Chemiczne źródła prądu (w skrócie HIT) to urządzenia, w których energia reakcji redoks jest zamieniana na energię elektryczną. Inne ich nazwy to ogniwo elektrochemiczne, ogniwo galwaniczne, ogniwo elektrochemiczne. Zasada ich działania jest następująca: w wyniku interakcji dwóch odczynników zachodzi reakcja chemiczna z uwolnieniem energii z bezpośredniego prądu elektrycznego. W pozostałych źródłach prądowych proces wytwarzania energii elektrycznej przebiega według schematu wielostopniowego. Najpierw uwalniana jest energia cieplna, następnie zamieniana jest na energię mechaniczną, a dopiero potem na energię elektryczną. Zaletą HIT jest proces jednoetapowy, czyli uzyskanie energii elektrycznej natychmiast, z pominięciem etapów pozyskiwania energii cieplnej i mechanicznej.
Historia
Jak pojawiły się pierwsze bieżące źródła? Źródła chemiczne nazywane są ogniwami galwanicznymi na cześć włoskiego naukowca XVIII wieku – Luigiego Galvaniego. Był lekarzem, anatomem, fizjologiem i fizykiem. Jeden z jego kierunkówBadania polegały na badaniu reakcji zwierząt na różne wpływy zewnętrzne. Chemiczną metodę generowania elektryczności odkrył przypadkowo Galvani podczas jednego z eksperymentów na żabach. Połączył dwie metalowe płytki z odsłoniętym nerwem na żabiej nodze. Spowodowało to skurcz mięśni. Własne wyjaśnienie tego zjawiska przez Galvaniego było błędne. Ale wyniki jego eksperymentów i obserwacji pomogły jego rodakowi Alessandro Volcie w kolejnych badaniach.
Volta przedstawił w swoich pismach teorię występowania prądu elektrycznego w wyniku reakcji chemicznej między dwoma metalami w kontakcie z tkanką mięśniową żaby. Pierwsze źródło prądu chemicznego wyglądało jak pojemnik z solą fizjologiczną z zanurzonymi w nim płytkami cynku i miedzi.
HIT zaczął być produkowany na skalę przemysłową w drugiej połowie XIX wieku dzięki Francuzowi Leclanche, który wynalazł pierwotne ogniwo manganowo-cynkowe z elektrolitem solnym, nazwane jego imieniem. Kilka lat później to ogniwo elektrochemiczne zostało ulepszone przez innego naukowca i było jedynym podstawowym źródłem prądu chemicznego do 1940 roku.
Budowa i zasada działania HIT
Urządzenie do chemicznych źródeł prądu zawiera dwie elektrody (przewodniki pierwszego rodzaju) i umieszczony między nimi elektrolit (przewodnik drugiego rodzaju lub przewodnik jonowy). Na granicy między nimi powstaje potencjał elektroniczny. Elektroda, na której utleniany jest środek redukującynazywana anodą, a ta, na której redukowany jest środek utleniający, nazywana jest katodą. Razem z elektrolitem tworzą układ elektrochemiczny.
Produktem ubocznym reakcji redoks między elektrodami jest wytwarzanie prądu elektrycznego. Podczas takiej reakcji czynnik redukujący ulega utlenieniu i oddaje elektrony czynnikowi utleniającemu, który je przyjmuje i tym samym ulega redukcji. Obecność elektrolitu pomiędzy katodą a anodą jest warunkiem koniecznym reakcji. Jeśli po prostu zmieszasz ze sobą proszki z dwóch różnych metali, nie zostanie uwolniona energia elektryczna, cała energia zostanie uwolniona w postaci ciepła. Do usprawnienia procesu przenoszenia elektronów potrzebny jest elektrolit. Najczęściej jest to roztwór soli lub stop.
Elektrody wyglądają jak metalowe płytki lub siatki. Gdy są zanurzone w elektrolicie, powstaje między nimi różnica potencjałów elektrycznych - napięcie w obwodzie otwartym. Anoda ma tendencję do oddawania elektronów, podczas gdy katoda ma tendencję do ich przyjmowania. Na ich powierzchni zaczynają się reakcje chemiczne. Zatrzymują się po otwarciu obwodu, a także po zużyciu jednego z odczynników. Otwarcie obwodu następuje po usunięciu jednej z elektrod lub elektrolitu.
Skład układów elektrochemicznych
Chemiczne źródła prądu wykorzystują jako środki utleniające kwasy i sole zawierające tlen, tlen, halogenki, wyższe tlenki metali, związki nitroorganiczne itp. Metale i ich niższe tlenki, wodór są w nich czynnikami redukującymioraz związki węglowodorowe. Jak używane są elektrolity:
- Roztwory wodne kwasów, zasad, soli fizjologicznej itp.
