Історія відкриття і розвитку хімічних джерел струму

 

 

1.4.Класифікація основних типів хімічних джерел струму

 

Існує багато варіантів ХДС, що відрізняються розмірами, конструктивними особливостями і природою реакції що в них протікає. В залежності від варіанту змінюються показники та експлуатаційні властивості. Така різноманітність цілком виправдана, оскільки ХДС використовуються в різних умовах і кожна область застосування має свої специфічні особливості.

 

Первинні хімічні джерела струму - елементи одноразової дії, їх називають гальванічними елементами або просто елементи. До первинних джерел струму відносяться різні гальванічні елементи і батареї. Гальванічний  елемент - хімічне джерело електричного струму, названий на честь Луїджі Гальвані. Принцип дії гальванічного елемента грунтується на взаємодії двох металів через електроліт,що призводять до виникнення в замкнутому ланцюгі електричного струму. ЕРС гальванічного елемента залежить від матеріалу електродів і складу електроліту. Реагенти (окисник і відновник) входять у склад гальванічного елемента і витрачаються у його роботі.Гальванічний  елемент характеризується ЕРС, напругою, потужністю, ємністю і енергією, що віддається  на зовнішній ланцюг, і навіть збереженістю  й екологічною безпекою.

Вторинні хімічні джерела струму – це акумулятори багаторазової дії (тобто на відміну від гальванічного елемента хімічні реакції, безпосередньо перетворюються на електричну енергію, багаторазово оборотні)

Аккумулятори – це пристрої, де під впливом зовнішнього джерела струму у системі накопичується (акумулюється) хімічна енергія (процес зарядки акумулятора), та був під час роботи пристрою (розрядка) хімічна енергія знову перетворюється на електричну. Отже, при зарядкі акумулятор працює як електролізер, а при розрядці – як гальванічний елемент.

У спрощеному вигляді акумулятор є два електрода (анод і катод) і іонний провідник з-поміж них – електроліт. На аноді як при розряді  так і заряді протікають реакції окислення, але на катоді – реакції відновлення.

Паливні елементи - електрохімічний пристрій, подібний до гальванічного елемента, але відміний від нього тим, що речовини для електрохімічної реакції подаються в нього ззовні, а продукти реакцій видаляються потім із нього, що дозволяє йому функціонувати безупинно.

У наш час велика частина електроенергії виробляється на теплових електростанціях при спалюванні природних енергоносіїв (вугілля, нафти, природного газу). При цьому процес перетворення хімічної енергії палива в електричну проходить через три стадії: перетворення хімічної енергії у теплову при згоранні палива; далі - теплової енергії у механічну роботу у паровій машині; нарешті, перетворення механічної роботи в електроенергію у генераторі. На всіх цих стадіях втрачається енергія і коефіцієнт корисної дії (ККД) сучасних теплових електростанцій становить близько 40%, а для більшості електростанцій - 25%. Термодинамічний аналіз, проведений ще в кінці XIX ст., показав, що в гальванічних елементах немає такого обмеження ККД, як у теплових машинах.

Паливними елементами називають гальванічні елементи, в яких електрохімічно активними речовинами слугують звичайні горючі речовини і кисень, а процесом генерування струму є окислення горючих речовин. При роботі елемента проводиться безперервна подача реагентів і відвідення продуктів реакції, так що склад системи практично не змінюється. При роботі будь-якого хімічного джерела струму проходить сумарна хімічна реакція взаємодії окисника з відновником.

