Химические источники электрической энергии

Химические источники электрической энергии

Хими́ческий исто́чник то́ка (аббр. ХИТ) — источник ЭДС, в котором энергия протекающих в нём химических реакций непосредственно превращается в электрическую энергию.

гальванические элементы (первичные ХИТ), которые из-за необратимости протекающих в них реакций невозможно перезарядить;

электрические аккумуляторы (вторичные ХИТ) — перезаряжаемые гальванические элементы, которые с помощью внешнего источника тока (зарядного устройства) можно перезарядить;

топливные элементы (электрохимические генераторы) — устройства, подобные гальваническому элементу, но отличающееся от него тем, что вещества для электрохимической реакции подаются в него извне, а продукты реакций удаляются из него, что позволяет ему функционировать непрерывно.

Некоторые виды химических источников тока

Гальванический элемент — химический источник электрического тока, названный в честь Луиджи Гальвани. Принцип действия гальванического элемента основан на взаимодействии двух металлов через электролит, приводящем к возникновению в замкнутой цепи электрического тока.

Электрический аккумулятор — химический источник тока многоразового действия (то есть в отличие от гальванического элемента химические реакции, непосредственно превращаемые в электрическую энергию, многократно обратимы). Электрические аккумуляторы используются для накопления энергии и автономного питания различных устройств.

Топливный элемент — электрохимическое устройство, подобное гальваническому элементу, но отличающееся от него тем, что вещества для электрохимической реакции подаются в него извне — в отличие от ограниченного количества энергии, запасенного в гальваническом элементе или аккумуляторе.

В современных химических источниках тока используются:

в качестве восстановителя (материал анода) — свинец Pb, кадмий Cd, цинк Zn и другие металлы;

в качестве окислителя (материал катода) — оксид свинца(IV) PbO2, гидроксооксид никеля NiOOH, оксид марганца(IV) MnO2 и другие;

в качестве электролита — растворы щелочей, кислот или солей [2] .

Характеристики гальванических элементов

Гальванические элементы характеризуются: э.д.с., емкостью, энергией, которую он может отдать во внешнюю цепь, сохраняемостью.

Электродвижущая сила (ЭДС) гальванического элемента зависит от материала электродов и состава электролита. ЭДС описывается термодинамическими функциями, протекающих электрохимических процессов, в виде уравнения Нернста.

Ёмкость элемента — это количество электричества, которое источник тока отдает при разряде. Ёмкость зависит от массы запасенных в источнике реагентов и степени их превращения, снижается с понижением температуры или увеличением разрядного тока.

Энергия гальванического элемента численно равна произведению его ёмкости на напряжение. С увеличением количества вещества реагентов в элементе и до определенного предела, с увеличением температуры, энергия возрастает. Энергию уменьшает увеличение разрядного тока.

Сохраняемость — это срок хранения элемента, в течение которого его характеристики остаются в заданных пределах. Сохраняемость элемента уменьшается с ростом температуры хранения.

Классификация гальванических элементов

Гальванические первичные элементы — это устройства для прямого преобразования химической энергии, заключенных в них реагентов (окислителя и восстановителя), в электрическую.Реагенты, входящие в состав источника, расходуются в процессе его работы, и действие прекращается после расхода реагентов. Примером гальванического элемента является элемент Даниэля -Якоби.

Широкое распространение получили марганцево-цинковые элементы, не содержащие раствора электролита (сухие элементы, батарейки). Так, в солевых элементах Лекланше цинковый электрод служит катодом, электрод из смеси диоксида марганца с графитом служит анодом, графит служит токоотводом. Электролитом является паста из раствора хлорида аммония с добавкой муки или крахмала в качестве загустителя.

Щелочные марганцево-цинковые элементы, в которых в качестве электролита используется паста на основегидроксида калия, обладают целым рядом преимуществ, в частности существенно большей ёмкостью, лучшей работой при низких температурах и при больших токах нагрузки.

Солевые и щелочные элементы широко применяются для питания радиоаппаратуры и различных электронных устройств.

Вторичные источники тока (аккумуляторы) — это устройства, в которых электрическая энергия внешнего источника тока превращается в химическую энергию и накапливается, а химическая — снова превращается в электрическую. Одним из наиболее распространенных аккумуляторов является свинцовый (или кислотный). Электролитом является 25—30 % раствор серной кислоты. Электродами кислотного аккумулятора являются свинцовые решетки, заполненные оксидом свинца, который при взаимодействии с электролитом превращается в PbSO4.

Также существуют щелочные аккумуляторы. Наибольшее применение получили никель-кадмиевые и никель-металлгидридные аккумуляторы, в которых электролитом служит KOH.

