Химический источник тока. Химические источники тока: виды, устройство и принцип работы

Что такое химические источники тока. Какие бывают виды ХИТ. Как устроены гальванические элементы и аккумуляторы. Какие химические реакции лежат в основе работы батареек. Какими характеристиками обладают современные химические источники тока.

Что такое химические источники тока

Химические источники тока (ХИТ) — это устройства, в которых энергия химических реакций преобразуется в электрическую энергию. Основными компонентами ХИТ являются:

• Анод (отрицательный электрод)
• Катод (положительный электрод)
• Электролит
• Сепаратор
• Корпус

Принцип работы ХИТ основан на протекании окислительно-восстановительных реакций между электродами и электролитом. При этом на аноде происходит реакция окисления, а на катоде — восстановления.

Классификация химических источников тока

По возможности повторного использования ХИТ делятся на:

• Первичные (гальванические элементы, батарейки) — предназначены для одноразового использования
• Вторичные (аккумуляторы) — допускают многократную перезарядку
• Топливные элементы — работают при непрерывной подаче реагентов извне

По типу используемого электролита различают:

• Кислотные
• Щелочные
• Солевые

Устройство и принцип работы гальванических элементов

Гальванический элемент состоит из двух разнородных металлических электродов, погруженных в раствор электролита. Классическим примером является элемент Даниэля-Якоби:

• Цинковый анод погружен в раствор сульфата цинка
• Медный катод — в раствор сульфата меди
• Электроды разделены пористой перегородкой

При замыкании внешней цепи начинается химическая реакция:

• На аноде цинк окисляется: Zn → Zn²⁺ + 2e^—
• На катоде ионы меди восстанавливаются: Cu²⁺ + 2e^— → Cu

В результате во внешней цепи возникает электрический ток. Реакция продолжается до полного растворения цинкового электрода.

Виды современных гальванических элементов

Наиболее распространенными типами первичных ХИТ являются:

Марганцево-цинковые элементы

• Анод — цинк
• Катод — диоксид марганца
• Электролит — хлорид аммония или гидроксид калия

Бывают солевыми и щелочными. Щелочные обладают большей емкостью и лучше работают при низких температурах.

Литиевые элементы

• Анод — металлический литий
• Катод — диоксид марганца, оксид серебра и др.
• Электролит — неводный раствор соли лития

Отличаются высокой энергоемкостью и длительным сроком хранения.

Устройство и принцип работы аккумуляторов

Аккумуляторы — это вторичные ХИТ, допускающие многократную перезарядку. Наиболее распространенные типы:

Свинцово-кислотные аккумуляторы

• Анод — свинец
• Катод — диоксид свинца
• Электролит — раствор серной кислоты

При разряде на обоих электродах образуется сульфат свинца. При заряде процесс идет в обратном направлении.

Никель-кадмиевые аккумуляторы

• Анод — кадмий
• Катод — гидроксид никеля
• Электролит — гидроксид калия

Отличаются высокой надежностью и большим ресурсом циклов заряда-разряда.

Литий-ионные аккумуляторы: особенности конструкции и работы

Литий-ионные аккумуляторы сегодня наиболее широко используются в портативной электронике. Их особенности:

• Анод — углеродный материал (графит)
• Катод — оксид кобальта, никеля, марганца или железа
• Электролит — раствор соли лития в органическом растворителе

Принцип работы основан на внедрении-извлечении ионов лития в структуру электродов:

• При заряде ионы лития из катода внедряются в анод
• При разряде ионы движутся в обратном направлении

Преимущества Li-ion аккумуляторов:

• Высокая удельная энергоемкость
• Низкий саморазряд
• Отсутствие эффекта памяти
• Широкий диапазон рабочих температур

Ключевые характеристики химических источников тока

Основными параметрами, определяющими эффективность ХИТ, являются:

• ЭДС — электродвижущая сила, измеряется в вольтах
• Емкость — количество электричества, которое может отдать ХИТ, измеряется в ампер-часах
• Удельная энергия — отношение запасенной энергии к массе, измеряется в Вт·ч/кг
• Саморазряд — потеря емкости при хранении
• Внутреннее сопротивление
• Ресурс — число циклов заряда-разряда для аккумуляторов

Эти характеристики определяют область применения и эффективность использования различных типов ХИТ.

Области применения химических источников тока

Современные ХИТ находят применение в самых разных сферах:

• Портативная электроника (смартфоны, ноутбуки, фотоаппараты)
• Электротранспорт (электромобили, электровелосипеды)
• Системы автономного и резервного электропитания
• Медицинская техника (кардиостимуляторы, слуховые аппараты)
• Космическая и военная техника
• Беспилотные летательные аппараты

Развитие технологий ХИТ позволяет создавать все более компактные, емкие и долговечные источники тока для различных применений.

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.

Похожие темы:

Химические Источники Тока (ХИТ): Характеристики, Применение

Любая батарейка или аккумулятор дает ток за счет протекающих внутри них химических реакций

Химические источники тока (сокращенно ХИТ) – это источники электродвижущей силы (ЭДС), в которых в электрическую энергию превращается энергия протекающих внутри химических реакций. Используют их сегодня повсеместно – это и современные электромобили и портативная радиоэлектроника, и медицинское оборудование, и портативные компьютеры.

Все это делает источники тока электрохимические очень важным изобретением, которым пользуются вот уже 2-ю сотню лет. Именно про ХИТ мы подробно и поговорим в сегодняшней статье.

Классификация химических источников тока

Классификация ХИТ

Все ХИТ принято подразделять на три основные категории:

Как устроены гальванические батареи

• Первичные гальванические элементы – внутри таких источников происходят химические окислительно-восстановительные реакции, энергия которых и переходит в электрическую. Данные реакции являются необратимыми, поэтому элементы невозможно перезарядить.
• Состоят такие батареи из двух электродов, которые имеют разный электродный потенциал, металлического проводника, по которому могут перемещаться электроны, и электролита, который помогает перемещению ионов между электродами.

Интересно знать! Напомним, что именно поток электронов и приводит к возникновению электрического тока.

Вторичный химический источник тока

• Вторичные ХИТ, они же электрические аккумуляторы – тоже являются гальваническими элементами, однако их особенность заключается в том, что возможна перезарядка.
• В отличие от батарей, которые исчерпывают свою работоспособность при разряде, аккумуляторы могут регенерироваться, то есть повторно накапливать энергию и перезапускать цикл химических реакций.
• Возобновление заряда происходит при пропускании через элемент электрического тока, для чего нужна внешняя цепь. Все мы ежедневно заряжаем свои телефоны и смартфоны, ноутбуки и планшеты. Аккумуляторы применяются практически везде, и это не удивительно – их ресурс намного выше, чем у любой первичной батареи в сотни раз, при том, что цена больше до 10-ти раз.
• Прообраз первой аккумуляторной батареи был создан в далеком 1803 году немецким физиком-химиком И. Риттером. Его устройство имело в составе пятьдесят медных кружков, между которыми было проложено влажное сукно. Когда через него проходил ток от Вольтова столба, изделие само становилось источником электрического тока.

Топливный источник тока химический

• Последним типом химических источников тока являются топливные элементы, или электрохимические генераторы. Основное отличие их от гальванических элементов это то, что вещества необходимые для электрохимической реакции подаются внутрь извне, а продукты от реакций, наоборот, удаляются.
• Подобный подход позволяет организовать долгую непрерывную работу без фактической перезарядки.
• Впервые применять топливные источники тока стали во второй половине 20-го века, несмотря на то, что основные принципы функционирования были открыты в далеком 1839 году. В 1965 году их впервые задействовали в космической технике – это был элемент КК «Джемини». Его изначальное расчетное время работы составляло от суток, до 2-х месяцев. Эти элементы имели достаточное преимущество перед солнечными батареями с буферными химическими батареями в плане массы и габаритов, а также удельной мощности.
• Первая топливная батарея КК «Джемини» состояла из 3 блоков по 32 элемента, каждый из которых выдавал напряжение в 0,8В, и работала на газообразном топливе (кислород и водород).

Характеристики гальванических источников тока

Щелочные аккумуляторы и их свойства

Характеристика химических источников тока включает в себя следующие параметры:

Уравнение Нернста для электродного потенциала

• Электродвижущая сила – этот параметр гальванического элемента зависит от состава используемого электролита и типов металлов, из которых изготовлены электроды. Описывают ЭДС термодинамические функции (уравнение Нернста), приложенные к протекающим электрохимическим процессам.

Измеряется емкость обычно в миллиамперах в час

• Емкость элемента питания – тут все просто, имеется в виду количество энергии, которое элемент может отдать при разряде. Данный параметр напрямую зависит от массы запасенного в батарее реагентов и скорости их превращения. Емкость элемента будет снижаться, если элемент будет охлажден, либо вырастет ток разряда.
• Энергия гальванического элемента. Этот параметр высчитывается путем перемножения емкости на выдаваемое напряжение. Энергия будет уменьшаться по мере роста разрядного тока. Обратный эффект будет достигнут при росте температуры (до определенного уровня) и увеличении используемых реагентов.

Прототип гальванической батареи

• Сохраняемость – по сути, срок годности элемента, в течение которого он способен не менять своих основных характеристик в допустимых пределах.

Совет! Чем выше температура, тем быстрее сокращается срок хранения.

• Плотность энергии – количество запасенной энергии в расчете на единицу массы аккумулятора или его объема.
• Саморазряд первичного химического источника тока – очень важный параметр, указывающий на потерю емкости батареей без подключенной к ней нагрузки. То есть параметр фактически сопоставим со сроком службы элемента.
• Саморазряд химических источников тока вторичных, по сути, то же самое, однако этот параметр меняется во времени. Особенно высоко его значение после полной подзарядки аккумулятора, но по мере разрядки он ослабевает.

Интересно знать! Для никель-кадмиевых аккумуляторов, функционирующих исправно, не допускается потеря более 10% от максимального заряда за 1 сутки. Никель-металлгидридные имеют меньший показатель, а у литий-ионных этот эффект практически отсутствует, растягиваясь на месяцы. Герметичные кислотные аккумуляторы потеряют за год всего 40% своего заряда, однако, если температура воздуха будет выше 20 градусов, процесс потечет куда быстрее, и наоборот, приближаясь к нулю – будет замедляться.

Более подробное строение элементов

Гальваническая батарейка в разрезе

Мы уже дали определение химических источников тока и назвали их основные типы. Теперь давайте рассмотрим немного глубже, как они устроены, и какие химические реакции внутри протекают.

Элемент Даниэля-Якоби

• Итак, начнем с первичных гальванических элементов. В их состав входят реагенты (окислители и восстановители), которые участвуют в прямом преобразовании энергии. Выработка тока прекращается после того, как реагенты полностью израсходуются.
• В качестве примера того, как функционирует элемент, давайте опишем давно известное устройство Даниэля-Якоби. Выше представлена его схема.
• Итак, два электрода (цинковый и медный) опущены в колбы наполненные растворами сульфатов цинка и меди, соответственно.
• Растворы разъединены внутренней цепью (полупроницаемой перегородкой), а электроды соединяются внешней цепью (металлический проводник) через гальванометр, обозначенный на схеме как 2.

Элемент Даниэля

• Когда цепь замкнута, на обоих электродах протекают процессы гидратации ионов металлов. Между самим металлом и его ионами в растворе устанавливается химическое равновесие.
• В связи с тем, что цинк и медь имеют разную активность электродных потенциалов, электроды приобретают разный заряд по величине, то есть концентрация свободных электронов на них будет значительно отличаться.
• Как только будет замкнута внешняя цепь, концентрация электронов придет в равновесие и они по внешнему проводнику начнут перемещаться от цинкового электрода к медному.
• По этой причине концентрация электронов на цинковом электроде начинает уменьшаться, из-за чего происходит смещение равновесия на границе Zn|ZnSO4 в сторону катионов цинка (их образования). Другими словами цинк начинает растворяться.
• С медным электродом происходит обратный процесс – равновесие смещается в другую сторону и начинает образовываться металлическая медь, или другими словами – медь начинает восстанавливаться.
• Если говорить более конкретно, то на цинковом электроде происходит процесс окисления, который в электрохимии называется анодным процессом, а сам электрод – анодом. На медном электроде (катоде) – процесс восстановления, называемый еще катодным.