Електрохімічні конденсатори - конденсатори, які в якості діелектрика використовують тонку оксидну плівку, нанесену на поверхню одного з електродів (металевого) - анода, а в ролі другого електрода - катода - виступає електроліт. Головна особливість електролітичних конденсаторів полягає в тому, що вони, в порівнянні з іншими типами конденсаторів, володіють великою ємністю при досить невеликих габаритах, крім того, вони є полярними електричними накопичувачами, тобто, повинні включатися в електричний ланцюг з дотриманням полярності. Існують і "неполярні" електролітичні конденсатори, але при рівній ємності їх габарити більші (як і ціна).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

РОЗДІЛ 2.  НАЙБІЛЬШ ПОШИРЕННІ ТА ПЕРСПЕКТИВНІ ХІМІЧНІ ДЖЕРЕЛА СТРУМУ

Хімічні джерела струму (ХДС) є однією з найбільш широко використовуваної технічної продукції в світі.

Щороку кількість пристроїв у світі, які працюють від акумуляторних батарей, неухильно зростає. Не секрет, що найслабшою ланкою сучасних пристроїв є саме акумулятори. Їх приходиться регулярно заряджати, вони володіють не такою великою ємністю. Існуючі акумуляторні батареї насилу дозволяють добиратися автономної роботи планшета або мобільного комп'ютера протягом декількох днів.

Тому виробники електромобілів, планшетів і смартфонів сьогодні зайняті пошуком можливостей збереження значних обсягів енергії в більш компактних обсягах самого акумулятора. Незважаючи на різні вимоги, пропоновані до батарей для електромобілів і мобільних пристроїв, між ними можна легко провести паралелі. Зокрема, відомий електрокар Tesla Roadster живиться від літій-іонної батареї, розробленої спеціально для ноутбуків. Правда, для забезпечення електроенергією спортивного автомобіля інженерам довелося використовувати більше шести тисяч таких елементів живлення одночасно.

Чи йде мова про електромобіль або мобільних пристроях, універсальні вимоги до акумулятора майбутнього очевидні - він повинен бути менше, легше і накопичувати значно більше енергії

 

 

2.1.Свинцеві акумулятори (SLA)

 

Свинцеві акумулятори є найбільш поширеними серед вторинних хімічних джерел струму. Абревіатура SLA розшифровується як Sealed Lead Acid - герметична свинцево-кислотна батарея.

 Свинцевий акумулятор вперше зібрав Гастон Планте: в 1859 р він опустив дві свинцеві пластини в резервуар з сірчаною кислотою і якийсь час пропускав через них електричний струм. Потім, підключивши до пластин гальванометр, зареєстрував резервуаром напругу. Тепер розглянемо хімічний процес, який протікає в SLA-акумуляторі "розливу" 90-х років.

 

Батарея складається з двох пластинчастих електродів (позитивного і негативного), розділених шаром, виготовленим з тонкого скловолокна. Пластини поміщені в герметичний корпус, забезпечений клапаном безпеки, що відкривається при тиску, що перевищує 43 кПа, і залиті розведеною сірчаною кислотою. Обидва електроди виготовлені зі сплаву свинцю, олова і кальцію, позитивний містить пористий діоксид свинцю (PbO2), а негативний чистий свинець (Pb).

Активними речовинами свинцевого акумулятора, що приймають участь у струмоутворюючих реакціях, є:

• на позитивному електроді - діоксид свинцю PbO2 (темно-коричневого кольору);

• на негативному електроді - губчастий свинець Pb (сірого кольору);

• електроліт - водний розчин сірчаної кислоти H2SO4

У ході розряду акумулятора активна маса негативного електрода перетворюється з губчастого свинцю в сульфат свинцю, зі зміною сірого кольору на світло-сірий, віддаючи два електрони в електричний ланцюг.

Pb + HSO4- → PbSO4 + H + + 2e-

Активна маса позитивного електрода по ходу розряду перетворюється з діоксиду свинцю PbO2, так само як і активна маса негативного електрода, в сульфат свинцю PbSO4 зі зміною кольору з темно-коричневого на світло-коричневий, поглинаючи два електрона.