- Niewodne roztwory o przewodności jonowej, otrzymywane przez rozpuszczanie soli w rozpuszczalnikach organicznych lub nieorganicznych.
- Stopione sole.
- Związki stałe z siecią jonową, w której jeden z jonów jest ruchomy.
- Elektrolity matrycowe. Są to roztwory płynne lub stopione znajdujące się w porach ciała stałego nieprzewodzącego - nośnika elektronów.
- Elektrolity jonowymienne. Są to związki stałe ze stałymi grupami jonogennymi o tym samym znaku. Jony drugiego znaku są ruchome. Ta właściwość sprawia, że przewodnictwo takiego elektrolitu jest jednobiegunowe.
Baterie galwaniczne
Chemiczne źródła prądu składają się z ogniw galwanicznych - ogniw. Napięcie w jednym z tych ogniw jest niewielkie - od 0,5 do 4V. W zależności od potrzeb w HIT stosowana jest bateria galwaniczna, składająca się z kilku połączonych szeregowo ogniw. Czasami stosuje się połączenie równoległe lub szeregowo-równoległe kilku elementów. W obwodzie szeregowym zawsze znajdują się tylko identyczne ogniwa lub baterie pierwotne. Muszą mieć te same parametry: układ elektrochemiczny, konstrukcję, opcję technologiczną i rozmiar standardowy. W przypadku połączenia równoległego dopuszczalne jest użycie elementów o różnych rozmiarach.
Klasyfikacja trafień
Chemiczne źródła prądu różnią się:
- rozmiar;
- projekty;
- odczynniki;
- charakter reakcji tworzenia energii.
Te parametry określają właściwości wydajności HIT odpowiednie dla konkretnego zastosowania.
Klasyfikacja pierwiastków elektrochemicznych opiera się na różnicy w zasadzie działania urządzenia. W zależności od tych cech wyróżniają:
- Podstawowe źródła prądu chemicznego to elementy jednorazowego użytku. Mają pewien zapas odczynników, które są zużywane podczas reakcji. Po całkowitym rozładowaniu takie ogniwo traci swoją funkcjonalność. Innymi słowy, pierwotne HIT nazywane są ogniwami galwanicznymi. Poprawnie będzie je nazywać po prostu - element. Najprostszymi przykładami podstawowego źródła zasilania są „baterie” A-A.
- Ładowalne źródła prądu chemicznego - baterie (nazywane również wtórnymi, odwracalnymi HIT) to ogniwa wielokrotnego użytku. Przepuszczając prąd z obwodu zewnętrznego w przeciwnym kierunku przez akumulator, po całkowitym rozładowaniu zużyte odczynniki są regenerowane, ponownie gromadząc energię chemiczną (ładowanie). Dzięki możliwości ładowania z zewnętrznego źródła prądu stałego, urządzenie to służy przez długi czas, z przerwami na ładowanie. Proces wytwarzania energii elektrycznej nazywany jest rozładowaniem baterii. Takie HITy obejmują baterie do wielu urządzeń elektronicznych (laptopy, telefony komórkowe itp.).
- Termiczne źródła prądu chemicznego - urządzenia ciągłe. Ww trakcie ich pracy następuje ciągły dopływ nowych porcji odczynników i usuwanie produktów reakcji.
- Połączone (półpaliwowe) ogniwa galwaniczne mają zapas jednego z odczynników. Drugi jest podawany do urządzenia z zewnątrz. Żywotność urządzenia zależy od ilości pierwszego odczynnika. Kombinowane chemiczne źródła prądu elektrycznego są używane jako baterie, jeśli możliwe jest przywrócenie ich ładunku poprzez przepuszczenie prądu z zewnętrznego źródła.
- HIT odnawialny, ładowany mechanicznie lub chemicznie. Dla nich możliwe jest zastąpienie zużytych odczynników nowymi porcjami po całkowitym rozładowaniu. Oznacza to, że nie są to urządzenia ciągłe, ale, podobnie jak baterie, są okresowo doładowywane.
Funkcje HIT
Główne cechy chemicznych źródeł zasilania to:
- Napięcie obwodu otwartego (napięcie ORC lub napięcie rozładowania). Wskaźnik ten zależy przede wszystkim od wybranego układu elektrochemicznego (połączenie środka redukującego, utleniacza i elektrolitu). Na NRC wpływa również stężenie elektrolitu, stopień rozładowania, temperatura i inne. NRC zależy od wartości prądu przepływającego przez HIT.
- Moc.
- Prąd rozładowania - zależny od rezystancji obwodu zewnętrznego.