Классическая солевая батарейка

• Наиболее широко распространились элементы питания, состоящие из марганца и цинка. Они не содержат раствора электролита, поэтому называются сухими.
• Эти элементы при всем конструкционном многообразии делят всего лишь на два типа, в зависимости от рН электролита и состава: солевые и щелочные. Для солевых марганцево-цинковых элементов (МЦ) используется электрохимическая схема Лекланше (Zn|Nh5Cl|MnO2) – в качестве катода выступает цинковый электрод, в качестве анода – электрод их диоксида марганца и графита, а электролитом является паста из муки или крахмала с раствором хлорида аммония.
• В щелочных элементах питания применяется другая схема (Zn|KOH|MnO2). При этом электроды делаются из тех же материалов, а в качестве электролита применяется паста из гидроксида калия.
• Такие элементы обладают большей емкостью, лучше переносят низкие температуры и высокие разрядные токи. Однако они намного сложнее солевых источников, почему и имеют значительно большую цену.
• Данные элементы имеют многоцелевое назначение и применяются в быту повсеместно. Они могут выступать источниками автономного питания для любой радиоаппаратуры, фотоаппаратов, калькуляторов, различных тестовых приборов, часов, фонариков, для запитки схем Биоса материнских плат персональных компьютеров и прочего.

Процесс зарядки аккумуляторных батарей

• Аккумуляторы, или вторичные химические источники тока – отличает эти элементы то, что благодаря воздействию внешнего тока, электрическая энергия может переходить в химическую, а при подключении внешней цепи происходит обратный процесс.
• Одним из часто встречающихся типов таких устройств являются свинцовые аккумуляторы, которые также называют и кислотными.
• В качестве электролита выступает 25-30%-ый раствор серной кислоты, а материалом для электродов служат свинцовые решетки. При взаимодействии этих веществ свинец превращается в следующее соединение — PbSO
• Процессы, протекающие на аккумуляторных электродах, до сих пор до конца не изучены, что говорит об их высокой сложности. Допускается, что одновременно происходят изменения в твердой фазе и в растворе, с зависимостью скоростей этих реакций от условий поляризации.
• Применяются такие элементы в основном в качестве источников питания в автомобилях.
• Помимо кислотных существуют и щелочные аккумуляторы, среди которых больше остальных распространились никель-металлгидридные и никель-кадмиевые устройства, электролитом в которых является гидроксид калия (КОН).
• Для переносной электроники, например, ноутбуков, планшетов, смартфонов используются в основном литий-ионные аккумуляторы, а также литий-полимерные, обладающие приличной емкостью и отсутствием эффекта памяти.

Про литий-ионные аккумуляторы мы поговорим в отдельной главе, так как эти устройства на сегодня в быту самые часто встречающиеся.

Строение электрохимического генератора тока

• Топливные элементы питания, по сути, тоже являются гальваническими, только восстановитель и окислитель находятся вне самого элемента. Они подаются во время работы к электродам раздельно и непрерывно.
• При работе такого элемента сами электроды не расходуются, как в обычных батарейках.
• В качестве окислителя обычно применяется кислород (чистый или из воздуха), а в качестве восстановителя – водород, метан и метанол, которые могут быть как в жидком, так и в газообразном состоянии.
• Электролитом при этом является щелочь.

Литий-ионные аккумуляторные батареи

Теперь, как и обещали, давайте подробно обсудим, что такое литий-ионные аккумуляторы, как они устроены и как ими правильно пользоваться. Тема очень интересная, и поможет не только увеличить объем теоретических знаний, но и практических, которые, к примеру, помогут продлить срок службы вашего телефонного или любого другого аккумулятора.

Строение

На фото — литий-ионный аккумулятор от сотового телефона

• В качестве катода (отрицательного электрода) используется алюминий, а в качестве анода (положительного электрода) – медь. Выполняются они обычно в виде фольги, в форме цилиндра или продолговатого пакета.
• Разделяются электроды пористым сепаратором, который пропитал электролитом.

Схематическое строение литий-ионного аккумулятора

• Все электроды устанавливаются в прочный корпус и подсоединяются к токосъемным клеммам.
• Попутно внутри корпуса могут устанавливаться и отдельные устройства, которые призваны продлить срок службы аккумулятора и сделать эксплуатацию безопасной. К таковым относятся:

1. Устройства, реагирующие на изменения температурного коэффициента изменением сопротивления.
2. Устройство разрыва контакта между катодом и клеммой, в случае превышения допустимого давления газов внутри.
3. Предохранительные клапаны, способные сбрасывать аварийное давление.

• Также используются и внешние устройства электронной защиты, которые также предупреждают аварийный перегрев, перезаряд и короткое замыкание.
• Конструктивно аккумуляторы изготавливают цилиндрического типа (как обычные батарейки) либо призматического (как в телефонах). В первом случае электроды с сепаратором сворачиваются рулоном, а во втором они накладываются друг на друга.
• Литий-ионные аккумуляторы абсолютно герметичные устройства, что продиктовано необходимостью защиты от утечки электролита, а также защитой от попадания внутрь паров воды и кислорода, что приводит к выходу элемента из строя.

Принцип работы

Как работает аккумулятор

Разберем сначала разряд.

• При подключении во внешнюю цепь заряженного аккумулятора, начинает протекать химическая реакция, благодаря которой образуются свободные электроны, которые, как мы помним, «хотят» попасть на катод. Через электролит им не пройти, поэтому они «отправляются в путь» через внешнюю цепь – так образуется ток, который питает подключенные к источнику устройства.
• «Улетевшие» электроны оставляют ионы лития (положительно заряженные), которые через электролит направляются к катоду.
• После полного перемещения электронов, аккумулятор остается разряженным.

Чтобы восполнить запас энергии, процесс нужно обратить вспять. К аккумулятору подключается зарядное устройство, из-за чего электроны устремляются обратно к аноду, пока тот не соберет прежнее количество электронов. Далее цикл может повторяться большое количество раз.

Емкость литий-ионной батареи – это ни что иное, как количество ионов лития, которые могут «прилипнуть» к электродам. Попадают они в кратеры (микроскопические поры на аноде и катоде).

При выходе аккумулятора из строя требуется его замена на новый

• Со временем материал электродов начинает деградировать. По этой причине они уже не могут удерживать прежнее количество ионов лития, то есть происходит потеря емкости. Данный процесс будет продолжаться до тех пор, пока элемент полностью не утратит свою работоспособность.
• Строение литий-ионных аккумуляторов таково, что постоянно требуется контроль за уровнем заряда. С этой целью в симбиозе с ними применяют контроллеры заряда. Эти устройства полностью ведут процесс зарядки, выставляя необходимое напряжение в зависимости от стадии.

Зарядное устройство

• Процесс зарядки через контроллер протекает обычно в следующей последовательности. Вначале подается ток, составляющий 10% от номинального. Напряжение при этом составляет 2,8 Вольт. Далее происходит увеличение тока при достижении напряжением отметки в 4,2 Вольта. Приближаясь к финалу, ток постепенно ослабевает, но напряжение так и остается на достигнутом уровне.
• Описанный процесс, в принципе, универсален, но может отличаться в зависимости от типов аккумулятора и применяемого контроллера.

Характеристики аккумуляторов

Именно такие аккумуляторы установлены в батареи для ноутбуков

Изготавливаемые сегодня литий-ионные аккумуляторы бывают двух видов: таблеточные и цилиндрические.

Все они могут иметь следующие рабочие параметры и характеристики:

• Минимальное рабочее напряжение составляет 2,2-2,5 В;
• Максимальное напряжение обычно не превышает 4,35 В, тогда как маркировка указывает 5 В.
• Время зарядки зависит от мощности зарядного устройства и емкости самого аккумулятора, поэтому обобщить данные достаточно сложно. Обычно этот параметр составляет 2-4 часа.
• Саморазряд при комнатной температуре не превышает 7% в год, что как понимаете, очень мало.
• Работать аккумуляторы могут при температурах от -20 до +60 градусов, естественно, меняя свои рабочие характеристики.
• Аккумуляторы теряют около 20% своей емкости по истечении от 500 до 1000 циклов заряда\разряда.

Для таких аккумуляторов характерны следующие плюсы:

• Высокая плотность энергии, по сравнению с никель-кадмиевыми и никель-металлгидридными аккумуляторами.
• Высокое напряжение одного элемента. Для сравнения один никель-металлгидридный аккумулятор выдает всего лишь 1,2 В, поэтому их используют в количестве 4-х штук, чтобы получить то же рабочее напряжение.
• «Эффект памяти» у них отсутствует, что намного упрощает процесс эксплуатации.

«Эффект памяти» требует особого подхода к заряду аккумулятора

Интересно знать! Эффект памяти – это изменение полезной емкости аккумулятора, из-за нарушения режима зарядки. То есть, если постоянно заряжать не до конца севший аккумулятор, он «запомнит» нижний порог и будет «считать» его нулевым.

• Большое число циклов перезарядки.
• Достаточно длительная эксплуатация.
• Высокий диапазон рабочих температур, что позволяет использовать такие устройства в разных погодных условиях.
• Литий-ионные аккумуляторы более безопасны в плане экологии.

Советы по эксплуатации аккумуляторов

А теперь самые простые советы, которые помогут прослужить вашим аккумуляторам максимально долго.

• Берегите элементы питания от огня и воды – оба фактора чреваты выходом из строя.
• Чрезмерное охлаждение и нагревание, а также резкая смена температур тоже губительны.
• Применяйте соответствующий вашему аккумулятору тип зарядки, коих есть аж 4 штуки.
• Первый – это медленный заряд низким постоянным током. Происходит он в течение довольно длительного времени – до 18 часов. Такой метод подходит почти для всех аккумуляторов и является самым безопасным.
• Второй – быстрый заряд. Происходит в течение 3-5 часов при постоянном токе в 1/3С.
• Третий – дельта V заряд (ускоренный) — начальные ток равен номинальной емкости элемента, напряжение постоянно меняется. Заряд происходит за 1-1,5 часа. При этом возможен перегрев и разрушение устройства.
• Четвертый тип называется реверсивным. При нем длинные импульсы заряда сменяются короткими импульсами разряда. Такой метод наиболее полезен для аккумуляторов с «эффектом памяти».

Совет! Прилагаемая к аккумуляторным батареям инструкция обычно содержит рекомендации по режиму зарядки.

На этом закончим наш обзор. Мы разобрали электрохимические источники тока и получили простейшее представление об их работе. Если вы хотите изучить тему глубже, то уже не обойтись без учебных пособий и видео, которые можно легко отыскать в сети.

Химические источники электрического тока

Химические источники тока – это устройства, работа которых обусловлена преобразованием выделяемой при окислительно-восстановительном процессе химической энергии в энергию электрическую.

К преимуществам химических источников тока относится универсальность их применения. Источником питания многих бытовых устройств, а также приборов, используемых в научных лабораториях или на производстве, являются именно химические источники питания. Востребованность химических источников тока в обеспечении функционирования аппаратуры связи или портативной электронной аппаратуры заслуживает особого внимания, так как в этом случае они являются незаменимыми.

Химические источники электротока

Конструктивно химические источники тока представляют собой два металлических электрода, разделенных электролитом. Электроды изготавливаются из металла, который является проводником электронов (электронная проводимость), а электролит изготавливается из жидкого или твердого вещества, являющегося проводником ионов (ионная проводимость).

Если для питания, какого либо потребителя, требуется высокое напряжение, то электрические аккумуляторы соединяются последовательно. В случае, когда для электропитания требуется большой ток, электрические аккумуляторы соединяются параллельно и носят название аккумуляторной батареи.

Последовательное соединение
(согласное включение)

 

 

Еобщ = Е1 + Е2 + Е3

Смешанное соединение
(встречное)

 

 

Еобщ = Е1 – Е2 + Е3

Параллельное соединение источников питания.
( Такое соединение применяется
для увеличения тока в цепи. )

 

 

 

Еобщ = Е1 = Е2 = Е3

В зависимости от характера работы различные типы химических источников питания носят название гальванических элементов либо электрических аккумуляторов.

К отличительной особенности химических источников тока, называемых гальваническими элементами, относится возможность одноразового применения, так как их выделяющие электрическую энергию активные вещества подлежат полному распаду в процессе химической реакции. При полном разряде гальванического элемента его дальнейшее применение невозможно.

Особенностью таких химических источников тока, как электрические аккумуляторы, является их многоразовое использование за счет обратимости основных действующих процессов.

Разряженный электрический аккумулятор обладает способностью регенерировать свои дающие электрическую энергию активные вещества за счет процесса пропускания через него постоянного тока, источником которого служит другое устройство.

При заряде электрического аккумулятора постоянный тока другого источника должен протекать в направлении, противоположном разрядному току. Такое условие способствует замене реакции окисления на реакцию восстановления на положительном электроде, и наоборот, на отрицательном электроде реакция окисления заменяется на реакцию восстановления.

К химическим источникам тока предъявляется ряд общих и специальных технических требований. Все требования оговорены в соответствующей нормативной документации.

Общими являются требования: к габаритно-массовым характеристикам; к надежности; к отсутствию вредного влияния на окружающую среду; к безопасному использованию обслуживающим персоналом; к сроку службы; к минимальному саморазряду.