PbO2 + HSO4- + 3H + + 2e- → PbSO4 + 2H2O

В результаті розряду акумулятора активні матеріали і позитивного (PbO2), і негативного (Pb) електродів перетворюються в сульфат свинцю PbSO4. При цьому на формування сульфату свинцю витрачається сульфатна кислота, що викликає зниження концентрації електроліту і як наслідок зниження його щільності.

Сумарна реакція при розряді акумулятора:

PbO2 + Pb + 2H2SO4 → 2PbSO4 + 2H2O

При зарядці акумулятора йдуть зворотні в протилежну сторону, в ході яких крім усього іншого відбувається утворення сірчаної кислоти, в результаті чого при заряді зростає щільність електроліту. Сумарне рівняння процесу заряду:

2PbSO4 + 2H2O → PbO2 + Pb + 2H2SO4

У процесі розрядки діоксид і чистий свинець перетворюються на сульфати (PbSO4). Відповідно деяка частина кислоти, віддавши атоми сірки, трансформується в звичайну воду. Під час зарядки відбувається зворотна реакція, при цьому, якщо спробувати продовжити її після досягнення акумулятором максимальної місткості, на позитивному електроді починає виділятися газ (кисень).

Кожен акумулятор складається з просторово розділених різнойменних електродів, занурених у розчин електроліту і поміщених в міцний корпус, який стійкий до хімічної дії електроліту, механічних навантажень і температурних коливань.

Свинцеві батареї відрізняються більшою масою, низькою електричною щільністю і коротким терміном експлуатації (200, максимум 500 циклів). Що приваблює покупців, так це висока напруга елемента (6 або 12 В), низька ціна і невибагливість SLA. У них відсутній ефект пам'яті, а швидкість саморозрядки не перевищує 40% на рік. Зберігати їх слід тільки в зарядженому стані, оскільки при глибокому розряді починається процес сульфітації, значно погіршує показники батареї. Відносно недавно SLA-акумулятори можна було заряджати виключно за допомогою методу повільної зарядки (6-12 год). Проте в останніх моделях (зокрема, Panasonic) можливе використання і швидкого режиму (1-2 год). Діапазон допустимих температур для зарядки від 0 до +40 ° C, для розрядки від -15 до +50 ° C.

Свинцеві батареї знаходять застосування в найрізноманітнішому портативному обладнанні, різні системи сигналізації, пожежної безпеки, аварійного освітлення, телекомунікаційні та контрольно-вимірювальні прилади, електронні ваги і касові апарати, побутова техніка (портативні телевізори, відеомагнітофони, пилососи, вентилятори) електронні ігри. Найбільш потужні батареї дуже зручні для інвалідних електрифікованих крісел, дитячих ролерів. Крім цього, батареї можуть бути використані в блоках безперебійного живлення комп'ютерів та оргтехніки, а також в якості джерел енергопостачання будь-якої електронної апаратури, в тому числі у фахових відеокамерах і потужних стільникових телефонах класу "Аташе" (перевозяться в кейсах або вбудовуються в автомобіль).

 

 

2.2.Нікель–кадмієві акумулятори

 

Лужні нікель-кадмієві акумулятори (Ni-Cd) були винайдені ще в 1899 р Вальдмаром Юнгнер. Однак матеріали для виробництва таких акумуляторів коштували дорожче матеріалів для виробництва акумуляторів інших типів, і тому в той час широкого використання вони не знайшли. Тільки в 1932 р була розроблена технологія нанесення активного матеріалу пластин шляхом осадження на губчастий (пористий) покритий нікелем електрод. А в 1947 р стали відомі роботи над створенням герметичних нікель-кадмієвих акумуляторів, в яких була здійснена можливість рекомбінації газів, що виділялися в процесі заряду, без їх відведення. Кінцевим результатом цих розробок і стала поява герметичних нікель-кадмієвих акумуляторних батарей, використовуваних і в даний час.

Для нікель-кадмієвих акумуляторів вкрай необхідний повний періодичний розряд: якщо його не робити, на пластинах елементів формуються великі кристали, значно знижують їх ємність (так званий "ефект пам'яті").

