообразные водород, гидразин, гидриды металлов, оксид углерода, различные углеводороды, метиловый спирт и др. спирты. Твердое топливо – уголь, кокс, торф обладает малой реакционной способностью и может быть окислено при температуре выше 1000оС. Электролитами являются водные растворы кислот или щелочей, расплавленные карбонаты или гидриды металлов. Как правило, природные виды топлива подвергаются предварительной обработке для получения электрохимически активных веществ.

На практике наиболее часто применяется водородно-кислородный топливный элемент со щелочным электролитом (30−40 % раствор KOH). Устройство элемента чрезвычайно простое. В герметически закрытом сосуде установлено два пористых, металлических (чаще всего никелевых) электрода, разделенных слоем раствора гидроксида калия (натрия). В ТЭ подаются газообразный водород и кислород.

Схема водородно-кислородного ТЭ имеет следующий вид:

А (−), Ме, Н2 /KOH, NaOH/ O2, Me, (+) K,

где Ме – проводник первого рода, играющий роль катализатора электродного процесса и токоотвода (например, специально обработанные Ni, Co, металлы группы Pt).

Элемент работает при 50-70 оС, при атмосферном давлении. На электродах протекают следующие реакции:

на аноде – окисление водорода

(−) А: H2 + 2OH- » 2H2O + 2 ,

на катоде – восстановление кислорода

(+) К: ½O2 + H2O + 2 2OH- .

Во внешней цепи происходит движение электронов от анода к катоду, а в растворе – движение ионов OH-от катода к аноду.

Уравнение токообразующей реакции имеет вид:

Н2 + ½O2 H2O + Е электр..

Таким образом, в водородно-кислородном ТЭ протекает процесс сгорания водорода с образованием воды. В результате протекания этой реакции в цепи генерируется постоянный ток и химическая энергия превращается в электрическую энергию постоянного тока.

Немного истории создания ХИТ

Ещё в восемнадцатом веке итальянский учёный Луиджи Гальвани придумал простейший элемент который химическим способом выделял электрический ток. Однако он был не только учёным, но и физиком, врачом, физиологом. Он интересовался и проводил опыты которые были направлены на изучение реакции животных на внешние раздражители. Как и всё гениальное первый химический источник энергии был получен Луиджи абсолютно случайно, во время многочисленных экспериментов над лягушками. После присоединения двух пластин из металла к лягушачьей мышце на лапке, было замечено мускульное сокращение. Гальвани посчитал это нервной реакцией на внешний раздражитель и изложил это в результатах своих исследований, попавших в руки другого великого учёного Алессандро Вольта. Он и выложил свою теорию о возникновении напряжения в результате химической реакции, возникшей между двумя металлическими пластинами в среде мускульной ткани лягушки.

Первый химический источник электрического тока представлял собой емкость с соляным составом, в который было погружено две пластины из разных материалов. Одна из меди, другая из цинка. Именно это устройство в будущем, а конкретнее во второй половине девятнадцатого века, было применено при изобретении и создании марганцево-цинкового элемента внутри которого был тот же солевой электролит.

Принцип действия

Устройства вырабатывающее электрический ток содержит два электрода, которые помещаются между электролитом. Именно на их границе соприкосновения и появляется небольшой потенциал. Один из них называют катодом, а другой анодом. Все эти элементы вместе образуют электрохимическую систему.
Во время возникновения окислительно-восстановительной реакции между электродами один элемент отдаёт мельчайшие частицы электроны другому. Поэтому она и не может происходить вечно, а со временем просто теряются свойства каждого элемента этой цепи.
Электроды могут быть представлены в виде пластин или решёток из металла. После погружения их в среду с электролитом меду их выводами возникает разность потенциалов, которая именуется напряжением разомкнутой цепи. Даже при удалении хотя бы одного из электродов с электролита процесс генерации напряжения прекращается.