Специальными техническими условиями являются требования к удельным характеристикам, к механической прочности, к температурному диапазону рабочего режима, к невысокому значению внутреннего сопротивления, к работоспособности в любом положении, к удобству в эксплуатации.

Химические источники тока.

Обозначение на схеме и устройство химических источников тока

К химическим источникам тока причисляют гальванические элементы и аккумуляторы. Есть и другие химические источники тока, но они менее распространены. В обиходе гальванический элемент получил название батарейка. Это не совсем верное определение, так как батарейкой можно назвать несколько отдельных гальванических элементов соединённых вместе – это и есть батарея питания или батарейка.

Узнайте подробнее о правильном соединении элементов питания.

На принципиальных схемах гальванический элемент обозначается так.

Так обозначают один гальванический элемент или один элемент аккумулятора.

Но поскольку номинальное напряжение на одном гальваническом элементе обычно не более 1,5 вольта, их соединяют в батареи питания. Батарея питания на принципиальной схеме обозначается вот так.

Здесь показано, что батарея питания состоит из двух отдельных гальванических элементов. Общее напряжение на полюсах этой составной батареи — 3 вольта из расчёта, что каждый из элементов имеет на полюсах напряжение 1,5 вольта. Также на схемах можно встретить и такое обозначение.

Это тоже условное изображение батареи питания или батарейки на принципиальной схеме, только здесь не уточняется, сколько именно гальванических элементов используется в батарее, а указано лишь общее напряжение на полюсах батареи.

Одиночный аккумуляторный элемент обозначается на схемах так же, как и отдельный гальванический элемент. Номинальное напряжение одного аккумуляторного элемента обычно составляет около 1,25 вольт. Чтобы получить аккумулятор с большим напряжением аккумуляторные элементы соединяют вместе – получается аккумуляторная батарея или просто аккумулятор. Обозначение аккумуляторной батареи на схемах такое же, как и батареи, составленной из гальванических элементов.

Чем гальванический элемент отличается от аккумулятора?

Дело в том, что гальванический элемент сам является источником постоянного тока, который образуется за счёт необратимой химической реакции. Гальванический элемент причисляют к первичным источникам тока.

Аккумулятор является так называемым вторичным источником тока. Почему? Потому, что перед тем, как использовать аккумулятор, его нужно предварительно зарядить от источника постоянного тока — зарядника. Только после полной зарядки аккумулятор сможет питать электронное устройство. Отличительным качеством аккумуляторов является то, что их можно заряжать и разряжать много раз. В отличие от аккумулятора, гальваническая батарея питания после своего полного разряда не может быть использована повторно.

Какие существуют батарейки?

Наибольшее распространение в настоящее время получили щелочные батареи питания. Их ещё называют алкалиновыми – производное от английского слова alkaline – «щелочь».

Работа щелочной батарейки основана на окислительно-восстановительной химической реакции между цинком и диоксидом марганца. Результатом, а точнее полезным продуктом этой реакции является электрический постоянный ток и тепло, которое не используется. Электрическая ёмкость щелочной батарейки составлет около 1700 — 3000 мАч. По величине своей ёмкости, щелочные батарейки лидируют по сравнению с солевыми батарейками, электроёмкость которых меньше и составляет 550 — 1100 мАч.

Щелочная батарейка устроена следующим образом. Взглянем на рисунок.

Корпусом элемента является никелированный стальной стакан. Он же является плюсовым контактом батарейки «+». Активная масса представляет собой смесь диоксида марганца (MnO₂) и графита. Анодная паста – это смесь порошка цинка (Zn) и густого щелочного электролита. Электролитом обычно служит раствор гидроксида калия (KOH). Анодная паста отделена от активной массы сепаратором. Сепаратор разделяет реагенты, исключая их перемешивание и нейтрализацию заряда. Также сепаратор пропитан электролитом.

Отрицательный потенциал снимается с латунного стержня, который окружён анодной пастой. Стальная тарелка контактирует с латунным стержнем – токосъёмником и является отрицательным контактом элемента «—».

Прокладка изолирует никелированный стальной стакан от стальной тарелки, препятствуя тем самым короткому замыканию. Кроме этого прокладка сдерживает давление газа, который в незначительном количестве образуется при химической реакции. В толще прокладки имеется защитный клапан или по-другому предохранительная мембрана. Защитный клапан служат для того, чтобы при чрезмерном давлении газа сработать и выпустить его наружу. Это предотвращает взрыв щелочного элемента, но и приводит к его разгерметизации. Как правило, разгерметизация приводит к течи электролита.

Иногда, забыв вынуть уже подсевшие батарейки, через некоторое время можно обнаружить, что в батарейном отсеке появилась какая-то жидкость. Это и есть потёкший электролит. Он может вызвать коррозию контактов. Поэтому на упаковке с батарейками можно найти предупреждение о том, что севшие элементы нужно вынимать из электроприборов. Теперь вы знаете, зачем это нужно делать.
Итак, с устройством разобрались, теперь поговорим о том, как работает щелочной элемент.

Как работает щелочной элемент.

Для начала, маленькое отступление…
Как вы заметили, почему то анодная паста соединяется с помощью токосъёмника с отрицательным контактом элемента – стальной тарелкой. А ведь анод – это «+». Получается нестыковочка…

В чём тут дело? А дело в том, что в электронике есть один каламбур. По умолчанию, за направление тока в электрической цепи считается направление от плюса (анода) к минусу (катоду) – так повелось ещё с тех времён, когда электроника ещё зарождалась.

Но ведь электрический ток, как известно, это упорядоченное движение электронов, которые имеют отрицательный заряд. И поэтому, ток течёт оттуда, где есть избыток электронов, в направлении, где есть нехватка отрицательных зарядов (это и есть плюс – недостаток электронов). При этом получается, что ток течёт в реальности от отрицательного контакта к положительному. Именно поэтому образуется эта нестыковка, которая порой вводит начинающих радиолюбителей в ступор.

В электрохимии анодом принято считать тот электрод, на котором происходит процесс окисления. Так вот в щелочной батарейке (и не только) на аноде в результате окисления образуется избыток электронов. То есть по сути – это катод, «минус». Но, как уже говорилось, в электрохимии всё наоборот. Итак, электроны вырабатываются анодной пастой – смесью цинкового порошка (Zn) и густого электролита (раствора KOH).

Катодом же считается электрод, где происходит реакция восстановления. Далее электроны, которые были получены в результате реакции окисления, проходят по электрической цепи электронного прибора, и возвращаются опять в батарейку, но уже на катод, где эти электроны используются для восстановительной химической реакции. Катод – это диоксид марганца. Токоприёмником катода служит никелированный стальной стакан, который контактирует с активной массой – диоксидом марганца (MnO₂).

Вот такая игра в наоборот. Напомню ещё раз, что в электронике за направление тока в цепи считается направление от плюса-«анода» к минусу-«катоду». В электрохимии всё наоборот. С этим и связаны особенности в названии реагентов химического источника тока.

Можно ли заряжать батарейки?

Также часто можно слышать вопрос: «Можно ли заряжать батарейки?» Ответим: «Лучше не стоит». Дело в том, что для вырабатывания электрической энергии в батарейках используется необратимая химическая реакция. Поэтому батарейка и является первичным источникам тока.

А вот в аккумуляторах используется обратимая химическая реакция, которая позволяет заряжать и разряжать их множество раз. Поэтому аккумуляторы и называют вторичными источниками тока.

Несмотря на это, известно, что щелочные элементы допускают перезарядку, т.е. их можно зарядить и использовать повторно. Но такие, перезаряжаемые щелочные элементы имеют свою особую конструкцию. Также стоит отметить, что даже такие элементы нельзя перезаряжать много раз, обычно не более 25. В широкой продаже такие щелочные элементы не встречаются. Их маркируют как Rechargeable Alkaline Manganese.

Из всего этого следует, что заряжать обычные щелочные батарейки категорически не стоит. Такие эксперименты могут завершиться взрывом батарейки и разбрызгиванием электролита. А это не есть гуд +опасно для здоровья .

Чтобы замедлить химическую реакцию в щелочном элементе и, тем самым, продлить срок её хранения и снизить саморазряд батареи, в них раньше добавляли кадмий и ртуть. Эти вещества замедляли химическую реакцию, и цинк окислялся медленнее. Но, из-за токсичности ртути и кадмия их сейчас не используют, а применяют другие, менее вредные ингибиторы.

На многих батарейках можно даже увидеть надпись – 0% кадмия и ртути или 0% Hg & Cd. Это своеобразный маркетинговый ход, как бы намекающий на то, что данные батарейки безопасны.

Если вы с успехом дошли до этих строк, то теперь вас можно поздравить, ведь теперь вы знаете, как устроена и работает щелочная батарейка. И поэтому её и не обязательно разбирать . Кроме щелочных элементов питания существуют и другие, но об их устройстве мы расскажем в другой раз.

 

Главная &raquo Радиоэлектроника для начинающих &raquo Текущая страница

Также Вам будет интересно узнать:

 

Химические источники тока — это… Что такое Химические источники тока?

Химические источники тока

Хими́ческие исто́чники то́ка (аббр. ХИТ) — устройства, в которых энергия протекающих в них химических реакций непосредственно превращается в электрическую энергию.

История создания

Первый химический источник тока был изобретён итальянским учёным Алессандро Вольта в 1800 году. Это был элемент Вольта — сосуд с солёной водой с опущенными в него цинковой и медной пластинками, соединенными проволокой. Затем учёный собрал батарею из этих элементов, которая впоследствии была названа Вольтовым столбом. Это изобретение впоследствии использовали другие учёные в своих исследованиях. Так, например, в 1802 году русский академик В. В. Петров сконструировал Вольтов столб из 2100 элементов для получения электрической дуги. В 1836 году английский химик Джон Дэниель усовершенствовал элемент Вольта, поместив цинковый и медный электроды в раствор серной кислоты. Эта конструкция стала называться «элементом Даниэля».

В 1859 году французский физик Гастон Плантэ изобрёл свинцово-кислотный аккумулятор. Этот тип элемента и по сей день используется в автомобильных аккумуляторах.

В 1865 году французский химик Ж. Лекланше предложил свой гальванический элемент (элемент Лекланше), состоявший из цинкового стаканчика, заполненного водным раствором хлористого аммония или другой хлористой соли, в который был помещён агломерат из оксида марганца(IV) MnO₂ с угольным токоотводом. Модификация этой конструкции используется до сих пор в солевых батарейках для различных бытовых устройств.

В 1890 году в Нью-Йорке Конрад Губерт, иммигрант из России, создаёт первый карманный электрический фонарик. А уже в 1896 году компания National Carbon приступает к массовому производству первых в мире сухих элементов Лекланше «Columbia».

Принцип действия

Основу химических источников тока составляют два электрода (катод, содержащий окислитель и анод, содержащий восстановитель), контактирующих с электролитом. Между электродами устанавливается разность потенциалов — электродвижущая сила, соответствующая свободной энергии окислительно-восстановительной реакции. Действие химических источников тока основано на протекании при замкнутой внешней цепи пространственно разделённых процессов: на катоде восстановитель окисляется, образующиеся свободные электроны переходят, создавая разрядный ток, по внешней цепи к аноду, где они участвуют в реакции восстановления окислителя.

В современных химических источниках тока используются:

• в качестве восстановителя (на аноде) — свинец Pb, кадмий Cd, цинк Zn и другие металлы;
• в качестве окислителя (на катоде) — оксид свинца(IV) PbO₂, гидроксооксид никеля NiOOH, оксид марганца(IV) MnO₂ и другие;
• в качестве электролита — растворы щелочей, кислот или солей.

Классификация

По возможности или невозможности повторного использования химические источники тока делятся на:

• 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.

Следует заметить, что деление элементов на гальванические и аккумуляторы до некоторой степени условное, так как некоторые гальванические элементы, например щелочные батарейки, поддаются подзарядке, но эффективность этого процесса крайне низка.

По типу используемого электролита химические источники тока делятся на кислотные (например свинцово-кислотный аккумулятор, свинцово-плавиковый элемент), щелочные (например ртутно-цинковый элемент, ртутно-кадмиевый элемент, никель-цинковый аккумулятор, никель-кадмиевый аккумулятор) и солевые (например, марганцево-магниевый элемент, цинк-хлорный аккумулятор).

Некоторые виды химических источников тока

Гальванические элементы

Смотри также Категория:Гальванические элементы.

Другие типы:

Аккумуляторы

Смотри также Категория:Аккумуляторы.

Топливные элементы

Смотри также Категория:Топливные элементы.