Принцип роботи

Анодом є металічний кадмій Cd (у вигляді порошку), електролітом — гідроксид калію KOH з додаванням гідроксиду літію LiOH (для утворення нікелатів літію і збільшення ємності на 21-25 %), катод — гідрат окисиду нікелю NiOOH з графітовим порошком (близько 5-8 %).

ЕРС нікель-кадмієвого акумулятора близько 1,45 В, питома енергія близько 45—65 Вт·год/кг. В залежності від конструкції, режиму роботи (тривалі чи короткі розряди), і чистоти матеріалів, що застосовуються, термін служби становить від 100 до 3500 циклів заряд-розряд.

Основні електрохімічні процеси Ni-Cd акумулятора

Основний процес, що відбувається на позитивному оксидно-нікелевому електроді в циклі заряду-розряду акумуляторів, описується таким чином:

Ni (OH)2 + OH- → NiOOH + H2O + e- (заряд)

NiOOH + H2O + e- → Ni (OH) 2 + OH- (розряд)

На негативному кадмієвому електроді акумулятора проходить реакція:

Cd (OH) 2 + 2e- → Cd + 2OH- (заряд)

Cd + 2OH- → Cd (OH) 2 + 2e- (розряд)

Загальна реакція в Ni-Cd акумуляторі має вигляд:

2Ni (OH)2 + Cd (OH)2 → 2NiOOH + Cd + 2H2O (заряд)

2NiOOH + Cd + 2H2O → 2Ni (OH)2 + Cd (OH)2 (розряд)

При перезаряді нікель-кадмієвих акумуляторів на позитивному електроді йде побічний процес виділення кисню:

2OH- → 1/2O2 + H2O + 2e- (перезаряд)

Кисень крізь пористий сепаратор досягає негативного електрода і відновлюється на ньому:

1/2O2 + Cd + H2O → Cd (OH)2 (перезаряд)

Остання реакція втілює в життя замкнутий кисневий цикл і забезпечує стабілізацію тиску в герметичному нікель-кадмієвому акумуляторі при його перезаряді. Потрібно відзначити, що тиск в акумуляторі визначається не тільки швидкостями протікання зазначених реакцій, але, головним чином, швидкістю доставки кисню від позитивного електрода до негативного. Так само, при перезаряді негативного кадмієвого електрода може мати місце реакція виділення водню:

H2O + e- → OH- + 1 / 2H2

який окислюється на оксидно-нікелевому електроді відповідно до реакції:

NiOOH + 1/2H2 → Ni (OH) 2

Реакція утворення водню небезпечна для герметичного акумулятора, так як вона може призвести до накопичення водню через низьку швидкость реакції його поглинання. Для того щоб в стандартній ситуації, умов для протікання реакції виділення водню не виникало, в герметичному акумуляторі ємність негативного електрода об'ємно помітно перевершує ємність позитивного. Тому ємність герметичного нікель-кадмієвого акумулятора визначається ємністю його позитивного оксидно-нікелевого електрода.

Переваги

Недоліки

можливість швидкого і простого заряду, навіть після тривалого зберігання акумулятора; велика кількість циклів заряд/розряд: при правильній експлуатації - більше 1000 циклів; хороша здатність навантаження і можливість експлуатації при низьких температурах; тривалі терміни зберігання при будь-якого ступеня заряду; збереження стандартної ємності при низьких температурах; найбільша пристосованість для використання в жорстких умовах експлуатації; низька вартість;

відносно низька порівняно з іншими типами акумуляторних батарей енергетична щільність; властивий цим акумуляторам ефект пам'яті і необхідність проведення періодичних робіт з його усунення; токсичність застосовуваних матеріалів, що негативно позначається на екології, і деякі країни обмежують використання акумуляторів цього типу; відносно високий саморозряд - після зберігання неоходім цикл заряду.