Состав электрохимических систем

В качестве электролита используются следующие химические вещества:

  1. Водные растворы на основе щелочей, кислот, солей и т. д.;
  2. Растворы с ионной проводимостью на неводной основе, которые получены при растворении солей в неорганических или органических растворителях;
  3. Твердые соединения, содержащие ионную решетку, где один из ионов является подвижным;
  4. Матричные электролиты. Это особый вид жидких растворов и расплавов, которые находятся в порах твёрдого непроводящего элемента — электроносителя;
  5. Расплавы солей;
  6. Ионообменные электролиты с униполярной системой проводимости. Твёрдые тела с фиксированной ионогенной группой одного знака.

Классификация гальванических элементов и их подбор

Генераторы электрического тока получающегося во время химической реакции разделяются по:

  • Размерам;
  • Конструктивным особенностям;
  • Способу и реагенту, за счёт которого, и получается электроэнергия.

Все элементы вырабатывающее ток во время химической реакции делятся на:

  1. Заряжаемые, которые в процессе эксплуатации могут неоднократно заряжаться от источника постоянного тока, они называются аккумуляторами;
  2. Не заряжаемые, то есть источники одноразового использования которые после завершения химической реакции просто приходят в негодность и должны быть утилизированы. Попросту это гальванический элемент или батарейка.

Для того чтобы подобрать источник электроэнергии, основанный на химической реакции, нужно понимать его характеристики, к которым относятся:

  • Напряжение между анодом и катодом при разомкнутой цепи. Этот показатель чаще всего зависит от выбранной электрохимической системы, а также концентрации и вылечены всех составляющих;
  • Мощность источника;
  • Показатель силы тока;
  • Емкость;
  • Электротехнические показатели, то есть количество циклов заряда и разряда;
  • Диапазон рабочих температур;
  • Срок хранения между тем временем как элемент был создан и до начала его эксплуатации;
  • Полный срок службы;
  • Прочность, то есть защита корпуса от различных механических повреждений и влияний, а также вибраций;
  • Положение работы, некоторые из них работают только в горизонтальных положениях;
  • Надёжность;
  • Простота в эксплуатации и обслуживании. В идеале отсутствие необходимости малейшего вмешательства в работу в течение всего срока эксплуатации.

При выборе нужной батареи или аккумулятора обязательно нужно учесть его электрические номиналы такие как напряжение и ток, а также ёмкость. Именно она является ключевой для сохранения работоспособности, подключаемого к источнику прибора.

Современные химические источники тока и их применение

Современный быт человека тяжело приставить без этих мобильных генераторов энергии, с которыми он сталкивается в течение всей жизни, начиная с детских игрушек и заканчивая, допустим, автомобилем.
Сферы применения различных батареек и аккумуляторов настолько разнообразны что перечислить их очень сложно. Работа любого мобильного телефона, компьютера, ноутбука, часов, пульта дистанционного управления была бы невозможна без этого переносного и очень компактного устройства для создания стабильного электрического заряда.
В медицине широко используются источники химической энергии при создании любого аппарата, помогающего человеку полноценно жить. Например, для слуховых аппаратов и электрокардиостимуляторов которые могут работать только от переносных источников напряжения, чтобы не сковывать человека проводами.
В производстве применяются целые системы аккумуляторных батарей для обеспечения напряжением цепей отключения и защит в случае пропадания входящего высокого напряжения на подстанциях. И также широко применяется это питание во всех транспортных средствах, военной и космической технике.
Одним из видов распространённых батарей являются литиевые источники электрического тока, так как именно этот элемент обладает высоким показателем удельной энергии. Дело в том что только этот химический элемент, оказывается, обладает сильным отрицательным потенциалом среди всех известных и изученных человеком веществ. Литий-ионные батареи выделяются среди всех остальных элементов питания по величине вырабатываемой энергии и низким габаритам, что позволяет применять их в самых компактных и мелких электронных устройствах.