Ссылки

Химические источники тока

ООО «ЭФО» осуществлет поставки следующих типов химических источников тока:

• гальванические элементы (первичные элементы, «батарейки», незаряжаемые)
• аккумуляторы (вторичные или перезаряжаемые элементы питания)

Изделия обеих групп могут иметь различные типоразмеры (ААА, АА, А, В, С, D и т. д.),  а также химический состав и конструктив.

Дополнительно расширяет номенклатуру возможность собирать из элементов батареи на различные напряжения и токи кратные напряжениям и токам элементов питания.

 

Сводная таблица технологий и производителей поставляемых продуктов

 

 

Аккумуляторы

	Литий-ионные аккумуляторы В массовом производстве литий-ионных аккумуляторов сейчас используются три класса катодных материалов: кобальтат лития LiCoO2 и твёрдые растворы на основе никелата лития NiCoO2, литий-марганцевая шпинель LiMn2O4 , литий-феррофосфат LiFePO4.  литий-полимерные аккумуляторы это усовершенствованная конструкция литий-ионного аккумулятора. В качестве электролита используется полимерный материал, что позволяет производить аккумуляторы произвольных форм. Общие плюсы литиевых аккумуляторов: большая плотность энергии, низкий саморазряд, достаточно большое количество циклов заряд-разряд, почти полное отсутствие эффекта «памяти». Общие минусы литиевых аккумуляторов: узкий рабочий температурный диапазон (-20…+60С), старение (потеря емкости со временем (до 20% в год при +25С). Критичность к процессам заряда- разряда (глубокий разряд выводит и строя батарею, перезаряд вызывает перегрев и деградацию). Применение: смартфоны, планшеты, радиоуправляемые модели, аккумуляторный электротранспорт, системы резервирования питания. Производители: SAFT, Panasonic, Minamoto, Toshiba. Документация: SAFT, Panasonic, Minamoto
	Щелочные аккумуляторы Самое большое распространение получили никель-кадмиевые и никель-металгидридные щелочные аккумуляторы, в которых электролитом служит гидроксид калия KOH с добавкой гидроксида лития LiOH.  Плюсы: Длительный срок хранения, длительный срок службы (до 25 лет) стабильная работа до  -40 °C, невозможность возгорания при разгерметизации в сравнении с литиевыми, малый удельный вес в сравнении со свинцовыми и дешевизна в сравнении с серебряно-цинковыми, меньшее внутренне сопротивление, большая надёжность и морозостойкость в сравнении с NiMH. Минусы: Экологическая опасность кадмия, эффект «памяти» Применение: Тяговые и стартерные аккумуляторы, системы хранения и резервирования электроэнергии, питание радио и другой аппаратуры, питание аккумуляторного электроинструмента.
	Свинцовый (кислотный) аккумулятор Наиболее распространенный тип аккумуляторов. Электролитом является раствор серной кислоты. Электродами кислотного аккумулятора являются свинцовые решётки, заполненные оксидом свинца.  Варианты со связанным электролитом: AGM (пористый пропитанный кислотой материал) и гелевые (раствор кислоты и оксида кремния). Плюсы: простота, дешевизна, способность отдавать большие токи. Минусы: Достаточно узкий температурный диапазон (-40…+40С), малое количество циклов заряд-разряд (200-300). Критичность к глубокому разряду (микродеформации). Неэкологичность (свинец). Применение: Тяговые и стартерные аккумуляторы, системы хранения и резервирования электроэнергии.

 

Гальванические элементы (батарейки)

	Литиевые элементы Напряжения от 1,5 до 3,6 В, Высокая удельная энергоемкость. Меньшая, чем у серебра и ртути, дефицитность металлов. Малые токи саморазряда (от 1% в год). Длительные сроки эксплуатации (до 20 лет). Широкий температурный диапазон (-60…+85С). Применение: Энергонезависимая память (BIOS), системы учета расхода газа и жидкости с дистанционной передачей информации. Автономные устройства, работающие в труднодоступных местах при жестких климатических условиях.
	Щелочные марганцево-цинковые элементы «Алкалиновые батарейки». Напряжение 1,5 В., по сравнению с солевыми элементами: больше емкость, лучше работают при низких температурах и больших токах нагрузки. Применение: Там где энерговооруженности солевых батареек не хватает. Фотоаппараты, игрушки.
	Серебряно-цинковые элементы «Часовые батарейки». Напряжение 1,55 В., остается стабильным до конца разряда, хорошие низкотемпературные характеристики, низкое и стабильное внутреннее сопротивление. Дорогие. По этой причине выпускаются в основном в «монетном» типоразмере. Применение: Часы, брелки сигнализаций, пульты управления
	Воздушно-цинковые элементы Напряжение 1,4-1,45В., Отличается весьма высокой удельной энергоёмкостью. Широкому распространению препятствует короткий срок эксплуатации, связанный с высыханием электролита. Узкая сфера применения. Применение: слуховые аппараты
	Солевые марганцево-цинковые элементы («Солевые батарейки») Стандартное напряжение 1,5 В., самый дешевый вариант, небольшая емкость, плохая морозостойкость.Применение:  там где не требуется  большая энергия. Часы, звонки, пульты управления, радиоприемники и т. д.

 

 

Производители

Каталоги, брошюры, CD-диски

Химический источник тока

Изобретение относится к области электротехники, а именно к химическим источникам тока.

Изобретение может представлять интерес для различных областей техники, где в электротехнических устройствах для электропитания используются химические источники тока (батареи), и эти устройства постоянно работают по своему функциональному назначению или могут временно находиться, или могут оказаться случайно в экстремальных условиях. При этом под экстремальными условиями понимается воздействие различных негативных факторов, таких как огонь, различные типы излучений: тепловое, электромагнитное и т.п., различные типы механических воздействий, к примеру удар и т.п. Изобретение может представлять интерес при решении вопросов обеспечения безопасности электротехнических устройств от внешних вредных воздействий и вопросов защиты окружающей среды от вредных воздействий со стороны электротехнических устройств.

Под электротехническим устройством понимаются приборы, машины, аппараты, инструменты и другое оборудование, в которых используются химические источники тока (батареи).

В изобретении химический источник тока представляет собой как отдельный гальванический элемент, состоящий из отрицательного коллектора тока, анода, электролита, катода и положительного коллектора тока в указанной последовательности, так и батарею, состоящую из нескольких гальванических элементов с различными вариантами коммутации коллекторов тока, которая может быть как последовательной, так и параллельной. При этом гальванические элементы размещены в корпусе с двумя изолированными друг от друга токовыводами и подсоединены к ним в соответствии с полярностью. При этом одним из токовыводов может быть корпус источника тока, а химический источник тока может быть как первичным, так и вторичным.

Известны различные типы защитных элементов для защиты приборов и устройств от огня, различного типа излучений и других негативных воздействий, выполненных в виде тепловой защиты и экранов /1/ (аналог). Такие защитные элементы являются преградой, которая частично или полностью поглощает различного вида энергию этих воздействий, уменьшая их влияние на внутренние компоненты приборов и устройств. Поглощение энергии защитными элементами приводит к их нагреву, поэтому они выполняются из термостойких материалов. Форма таких защитных элементов определяется возможностью наиболее эффективно противостоять вышеуказанным воздействиям.

Известно /2/, что твердотельные источники тока, в которых используются твердые ионные проводники, характеризуются наряду с высокими характеристиками высокой термостойкостью и безопасностью. Эти источники тока содержат твердые ионные проводники с высокой проводимостью ионов F^— в твердой фазе и в них, при генерации тока протекают только твердофазные процессы: твердофазные токообразующие реакции в аноде и катоде и перенос ионов фтора по твердому электролиту. Безопасность и термическая устойчивость таких источников тока определена тем, что они состоят из термически устойчивых сложных фторидов и работоспособны до 550°С. Более того, при повышении температуры разрядная мощность таких источников тока сильно возрастает, а именно при 25°С — (1-2)10^-5 Вт, при 100°С — (2-3)10^-4 Вт, при 200°С — (5-9)10^-3 Вт, при 300°С — (2-4)10^-2 Вт и при 500°С — (0,5-1) Вт.

Известен наиболее близкий к заявляемому твердотельный химический источник тока, состоящий из корпуса с токовыводами, в котором размещены и подсоединены к токовыводам твердотельные гальванические элементы, состоящие из анода, электролита и катода, и тепловой защиты, снижающей тепловые потери нагретых гальванических элементов, при этом гальванические элементы выполнены на основе твердых ионных проводников с совмещением функции нагревательных элементов /3/ (прототип).

Такой химический источник тока, в котором электрический ток генерируют твердотельные гальванические элементы, выполненные на основе твердых ионных проводников, характеризуется следующими свойствами:

1. Безопасностью, широким рабочим диапазоном температур и низким саморазрядом.

2. Высокой разрядной мощностью, так как твердотельные гальванические элементы выполнены как нагревательные и находятся в нагретом состоянии, а для снижения тепловых потерь нагретых гальванических элементов используется тепловая защита.

Недостатком этого источника тока является то, что он не имеет многофункционального назначения, а его тепловая защита предназначена только для функционирования источника тока.

Задачей настоящего изобретения является создание устройства многофункционального химического источника тока для электротехнических устройств, в котором источник тока наряду с питанием электротехнического устройства дополнительно полностью или частично защищает электротехническое устройство или его отдельные компоненты от внешних негативных воздействий и (или) защищает окружающую среду от негативных воздействий электротехнического устройства или его отдельных компонентов.

Технический результат, достигнутый при использовании заявляемого устройства твердотельного источника тока, заключается в следующем:

Химический источник тока, являясь источником питания электротехнического устройства, дополнительно с электропитанием полностью или частично

— Защищает электротехническое устройство или его отдельные компоненты от воздействий в виде огня и (или) теплового излучения и (или) других воздействий, которые могут привести к недопустимому нагреву электротехнического устройства или его отдельных компонентов.

— Защищает внешнюю среду от огня и (или) теплового излучения, идущих от электротехнического устройства или его отдельных компонентов.

— Защищает электротехническое устройство или его отдельные компоненты от внешних электромагнитных и других излучений и (или) от воздействий подобных излучений на окружающую среду, если источником этих излучений являются электротехническое устройство или его отдельные компоненты.

— Предотвращает полное или частичное разрушение электротехнического устройства или его отдельных компонентов, вызванное внешними воздействиями и (или) частично или полностью предотвращает негативное воздействие на окружающую среду продуктов разрушения электротехнического устройства или его отдельных компонентов.

Для достижения указанной задачи и технического результата предлагается следующее устройство химического источника тока.

1. Химический источник тока, содержащий корпус, размещенные в нем один или несколько твердотельных гальванических элементов, соединенных между собой и состоящих из анода, электролита и катода на основе твердых ионных проводников, токовыводы для соединения его с электротехническим устройством, согласно изобретению имеет многофункциональное назначение и выполнен в виде преграды, являясь одновременно защитным элементом для полной или частичной защиты электротехнического устройства или его отдельных компонентов от внешних воздействий и (или) от воздействий электротехнического устройства или его отдельных компонентов на окружающую среду.

Использование в источнике тока твердотельных гальванических элементов, выполненных на основе твердых ионных проводников, позволяет реализовать твердофазные электрохимические процессы в батарее. Подобный химический источник тока является взрыво- и пожаробезопасным, так как он выполнен из термостойких твердых суперионных проводников и все процессы, обеспечивающие разрядные характеристики, протекают в твердых фазах без участия газообразных или жидких компонентов /4/.

Нагрев такого химического источника тока приводит к повышению ионной проводимости твердых ионных проводников и к повышению скорости протекания токообразующих электродных реакций в твердофазном аноде и катоде. В результате этого снижается внутреннее сопротивление твердотельного источника тока и повышается его разрядная мощность, то есть при нагреве твердотельного источника тока полностью сохраняется его работоспособность, более того повышаются его разрядные и энергетические характеристики /3, 4/.

Использование такого химического источника тока как защитного элемента приводит к его многофункциональному назначению в электротехническом оборудовании: наряду с питанием оборудования он частично или полностью поглощает различного вида энергию негативных внешних воздействий, уменьшая их влияние на внутренние компоненты электротехнического устройства, при этом сам сохраняет работоспособность.

Высокая термостойкость батарей позволяет защищать электротехническое устройство или его отдельные компоненты от перегрева. При этом внешние негативные воздействия, которые приводят к такому перегреву, могут иметь различную природу, к примеру повышение температуры электротехнического устройства или его отдельных компонентов из-за воздействия огня и (или) излучений, из-за повышенной температуры окружающей среды, из-за трения и т.п. Поглощение энергии химическим источником тока, выполненным, например, в виде преграды, приводит к его нагреву и, соответственно, защищает от теплового перегрева электротехническое устройство или его отдельные компоненты. При этом сам химический источник тока сохраняет работоспособность, и при нагреве разрядные характеристики повышаются. Форма химического источника тока, выполняющего функцию защитного элемента, определяется возможностью наиболее эффективно поглощать энергию негативных воздействий и противостоять вышеуказанным воздействиям. В таком источнике тока могут быть предприняты дополнительные меры для максимально возможного поглощения энергии негативных воздействий химическим источником тока, выполненным в виде преграды, к примеру материал корпуса, масса корпуса, толщина корпуса и т.п..