В различных электронных устройствах (мобильные телефоны, планшеты, ноутбуки), в основном, применяютсялитий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы, характеризующиеся высокой ёмкостью и отсутствием эффекта памяти.

Электрохимические генераторы (топливные элементы) — это элементы, в которых происходит превращение химической энергии в электрическую. Окислитель и восстановитель хранятся вне элемента, в процессе работы непрерывно и раздельно подаются к электродам. В процессе работы топливного элемента электроды не расходуются. Восстановителем является водород (H2), метанол (CH3OH), метан (CH4) в жидком или газообразном состоянии. Окислителем обычно является кислород воздуха или чистый. В кислородно-водородном топливном элементе со щелочным электролитом происходит превращение химической энергии в электрическую. Энергоустановки применяются на космических кораблях, они обеспечивают энергией космический корабль и космонавтов.

Батарейки используются в системе сигнализации, фонарях, часах, калькуляторах, аудиосистемах, игрушках, радио, автооборудовании, пультах дистанционного управления.

Аккумуляторы используются для запуска двигателей машин, возможно так же и применение в качестве временных источников электроэнергии в местах, удаленных от населенных пунктов.

Топливные элементы применяются в производстве электрической энергии (на электрических станциях), аварийных источниках энергии, автономном электроснабжении, транспорте, бортовом питании, мобильных устройствах.

Электри́ческий аккумуля́тор — источник тока многоразового действия, основная специфика которого заключается в обратимости внутренних химических процессов, что обеспечивает его многократное циклическое использование (через заряд-разряд) для накопления энергии и автономного электропитания различных электротехнических устройств и оборудования, а также для обеспечения резервных источников энергии в медицине, производстве и в других сферах

Первый прообраз аккумулятора, который, в отличие от батареи Алессандро Вольты, можно было многократно заряжать, был создан в 1803 году Иоганном Вильгельмом Риттером. Его аккумуляторная батарея представляла собой столб из пятидесяти медных кружочков, между которыми было проложено влажное сукно. При пропускании через данное устройство тока от вольтова столба оно само стало вести себя как источник электричества [

Максимально возможный полезный заряд аккумулятора называется зарядной ёмкостью, или просто ёмкостью. Ёмкость аккумулятора — это заряд, отдаваемый полностью заряженным аккумулятором при разряде до наименьшего допустимого напряжения. В системе СИ ёмкость аккумуляторов измеряют в кулонах, на практике часто используется внесистемная единица — ампер-час. 1 А⋅ч = 3600 Кл. Ёмкость аккумулятора указывается производителем. Не путать с электрической ёмкостью конденсатора.

В настоящее время всё чаще на аккумуляторах указывается энергетическая ёмкость — энергия, отдаваемая полностью заряженным аккумулятором при разряде до наименьшего допустимого напряжения. В системе СИ она измеряется в джоулях, на практике используется внесистемная единица — ватт-час. 1 Вт⋅ч = 3600 Дж.

Плотность энергии — количество энергии на единицу объёма или единицу веса аккумулятора.

Саморазряд — это потеря аккумулятором ёмкости после полной зарядки при отсутствии нагрузки. Саморазряд проявляется по-разному у разных типов аккумуляторов, но всегда максимален в первые часы после заряда, а после замедляется.

Для Ni-Cd аккумуляторов считают допустимым не более 10% саморазряда за первые 24 часа после проведения зарядки. Для Ni-MH саморазряд чуть меньше. У Li-ion он пренебрежимо мал и значительно себя проявляет в течение месяцев.

В свинцово-кислотных герметичных аккумуляторах саморазряд составляет около 40% за 1 год при условии 20°С и 15% при 5°С. Если температуры хранения более высокие, то саморазряд возрастает: батареи при 40°С теряют ёмкости 40% всего за 4-5 месяцев.

Берегите аккумуляторы от огня и воды, чрезмерного нагревания (охлаждения), резких перепадов температур.

Не используйте аккумуляторы при температурах выше +40°С и ниже -25°С.

Нарушение температурного режима может привести к сокращению срока службы или потере работоспособности.

Методы заряда аккумуляторов

Для заряда аккумуляторов применяется несколько методов. Как правило, метод заряда зависит от типа аккумулятора и обеспечивается зарядным устройством

Медленный заряд постоянным током

Заряд постоянным током величиной 0.1 С или 0.2 С в течение примерно 15 или 6-8 часов соответственно.

Самый длительный и безопасный метод заряда. Подходит для большинства типов аккумуляторов.