Способы утилизации химических источников энергии

Проблема утилизации разных по габаритах химических источников напряжения является экологической проблемой всей планеты. Современные источники содержат в себе до тридцати химических элементов которые могут нанесите ощутимый вред природным ресурсам, поэтому для их утилизации разработаны целые программы и построены специализированные цеха по переработке. Некоторые методы позволяют не только качественно перерабатывать эти вредные вещества, но и возвращать в производство, тем самым защитив окружающую среду. В целях извлечения цветных металлов из батарей и аккумуляторов в настоящий момент разработаны и применены в цивилизованных странах, следящих и заботящихся об окружающей среде, целые пирометаллургические и гидрометаллургические комплексы. Самый же распространённый способ утилизации отработанных химических источников тока является метод, работающий на соединении этих процессов. Главным его достоинством считается высокая степень извлечения с минимальным количеством отходов.
Этот метод пирометаллургической, гидрометаллургической и механической переработки включает в себя восемь основных стадий:

  1. Измельчение;
  2. Магнитная сепарация;
  3. Обжиг;
  4. Дополнительное измельчение;
  5. Выделение крупных и мелких элементов с помощью грохочения;
  6. Водное очищение и выщелачивание;
  7. Сернокислотное выщелачивание;
  8. Электролиз.

Организация правильного сбора и утилизации ХИТ позволяет максимально уменьшить негативное влияние как на окружающую природу, так и на здоровье самого человека.

Электрохимические источники тока.

⇐ Предыдущая12345678910

Это устройства, позволяющие осуществлять непосредственное превращение химической энергии в электрическую.

Химические источники тока делятся на 3 группы:

1. Первичные источники тока

2. Вторичные источники тока (аккумуляторы)

3. Электрохимические генераторы.

I. элемент Лекланше (сухой марганцово-цинковый элемент).

Zn │NH4CL │ MnO2 + C │ C ЭДС = 1,5 – 1,8 В

В р-р NH4CL добавляют муку или крахмал, и некоторые соли (Zn и Cl2, СаCl2). Угольный стержень окружён MnO2 + C │ Zn – 2е → Zn

токообразная реакция │ Mn +1→ Mn

Применяется для питания радиоаппаратуры магнитофонов, карманных фонарей.

Широко известны воздушно-цинковые элементы (элемент «крона ВЦ»)

Zn │NaOH│ O2 (C)

С ЭДС = 1,4 В

Zn + NaOH + O2 = NaH Zn O2

Первичные источники тока становятся непригодными после израсходования веществ, из которых они были выполнены.

Химические цепи.

Состоят из двух электродов, причем один из них обратим относительно катиона (электрод I рода), а другой относительно аниона.

Примером химической реакции являются различные аккумуляторы – накопители электрической энергии в виде химической. Они могут быть щелочными и кислотными.

Рассмотрим кислотный свинцовый аккумулятор:

Отрицательным полюсом (анодом) служит свинцовый электрод. Положительным полюсом (катодом) является электрод из диоксида свинца (PbO2), который в виде пасты заполняет ячейки свинцовой решетки. В качестве электролита используют 25 – 30% р-р серной кислоты.

(-) Pb, PbSO4 Сульфат свинцовый эл-д обратимый, относит. аниона SO4 H2SO4 25÷30 % PbO2, Pb (+) Свинцовоокисный H3O кислоты

Аккумуляторы – гальванические элементы, допускающие многоразовое использование.

Токообразующие вещества в аккумуляторах могут образовываться при пропускании через аккумулятор постоянного электрического тока от другого источника. Процесс регенерации активных веществ называют зарядом аккумулятора.

Свинцовый аккумулятор

Pb │H2SO4 │PbO2│ Pb

25 – 30 %

Анодный процесс:

Pb – 2e Pb

Образующиеся ионы Pb осаждаются на поверхности анода в виде малорастворимого PbSO4

Катодный процесс:

PbO2 + 4H3O + 2e Pb + 6H2O

Образующиеся ионы Pb осаждаются на поверхности катода в виде

Тогда суммарная токообразующая реакция:

Pb + PbO2 + 2H2SO4 2 PbSO4 + 2H2O ЭДС = 2,1 В.

Сущность – более энергетически богатые Pb и PbO2 переходят в менее энергетически богатое вещество PbSO4.

