Химические источники тока. Виды и особенности. Устройство и работа

Химические источники тока (ХИТ) — эта тема имеет высокое практическое значение. Это кардиостимуляторы, электромобили, которые пытаются сохранить экологию, портативные устройства, включая фото и видеотехнику, компьютерную технику, навигаторы. За последние годы прогресс химических источников тока произошел большой, от известных свинцовых аккумуляторов, которые постепенно вытесняются литий-ионными, литий-полимерными и другими аккумуляторами.

В этой области борьба идет за мощность, емкость, которая позволяет максимально долго использовать источники тока. Дополнительным стимулом к их развитию является создание гибких источников тока. Научная составляющая в этой области лежит в плане разработки материалов для таких химических элементов.

Устройство и работа

Химические источники тока состоят из электродов и электролита, который находится в емкости. Электрод, на котором окисляется восстановитель, называется анодом. Электрод, на котором восстанавливается окислитель, называется катодом. В общем получается электрохимическая система.

Попутным результатом такой реакции стало возникновение тока. Восстановитель передает электроны на окислитель, который восстанавливается. Электролит, который находится между электродами, нужен для прохождения реакции. Если перемешать порошки различных двух металлов, то электричество не возникнет, энергия появится в виде теплоты. Электролит необходим для упорядочения процесса движения электронов. Электролит состоит обычно из раствора соли или расплавленного вещества.

Электроды имеют вид решеток или пластин из металла. При помещении их в раствор электролита получается разность потенциалов пластин. Анод отдает электроны, а катод их принимает. На поверхности возникают химические реакции. Когда цепь размыкается, то реакции прекращаются. Если реагенты закончились, то реакция также больше не идет. Если удалить один из электродов, то цепь размыкается.

Из чего состоят химические источники тока

В качестве окислителей применяются соли и кислородосодержащие кислоты, а также нитроорганические вещества, кислород. В качестве восстановителей применяются металлы, оксиды, углеводороды.

Электролит может состоять из:

• Соли, щелочи и кислоты, растворенные в воде.
• Соли в растворе, с возможностью электронной проводимости.
• Расплавленные соли.
• Твердые вещества с подвижным ионом.
• Электролиты в виде матрицы. Это растворы жидкости, расплавы, которые находятся в порах электроносителя.
• Электролиты с ионным обменом. Твердые вещества с закрепленными ионогенными группами, с одним знаком. С другим знаком ионы подвижны. Эта характеристика позволяет создать однополярную проводимость.

Гальванические элементы

Напряжение на ячейке составляет 0,5-4 вольта. В химических образцах источника применяют гальваническую батарею, которая состоит из элементов. Может использоваться параллельная схема нескольких элементов. При последовательной схеме в цепь включены одинаковые батареи. Они должны обладать одинаковыми свойствами, с одной конструкцией, технологией, типоразмером. Для схемы параллельного соединения подойдут элементы с различными свойствами.

Классы

Химические источники тока делятся по следующим свойствам:

• Размерности.
• Конструктивным особенностям.
• Применяемым химическим веществам.
• Источнику реакции.

Эти свойства создают эксплуатационные параметры источников, которые подходят для определенной области использования.

Деление на классы электрохимических источников основывается на отличии в способе действия устройства. По этим свойствам их различают:

• Первичные источники – для однократного применения. В них заключен определенный запас веществ, который будет израсходован при реакции. Когда произойдет разряд, ячейка исчерпывает свою способность к работе. Первичные источники, основанные на химических реакциях, называются элементами. Наиболее простой элемент – это батарейка типа АА.
• Химические источники тока , которые имеют возможность перезаряжаться, называются аккумуляторами, это вторичные многоразовые элементы. Израсходованные химические элементы могут регенерироваться и снова накопить энергию, путем подключения к ним тока. Это называется зарядкой элементов. Такие элементы применяют длительное время, так как их легко зарядить. В процессе разряда вырабатывается электрический ток. К таким источникам можно причислить элементы питания различных видов приборов и устройств, таких как смартфоны, ноутбуки и т.д.
• Тепловые химические источники тока – это приборы постоянного действия. В результате их работы постоянно поступает новая порция веществ и удаляется использованный продукт реакции.
• В смешанных элементах находится запас реагента. Другой реагент поступает в устройство снаружи. Время действия устройства имеет зависимость от резерва первого вещества. Комбинированные элементы применяются в качестве аккумуляторов, когда имеется возможность регенерации их заряда через прохождение тока от внешнего питания.
• Химические источники тока, которые могут возобновлять заряд , заряжаются разными способами. В них можно заменять израсходованные реагенты. Такие источники действуют не постоянно.