Заряд постоянным током, равным 1/3 С в течение примерно 3-5 часов

Ускоренный или дельта V заряд

Заряд с начальным током заряда, равным величине номинальной емкости аккумулятора, при котором постоянно измеряется напряжение аккумулятора и заряд заканчивается после того, как аккумулятор полностью заряжен. Время заряда примерно час-полтора. Возможен разогрев аккумулятора и даже его разрушение.

Читайте также:  Технология кислородной резки металла

Выполняется чередованием длинных импульсов заряда с короткими импульсами разряда. Реверсивный метод наиболее полезен для заряда NiCd и NiMH аккумуляторов, для которых характерен так называемый «эффект памяти».

Топливный элемент — электрохимическое устройство, подобное гальваническому элементу, но отличающееся от него тем, что вещества для электрохимической реакции подаются в него извне — в отличие от ограниченного количества энергии, запасенного в гальваническом элементе или аккумуляторе.

Принцип действия топливных элементов был открыт в 1839 г. английским ученым У. Гроувом, который обнаружил, что процесс электролиза обратим, то есть водород и кислород можно объединить в молекулы воды без горения, но с выделением тепла и электричества [4] . Свой прибор, где удалось провести эту реакцию, ученый назвал "газовой батареей", и это был первый топливный элемент. Однако в последующие 100 лет эта идея не нашла практического применения.

В 1937 г. профессор Ф.Бэкон начал работы над своим топливным элементом. К концу 1950-х он разработал батарею из 40 топливных элементов, имеющую мощность 5 кВт. Такую батарею можно было применить для обеспечения энергией сварочного аппарата или грузоподъемника [5] . Батарея работала при высоких температурах порядка 200°С и более и давлениях 20-40 бар. Кроме того, она была весьма массивна.

Примеры применения топливных элементов

5-250 кВт и выше

Автономные источники тепло- и электроснабжения жилых, общественных и промышленных зданий, источники бесперебойного питания, резервные и аварийные источники электроснабжения

Дорожные указатели, грузовые и железнодорожные рефрижераторы, инвалидные коляски, тележки для гольфа, космические корабли и спутники

Автомобили и другие транспортные средства, военные корабли и подводные лодки

Мобильные телефоны, ноутбуки, карманные компьютеры, различные бытовые электронные устройства, современные военные приборы

Преимущества водородных топливных элементов

Топливные элементы обладают рядом ценных качеств, среди которых

У топливных элементов нет жёсткого ограничения на КПД, как у тепловых машин (КПД цикла Карно является максимально возможным КПД среди всех тепловых машин с такими же минимальной и максимальной температурами).

Высокий КПД достигается благодаря прямому превращению энергии топлива в электроэнергию. Если в обычных генераторных установках топливо сначала сжигается, полученный пар или газ вращает турбину или вал двигателя внутреннего сгорания, которые в свою очередь вращают электрический генератор. Результативный максимум КПД составляет 53 %, чаще же он находится на уровне порядка 35-38 %. Более того, из-за множества звеньев, а также из-за термодинамических ограничений по максимальному КПД тепловых машин, существующий КПД вряд ли удастся поднять выше. У существующих топливных элементов КПД составляет 60-80 %

КПД почти не зависит от коэффициента загрузки.

pro: В воздух выделяется лишь водяной пар, который не наносит вреда окружающей среде.

contra: водород просачиваясь как из баллона так и топливного элемента, будучи легче воздуха безвозвратно покидает атмосферу Земли, что при массовом применении технологий на водороде, способно привести к глобальной потере воды, если водород будет производиться электролизом воды.

Топливные элементы легче и имеют меньшие размеры, чем традиционные источники питания. Топливные элементы производят меньше шума, меньше нагреваются, более эффективны с точки зрения потребления топлива. Это становится особенно актуальным в военных приложениях. Например, солдат армии США носит 22 различных типа аккумуляторных батарей. Средняя мощность батареи 20 ватт. Применение топливных элементов позволит сократить затраты на логистику, снизить вес, продлить время действия приборов и оборудования.

Сайт СТУДОПЕДИЯ проводит ОПРОС! Прими участие 🙂 — нам важно ваше мнение.

Химические источники электрической энергии (ХИЭЭ) – устройства, преобразующие энергию химической реакции в электрическую энергию.

ХИЭЭ, в которых протекают необратимые окислительно-восстановительные реакции (используются однократно), называются гальваническими элементами. ХИЭЭ, в которых протекают обратимые окислительно-восстановительные реакции (допускают многократное использование), называются аккумуляторами.

Гальванический элемент. Самый первый гальванический элемент Якоби-Даниэля состоит из цинкового электрода (цинковой пластинки, опущенной в раствор сульфата цинка) и медного электрода (медной пластинки, опущенной в раствор сульфата меди). Обе пластинки соединены проводником, а сосуды с раствором – электролитическим мостиком (трубка с раствором соли).