Во внутренней цепи происходит перенос ионов. Ионы SO4 движутся к аноду, а ионы H — катоду. У анода расходуются анионы, у катода – катионы. Раствор в целом остаётся электронейтральным.

ЭДС зависит от конц. H2SO4 и для 25% конц. ~ 2 В. Так как H2SO4 при работе связывается, поэтому ЭДС уменьшается. По концентрации кислоты можно судить о степени разряда аккумулятора. На практике измеряется не сама концентрация., а плотность раствора H2SO4.

Недостаток – сравнительно небольшой.

1. Срок службы (из-за постоянной сульфатации электродов – неполное превращение PbSO4 в Pb и PbO2 при заряде)

(2 – 5 лет)

2. Малая удельная ёмкость/на единицу массы (кол-во электричества, которое отдаётся на единицу массы вещества).

3. Особенность электрохимических генераторов состоит в том, что электрохимически активные вещества не закладываются заранее, а подводятся по мере израсходования. Это обеспечивает непрерывность работы.

Свинцовой аккумулятор не должен сильно разряжаться. Если ЭДС падает до 1,8 , то модно считать, что он полностью истощен. В его работе происходит испарение воды и частичное ее разложение, поэтому необходимо добавлять воду в дистиллированную. Всякие примеси снижают КПД. Для зарядки аккумулятора подключают к внешнему источнику тока. При этом ток протекает через аккумулятор в направлении обратном тому, в котором он проходил при зарядке аккумулятора. И электрохимические процессы на электродах обращаются.

Щелочной аккумулятор:

Значительное распространение имеют щелочные железо- или кадмий-никелевые аккумуляторы.

Fe │КОН │NiOOH │Ni ЭДС = 1,35 — 1,4 А

20%

Fe + 2NiOOH + H2O 2 Ni(OH) + Fe(OH)2

Анодом служит Fe (или кадмиевая) пластина. Катод – никель.

Железо – никелевый аккумулятор.

Электролит 20% КОН.

ЭДС = 1,3 В

Обычно они выпускаются в продажу в виде батарей, состоящих из нескольких ячеек, включенных последовательно. В отличии от кислотных, щелочные аккумуляторы могут долго находиться в заряженном и разряженном состоянии. Щелочные дороже Pb аккумуляторов, но они не чувствительны к большим перегрузкам.

Топливные элементы.

Топливные элементы – это такие источники тока, в которых образование тока происходит за счёт окисления топлива на аноде и восстановления его на катоде.

КПД 25%.

75% энергии рассеивается.

Схема водородно-кислородного топливного элемента

(-) Pt, Ni H2 КОН 30 – 40% O2, Ni Pt (+) Пористые угольные электроды.

Ан. пр.: 2H2 + 4OH = 4H2O + 4e

Кат. пр.: О2 + 2H2O + 4e → 4OH

Т. О. Р. Н2 + ½ О2 = H2O

1,23 В КПД = 83%

В одном из простейших топливных элементов происходит поглощение Н2 и О2 в присутствии щелочного раствора. Газы поступают в элемент сквозь пористые угольные электроды. В качестве окисляемых на аноде веществ можно применять газообразные углеводороды, а кислорода, содержащегося в воздухе вполне достаточно для обеспечения катода электродным веществом.

Создан и биологический топливный элемент, в котором используются ферменты и мембраны, обладающие селективной проницаемостью для анионов и катионов.

В одном из вариантов такого элемента фермент гидролизирует анод, разлагая на ионные составляющие.

R CONH2 + H2O → RCOO + NH4

Селективная мембрана представляет собой твёрдое, пористое вещество, на внутренней стороне которого находятся фиксированные ионы, позволяющие диффундировать сквозь поры лишь ионам противоположного знака.