В случае, когда электротехническое устройство или его отдельные компоненты сами являются источником негативных воздействий на окружающую среду, химический источник тока, выполненный в виде преграды, аналогично, как и в случае внешних воздействий, поглощает энергию этих негативных внешних воздействий, уменьшая негативное влияние электротехнического устройства или его отдельных компонентов на окружающую среду.

Химический источник тока, выполненный как преграда, может защищать отдельные компоненты электротехнического устройства от негативных воздействий других компонентов этого электротехнического устройства.

Использование твердотельного химического источника тока в качестве защитного элемента и выполнение его в виде преграды приводит к важному практическому результату — многофункциональному применению наряду с выполнением функции источника тока и питанием электротехнического оборудования он защищает электротехническое устройство или его компоненты от внешних негативных воздействий и (или) защищает внешнюю окружающую среду от негативных воздействий электротехнического устройства или его компонентов.

Следует особо подчеркнуть, что одновременно использовать и как источник питания, и как защитный элемент можно только химический источник тока с твердотельными гальваническими элементами, состоящими из анода, электролита и катода на основе твердых ионных проводников. Использование других химических источников тока в качестве защитного элемента в виде преграды для защиты от негативных воздействий, к примеру источников тока с жидким или полимерным электролитом, не позволяет решить поставленную задачу, так как при поглощении энергии негативных воздействий и, соответственно, нагреве такие источники тока разрушаются и для их функционирования их самих нужно защищать от нагрева или охлаждать.

Использование в источнике тока твердотельных гальванических элементов, выполненных на основе твердых ионных проводников, позволяет выполнить батарею в виде многослойной металлокерамической структуры, состоящей из одного или нескольких твердотельных гальванических элементов /3/. При этом каждый гальванический элемент также является спеченной многослойной металлокерамической структурой, состоящей из тонких слоев анода, электролита, катода и металлических анодного и катодного коллекторов. Такое устройство химического источника тока, состоящего из корпуса с токовыводами, в котором размещены и подсоединены к токовыводам один или несколько твердотельных гальванических элементов, соединенных последовательно или (и) параллельно, состоящих из анода, электролита и катода, выполненных на основе твердых ионных проводников, является твердой жесткой и механически прочной конструкцией.

Выполнение устройства такого химического источника тока в виде преграды позволяет реализовать его дополнительное функциональное использование в электротехническом оборудовании в качестве частичной или полной защиты от механических воздействий. При этом в случае разрушения химического источника тока он сохраняет свою взрыво- и пожаробезопасность и не будет являться источником агрессивных жидкостей и газов, так как их не содержит.

2. Для эффективного использования химического источника тока в качестве защитного элемента, выполненного в виде преграды для защиты от негативных воздействий направленного действия, химический источник тока выполняется в виде пластины. В этом случае химический источник тока выполняет функцию экрана и поглощает благодаря своей большой поверхности полностью или частично энергию воздействий направленного действия. В электротехнических устройствах или в его отдельных компонентах источник тока, выполненный как преграда, может быть установлен на корпусе или (и) рядом с корпусом устройства или его отдельных компонентов, а также может быть размещен как преграда в доступных полостях электротехнического устройства для защиты отдельных его компонентов.

Для увеличения поверхности такого экрана можно использовать несколько рядом расположенных химических источников тока, выполненных в виде пластины. Для повышения надежности электрического питания каждый из химических источников тока может быть соединен с электротехническим устройством отдельно. Для повышения мощности электрического питания химические источники могут быть скоммутированы между собой последовательно или (и) параллельно, а затем соединены с электротехническим устройством. В таком химическом источнике тока твердотельные гальванические элементы могут иметь форму пластины и размещаются в корпусе в виде многослойной металлокерамической плоской структуры. В случае технологической целесообразности изготовления твердотельных гальванических элементов в виде дисков с многослойной металлокерамической плоской структурой химический источник тока, выполненный в виде пластины, может содержать один или несколько таких дисков, а в свободном объеме между дисками могут размещаться дополнительные функциональные элементы для повышения эффективности защиты, к примеру, тепловые аккумуляторы или элементы, повышающие механическую прочность пластины.

3. Для эффективного использования химического источника тока как защиты, выполненного в виде преграды от негативных воздействий с различных направлений, химический источник тока выполняется с внутренней полостью, в которой размещается электротехническое устройство или его отдельные компоненты. В этом случае химический источник тока является полной или частичной внешней оболочкой электротехнического устройства или его отдельных компонентов и полностью или частично защищает электротехническое устройство или его отдельные компоненты от внешних воздействий и (или) полностью или частично защищает окружающую среду от негативных воздействий электротехнического устройства или его отдельных компонентов.

Выполняя роль защитного элемента, химический источник тока поглощает энергию негативных воздействий. При этом он будет нагреваться, сохраняя свои функции как источника тока.

Выполнение химического источника тока с внутренней полостью, в которой размещается электротехническое устройство, может представлять практический интерес для малогабаритных электротехнических устройств, а также для малогабаритных отдельных компонентов электротехнических устройств, для которых влияние внешних негативных воздействий наиболее опасно или эти компоненты сами являются источником опасных негативных воздействий на окружающую среду.

4. Химический источник тока, как защита от негативных воздействий в случае малогабаритных электротехнических устройств или их отдельных компонентов, может быть выполнен в виде полого цилиндра. В этом случае твердотельные гальванические элементы в виде многослойной металлокерамической кольцевой структуры также могут иметь форму колец и размещаться в корпусе.

5. Для повышения многофункциональности химического источника тока, используемого как защита и выполненного в виде преграды, защищающей электротехническое устройство или его отдельные компоненты от внешних воздействий и (или) от воздействий электротехнического устройства или его отдельных компонентов на окружающую среду, он может быть выполнен в виде корпуса или части корпуса электротехнического устройства или его отдельных компонентов.

6. Для защиты от огня химический источник тока, выполненный в виде преграды, полностью или частично предотвращает прямое воздействие огня на электротехническое устройство или его отдельные компоненты. Химический источник тока, выполненный в виде преграды, также может быть защитой от огня окружающей среды в случае, если источником огня является электротехническое устройство или его отдельные компоненты. В этом случае химический источник должен иметь термостойкий корпус, к примеру металлический. Для защиты от огня химический источник тока может быть выполнен в виде пластины, если огонь имеет направленное воздействие, или в виде полной или частичной внешней оболочки электротехнического устройства или его отдельных компонентов, если огонь воздействует с разных направлений. Тепловое излучение также может поглощаться химическим источником тока. Предотвращая воздействие огня, химический источник тока может значительно нагреваться. При этом он выполняет свою основную функцию — питание электрического оборудования или его отдельных компонентов. При повышении температуры химического источника тока его разрядные и энергетические характеристики повышаются. Это обстоятельство может быть использовано, к примеру, в случае пожара от такого химического источника тока может быть осуществлено электропитание мощных исполнительных механизмов для предотвращения аварийной ситуации. Эффективность химического источника тока на основе твердых ионных проводников, как преграды для защиты от огня и теплового излучения, определена высокой теплоемкостью использованных в них материалов и низкой теплопроводностью многослойной металлокерамической структуры гальванических элементов. Для повышения эффективности защиты от огня и теплового излучения в химическом источнике тока, выполненном в виде преграды, дополнительно может быть предусмотрено увеличение его теплоемкости для повышения его эффективности как теплового аккумулятора, к примеру, за счет увеличения массы корпуса и (или) снижение теплопроводности за счет использования дополнительных теплоизоляционных материалов.

Как в случае защиты от теплового излучения, химический источник тока может быть выполнен в виде преграды и защищать от других типов излучений. Имея в своем составе металлические анодные и катодные коллекторы, он может экранировать электромагнитные излучения. Для повышения эффективности защиты от излучений в химическом источнике тока, выполненном в виде преграды, дополнительно могут быть использованы специальные материалы для корпуса, которые поглощают энергию этих излучений. Нагрев корпуса и химического источника в целом вследствие экранирования излучений не приведет к снижению работоспособности источника тока в электротехническом устройстве или в его отдельных компонентах.

7. Химический источник тока, выполненный в виде преграды, может эффективно использоваться не только для защиты от воздействий, которые приводят к недопустимому перегреву электротехнического устройства или его отдельных компонентов, к примеру, при воздействии огня или излучений, но и, обладая механической прочностью, его выполнение в виде преграды позволяет расширить его функциональность и использовать его для защиты от полного или частичного механического разрушения электротехнического устройства или его отдельных компонентов. При этом химический источник тока может защитить как электротехническое устройство или его отдельные компоненты от внешних механических воздействий, так и окружающую среду от механических воздействий при разрушении электротехнического устройства или его отдельных компонентов. Это может быть важно для безопасности людей.

Химический источник тока, выполненный в виде преграды, может эффективно использоваться не только для защиты от отдельных видов воздействий, таких как огонь, излучение, механические воздействия, но и для защиты от воздействия нескольких из них или всех одновременно.

На фиг.1 представлена схема устройства химического источника тока многофункционального назначения, выполненного в виде пластины для защиты электротехнического устройства или его отдельных компонентов от негативного воздействия направленного действия.

На фиг.2 представлена схема устройства химического источника тока многофункционального назначения, выполненного в виде пластины для защиты электротехнического устройства или его отдельных компонентов от негативных воздействий с различных направлений.

На фиг.3 представлена схема устройства химического источника тока многофункционального назначения, выполненного в виде полого цилиндра, для защиты размещенного в цилиндрическом отверстии электротехнического устройства или его отдельных компонентов.

Работоспособность заявляемого устройства химического источника тока состоит в следующем.

Химический источник тока (1) на фиг.1 состоит из корпуса (2) с размещенными в нем несколькими твердотельными гальваническими элементами (3), соединенными между собой и состоящими из анода (4), электролита (5) и катода (6) на основе твердых ионных проводников. Токовыводы (7) предназначены для соединения его с электротехническим устройством (8). Химический источник тока осуществляет требуемое от него электрическое питание и при этом он выполнен в виде преграды, которая защищает от негативных внешних воздействий (9). Защищая от негативных воздействий, химический источник тока поглощает энергию этих воздействий и нагревается. Нагреваясь, химический источник тока продолжает генерировать электрический ток и обеспечивать требуемое от него электропитание. При этом нагрев гальванических элементов на основе твердых ионных проводников приводит к значительному росту ионной проводимости в этих проводниках. Ионная проводимость в каждом гальваническом твердотельном элементе на основе твердых ионных проводников возрастает экспоненциально с повышением температуры, так как она, в основном, определена экспоненциальной температурной зависимостью ионной проводимости твердых ионных проводников (зависимость Аррениуса-Френкеля). При повышении температуры также экспоненциально возрастает скорость электродных токообразующих реакций в твердотельных гальванических элементах. В результате все это приводит к значительному повышению разрядных и энергетических характеристик химического источника тока и высокоэффективному многофункциональному использованию твердотельного химического источника:

(а) Химический источник тока обеспечивает питание электротехнического оборудования.

(б) Химический источник тока, содержащий твердотельные гальванические элементы на основе твердых ионных проводников, является термостойким и пожаровзрывобезопасным, поэтому он будет эффективно выполнять роль преграды, которая защищает от огня или экранирует излучения.

(в) Выполняя роль преграды и поглощая энергию негативных воздействий, химический источник тока нагревается, его разрядно-энергетические характеристики возрастают, в результате чего повышается эффективность использования химического источника тока для питания электротехнического оборудования или его отдельных компонентов в экстремальных условиях.

Аналогично работоспособность заявляемого устройства химического источника тока реализуется для защиты окружающей среды, если источником негативных воздействий (10) является электротехническое устройство (8) (Фиг.1).

Для эффективного использования химического источника тока как защиты от негативных воздействий с различных направлений химический источник тока может выполняться в виде преграды по каждому из направлений (Фиг.2) или иметь цилиндрическую форму с внутренней полостью (Фиг.3). На Фиг.2 и 3 (1) — химический источник тока, (8) — электротехническое устройство, (9) — направление негативного воздействия.