Свойства

Основные характеристики ХИТ можно перечислить в таком виде:

• Разрядное напряжение. Это свойство имеет зависимость от определенной электрохимической системы. А также оказывает влияние процент концентрации электролита, температура, ток.
• Мощность.
• Разрядный ток, зависящий от сопротивления цепи.
• Емкость, наибольшее количество энергии, которое источник выдает при общем разряде.
• Запас энергии – наибольшая энергия, которая получена при полном разряде устройства.
• Энергетические свойства и характеристики. Для батарей аккумуляторов это число циклов заряда и разряда, без уменьшения емкости и напряжения (ресурс).
• Температурный интервал работы.
• Сохраняемый срок – наибольший допускаемый период времени от изготовления до первого разряда элемента.
• Время службы – наибольший допускаемый срок работы и хранения. Для элементов на топливе имеют значение сроки работы при постоянной и периодической работе.
• Полная энергия, отданная за все время работы.
• Механическая, вибрационная прочность.
• Возможность функционирования в любом положении.
• Надежная работа.
• Простота в уходе.

Сахарная батарея

Чтобы произвести литий-ионные аккумуляторы в Японии закупают материалы в других странах. Это негативно сказывается на экономическом положении страны. Поэтому ученые ищут способы изготовления аккумуляторов из того сырья, которое имеется в наличии. Таким сырьем в Японии стал сахар. Аккумулятор на сахаре в Японии по свойствам имеет надежность и энергоемкость выше обычных аналогов, и стоимость его ниже.

Большой спрос на литий, который вызван резким распространением переносных аккумуляторов, озаботил производителей аккумуляторов, так как этот элемент добывается только в странах с политической нестабильностью. Это явилось вторым фактором поиска альтернативных материалов для недорогих аккумуляторов с высокой надежностью. Сахароза легко преобразуется в дешевый материал для анодного сырья в литий-ионных батареях.

Сахар нагревают в условиях вакуума под давлением до 1500 градусов. Он превращается в порошок, состоящий из углерода, который может повысить заряд на 20% больше аналогичных изделий. Это явилось первым шагом в разработке дешевых батарей. Пока такие виды батарей не составляют конкуренции современным аккумуляторам. Но ученые предполагают, что в будущем подобные разработки вытеснят дорогие изделия.

Требования

Конструктивные особенности химических источников тока должны создавать условия, которые способствовали бы максимальной эффективности химических реакций.

К таким условиям можно отнести:

• Недопущение утечек тока.
• Постоянная работа.
• Герметичность.
• Раздельное помещение реагентов.
• Качественное контактирование электролита с электродами.
• Хороший отвод тока из объекта химической реакции до наружного вывода с наименьшими потерями.

К химическим элементам предъявляются требования:

• Повышенные значения свойств.
• Максимальный диапазон температуры работы.
• Наибольшее напряжение.
• Минимальная себестоимость электричества.
• Постоянное значение напряжения.
• Хорошее сохранение заряда.
• Безопасное функционирование.
• Простое обслуживание, или ее отсутствие.
• Долговременная работа.

Эксплуатация источников тока

Основное достоинство первичных элементов состоит в отсутствии надобности обслуживания. Перед работой нужно просто осмотреть их, определить срок годности. При включении в цепь нельзя путать полярность и допускать повреждения контактов. Сложные конструкции источников требуют особого ухода. Цель его заключается в удлинении срока службы до максимума.

Уход за аккумуляторами требует выполнения следующих мероприятий:

• Обеспечение чистоты.
• Контроль параметра напряжения отключенной цепи.
• Обеспечение необходимого уровня электролита, доливки дистиллированной воды.
• Проверка концентрации электролита ареометром.

При использовании батареек (гальванических элементов) нужно выполнять требования, которые относятся к применению электрических приборов.

Сфера использования

В современное время химические источники тока используются в:

• Транспорте.
• Переносных устройствах.
• Космической технике.
• Оборудовании научных исследований.
• Медицинских приборах.

Применяются в бытовой сфере:

• Батарейки (сухие).
• Батареи аккумуляторов электроники.
• Аккумуляторы на автомобилях.