Рис. 3. Схема гальванического элемента Якоби-Даниэля

По отклонению стрелки гальванометра можно судить, что по внешней цепи идет электрический ток.

При работе цинкового электрода на поверхности цинковой пластины возникает двойной электрический слой и устанавливается равновесие Zn Zn 2+ + 2e — .

При работе медного электрода на поверхности медной пластины возникает двойной электрический слой и также устанавливается равновесие Cu Cu 2+ + 2е — .

Так как цинковый электрод имеет более низкое значение электродного потенциала (–0,76 В), чем медный электрод (+0,34 В), то на цинковом электроде легче идет окисление, поэтому больше накапливается свободных электронов. Поэтому при замыкании внешней цепи электроны будут переходить от цинкового электрода к медному электроду и равновесное состояние процессов окисления и восстановления на электродах нарушится.

В результате замыкания электродов по внешней цепи на цинковом электроде равновесие сместится вправо – т. е. в раствор переходит дополнительное количество ионов цинка. Будет наблюдаться растворение цинковой пластинки. На цинковом электроде протекает процесс окисления

В то же время медный электрод принимает электроны из внешней цепи и на нем также смещается равновесие, только в обратную сторону (влево). Ионы меди из раствора выделяются в виде атомов на медной пластине. На медном электроде идет процесс восстановления

В электрохимии электрод, на котором идет процесс окисления (отдача электронов), называется анодом. В гальваническом элементе анод имеет заряд ().

Электрод, на котором протекает процесс восстановления (принятие электронов), называется катодом. Катод в гальваническом элементе имеет заряд (+).

Первоначально в растворах электролитов (цинковый и медный электроды) наблюдалось равенство катионов металлов (Zn 2+ , Cu 2+ ) и сульфат-ионов (SO4 2- ). Однако в процессе работы гальванического элемента в цинковом электроде раствор заряжается положительно, т.к. катионы цинка переходят в раствор с цинковой пластины Zn – 2e — = Zn 2+ .

На медном электроде, наоборот, катионы меди, переходя из раствора на медную пластину, заряжают раствор отрицательно за счет появления избытка сульфат-ионов Cu 2+ + 2е — = Cu . Поэтому в элементе наблюдается направленное движение ионов (SO4 2- ) от медного электрода к цинковому электроду через электролитический мостик.

При работе гальванического элемента имеет место: движение электронов по внешней цепи – электронная проводимость; движение ионов в растворе – ионная проводимость.

Суммарное уравнение окислительно-восстановительной реакции (ОВР), протекающей в гальваническом элементе, запишется:

ионное уравнение – Zn + Cu 2+ = Zn 2+ + Cu;

молекулярное уравнение – Zn + CuSO4 = ZnSO4 + Cu.

Гальванический элемент записывают в виде электрохимической схемы. Электрохимическая схема элемента Якоби – Даниэля

А (−) Zn | Zn 2+ || Cu 2+ | Cu (+) K

Максимальное напряжение, которое дает элемент (Э.Д.С.), рассчитывают как разность электродных потенциалов катода и анода:

Э. Д. С. элемента Якоби – Даниэля для стандартных условий

e 0 Zn/Zn 2+ = – 0,76 (В); e 0 Cu/C 2+ = +0,34 В

Е 0 = (+0,34) – (-0,76) = 1,10 В

В гальваническом элементе окислительно-восстановительный процесс протекает самопроизвольно в направлении той реакции, для которой Э. Д. С. реакции – величина положительная.

Так как электродный потенциал зависит от концентрации ионов металлов в растворе, то можно составлять концентрационные гальванические элементы. Например, электрохимическая схема серебряного концентрационного гальванического элемента запишется

где С1 3+ равна 10 –4 мол/л) и никелевого электрода при стандартных условиях. Составить электрохимическую схему элемента. Указать электроды, являющиеся анодом и катодом. Рассчитать Э.Д.С. гальванического элемента. Написать уравнение окислительно-восстановительной реакции, протекающей в элементе.

Решение. Из таблицы 5 находим, что значение стандартного электродного потенциала никелевого электрода е 0 Ni/Ni 2+ равно – 0,25(В).

По уравнению Нернста рассчитаем электродный потенциал для алюминиевого электрода

еAl/Al 3 + = –1,660 + 0,059 Lg 0,0001 /3 = –1,739(В).

Чем ниже значение электродного потенциала, тем легче идет процесс окисления. В электрохимии электрод, на котором идет процесс окисления, называется анодом. В гальваническом элементе анод имеет заряд (). Алюминиевый электрод имеет меньший электродный потенциал и является анодом. Составим электрохимическую схему элемента.