Химические источники питания

ЭЛЕКТРОСПЕЦ ЭЛЕКТРОСПЕЦ

а) Гальванические (первичные) элементы
Между электродом и электролитом, в который он погружен, всегда возникает некоторая разность потенциалов, зависящая от материала электрода и состава электролита.
Появление электродного потенциала объясняется тем, что вещество электрода под действием, химических сил растворяется в электролите (например, цинк в растворе серной кислоты) и положительные ионы его переходят в электролит. Преобладание отрицательных зарядов на электроде и положительных в прилегающем к нему пограничном слое электролита вызывает появление двойного электрического слоя, а следовательно, и электрического поля на границе электрода. Электрические силы этого поля противодействуют переходу положительных ионов с электрода в раствор, уравновешивая химические силы растворения электрода. Таким образом, возникает электродный потенциал.
Помещая в электролит два электрода из разных металлов, получим между ними также разность потенциалов (э. д. с).
Следовательно, устройство, состоящее из двух разнородных электродов, помещенных в электролит, является источником э. д. с. — гальваническим, или первичным, элементом, в котором происходит необратимый процесс преобразования химической энергии в электрическую.
Из многих типов элементов в качестве примера рассмотрим элемент Вольта (рис. 2-12). Он состоит из погруженных в водный раствор серной кислоты (H2S04), цинкового (Zn) и медного (Сu) электродов. Первый имеет отрицательный заряд (катод), второй — положительный (анод). Электродвижущая сила элемента около 1,1 В.
При нагрузке элемента, т. е. при прохождении по нему тока, отрицательные ионы SО4 и положительные ионы цинка Zn сближаются и, соединяясь, образуют молекулы цинкового, купороса ZnS04. Одновременно положительные ионы водорода отнимают у анода электроны и превращаются в нейтральные атомы водорода, Атомы водорода, покрывая тонким слоем анод, вызывают увеличение внутреннего сопротивления элемента й уменьшение его э. д. с. Это явление называется поляризацией. Водородный слой у анода устраняют, применяя деполяризаторы — вещества, легко отдающие кислород (например, перекись марганца), который, соединяясь с водородом, образует воду.
Большое распространение получили сухие и наливные марганцево-цинковые элементы. По конструкции марганцево-цинковые элементы бывают стаканчиковые и галетные.
В элементе стаканчиковой конструкции цинковый электрод имеет форму стакана (рис. 2-13), внутри которого расположен положительный электрод — угольный стержень. Угольный электрод окружен деполяризатором из двуокиси марганца, графита и сажи. Цинковый стакан заполняется электролитом — водным раствором хлористого аммония (нашатыря) с добавлением крахмала в качестве загустителя. Электродвижущая сила элемента Е = 1,5 В.
Номинальным разрядным током элемента называется наибольший длительный ток, допускаемый при его эксплуатации. Емкостью элемента называется количество электричества, выраженное в ампер-часах (А-ч), которое можно получить от элемента за весь период его работы. Как отдельные элементы, так и собранные из них батареи широко применяются в радиотехнике, аппаратуре проводной связи, для карманных фонарей, слуховых аппаратов и т. д.