Большое распространение нашли литиевые химические источники тока. Это обусловлено наличием у лития максимальной удельной энергии. Он отличается наиболее отрицательным потенциалом электрода из металлов. Батареи литий ионного типа опередили все другие источники по размеру значений удельной энергии. В настоящее время ученые разрабатывают различные усовершенствования литиевых аккумуляторов. Разработки ведутся в направлении получения конструкций корпуса сверхмалой толщины, которые будут использоваться для питания смартфонов и подобных им гаджетов, а также создание сверхмощных батарей аккумуляторов.

В последнее время серьезные работы ученых ведутся по изобретению и модернизации топливных батарей – устройств, которые создают электрическую энергию, за счет проведения химических реакций веществ, постоянно подающихся к электродам снаружи. Для окисления берут кислород, а в качестве топлива пытаются использовать водород. На основе таких батарей уже действуют некоторые опытные образцы на электростанциях.

Источник

АККУМУЛЯТОРЫ

АККУМУЛЯТОРЫ электрические (от лат. accumulator- собиратель, накопитель), хим. источники тока многократного действия. При заряде от внеш. источника электрич. тока в аккумуляторе накапливается энергия, к-рая при разряде вследствие хим. р-ции непосредственно превращ. снова в электрическую и выделяется во внеш. цепь. По принципу работы и осн. элементам конструкции аккумуляторы не отличаются от гальванических элементов, но электродные р-ции, а также суммарная токообразующая р-ция в аккумуляторах обратимы. Поэтому после разряда аккумулятора может быть снова заряжен пропусканием тока в обратном направлении: на положит. электроде при этом образуется окислитель, на отрицательном-восстановитель.

Наиб. распространены свинцовые аккумуляторы, часто наз. также кислотными. Их действие основано на р-ции:

Электролит — р-р H₂SO₄ с концентрацией 12-24% по массе в разряженном состоянии и 28-40% в заряженном. Напряжение разомкнутой цепи (НРЦ) 1,95-2,15 В. Чаще всего применяют электроды из пасты, содержащей смесь Рb₃О₄ и РbО с H₂SO₄ (активная масса); эту пасту намазывают на профилированную сетку-токоотвод из сплава Рb с 2-12% Sb. Электроды формируют, пропуская через р-р электролита зарядный ток в определенном режиме; при этом на одном электроде образуется РbО₂, на другом-Рb. Затем электроды отмывают и сушат в условиях, исключающих возможность окисления Рb. Аккумуляторы, собранные из таких электродов, после заливки у потребителя р-ром H₂SO₄ готовы к эксплуатации без подзаряда (остальные виды аккумуляторов требуют дополнит. заряда). Применяют также панцирные электроды, в к-рых активная масса заключена в перфорированную пластмассовую или тканевую трубку.

Первый свинцовый аккумулятор был создан Г. Планте в 1859. Сейчас более половины мирового произ-ва Рb расходуется на изготовление свинцовых аккумуляторов с единичной емкостью 2-5000 А * ч и уд. энергией 25-40 Вт * ч/кг. Осн. достоинства таких аккумуляторов: относит. дешевизна, пологие разрядная и зарядная кривые, возможность работать в разл. режимах разряда; недостаток — невысокий ресурс работы (число допустимых циклов заряд-разряд для стартерных аккумуляторов 100-300, для тяговых с панцирными электродами 800-1500). В конце заряда на электродах свинцового аккумулятора наблюдается заметное выделение газов, к-рые часто увлекают за собой туман из капель H₂SO₄. В связи с этим большое внимание уделяется созданию герметизированных свинцовых акуумуляторов.

Щелочные никель-кадмиевые (НКА) и никельжелезные (НЖА) аккумуляторы по распространению занимают второе место после свинцовых. Токообразующая реакция:

где M-Cd или Fe. Электролит-водный р-р КОН, в к-рый иногда вводят LiOH для улучшения работоспособности окисноникелевого электрода. НРЦ составляет 1,30-1,34 В для НКА и 1,37-1,41 В для НЖА (спустя нек-рое время после окончания заряда), уд. энергия 20-35 Вт*ч/кг. Щелочные аккумуляторы имеют, как правило, высокий ресурс — 1-2 тыс. циклов. Электроды м.б. разл. конструкции: ламельные, в к-рых активная масса заключена в плоские коробочки-ламели из перфорированной стальной ленты; спеченные, в к-рых активная масса вводится в поры основы, образуемой при спекании порошкообразного металлич. Ni; прессованные, в к-рых активную массу под давл. 35-60 МПа напрессовывают на стальную основу (толщина пластин 0,8-1,8 мм).