А (−) Al | Al 3+ || Ni 2+ | Ni (+) K.

Читайте также:  Подшив потолка по балкам

Э.Д.С. алюминий–никелевого гальванического элемента будет равна

E = е катода – е анода = (+0,34) – (–0,76) = 1,10 В.

На алюминиевом электроде (аноде) протекает процесс окисления

На никелевом электроде (катоде) идет процесс восстановления

Суммарное ионное уравнение окислительно-восстановительной реакции, протекающей в гальваническом элементе, запишется:

2 Al – 3e — = Al 3+ .

3 Ni 2+ + 2е — = Ni

2Al +3Ni 2+ = 2Al 3+ . + 3Ni.

Дата добавления: 2015-05-26 ; Просмотров: 802 ; Нарушение авторских прав?

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

    1 Общая характеристика 2 Первичные источники тока 3 Вторичные источники тока или аккумуляторы
    3.1 Свинцовый кислотный аккумулятор

4 Топливные элементы 5 Химические источники тока на основе неводных электролитов

Введение

Химические источники тока — источники электрической энергии, которая производится путем преобразования химической энергии в электрическую, состоящие из одного или нескольких неперезаряджувальних первичных элементов или перезаряжаемые вторичных элементов ( аккумуляторов), в том числе интегрированных в изделия промышленного или бытового назначения.

1. Общая характеристика

Любой электрохимический элемент в принципе является источником электрического тока. Однако для практического использования в качестве источника тока пригодна лишь незначительная часть этих элементов. Это связано с тем, что элемент должен иметь достаточно большую электрическую емкость, высокую скорость и оборачиваемость электрохимических процессов, стабильность при эксплуатации, технологичность и экономичность производства. Все химические источники тока (ХИТ) делятся на три группы: источники тока одноразового действия (гальванические элементы), источники тока многоразового действия (аккумуляторы), топливные элементы. В первичных ХДС электродные материалы загружаются в элемент при изготовлении, и элемент эксплуатируется, пока его напряжение не упадет до некоторого критического значения. Электродные материалы ХДС, отработавших, идут в отходы или частично перерабатываются для регенерации компонентов. В аккумуляторах электроактивные вещества в ходе предварительного электролиза (заряд аккумулятора). В процессе эксплуатации они расходуются (разряд аккумулятора), а напряжение аккумулятора снижается до некоторой предельно допустимой величины, после чего снова проводят заряд. Процессы заряда и разряда образуют цикл работы аккумулятора. Максимальное число циклов (обычно несколько сотен) зависит от типа аккумулятора и условий его эксплуатации. Работа ХДС характеризуется рядом параметров, от которых зависит возможность использования ХДС для тех или иных потребностей. Электродвижущая сила (ЭДС) химического источника тока, как и любого электрохимического круга, определяется разностью потенциалов электродов (анода и катода) при разомкнутом внешнем круге. Полным внутренним сопротивлением r ХДС называется сопротивление, оказываемое им при прохождении внутри него постоянного тока

где ЭП — ЭДС поляризации: I — сила тока.

Первая из этих составляющих r0 называется омическим сопротивлением и представляет собой сумму сопротивлений электродов и электролита. Вторая составляющая Rп — обусловлена ??изменением потенциалов электродов при прохождении тока и называется сопротивлением поляризации, или фиктивным сопротивлением, его величина зависит от величины тока. В процессе разряда ХДС полный внутреннее сопротивление увеличивается из-за изменения состава электролита и электродов. Наличием внутреннего сопротивления обусловлено то, что разрядное напряжение Up (т. е. напряжение при замкнутом внешнем круге) всегда меньше ЭДС источника тока:

(Нижний индекс "р" означает разряд).

При постоянной величине тока и постоянной температуре электролита разрядное напряжение уменьшается во времени. Зарядное напряжение Uз оборотных систем выражается уравнением:

При постоянной величине зарядного тока зарядное напряжение увеличивается во времени вследствие увеличения ЭП. В конце заряда, когда происходит в основном процесс электролиза воды, значение Uз стабилизируется. Разрядной емкостью (емкостью по току) Qр называется и количество электричества, которая может быть получена от ХДС при данных условиях работы, т. е. при заданных температуре, величине разрядного тока и конечном значении разрядного напряжения.