б) Аккумуляторы (вторичные элементы)
Гальванические элементы, у которых после их разряда возможен обратный процесс заряда, с преобразованием электрической энергии в химическую, называются аккумуляторами или вторичными элементами.
Наибольшее распространение получили аккумуляторы: свинцовые (кислотные) и кадмиево-никелевые, железо-никелевые и серебряно-цинковые (щелочные).
Свинцовый аккумулятор состоит из двух блоков — пластин (рис. 2-14), погруженных в электролит — 25—35%-ный водный раствор серной кислоты.
Положительные пластины из металлического свинца для увеличения поверхности соприкосновения с электролитом имеют ребристую поверхность или выполнены из свинцовых каркасов, заполненных активной массой (перекись свинца).
Отрицательные пластины представляют собой свинцовые каркасы, заполненные активной массой в виде губчатого свинца. Пластины после изготовления подвергаются электролитической обработке — формировке.
При разряде, т. е. в режиме, когда заряженный аккумулятор замкнут на внешнюю цепь, проходит разрядный ток, аккумулятор работает в режиме источника. При этом активная масса положительной пластины, состоящая из перекиси свинца Рb02, и активная масса отрицательной пластины — губчатый свинец Рb переходят в сернокислые соединения свинца PbS04 с выделением воды. Это приводит к уменьшению концентрации электролита, его проводимости и э. д. с. аккумулятора. Напряжение (э. д. с.) аккумулятора с 2,2 В сначала быстро падает до 2 В, а затем медленно до 1,8 В, после чего необходимо прекратить разряд во избежание сульфатации пластин — образования на них нерастворимого сернокислого свинца.
При заряде аккумулятора через него проходит ток, имеющий направление, противоположное разрядному току, для чего зажимы источника,заряжающего аккумулятор, соединяются с одноименными зажимами аккумулятора.
При заряде аккумулятора происходит обратная химическая реакция и на электродах восстанавливаются перекись свинца и губчатый свинец. Напряжение сначала быстро увеличивается до 2,2 В, затем медленно до 2,3 В и, наконец, до 2,6—2,7 В, при котором следует прекращать заряд. При этом напряжении наблюдается интенсивное выделение водорода, пузырьки которого, поднимаясь на поверхность электролита, создают впечатление его кипения.
Внутреннее сопротивление свинцовых аккумуляторов мало, поэтому токи короткого замыкания недопустимо велики.
Емкость аккумулятора, так же как и первичного элемента, определяется в ампер-часах за время нормального разряда.
Коэффициентом отдачи аккумулятора называется отношение отданного им при разряде количества электричества к полученному им при заряде, т. е.

Коэффициент отдачи свинцового аккумулятора 0,9—0,95.
Коэффициентом полезного действия аккумулятора называется. отношение полученной от него при разряде энергии Wр к затраченной при заряде Wз, т. ё.

Коэффициент полезного действия свинцового аккумулятора 0,75—0,8.

Во избежание сульфатации аккумулятора необходимо содержать егo в заряженном состоянии и периодически проверять уровень и плотность электролита, напряжение под нагрузкой, а при необходимости дозаряжать его.
Щелочные аккумуляторы получили такое название по их электролиту щелочи — 21 %-ный водный раствор едкого кали (КОН) или едкого натра (NаОН). Они состоят из двух блоков пластин, расположенных в стальном сосуде с электролитом (рие. 2-15). Пластины— это стальные рамки с вставленными в них стальными коробочками, заполненными активной массой. Активная масса отрицательных пластин кадмиево-никелевых элементов coстоит из губчатого кадмия, а железо-никелевых — из губчатого железа. Активная масса положительных пластин у обоих аккумуляторов состоит из гидрата окиси никеля Ni(OH)3.
При разряде гидрат окиси никеля переходит в гидрат закиси никеля, а губчатый кадмий (железо) — в гидрат его закиси. При заряде реакция идет в обратном направлении, и следовательно, происходит восстановление активной массы электродов. Концентрация электролита при разряде и заряде остается неизменной.
При разряде напряжение с 1,4 В сначала быстро уменьшается до 1,3 В, а затем медленно до 1,15 В, при котором необходимо прекращать разряд. При заряде напряжение с 1,15 В быстро увеличивается до 1,75 В, а затем после незначительного понижения медленно увеличивается до 1,85 В. Внутреннеесопротивление щелочных аккумуляторов больше, чем кислотных, поэтому они имеют более низкий к. п. д.
и меньшую чувствительность к коротким замыканиям. Щелочные аккумуляторы имеют большую механическую прочность, больший срок службы и меньшую требовательность, к уходу по сравнению с кислотными аккумуляторами.
Серебряно — цинковый аккумулятор состоит из двух блоков пластин, расположенных в пластмассовом баке с электролитом. Электроды аккумулятора представляют собой пористые пластины — положительная из окиси серебра (Ag20), а отрицательная из цинка (Zn). Электролит — водный раствор едкого кали (КОН) плотностью 1,4.
При разряде аккумулятора окись серебра переходит в металлическое серебро, а металлический цинк — в окись цинка. При заряде имеет, место обратный процесс.
При заряде напряжение вначале почти неизменно (1,55 В), а затем быстро повышается примерно до 1,9 В и далее медленно до 2,1 В; при этом-напряжении следует прекращать заряд. При разряде напряжение с 1,75 В медленно падает до 1,5 В и в конце разряда до 1,25—1 В; при этой величине разряд следует прекращать.
Из положительных свойств этих аккумуляторов необходимо отметить: 1) значительно большие емкость и мощность на единицу массы по сравнению с другими типами аккумуляторов; 2) стабильное напряжение при разряде (1,5 В) и возможность получения очень больших токов при кратковременных разрядах; 3) высокий к. п. д. η = 0,85.

Химическим источником тока называют устройство, в котором химическая энергия превращается непосредственно в электрическую.

Химические источники тока делятся на две группы: первичные элементы и аккумуляторы.

В первичных элементах происходит необратимый процесс преобразования химической энергии в электрическую (разряд). Вещества, образовавшиеся в процессе разряда, не могут быть восстановлены до первоначального химического состава. Поэтому разряженный первичный элемент приходит в негодность. По конструкции они могут быть самыми различными, но все они состоят из двух электродов — проводников первого рода, разделенных слоем электролита. К химическим источникам тока предъявляют следующие требования: высокая надежность, отсутствие вредного воздействия на питаемую аппаратуру, малые габаритные размеры и масса, относительно малая стоимость и минимальный саморазряд, широкий интервал рабочих температур .

Характеристики. Э. д. с. многих первичных элементов сравнительно невелика и равна 1,2-1,7 В. Для получения больших напряжений первичные элементы соединяют последовательно.

Во время работы элемента происходит непрерывный процесс растворения отрицательного электрода, а к положительному электроду из электролита подходят ионы водорода. Молекулы водорода на положительном электроде образуют непроводящий слой. Это явление называется поляризацией элемента. В результате поляризации увеличивается внутреннее сопротивление элемента и снижается его напряжение.

Для устранения поляризации в состав элемента вводят деполяризаторы — вещества, богатые кислородом, например перекись марганца. Деполяризаторы превращают водород в воду и освобождают положительный электрод от непроводящего слоя водорода.

Количество электричества, которое можно получить от элемента во время его разряда, называют емкостью первичного элемента:

<2 = /р ,

где /р — разрядный ток, Л;

(р — время разряда, ч.

Емкость первичного элемента зависит от количества его активных веществ, разрядного тока, режима разряда, температуры электролита и времени хранения. С увеличением разрядного тока ухудшается процесс деполяризации и активные вещества элемента используются не полностью. В результате снижается емкость элемента. Перерывы разрядного тока улучшают процесс деполяризации и способствуют увеличению емкости.

С повышением температуры электролита химические процессы в элементах протекают более интенсивно и емкость элементов увеличивается. При слишком высоких температурах электролит высыхает и емкость снижается.

Даже при отключенной нагрузке в элементах происходит саморазряд, т. е. бесполезный расход его активных веществ. Саморазряд элемента вызывается несовершенством изоляции между электродами и образованием на отрицательном электроде местных гальванических пар в местах вкраплений в электрод посторонних примесей. Саморазряд увеличивается при установке элемента в сыром месте и при за грязнении его пылью и грязью. Каждый элемент характеризуется номинальной емкостью. Она соответствует определенному режиму разряда, указанному заводом. Фактическая емкость элемента зависит от условий разряда и обычно отличается от номинальной емкости.

Для электропитания портативных устройств автоматики и телемеханики, электроизмерительных приборов, некоторых устройств железнодорожной сигнализации предназначены марганцово-цинковые, воздушно-марганцово-цинковые и ртутно-цинковые элементы и батареи.

Марганцово-цинковые, воздушные марганцово-цинковые и ртутно-цинковые элементы. Наибольшее распространение получили сухие марганцово-цинковые элементы. Их выпускают в двух модификациях: стаканчиковые и галетные. Положительным электродом марганцово-цинковых элементов является агломерат, состоящий из смеси двуокиси марганца МпОг и графита, пропитанных раствором нашатыря, а отрицательным — металлический цинк Ъп. В качестве электролита используют раствор хлористого аммония ГД+С! в виде пасты.

Такая конструкция галетного марганцово-цинкового элемента (рис. 201) удобна для последовательного соединения элементов, получения более высоких напряжений. Для этого элементы накладывают друг на друга таким образом, чтобы выступ положительного электрода одного элемента плотно соприкасался с верхним токопроводящим слоем следующего элемента. Промышленность выпускает сухие элементы марганцово-цинковой системы трех типов, которые могут работать при различных температурах окружающей среды: летние — от +17 до +60 °С; холодостойкие — от -40 до +40 °С; универсальные — от -40 до +60 °С.

В сухих воздушномарганцовоцинковых элементах в состав агломерата. кроме перекиси марганца и графита, добавляют активированный уголь, который способен адсорбировать (поглощать) из воздуха кислород. Поэтому в этих элементах деполяризация происходит интенсивнее. 1 азовая камера воздушномарганцовоцинковых элементов сообщается с наружным воздухом через специальное отверстие У неработающих элементов эти отверстия должны быть закрыты пробками. что предохраняет агломерат от высыхания Во время работы пробки следует открыть

В марганцово-цинковом элементе (рис 202) с солевым электролитом в качестве положительного электрода использован агломерат Я из двуокиси марганца и углеродистых материалов, напрессованных на угольный стержень 5 Отрицательный электрод 6 выполнен из цинка и имеет форму стакана. Картонная шайба 7 служит для изоляции электродов Носителем электролита является диафрагма 4 из кабельной бумаги, пропитанной солевым электролитом и нанесенным на нее тонким слоем пасты Элемент заливают изоляционной смесью 2. Для подключения внешней цепи на угольный электрод насажен металлический колпачок 1 При изготовлении таких элементов применяют новую технологию, позволяющую увеличить рабочую поверхность положительного электрода и улучшить электрические характеристики без увеличения габаритных размеров

Положительным электродом у герметичных марганцово-цинковых элементов с щелочным электролитом (рис 203) служит смесь двуокиси марганца с графитом, а отрицательным — амальгамированный порошкообразный нинк Между электродами имеется сепаратор, состоящий из нескольких слоев высокопористого картона, пропитанного раствором едкого кали, насыщенным цинком Применение щелочного электролита в элементах повышает коэффициент использования двуокиси марганца и уменьшает поляризацию электродов

Конструкция ртутно-цинкового элемента (рис 204) аналогична конструкции марганцово-цинковых элементов с щелочным электроли-

Рие. 203. Общий вид герметичных марганцово-цинковых элементов с ще.точ ным электролитом типов МЦ-4К (а), ЛЩ-ЗК (о). ЛШ-2К (я). МЦ-1К (а)

Рис. 204. Конструкция ртутно-цннко вого элемента:

1 крышки. 2 отрицательный электрод ишнконые опилки : 3 корпус: 4 поло жительпын электрод: .5 ргшновис коль цо; в сепаратор и:і фильтровальной б> маги: 7 диафрагма м< фильтровальной бумаги том. Активная масса положительного электрода состоит из смеси красной окиси ртути и графита, отрицательного электрода — из амальгамированного цинкового порошка, содержащего 5- 10°о металлической ртути

В качестве электролита используют раствор едкого кали плотностью 1,4 г ем*, насыщенный окисью цинка В основном электролит заключен в порах электродов и сепаратора из фильтровальной бумаги Э д. с ртутно-цинковых элементов (РЦ53, РЦ55, РЦ53Х и др.) равна 1.36 В и мало меняется в процессе разряда, разрядный ток от 0,1 до 300 мА Недостатками ртутно-цинковых элементов являются высокая стоимость и плохая работоспособность при отрицательной температуре

⇐Синхронные генераторы | Электропитающие устройства и линейные сооружения автоматики, телемеханики и связи железнодорожного транспорта | Свинцовые аккумуляторы⇒

Рекомендуемый контент:

FILED UNDER : Справочник

Submit a Comment

Must be required * marked fields.

:*
:*