НЖА используют в осн. для изготовления тяговых аккумуляторных батарей большой емкости (до 1200 А * ч). Они дешевле НКА, но характеризуются повыш. саморазрядом из-за коррозии железа в щелочном р-ре; кроме того, у них более низкие значения отдачи по току и по энергии. В НКА не наблюдается коррозии Cd и связанного с ней газовыделения, что обусловливает большую длительность сохранения заряженного состояния и возможность полной герметизации аккумулятора. Герметичные НКА выпускают емкостью от 0,01 до 160 А * ч. Их широко используют как источники электрич. энергии в приборах бытовой техники, ср-вах связи и т.п.

Серебряно-цинковые аккумуляторы со щелочным электролитом имеют высокую уд. энергию (до 130 Вт*ч/кг) и способны разряжаться большими токами, но из-за высокой стоимости серебра нашли применение только в специальных отраслях, напр. в космической технике. Токообразующая р-ция:

При заряде возможно также образование AgO. Поэтому на зарядных и разрядных кривых наблюдаются ступени, соответствующие р-циям с участием Ag₂O и AgO. НРЦ 1,60-1,85 В, ресурс не превышает 100-200 циклов.

Попытки замены Ag др. материалами привели к созданию никель-цинковых аккумуляторах, в к-рых используют спеченный или прессованный окисноникелевый электрод от НКА и цинковый электрод от серебряно-цинковых аккумуляторов. Токообразующая р-ция:

НРЦ 1,74-1,78 В, уд. энергия ок. 60 Вт*ч/кг, ресурс ок. 300 циклов. Разрабатываемые варианты этих аккумуляторах предназначены в осн. для электромобилей, но широкому использованию их мешает недостаточный пока ресурс работы.

В никель-водородных аккумуляторах протекает след. токообразующая р-ция:

Выделяющийся при заряде Н₂ накапливается под давлением. Поэтому блок с электродами помещают в стальной цилиндр, выдерживающий давления до 10 МПа. НРЦ 1,32-1,36 В, уд. энергия 50-60 Вт*ч/кг, ресурс неск. тысяч циклов. Из-за дороговизны произ-ва такие аккумуляторы применяют пока только в космич. технике.

Среди перспективных конструкций аккумуляторов с неводными электролитами Наиб. интерес представляют серно-натриевые с твердым керамич. электролитом из алюминатов натрия, обладающим проводимостью по ионам Na + . Рабочая т-ра такого аккумулятора 300-350°С. Токообразующая р-ция:

НРЦ 2,08 В. Осн. трудность при разработке: создание технологии изготовления тонких, но достаточно стойких деталей из твердого электролита. Разрабатывают также высокотемпературные сульфид-железо-литиевые аккумуляторы; в них вместо твердого электролита применяют расплав солей, окислителями служат FeS или FeS₂. По своим характеристикам эти аккумуляторы близки к серно-натриевым.

Если требуется более высокое напряжение, чем у отдельного аккумулятора, применяют аккумуляторные батареи, состоящие из последовательно включенных аккумуляторов, имеющих общий корпус, выводы и маркировку. Батареи широко применяют в транспортных ср-вах для запуска двигателей, освещения и др. Тяговые батареи используют для силовых установок электрокаров, стационарные большой емкости-для электропитания телефонных сетей, в кач-ве аварийных источников электроэнергии на случай перебоев в электросети (напр., в операционных). Малогабаритные герметичные батареи применяют для питания переносных радиоприемников и др. устройств. Большое внимание уделяется разработке батарей для электромобилей. Мировое произ-во одних лишь стартерных батарей из свинцовых аккумуляторов превышает 100 млн. штук в год.

В отличие от гальванич. элементов аккумуляторы требуют ухода при эксплуатации: их необходимо заряжать, периодически доливать электролит и поддерживать постоянной его концентрацию, проводить тренировочные и контрольные зарядно-разрядные циклы и т.п. Разрабатывают т. наз. малообслуживаемые и необслуживаемые аккумуляторы, уход за которыми упрощен.

===
Исп. литература для статьи «АККУМУЛЯТОРЫ» : Романов В. В., Хашев Ю. М., Химические источники тока, 2 изд., М., 1978; Багоцкий В.С., Скундин А. М., Химические источники тока, М., 1981. B.C. Багоцкий.

Страница «АККУМУЛЯТОРЫ» подготовлена по материалам химической энциклопедии.

Источник