2. Первичные источники тока

Одними из самых распространенных первичных ХДС является Мангано-цинковые элементы, производство которых составляет около 3 млрд. единиц в год. Это солевые элементы (система Лекланше):

(-) Zn | 20% — ный раствор NH4Cl | MnO2 | C (+)

(-) Zn | KOH | MnO2 | C (+)

Отрицательным электродом элемента Лекланше является цинковый стакан, электролит — раствор хлорида аммония с загустителем (мукой или крахмалом). Положительный электрод представляет собой угольный стержень, окруженный пиролюзитом MnO2. К раствору хлорида аммония добавляется небольшое количество хлорида цинка, хлорида кальция и хлорида ртути. Первые две соли гигроскопичны и препятствуют пересыханию элемента и увеличивают вязкость раствора. Хлорид ртути выполняет двойную функцию: с одной стороны, ртуть из хлорида частично оседает на цинка (Zn + HgCl2 = ZnCl2 + Hg), поверхность которого вследствие этого амальгамуеться и становится более однородной, что уменьшает саморазряд. С другой стороны хлорид ртути уничтожает микроорганизмы и предотвращает брожению крахмала. Последнее время изготавливают элементы без примесей соединений ртути, которые заменяют органическими ингибиторами. Порошок пиролюзита для увеличения электрической проводимости смешивается с сажей или графитовым порошком. По конструкции совре

в котором происходит реакция

MnO2 + Mg + H2O = MnO + Mg (OH) 2

Рисунок 1.1 Схема простейшего гальванического элемента

Рисунок 1.2 Схема Мангано-цинкового элемента (батарейки)

3. Вторичные источники тока или аккумуляторы

В аккумуляторах при пропускании через них электрического тока от внешнего цепи (заряд) идут химические реакции в электродах и растворах, близкие к оборотным, и работа электрического тока аккумулируется в виде свободной энергии продуктов реакции. Аккумулятор дает электрический ток при разряде, после чего снова можно его зарядить.

Рисунок 2. Общее устройство аккумулятора

Наиболее широко используют кислотный свинцовый, щелочной кадмиево — никелевый и щелочной серебряно — цинковый аккумуляторы.

3.1. Свинцовый кислотный аккумулятор

Свинцовый кислотный аккумулятор в заряженном состоянии представляет собой элемент:

(-) Pb, PbSO4 (т) | H2SO4 (32-34%) | PbO2, Pb (+)

при работе которого протекают следующие электродные реакции:

на левом катоде:

на правом электроде:

суммарная реакция процесса:

Рисунок 3. Схема действия свинцового аккумулятора

Изобарный потенциал этой реакции отражает исчезновение твердых свинца и его диоксина, возникновения твердого сульфата свинца, а также исчезновение 2 моль серной кислоты и возникновение 2 моль воды:

Так как химические потенциалы твердых фаз постоянные (при данных температуре и давлении), то

Изобарный потенциал и ЭДС аккумулятора зависят от концентрации серной кислоты (точнее — от активности компонентов раствора). В процессе разряда аккумулятора концентрация серной кислоты уменьшается, а при зарядке увеличивается.

2.3.2 кадмиево-никелевого щелочных аккумуляторов Этот аккумулятор в заряженном состоянии представляет собой электрохимический элемент:

(-) Cd | Cd (OH) 2, KOH (20%) | | KOH (20%), Ni (OH) 2, Ni (OH) 3/Ni (+)

Суммарная реакция и этом элементе:

Cd + 2Ni (OH) 3 = Cd (OH) 2 + 2Ni (OH) 2

Значение для этой реакции не должно зависеть от концентрации щелочи, так как в суммарной реакции участвуют только твердые вещества. Однако реакции на электродах сопровождаются изменением концентрации щелочи и образованием разности концентрации в двух электродов:

Эта разница должна определять концентрационную поляризацию, которая уменьшает ЭДС элемента. Однако в результате перемешивания в условиях близости электродов эта разница концентраций практически не возникает. ЭДС кадмиево — никелевого аккумулятора равна примерно 1,36 В. Используются следующие щелочные аккумуляторы, в которых кадмий и оксид кадмия заменяют железом и закисного железа.

2.3.4 серебряную — цинковых щелочных аккумуляторов Анодом является пористая цинковая пластинка, катодом оксиды серебра Ag2O и AgO, полученные электролитическим окислением металлического серебра. Электролит — концентрированный раствор КОН, насыщенный цинкаты калия Zn (OK) 2. Аккумулятор может быть представлен в виде:

(-) Zn | Zn (OK) 2 + KOH (40%) | Ag2O или AgO | Ag (+)

Суммарная реакция в этом элементе AgO + Zn = ZnO + Ag

Процесс проходит в две стадии: AgO восстанавливается сначала до Ag2O, далее до металлического серебра. ЭДС элементов с катодом AgO уровне 1,86 В, с катодом Ag2O — 1,58-1,60 В. При малой плотности тока напряжение падает на 0,3 В при переходе от первой стадии ко второй. Практически используется лишь вторая стадия. После разряда аккумулятора:

(-) Zn | ZnO, Zn (OK) 2 + KOH (40%) | Ag (+)

В таких аккумуляторах в отличие от свинцовых и щелочных электролит в реакциях заряда и разряда не участвует, поэтому его можно брать в малом количестве. Это позволило сконструировать аккумуляторы имеют очень эффективную конструкцию: электроды находятся друг к другу и разделены тонким слоем целлофана. Весь электролит находится в порах электродов. Серебряно — цинковые аккумуляторы имеют большую емкость, высокую энергию и высокую мощность на единицу массы и объема, именно этому они широко применяются там, где необходимы аккумуляторы небольшого размера.

Читайте также:  Чему равно сопротивление в физике

4. Топливные элементы

В наше время большая часть электроэнергии вырабатывается на тепловых электростанциях при сжигании природных энергоносителей (угля, нефти, природного газа). При этом процесс преобразования химической энергии топлива в электрическую проходит через три стадии: превращение химической энергии в тепловую при сгорании топлива, далее — тепловой энергии в механическую работу в паровой машине, наконец, превращения механической работы в электроэнергию в генераторе. На всех этих стадиях теряется энергия и коэффициент полезного действия (КПД) современных тепловых электростанций составляет около 40%, а для большинства электростанций — 25%. Термодинамический анализ, проведенный еще в конце XIX в. ., Показал, что в гальванических элементах нет такого ограничения КПД, как в тепловых машинах. В 1893 г. Нернст вычислил, что если бы удалось превращать химическую энергию угля в электрическую электрохимическим путем, то максимальный теоретический КПД такого процесса составил бы 99,75%. Однако из-за многочисленных технических трудностей первые работоспособные топливные элементы удалось создать лишь вх годах ХХ ст. . Топливными элементами называют гальванические элементы, в которых электрохимически активными веществами служат обычные горючие вещества и кислород, а процессом генерирования тока является окисление горючих веществ. При работе элемента проводится непрерывная подача реагентов и видвидення продуктов реакции, так что состав системы практически не меняется. При работе любого химического источника тока проходит суммарная химическая реакция взаимодействия окислителя с восстановителем. Максимальная электрическая работа, полученная при работе источника тока, равна уменьшению изобарного потенциала для этой реакции:

Преобразование энергии в электрическую путем топливных элементов довольно сложный процесс. Максимальная электрическая работа, полученная при сложном преобразовании, определяется тепловым эффектом реакции

Наиболее реакционно способным видом топлива является водород. Водородно — кислородные элементы обычно изготавливают с применением мелко мелких угольных или никелевых электродов погружены в щелочной раствор электролита. Схематично такой элемент можно представить в следующем виде:

(-) (Ni) H2 | KOH (30-40%) | O2 (Ni) (+)

Рисунок 4. Водородно-кислородный топливный элемент

При работе элемента на отрицательном электроде протекает электродная реакция:

Теоретическое значение ЭДС водородно — кислородного элемента при 250С равна 1,229 В и не зависит от состава раствора — электролита. При разряде водородно — кислородных элементов напряжение держится в пределах 07, — 0,9 В, в зависимости от плотности разрядного тока на электродах (в луговых конструкциях элементов плотность тока достигает 200-300 мА/см2). Другие виды газообразного топлива (оксид углерода, углеводороды) практически могут быть использованы в топливных элементах только при повышенных температурах (выше С). В таких высокотемпературных элементах в качестве электролита используют или расплавы углеродных солей щелочных металлов, или твердые электролиты с анионными (кислородной) проводнистю. Попытки непосредственно использовать твердый уголь в топливных элементах пока безуспешны. Уголь может быть использовано только после предварительной газификации его. Если газификацию проводить с помощью СО2, наблюдается следующая последовательность реакций:

Газификация В топливном элементе Суммарная реакция

Водород — кислородный элемент можно создать, например, с помощью двух платиновых электродов, погруженных в водный раствор гидроксида калия. Один электрод омывается водородом, другой — кислородом; Pt (H2) | KOH, насыщенный H2 | KOH, насыщенный О2 | (O2) Pt. В этом элементе окисления водорода и восстановления кислорода пространственно разделены, и ток генерируется в процессе реакций:

Т. е. суммарный процесс сводится к окислению водорода кислородом с образованием воды. Существенным недостатком, такого топливного элемента очень малая плотность тока. Для увеличения плотности тока используют повышенное давление и температуру, специальные конструкции электродов, перемешивания раствора и т. п.. Разработка топливных элементов продолжается. Принципиально доказана возможность использования некоторых видов топлива в топливных элементах и ??превращение их химической энергии в электрическую с практическим КПД до%.