Был испытан химический источник тока, содержащий корпус, размещенные в нем несколько твердотельных гальванических элементов, соединенных между собой и состоящих из анода, электролита и катода на основе твердых ионных проводников, токовыводы для соединения его с электротехническим устройством. При испытании моделировались условия выполнения такого твердотельного химического источника тока в качестве преграды для защиты электротехнического оборудования от интенсивного воздействии огня и теплового излучения при горении дизельного топлива. Химический источник тока состоял из металлического корпуса, в котором были размещены гальванические элементы с параллельной и последовательной коммутацией, в которых согласно /5/ были использованы твердые ионные проводники с кубической структурой фторида свинца и с тисонитной структурой фторида лантана.

В результате была доказана высокая эффективность выполнения заявляемого химического источника тока в виде преграды для защиты электротехнического устройства или его отдельных компонентов от воздействия огня и теплового излучения при горении дизельного топлива. Источник тока устойчиво функционировал в очень жестких условиях прямого воздействия интенсивного огня горящего дизельного топлива, обеспечивая свою работоспособность. Зарегистрированный при этом нагрев источника тока составлял 670°С.

Настоящее изобретение касается устройства химического источника тока, которое позволяет реализовать многофункциональное его использование по прямому назначению — как источника тока и по дополнительному назначению — как защитного элемента для полной или частичной защиты электротехнического устройства или его отдельных компонентов от внешних негативных воздействий и (или) от негативных воздействий на окружающую среду, если источником таких воздействий является электротехническое устройство или его отдельные компоненты.

Использованная литература

1. Большая энциклопедия, т.50, стр.328, т.60, стр.168, Москва, «Терра», 2006 г.

2. Патент США №6,379,841 B1, H01M 4/58, 30.04.2002.

3. Патент РФ №2313158, H01M 6/18, 10/36, опубл. 20.12.2007 (прототип).

4. А.А.Потанин. Твердотельный химический источник тока на основе ионного проводника типа трифторида лантана. Рос. Хим. Ж. (Ж. Рос. Хим. об-ва им. Д.И.Менделеева), 2001, т.XLV, №5-6, стр.63.

5. Патент РФ №2187178, H01M 6/18, 10/36, опубл. 10.08.2002.

Как сделать химический источник тока

Как сделать химический источник тока? Узнайте с помощью нашего эксперимента.

Правила техники безопасности

Предупреждение! Проводите эксперимент только под наблюдением взрослых.

Реактивы и оборудование

• раствор сульфата меди (II);
• раствор сульфата цинка;
• электроды медные и цинковые;
Клипсы «крокодил»
• ;
• флаконов пластиковых;
Держатель для флаконов
• ;
• Рождественские огни;
• светодиод;
Шприцы
• ;
• прямоугольных кусков ткани.

Пошаговая инструкция

Вставьте медный и цинковый электроды в пластиковые флаконы и расположите их так, чтобы металлы чередовались. Соедините электроды зажимами типа «крокодил» так, чтобы электроды с обеих сторон имели свободный зажим. Соедините флаконы с медными и цинковыми электродами кусочками ткани. Налейте раствор сульфата меди (II) во флаконы с медными электродами, а раствор сульфата цинка во флаконы с цинковыми электродами.Мы создали две связанные ячейки Даниэля. Подключите свободные концы зажимов к светодиоду — он светится! Если вы подключите больше ячеек Daniell, вы даже сможете включить рождественские огни!

Описание процесса

Принцип действия ячейки Даниэля основан на разнице между реакционной способностью меди и цинка. Его напряжение составляет примерно 1,1 вольт. Цинк — более активный металл. И каждый атом цинка легко отдает два электрона, образуя ионы цинка Zn²⁺, которые выделяются в раствор:

Zn — 2e → Zn²⁺

Эти электроны мигрируют к медному электроду, который приобретает отрицательный заряд и начинает притягивать положительно заряженные ионы меди Cu²⁺ в растворе сульфата меди (II).Эти ионы принимают доступные электроны с образованием металлической меди, которая осаждается на поверхности медного электрода:

Cu²⁺ + 2e → Cu⁰

Двигаясь по проводам от цинка к меди, электроны создают электрический ток, который заставляет светодиод светиться.

Аналогичный эксперимент включен в набор «Химия и электричество» из подписки MEL Chemistry.

теоретических основ перспективных химических источников тока (ХИТ) и конденсаторных структур сверхбольшого объема (ПСК) для аккумуляторов электроэнергии | Владимир Владимирович

[1] Бломгрен, Г.Е. Развитие и будущее литий-ионных батарей / Г. Э. Бломгрен // Журнал электрохимического общества. — 2017. — Т. 164, вып. 1. — P. A5019-A5025. — DOI: 10.1149 / 2.0251701jes — http://jes.ecsdl.org/content/164/1/A5019.full

[2] Myung, ST. Никелевые слоистые катодные материалы для автомобильных литий-ионных аккумуляторов: достижения и Перспективы / С.-Т. Myung, F. Maglia, K.-J. Пак, К. С. Юн, П. Лампа, С.-Дж. Ким, Ю.-К. Солнце // ACS Energy Letters. — 2017. — Т. 2. — С. 196-223.- DOI: 10.1021 / acsenergylett.6b00594. — http://pubs.acs.org/doi/pdfplus/10.1021/acsenergylett.6b00594

[3] Кристиансен, Исследование по хранению энергии: Обзор рынка хранения энергии и рекомендации по приоритетам финансирования и обмена знаниями / К. Кристиансен, Б. Мюррей, Г. Конвей // AECOM Australia для Австралийского агентства по возобновляемым источникам энергии. — 13 июля 2015. — С. 32. — (http://arena.gov.au/files/2015/07/AECOM-Energy-Storage-Study.pdf).

[4] Кицюк Е.П. «Исследование и разработка процессов формирования наноструктурированных электродов электрохимических накопителей энергии», диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук (Ph.Д.) 05.27.06 — Технология и оборудование для производства полупроводников, материалов и приборов электронного оборудования МИЭТ, Москва, 2017

[5] Лебедев Е.Ф. «Разработка процессов формирования и исследование свойств элементов тепловыделения и энергии. накопитель для термоэлектрических батарей », диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.27.06. МИЭТ, Москва, 2017

[6] ВУ ДЫЦ ХОАН «ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МНОГОСЛОЙНЫХ ТОНКОПЛЕННЫХ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИХ ЯЧЕЕК», диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук (Ph.Д.), специальность 27.05.06 Москва — 2017.

[7] Мелвин-Хьюз Э.А. Издательство «Физическая химия» И.Л. Москва 1962

[8] Герасимов Я.И .; Древинг В.П .; Еремин Е.Н. и др. Под общ. Ред. А.А. Герасимов. «Курс физической химии», Изд-во «Химия», Москва, 1969

[9] Пригожин М., Дефай Р. «Химическая термодинамика». Изд-во «Бином», Москва, 2010.

[10] Фихтенгольц Г.М. «Курс дифференциально-интегрального расчета».Издательство «Физико-математическая литература» Москва 1969

[11] Суздалев И.П. «Нанотехнологии: физическая химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов» Под ред. Москва: Книжный дом «Либроком», 2009.

[12] Слепцов В.В. «Физико-химические основы наноматериалов и нанотехнологий». ООО «Сам полиграфист» Москва 2015.

[13] Салем Р.Р. «Физическая химия. Начало теоретической электрохимии »Издательство:« Комкнига »2010.

[14] Б.Б. Дамаскин, О. А. Петрий, Г. А. Цирлина. Издательство «Электрохимия» «Химия» 2010

[15] Льюис Джордж, Рэндалл. М. «Химическая термодинамика». Издательство «ОНТИ Химтеорет» Москва 1936

[16] Салем П. П. Теория двойного слоя. Изд-во Физматлит, Москва, 2003

[17] Матвеев А.Н. «Электричество и магнетизм». Издательство Лан Санкт-Петербург-Москва 2010

[18] Беляев Б.А., Дрокин Н.А. Спектры импеданса тонких пленок пермаллоя с наноструктурой, Физика твердого тела, 2012, вып.54, вып.2, с. 340-346.

[19] Б.И. Седунов, Д.А. Франк-Каменецкий, «Диэлектрическая проницаемость биологических объектов», «Успех физических наук», апрель 1963 г., т. LXXIX, вып. Четыре р. 617-639.

[20] Справочник «Физические величины» Издательство Энергоатомиздат, Москва, 1991

батарей — есть ли какое-либо физическое устройство, называемое источником тока?

Давайте представим очень простую схему — например, источник постоянного напряжения, который обеспечивает разность потенциалов в 1 вольт на сопротивлении в 1 Ом, что вызывает протекание тока в 1 ампер.Если вы затем разорвали цепь на стороне низкого напряжения (между резистором и землей), а затем добавили мультиметр последовательно с резистором, вы бы измерили ток в 1 ампер.

^{смоделировать эту схему — Схема, созданная с помощью CircuitLab}

Если описанная мною схема является эквивалентом Тевенина, то с точки зрения «анализа схемы» источник тока больше похож на преобразование Нортона.

Если вы затем подумали обо всей системе, включая источник напряжения, как о «черном ящике» и имеющем только два выхода (клеммы, к которым подключается мультиметр), то вы могли бы назвать это источником тока.

Однако, если вы затем попытаетесь подключить нагрузку к этому источнику тока, вы обнаружите, что ток изменится (из-за закона Ома, действующего в черном ящике).

Итак, существуют практические схемы, которые могут быть построены из совокупностей операционных усилителей или других полупроводниковых материалов, обладающих «эффектом постоянного тока». Однако ни один из них не является чистым «источником тока».

Вы говорите, что аккумулятор — это «источник напряжения».

Однако без резистора, подключенного для протекания тока, батарея не может рассеивать электрическую энергию, поэтому ваш источник напряжения не может делать ничего полезного, не позволяя току течь.Определение тока — это скорость потока заряда. Хорошее определение напряжения — электрическая энергия на единицу заряда. Разделить два на «источники» сложно, потому что:

(а) пучки электронов, которые мы называем кулонами, не будут двигаться и создавать явления, которые мы называем «током», без движения электронов.

(b) разность потенциалов или работа, совершаемая против электронного поля при перемещении заряда из физической точки a в физическую точку b, также требует перемещения.

Я пытаюсь сказать, что напряжение и ток не возникают независимо, когда источник (называем мы его током или напряжением) подает энергию на нагрузку, поэтому я думаю, что концептуально трудно «думать» об этом. источники напряжения и тока как будто они разные.

Химический накопитель энергии — обзор

1.4 Термохимический накопитель

Химический накопитель энергии использует изменение энтальпии обратимой химической реакции. Интерес к этим системам мотивирован возможностью хранить энергию при более высоких плотностях энергии по сравнению с другими типами TES [79–85]. Другими привлекательными особенностями термохимического хранения являются:

•

Реагенты и продукты можно хранить при температуре окружающей среды, чтобы избежать тепловых потерь.Эта функция удобна для длительного хранения (например, сезонного).

•

По сравнению с системами явного и скрытого тепла, термохимический накопитель может иметь разные уровни температуры для зарядки и разрядки за счет изменений давления в газовой фазе. Следовательно, возможно повысить или понизить категорию тепла и подать тепло на подходящем уровне температуры. Такие системы также известны как тепловые трансформаторы и химические тепловые насосы [11].

•

Возможна разгрузка термохимических систем (например.например, от комнатной температуры), просто сводя реагенты вместе (например, открывая клапан для подачи газа).

Энергия сохраняется в форме химических соединений A и B , созданных эндотермической реакцией, и снова восстанавливается путем рекомбинации соединений в экзотермической реакции до соединения AB [уравнение. (1.5)]. При достаточно высоких температурах продукты A и B пространственно разделены.

(1.5) AB⇔ΔHrA + B

Накопленное и выделенное тепло эквивалентно теплу (энтальпии) реакции Δ H _r . Δ H _r часто больше, чем энтальпия перехода при накоплении скрытой теплоты или явной теплоты, накопленной в разумном диапазоне температур. Следовательно, плотность хранения, основанная на твердой массе или объеме, может быть больше для термохимических аккумулирующих материалов, чем для скрытых или явных аккумулирующих тепло материалов. Многие концепции термохимического накопления энергии находятся на более ранней стадии разработки по сравнению с системами явного и скрытого тепла.В низкотемпературном диапазоне (<150 ° C) термохимическое накопление энергии коммерчески используется на нишевых рынках (например, в сорбционных системах).

Потенциал термохимического хранения был выявлен на раннем этапе развития технологии CSP [86–88]. Многие группы активно исследуют химические процессы, вызванные солнечной энергией. Эти процессы направлены на производство солнечного топлива и полезных химических продуктов. В общем смысле эти подходы также образуют систему хранения энергии. В рамках данной главы химические процессы, вызванные солнечной энергией, далее не рассматриваются.

Термохимические системы хранения можно разделить на две основные категории. Открытые системы — типа обмениваются газами с окружающей средой. Во время зарядки в окружающую среду выделяются газы. Во время разгрузки утилизируется газ из окружающей среды. Следовательно, эти системы могут работать без сжатия и хранения газа, что упрощает конструкцию системы. Представляющие интерес газы включают кислород, азот, водяной пар и, возможно, двуокись углерода. Открытые системы могут вводить нежелательные вещества из окружающей среды.Примеси могут быть пылью, диоксидом серы, диоксидом углерода и органическими соединениями. Такие вещества могут ухудшить работу системы. Системные конструкции с фильтрами могут избежать таких трудностей. Хранение негерметичной газовой фазы в системе закрытого типа обычно невозможно из-за неприемлемо большого объема газа. Обычно в системах закрытого типа газ сжимается или конденсируется. Впоследствии сжатый газ или жидкость можно удобно хранить. Альтернативно, газ может быть реабсорбирован второй химической реакцией [81].Это обсуждение показывает, что следует рассматривать общую конструкцию системы, а не отдельную химическую реакцию.

Сорбционный процесс можно рассматривать как систему химических реакций, основанную на более слабых химических связях, а не на ковалентных связях, встречающихся в других системах. В сорбционной системе аккумулирования тепла сорбент нагревается во время загрузки, и пар десорбируется с сорбента. Во время выпуска пар с более низкой температурой адсорбируется (твердый сорбент) или абсорбируется (жидкий сорбент), и может выделяться тепло при более высокой температуре.В низкотемпературном диапазоне используются процессы адсорбции с использованием воды с такими материалами, как силикагель и цеолиты. Другой низкотемпературный вариант — реакция абсорбции . Типичными абсорбирующими материалами для воды являются MgSO ₄ , LiCl, LiBr, CaCl ₂ , MgCl ₂ , КОН и NaOH [10,89,90]. Для высокотемпературных применений сорбционные системы обычно не рассматриваются. Следовательно, здесь сорбция не обсуждается.

Фиг.1.11 классифицирует обратимые реакции по трем физическим фазам , а именно: твердое тело – газ, жидкость – газ и газ – газ. Для диапазона температур выше 300 ° C актуальны в основном реакции твердое тело – газ и в некоторой степени жидкость – газ.

Рисунок 1.11. Классификация термохимического накопителя энергии по типу реакции.

1.4.1 Материалы для хранения

Термохимические материалы для хранения должны характеризоваться подходящей температурой реакции и энтальпией для применения.Дополнительные требования к материалам перечислены в разделе 1.1.

Определенные твердые соединения могут вступать в реакцию твердое тело-газ или реакции диссоциации при нагревании. Газ выделяется, в то время как обедненное твердое вещество остается в реакторе (эндотермическая реакция, т. Е. Загрузка хранилища). Паразитная обратная реакция будет происходить самопроизвольно, если равновесие будет изменено при понижении температуры или повышении давления. Поэтому продукты диссоциации необходимо разделять и хранить отдельно.Для разряда в экзотермической реакции газ рекомбинируется с твердым телом.

Как правило, существуют различные типы реакционных систем твердое тело – газ , которые можно использовать для термохимического хранения энергии следующим образом:

•

Дегидратация гидратов солей металлов (применение в диапазоне от 40 ° C до 260 ° C)

•

Дегидратация гидроксидов металлов (применение в диапазоне от 250 ° C до 600 ° C)

•

Дегидрирование гидридов металлов (применение в диапазоне от 80 ° C до 400 ° C)

•

Декарбоксилирование карбонатов металлов (применение в диапазоне от 100 ° C до 950 ° C)

•

Термическое дезоксигенация оксидов металлов (применение в диапазоне 600 ° C– 1000 ° C)

Таблица 1.2 показаны материальные системы с реакцией твердое тело-газ типа AB _(s) ↔A _(s) + B _(g) , где индексы (s) и (g) определяют твердое тело и газ, соответственно. В таблице также показано газо-газовых реакций , для которых обычно требуется катализатор для получения высоких скоростей реакции. В таблице показаны равновесная температура реакции T _r и теплота реакции, относящаяся к исходному реагенту Δ h _{r, исходному продукту} на моль.Кроме того, были исследованы многоступенчатые термохимические циклы, такие как циклы сера / серная кислота.

Таблица 1.2. Равновесная температура и теплота реакции для термохимического хранения тепла.

Соль аммония 4 HSO ₄ ↔NH ₃ + H ₂ + SO ₃ 903 903 903 CO ₂ ↔2CO + 2H ₂

Физические фазы реакции	Группа материалов	Материал	T r (1 бар) (° C)	Δ h r, educt (кДж / моль) (кДж / моль)
Твердый газ	Гидроксиды	Ca (OH) 2 ↔CaO + H 2 O	505	104
		Твердый газ		Твердая газовая соль	467	337
Твердый газ	Солевые гидраты	Mg163 9016 73 ↔MgSO 4 + 7H 2 O	122	411
		CaCl 2 · 2H 2 O↔CaCl 2 · H H H 2	174	48
		CuSO 4 · 5H 2 O↔CuSO 4 · H 2 O + 4H 2 O	104	226
		CuSO4 9016 9016 O315 CuSO4 9016 9016 O2 4 + H 2 O	205	73
Твердый газ	Пероксидные соли	BaO 2 ↔BaO + ½O 2	783 903 KO 2 ↔½ K 2 O + ¾ O 2	668	101
Твердый газ	Оксиды металлов	6Mn 2 O 4 + O 2	960	32
		2Co 3 O 4 ↔6CoO + O 2	900	200 газ Карбонаты	CaCO 3 ↔CaO + CO 2	896	167
		BaCO 3 ↔BaO + CO 2	1497	212
Металлогидриды				Металлогидрид 2	293	79
		Mg 2 NiH 4 ↔Mg 2 Ni + 2H 2	253			газ NH 3 ↔½N 2 +1.5H 2	195	49
		CH 4 + H 2 O↔CO + 3H 2	687	205	687	247
Гибридные циклы	Серный цикл	H 2 SO 4 ↔SO 903 903 + 2 170	132
		SO 3 ↔SO 2 + ½O 2	400	99
		SO 2 + ⅔H 2 O 2 O → 2 + ⅓S	140	55
		S + O 2 → SO 2	1250	297

1.4.2 Компонент аккумулирования и концепции теплопередачи

Эффективная конструкция термохимического реактора аккумулирования тепла имеет важное значение для эффективного применения ранее обсужденных материалов. По сравнению с накоплением явного и скрытого тепла необходимо учитывать не только теплопередачу, но и массоперенос (например, для газовой фазы). Это обстоятельство усложняет конструкцию термохимического реактора. Реакция может происходить либо внутри самого резервуара для хранения (реактор с неподвижным слоем), либо материал для хранения транспортируется между резервуаром для хранения эдуктов (отдельный реактор, в котором происходит реакция) и резервуаром для продуктов (реакторы с подвижным слоем).Примеры реакторов с неподвижным слоем твердого газа: [90]:

•

Порошковое наполнение

•

Подложки с TCS с высокой площадью поверхности (например, соты)

•

Композиты для улучшения поведения реакции или теплопередачи

•

Ребра в реакционном слое для улучшения теплопередачи

•

Дополнительные пути диффузии (например, трубы) для газовой фазы в зоне реакции

Примеры реакторов с подвижным слоем твердого газа и газа: [90]:

•

Вращающийся барабан

•

Винтовые реакторы

•

Реакторы с псевдоожиженным слоем

• Вспомогательный подвижный реактор

1.4.3 Интеграция хранения и приложения

Для CSP было исследовано несколько высокотемпературных термохимических систем хранения. Диссоциация гидроксида кальция (Ca (OH) ₂ ↔CaO + H ₂ O) была исследована, и обратимость реакции может быть доказана с энтальпией реакции 104 кДж / моль и равновесной температурой 505 ° C. ° C при 1 бар [91]. Реакторы с неподвижным слоем и движущимися объемными реакторами с гравитационной подачей в масштабе 10–100 кВтч были испытаны при соответствующем параметре процесса для интеграции в установку CSP с энергетическим циклом Ранке [92].

Тепловой накопитель на твердой основе — это классический вариант TES для ресиверов центрального кондиционирования воздуха CSP. В качестве альтернативы системам хранения твердых носителей рассмотрено термохимическое хранение оксидов металлов. Несколько конструкций реакторов были изучены в лаборатории на небольшом прототипе (например, вращающийся барабан, неподвижный слой, гравитационный движущийся объемный реактор) с материальными системами, такими как оксид марганца или оксид кобальта [93–97].

В областях хранения и транспортировки могут использоваться газо-газовые реакции.Продукты реакции транспортируются по трубопроводу от источника заряда к потребителю с разгрузочным стоком. Эта система называется химическим тепловым трубопроводом или химическим тепловым трубопроводом (рис. 1.12).

Рисунок 1.12. Схема упрощенного принципа химического теплопровода.

Для катализируемых CSP газофазных реакций аммиака интерес представляют триоксид серы и риформинг метана (таблица 1.2). Цикл риформинга метана мощностью до 10 МВт был разработан для ядерных применений и известен как процесс EVA / ADAM [20].Были испытаны реакторы-прототипы на солнце мощностью от 10 кВт до нескольких 100 кВт [97,99]. Основным недостатком подхода к гетерогенно-каталитическим реакциям в газовой фазе с точки зрения хранения является необходимость разделения, сжатия и хранения газов, что увеличивает стоимость и сложность процесса.

Этот недостаток можно преодолеть с помощью дополнительных стадий реакции, как это предусмотрено для цикла на основе серы с множественными реакциями (таблица 1.2) [100–102]. Цикл состоит из испарения и разложения серной кислоты на солнце, диспропорционирования диоксида серы и эффективного сжигания серы [102–105].Были испытаны несколько прототипов реакторов для различных стадий реакции [84]. На заводах по производству серной кислоты имеется обширный опыт использования многих компонентов этого цикла. Емкость этого цикла зависит от объемов хранения серной кислоты и серы. Кроме того, рассматриваются другие циклы производства водорода, такие как цикл серо-йод [106] и цикл Вестингауза [107].

Крошечные частицы энергии химических реакций | MIT News

Инженеры

MIT открыли новый способ производства электричества с использованием крошечных углеродных частиц, которые могут создавать ток, просто взаимодействуя с окружающей их жидкостью.

Жидкость, органический растворитель, вытягивает электроны из частиц, генерируя ток, который можно использовать для запуска химических реакций или для питания микро- или наноразмерных роботов, говорят исследователи.

«Этот механизм новый, и этот способ производства энергии совершенно новый, — говорит Майкл Страно, профессор химической инженерии Карбон П. Дуббс в Массачусетском технологическом институте. «Эта технология интересна, потому что все, что вам нужно сделать, это пропустить растворитель через слой этих частиц.Это позволяет вам заниматься электрохимией, но без проводов ».

В новом исследовании, описывающем это явление, исследователи показали, что они могут использовать этот электрический ток для запуска реакции, известной как окисление спирта — органической химической реакции, которая важна в химической промышленности.

Страно — старший автор статьи, которая сегодня публикуется в журнале Nature Communications . Ведущими авторами исследования являются аспирант Массачусетского технологического института Альберт Тяньсян Лю и бывший исследователь Массачусетского технологического института Юичиро Кунаи.Среди других авторов — бывший аспирант Антон Коттрилл, аспиранты Амир Каплан и Хьюна Ким, аспирант Ге Чжан и недавние выпускники Массачусетского технологического института Рафид Молла и Янник Итмон.

Уникальные объекты

Новое открытие стало результатом исследований Страно углеродных нанотрубок — полых трубок, состоящих из решетки атомов углерода, которые обладают уникальными электрическими свойствами. В 2010 году Страно впервые продемонстрировал, что углеродные нанотрубки могут генерировать «волны термоЭДС».«Когда углеродная нанотрубка покрыта слоем топлива, движущиеся импульсы тепла или волны термоЭДС перемещаются по трубке, создавая электрический ток.

Эта работа привела Страно и его учеников к открытию родственной особенности углеродных нанотрубок. Они обнаружили, что, когда часть нанотрубки покрыта тефлоноподобным полимером, это создает асимметрию, которая позволяет электронам течь от покрытой к непокрытой части трубки, генерируя электрический ток. Эти электроны можно вытянуть, погрузив частицы в растворитель, который жаждет электронов.

Чтобы использовать эту особую способность, исследователи создали частицы, генерирующие электричество, измельчая углеродные нанотрубки и превращая их в лист материала, похожего на бумагу. Одна сторона каждого листа была покрыта тефлоноподобным полимером, а затем исследователи вырезали мелкие частицы, которые могут иметь любую форму и размер. Для этого исследования они сделали частицы размером 250 на 250 микрон.

Когда эти частицы погружаются в органический растворитель, такой как ацетонитрил, растворитель прилипает к непокрытой поверхности частиц и начинает вытягивать из них электроны.

«Растворитель уносит электроны, и система пытается уравновеситься, перемещая электроны», — говорит Страно. «Внутри нет сложной химии батарей. Это просто частица, которую вы помещаете в растворитель, и она начинает генерировать электрическое поле ».

«Это исследование наглядно показывает, как извлекать повсеместную (и часто незамеченную) электрическую энергию, хранящуюся в электронном материале, для электрохимического синтеза на месте», — говорит Джун Яо, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники Массачусетского университета в Амхерсте. , который не принимал участия в исследовании.«Прелесть в том, что он указывает на общую методологию, которую можно легко расширить до использования различных материалов и приложений в различных синтетических системах».

Сила частиц

Текущая версия частиц может генерировать около 0,7 В электричества на частицу. В этом исследовании исследователи также показали, что они могут образовывать массивы из сотен частиц в небольшой пробирке. Этот реактор с «уплотненным слоем» вырабатывает достаточно энергии для протекания химической реакции, называемой окислением спирта, в которой спирт превращается в альдегид или кетон.Обычно эту реакцию не проводят с использованием электрохимии, потому что для этого потребуется слишком большой внешний ток.

«Поскольку реактор с уплотненным слоем компактен, он имеет большую гибкость с точки зрения применения, чем большой электрохимический реактор», — говорит Чжан. «Частицы могут быть очень маленькими, и им не нужны внешние провода для проведения электрохимической реакции».

В своей будущей работе Strano надеется использовать этот вид выработки энергии для создания полимеров, используя только диоксид углерода в качестве исходного материала.В родственном проекте он уже создал полимеры, которые могут восстанавливаться с использованием углекислого газа в качестве строительного материала в процессе, основанном на солнечной энергии. Эта работа вдохновлена ​​фиксацией углерода, набором химических реакций, которые растения используют для создания сахара из углекислого газа, используя энергию солнца.

В более долгосрочной перспективе этот подход может также использоваться для питания микро- или наноразмерных роботов. Лаборатория Страно уже начала создавать роботов такого масштаба, которые однажды можно будет использовать в качестве диагностических датчиков или датчиков окружающей среды.По его словам, идея о возможности извлекать энергию из окружающей среды для питания таких роботов весьма привлекательна.

«Это означает, что вам не нужно устанавливать накопитель энергии на борту», ​​- говорит он. «Что нам нравится в этом механизме, так это то, что вы можете получать энергию, по крайней мере частично, из окружающей среды».

Исследование финансировалось Министерством энергетики США и посевным грантом Энергетической инициативы Массачусетского технологического института.

Химическая энергия как источник электрической энергии

Химическая реакция была самым первым точным и применимым процессом, изобретенным для выработки электроэнергии.Луиджи Гальвани первым обнаружил этот процесс и опубликовал свои результаты в 1792 году. В 1800 году Аллесандро Вольта построил гальваническую батарею, первую батарею, на основе открытий Гальвани. Вольта задокументировал свои открытия в Лондонском королевском обществе. Этот готовый и надежный источник электроэнергии стимулировал исследования природы электричества.

Гальваническая куча состоит из серии серебряных дисков, отделенных от цинковых дисков пористым материалом, пропитанным раствором соленой воды. На каждом конце подсоединен проводник.Серебряная клемма — это положительный электрод, а цинковая клемма — это отрицательный электрод. Позже Вольта разработал более эффективную комбинацию, используя медную пластину и цинковую пластину в растворе щелочи. См. Рисунок 1.

Рис. 1. Гальваническая батарея была первым надежным и пригодным для использования источником электроэнергии. Гальванический элемент использует медную пластину и цинковую пластину в растворе щелочи.

Ячейка — это устройство, вырабатывающее электричество при почти фиксированном напряжении.Ячейка состоит из комбинации двух металлических электродов в кислотном или щелочном растворе. Например, медь и цинк в растворе щелочи — это химическая ячейка. Батарея — это источник постоянного напряжения, преобразующий химическую энергию в электрическую. Батарея образуется, когда два или более элемента объединяются для обеспечения более высокого потенциала или тока, чем обеспечивает один элемент. Гальваническая свая — это батарея. Примечание. Ячейки в гальванической батарее объединены последовательно.

При последовательном соединении элементов их напряжения складываются.Ячейки, соединенные последовательно, будут иметь одинаковый ток, потому что способность передавать ток нагрузке ограничена номинальным током самого низкого элемента. При параллельном соединении ячеек их токи складываются. Все элементы, соединенные параллельно, должны иметь одинаковое номинальное напряжение. Если одна из батарей в параллельной комбинации имеет более высокое напряжение, чем другие, будет течь разрядный ток, чтобы снизить ее выходное напряжение до номинального напряжения другой ячейки. Например, три 1.Ячейки 5 В / 1,0 А вырабатывают 4,5 В / 1,0 А при последовательном соединении и 1,5 В / 3,0 А при параллельном соединении. Последовательная / параллельная комбинация из девяти ячеек 1,5 В / 1,0 А может использоваться для производства батареи 4,5 В / 3,0 А. См. Рисунок 2.

Рис. 2. Элементы могут быть подключены последовательно для получения более высокого напряжения, параллельно для получения более высокого тока или последовательно / параллельно для получения более высокого напряжения и тока.

Химическая ячейка образуется при погружении двух электродов из разнородных металлов в электролит.Электролит может быть кислотным, щелочным или солевым раствором. Назначение электролита — рафинировать или производить материалы, пригодные для использования.

Когда кислота, такая как серная кислота (H ₂ SO ₄ ), смешивается в растворе с водой (H ₂ O), происходит химическая ионизация. Ионизация — это разделение атомов и молекул на частицы, обладающие электрическими зарядами. Эти заряженные частицы называются ионами. Частицы могут быть заряжены отрицательно (избыток электронов) или положительно (недостаток электронов).Когда вода и серная кислота смешиваются в качестве электролита, молекулы серной кислоты расщепляются на три иона: два иона водорода (H + H +) и один сульфат-ион (SO ₄ ^2-). Ионный баланс в растворе устанавливается, когда количество отрицательных и положительных зарядов одинаково. См. Рисунок 3.

Рис. 3. Когда вода и серная кислота смешиваются в качестве электролита, образуются ионы водорода и сульфата. Когда к электролиту добавляется цинковый электрод, цинк растворяется в виде положительно заряженных ионов цинка, оставляя цинковый электрод с отрицательным потенциалом.

Когда цинковый (Zn) электрод погружается в электролит, серная кислота растворяет часть цинка в растворе, образуя положительно заряженные ионы цинка (Zn ++). На каждый образованный ион цинка на цинковом электроде остается два свободных электрона. Со временем цинковый электрод становится отрицательно заряженным, а электролит — положительно заряженным. Установлено равновесие. Положительные ионы цинка собираются возле отрицательного цинкового электрода.

Когда медный электрод погружается в электролит, положительные ионы водорода притягиваются к медному электроду, где они получают электрон, нейтрализующий их заряд.Нейтральные атомы водорода становятся атомами газообразного водорода (H). Газообразный водород собирается вокруг медного электрода, и его можно увидеть в виде пузырьков, поднимающихся к верху раствора. Из-за потери электронов медный электрод становится положительно заряженным, и устанавливается равновесие. См. Рисунок 4.

Рис. 4. Когда медный электрод погружается в электролит, электроны передаются положительным ионам водорода, оставляя медный электрод с положительным потенциалом.Подключение нагрузки между двумя электродами позволяет электронам течь от цинкового электрода к медному электроду

Между медным и цинковым электродами теперь существует электрический потенциал. Величина потенциала зависит от используемого металла. Электроды выбираются для химических ячеек, исходя из легкости, с которой один металл отдает электроны по сравнению с другим металлом. Для цинк-медного элемента потенциал составляет приблизительно 1,08 В. Как только этот потенциал достигается, химическое действие прекращается до тех пор, пока к электродам элемента не будет подключена нагрузка.

Когда к электродам подключена нагрузка, электроны перемещаются от отрицательного цинкового электрода через нагрузку к положительному медному электроду. Это нарушает химическое равновесие клетки. Цинковый электрод теперь имеет недостаток электронов, а медный электрод имеет избыток электронов. Чтобы компенсировать это изменение, положительные ионы водорода в электролите перетекают к медному электроду, где они принимают избыточные электроны и нейтрализуются. Нейтральные ионы водорода перемещаются вверх по медному электроду и покидают раствор в виде газа.Из-за потери отрицательных частиц на цинковом электроде отрицательные молекулы сульфата притягиваются к цинковому электроду. Атомы цинка снова попадают в электролит. Это позволяет цинковому электроду накапливать отрицательные заряды.

. Пока цинк не израсходован, заряды на клеммах заменяются по мере того, как нагрузка потребляет ток. Следовательно, потенциал остается практически постоянным.

Наши повседневные устройства преобразуют химическую энергию в электричество

Элемент или батарея химически накапливает и высвобождает свой электрический потенциал, когда на его электроды помещается нагрузка.В 1830-х годах телеграфные системы стали основным потребителем батарей, что сделало их производство прибыльным коммерческим предприятием. К 1870-м годам уже производились схемы для электрических звонков, которые пользовались большим спросом у потребителей. К 1900 году был изобретен фонарик, и ежегодно производилось более двух миллионов батареек. Развитие технологий продолжает обеспечивать высокий спрос на батареи. Электроэнергия, производимая химическими реакциями, используется в современном обществе во множестве приложений.См. Рисунок 5.

Рис. 5. Электроэнергия, производимая в результате химических реакций, может применяться в фонариках, погрузчиках, портативных аудиосистемах, электронных испытательных приборах, часах и компьютерах.

Для запуска бензиновых и дизельных двигателей большинства транспортных средств используются аккумуляторные батареи. Вилочные погрузчики, используемые в зонах, где пары бензиновых двигателей могут быть вредными, часто работают от аккумуляторных батарей. Продолжаются исследования более эффективных аккумуляторов для электромобилей.В портативных аудиосистемах, таких как проигрыватели компакт-дисков, используются батарейки. Большинство портативных электронных испытательных приборов используют батареи для питания своих электронных схем. Обычные электрические наручные часы и настольные компьютеры полагаются на энергию, вырабатываемую батареями, для поддержания функций даты и времени. Портативные (портативные) компьютеры могут работать полностью от батареи.

Электрохимические характеристики кислотных растворов отработавших солевых источников химического тока

1.

В. Срибный, Х. Зозуля, Р. Буклив, М.Кантарович, «Анализ отработанных аккумуляторов с целью извлечения ценных компонентов», В кн .: Тез. 12-го научно-технического образования. Конф. «Львовские химические чтения-2009» [на укр. Языке], Львов (2009), с. D11.

2.

В. Срибный, Х. Зозуля, Р. Буклив, «О возможности утилизации отработанных аккумуляторов солевого и щелочного характера», в: Proc. украинского научно-технического образования. Конф. по технологии неорганических веществ «Современные проблемы технологии неорганических веществ» , Днепродзержинск (2008), с.326–327.

3.

Байрачный Б.И., Техническая электрохимия, Vol. 2: Химические источники тока: Учебник [на украинском языке], Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт», Харьков (2003).

4.

Х. И. Зозуля, Р. Л. Буклив, О. І. Кунтьи, В. М. Срибный, І. В. Трунов, М. Яковец В.В. Обработка выщелачивающих растворов вторичного сырья с целью получения электролитического цинка и цинкового порошка. В кн .: Автореф.Междунар. Sci.-Eng. Конф. «Современные проблемы нано-, энерго-, ресурсосберегающих и экологически чистых химических технологий» [на украинском языке], Харьков (2010), с. 295–296.

5.

Яворский В. Т., Зозуля Х. И., Буклив Р. Л. Утилизация ценных компонентов отработанных малых источников тока // Вісн. Нац. Univ. «Львовская политехника», сер. Хим., Техн. Рехов. Их застосув. » № 787, 117 (2014).

6.

В. Т.Яворский А.А., Зозуля Х.И., Буклив Р.Л. Извлечение ценных компонентов из отработанных ячеек // Вісн. Нац. Univ. «Львовская политехника», сер. Хим., Техн. Рехов. Их застосув., № 553, 35–37 (2014).

7.

Ю. Ю. Лурье, Аналитическая химия промышленных сточных вод, , Химия, Москва (1984).

Google ученый

8.

Дж. А. Пламбек, Электроаналитическая химия.Основные принципы и приложения, Wiley, New York (1982).

Google ученый

9.

Мерцало И.П., Буклив Р.Л., Зозуля Х.И., Калиний П.Р. Исследование катодных реакций в растворах для выщелачивания цинка из отработанных химических источников тока.