- Capacity - maksymalna ilość energii elektrycznej, którą HIT oddaje po całkowitym rozładowaniu.
- Rezerwa mocy - maksymalna energia odbierana, gdy urządzenie jest całkowicie rozładowane.
- Charakterystyka energetyczna. W przypadku akumulatorów jest to przede wszystkim gwarantowana liczba cykli ładowania-rozładowania bez zmniejszania pojemności lub napięcia ładowania (zasobu).
- Zakres roboczy temperatur.
- Okres trwałości to maksymalny dopuszczalny czas między produkcją a pierwszym rozładowaniem urządzenia.
- Okres użytkowania - maksymalny dopuszczalny całkowity okres przechowywania i eksploatacji. W przypadku ogniw paliwowych liczy się ciągła i przerywana żywotność.
- Całkowita energia rozproszona w ciągu całego życia.
- Wytrzymałość mechaniczna na wibracje, wstrząsy itp.
- Możliwość pracy w dowolnej pozycji.
- Niezawodność.
- Łatwa konserwacja.
Wymagania dotyczące trafienia
Konstrukcja ogniw elektrochemicznych musi zapewniać warunki sprzyjające najbardziej wydajnej reakcji. Warunki te obejmują:
- zapobieganie upływowi prądu;
- nawet praca;
- wytrzymałość mechaniczna (w tym szczelność);
- oddzielanie odczynników;
- dobry kontakt między elektrodami a elektrolitem;
- rozpraszanie prądu ze strefy reakcji do zacisku zewnętrznego przy minimalnych stratach.
Chemiczne źródła prądu muszą spełniać następujące wymagania ogólne:
- najwyższe wartości określonych parametrów;
- maksymalny zakres temperatur pracy;
- największe napięcie;
- koszt minimalnyjednostki energii;
- stabilność napięcia;
- bezpieczeństwo ładowania;
- bezpieczeństwo;
- łatwość konserwacji i idealnie brak takiej potrzeby;
- długa żywotność.
HIT eksploatacyjny
Główną zaletą pierwotnych ogniw galwanicznych jest to, że nie wymagają one żadnej konserwacji. Zanim zaczniesz z nich korzystać, wystarczy sprawdzić wygląd, datę ważności. Podczas podłączania ważne jest przestrzeganie biegunowości i sprawdzenie integralności styków urządzenia. Bardziej złożone źródła prądu chemicznego - baterie, wymagają poważniejszej pielęgnacji. Ich konserwacja ma na celu maksymalizację ich żywotności. Dbanie o baterię to:
- utrzymuj w czystości;
- monitorowanie napięcia w obwodzie otwartym;
- utrzymanie poziomu elektrolitu (do uzupełniania można używać wyłącznie wody destylowanej);
- kontrola stężenia elektrolitu (za pomocą areometru - prostego urządzenia do pomiaru gęstości cieczy).
Podczas obsługi ogniw galwanicznych należy przestrzegać wszystkich wymagań dotyczących bezpiecznego użytkowania urządzeń elektrycznych.
Klasyfikacja HIT według systemów elektrochemicznych
Rodzaje chemicznych źródeł prądu, w zależności od systemu:
- ołów (kwas);
- nikiel-kadm, nikiel-żelazo, nikiel-cynk;
- mangan-cynk, miedź-cynk, rtęć-cynk, chlorek cynku;
- srebro-cynk, srebro-kadm;
- powietrze-metal;
- nikiel-wodór i srebro-wodór;
- mangan-magnez;
- lit itp.
Nowoczesne zastosowanie HIT
Chemiczne źródła prądu są obecnie używane w:
- pojazdy;
- urządzenia przenośne;
- technologia wojskowa i kosmiczna;
- sprzęt naukowy;
- medycyna (rozruszniki serca).
Zwykłe przykłady HIT w życiu codziennym:
- baterie (suche baterie);
- baterie do przenośnych urządzeń gospodarstwa domowego i elektroniki;
- zasilacze bezprzerwowe;
- akumulatory samochodowe.
Szczególnie szeroko stosowane są litowe źródła prądu chemicznego. Dzieje się tak, ponieważ lit (Li) ma najwyższą energię właściwą. Faktem jest, że ma najbardziej ujemny potencjał elektrody spośród wszystkich innych metali. Akumulatory litowo-jonowe (LIA) wyprzedzają wszystkie inne systemy CPS pod względem energii właściwej i napięcia roboczego. Teraz stopniowo opanowują nowy obszar - transport drogowy. W przyszłości rozwój naukowców związany z ulepszaniem akumulatorów litowych będzie zmierzał w kierunku ultracienkich konstrukcji i dużych akumulatorów o dużej wytrzymałości.