5. Химические источники тока на основе неводных электролитов

Развитие техники, которая сделала качественный скачок во второй половине ХХ века, существенно повысил требования к источникам электроэнергии. Появление компактных ХДС стала очень актуальной. Нужны были ХДС, способны сохранять заряд и работать непрерывно годами. Кроме того растет дефицит цветных металлов, особенно серебра, требует их замены другими материалами. Решение этих задач стало возможным на основе создания источников тока с электролитами в неводных растворителях. В химических источниках тока как восстановители, как правило, используют металлы. Из сопоставления значений электродных потенциалов в ряду напряжений металлов следует, что наиболее энергоемкие анодные материалы расположены в верхнем левом углу периодической системы элементов. Теоретические значения удельной энергии, которые могут обеспечить эти металлы, составляют (в Втгод / кг): для Li — 11757, Mg — 5216, Al — 4946, Са — 3837, Na — 3163. В то же время теоретические значения удельной энергии для традиционных материалов ХДС равны: для Zn — 623, Fe — 423, Ni — 278, Cd — 190 Втгод / кг. Однако высокие электродные потенциалы делают металлы I, II, III группы периодической системы неустойчивыми в водной среде, что практически исключает их использование в ХДС. Энергетические возможности легких металлов удалось реализовать лишь после того, как было показано, что многие из них, и в первую очередь литий, стойки и способны анодно растворяться в неводных растворителях. Существует ряд органических соединений, которые не содержат в своей молекуле подвижного атома водорода и относятся к классу апротонных диполярного растворителей (АДР.). В электролитах на основе этих растворителей литий не только может сохраняться на протяжении многих лет, но и обнаруживает поведение, свойственную равновесным электродам. В частности, его потенциал подчиняется уравнению Нернста в широком интервале концентраций ионов лития, не зависит от перемешивания раствора, быстро возвращается к исходному значению после малых катодных и анодных поляризаций. Главным критерием, по которому были приняты к использованию растворители группы АДР, является их совместимость с литием. В наше время [ Когда? ] отсутствует строгий теоретический подход к выбору оптимального растворителя, поэтому в промышленном производстве используется ряд различных растворителей. К ним относятся в первую очередь простые и сложные эфиры, главным образом циклические: 1,2 — диметоксиетан (1,2 — ДМЭ), 1,3 — диоксолан (1,3 — К), метил формиат (МФ), пропилен карбонат ( ПК), тетрагидрофуран (ТГФ). Термодинамическими расчетами было доказано, что система Li — АДР не является устойчивой. Значения потенциалов для реакций взаимодействия лития с АДР могут достигать 2,5 — 4,3 В, а продуктами реакции являются соединения, нерастворимые в АДР. АДР имеют невысокую сольватуючу способность, и вследствие этого у них хорошо растворяются лишь некоторые литиевые соли. Это, главным образом, соединения с комплексными анионами, содержащие как центральный атом элементы третьей и пятой групп периодической системы. Как электролиты в промышленном производстве используются LiAs6, LiBF4, LiAlCl4, LiCl4, LiBr. Все эти соли сильно гигроскопичны, что значительно усложняет и удорожает производство из-за трудностей глубокого осушки и необходимости защиты всего технологического процесса от воздействия атмосферной влаги. Сейчас в литиевых ХИТ используются как твердые, так и жидкие катодные материалы. Высокий электродный потенциал лития позволяет применять слишком активные окислители и при этом получать электродные пары с ЭДС, более 3 В. Промышленность выпускает элементы с простыми (MnO2, CuO, V2O5) и сложными (2PbOPbO2, 2PbOBi2O3, Ag2OCrO3) оксидными катодами, с катодами из SO2, SOCl2. Разряд негативного литиевого электрода ведет к его ионизации:

Присутствие на поверхности лития оксидно — солевой пленки влияет на его потенциал и скорость разряда. В зависимости от природы катодного материала схемы электрохимических реакций можно изобразить уравнениями:

Распространенное производство цилиндрических и дисковых элементов различных конструкций. Создание ХДС на основе неводных электролитов стимулировало развитие теоретических представлений в области теории растворов, поверхностных явлений, новых типов неорганических соединений, нестехиометрических соединений, теории пористых электродов и т. п.. Теоретические достижения, в свою очередь, позволяют ожидать существенного улучшения новых поколений ХДС.

Это незавершенная статья по технологии.
Вы можете помочь проекту, исправив и дополнив ее.

Это незавершенная статья по химии.
Вы можете помочь проекту, исправив и дополнив ее.

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector