Chemické zdroje prúdu (skrátene HIT) sú zariadenia, v ktorých sa energia redoxnej reakcie premieňa na elektrickú energiu. Ich ďalšie názvy sú elektrochemický článok, galvanický článok, elektrochemický článok. Princíp ich fungovania je nasledujúci: v dôsledku interakcie dvoch činidiel dochádza k chemickej reakcii s uvoľňovaním energie z jednosmerného elektrického prúdu. V iných súčasných zdrojoch sa proces výroby elektriny vyskytuje podľa viacstupňovej schémy. Najprv sa uvoľní tepelná energia, potom sa premení na mechanickú energiu a až potom na elektrickú energiu. Výhodou HIT je jednostupňový proces, to znamená, že elektrina sa získava okamžite, pričom sa obchádzajú fázy získavania tepelnej a mechanickej energie.
História
Ako sa objavili prvé aktuálne zdroje? Chemické zdroje sa nazývajú galvanické články na počesť talianskeho vedca osemnásteho storočia - Luigiho Galvaniho. Bol to lekár, anatóm, fyziológ a fyzik. Jeden z jeho smerovvýskum bol skúmaním reakcií zvierat na rôzne vonkajšie vplyvy. Chemický spôsob výroby elektriny objavil Galvani náhodou, pri jednom z pokusov na žabách. K odhalenému nervu na nohe žaby pripojil dve kovové platničky. To malo za následok svalovú kontrakciu. Galvaniho vlastné vysvetlenie tohto javu bolo nesprávne. Ale výsledky jeho experimentov a pozorovaní pomohli jeho krajanovi Alessandrovi Voltovi v ďalších štúdiách.
Volta vo svojich spisoch načrtol teóriu o výskyte elektrického prúdu ako výsledku chemickej reakcie medzi dvoma kovmi v kontakte so svalovým tkanivom žaby. Prvý zdroj chemického prúdu vyzeral ako nádoba s fyziologickým roztokom, v ktorej boli ponorené platne zinku a medi.
HIT sa začal v priemyselnom meradle vyrábať v druhej polovici devätnásteho storočia vďaka Francúzovi Leclanche, ktorý vynašiel primárny mangánovo-zinkový článok so soľným elektrolytom, pomenovaný po ňom. O niekoľko rokov neskôr tento elektrochemický článok vylepšil ďalší vedec a až do roku 1940 bol jediným primárnym zdrojom chemického prúdu.
Dizajn a princíp fungovania HIT
Zariadenie chemických zdrojov prúdu obsahuje dve elektródy (vodiče prvého druhu) a medzi nimi umiestnený elektrolyt (vodič druhého druhu alebo iónový vodič). Na hranici medzi nimi vzniká elektronický potenciál. Elektróda, na ktorej sa oxiduje redukčné činidlonazývaná anóda a tá, na ktorej sa redukuje oxidačné činidlo, sa nazýva katóda. Spolu s elektrolytom tvoria elektrochemický systém.
Vedľajším produktom redoxnej reakcie medzi elektródami je generovanie elektrického prúdu. Pri takejto reakcii sa redukčné činidlo oxiduje a odovzdáva elektróny oxidačnému činidlu, ktoré ich prijíma a tým sa redukuje. Prítomnosť elektrolytu medzi katódou a anódou je nevyhnutnou podmienkou reakcie. Ak jednoducho zmiešate prášky z dvoch rôznych kovov dohromady, neuvoľní sa žiadna elektrina, všetka energia sa uvoľní vo forme tepla. Na zefektívnenie procesu prenosu elektrónov je potrebný elektrolyt. Najčastejšie je to soľný roztok alebo tavenina.
Elektródy vyzerajú ako kovové platne alebo mriežky. Keď sú ponorené do elektrolytu, vzniká medzi nimi rozdiel elektrického potenciálu - napätie naprázdno. Anóda má tendenciu darovať elektróny, zatiaľ čo katóda má tendenciu ich prijímať. Na ich povrchu začínajú chemické reakcie. Zastavia sa, keď sa okruh otvorí a tiež keď sa spotrebuje jedno z činidiel. K otvoreniu okruhu dôjde, keď sa odstráni jedna z elektród alebo elektrolyt.
Zloženie elektrochemických systémov
Zdroje chemického prúdu využívajú ako oxidačné činidlá kyseliny a soli s obsahom kyslíka, kyslík, halogenidy, vyššie oxidy kovov, nitroorganické zlúčeniny atď.. Kovy a ich nižšie oxidy, vodík sú v nich redukčné činidláa uhľovodíkové zlúčeniny. Ako sa elektrolyty používajú:
- Vodné roztoky kyselín, zásad, fyziologického roztoku atď.
- Nevodné roztoky s iónovou vodivosťou, získané rozpustením solí v organických alebo anorganických rozpúšťadlách.
- Roztavené soli.
- Pevné zlúčeniny s iónovou mriežkou, v ktorej je jeden z iónov pohyblivý.
- Matrixové elektrolyty. Ide o kvapalné roztoky alebo taveniny nachádzajúce sa v póroch pevného nevodivého telesa - nosiča elektrónov.
- ionexové elektrolyty. Ide o pevné zlúčeniny s fixnými ionogénnymi skupinami rovnakého znamienka. Ióny druhého znamenia sú mobilné. Táto vlastnosť robí vodivosť takého elektrolytu unipolárnou.
Galvanické batérie
Zdroje chemického prúdu pozostávajú z galvanických článkov - článkov. Napätie v jednom z týchto článkov je malé - od 0,5 do 4V. Podľa potreby sa v HIT používa galvanická batéria pozostávajúca z niekoľkých sériovo zapojených článkov. Niekedy sa používa paralelné alebo sériovo-paralelné spojenie viacerých prvkov. V sériovom obvode sú vždy zahrnuté iba identické primárne články alebo batérie. Musia mať rovnaké parametre: elektrochemický systém, prevedenie, technologická možnosť a štandardný rozmer. Pre paralelné pripojenie je prijateľné použiť prvky rôznych veľkostí.
Klasifikácia HIT
Chemické zdroje prúdu sa líšia v:
- size;
- designs;
- reagents;
- povaha reakcie tvoriacej energiu.
Tieto parametre určujú výkonové vlastnosti HIT vhodné pre konkrétnu aplikáciu.
Klasifikácia elektrochemických prvkov je založená na rozdiele v princípe fungovania zariadenia. V závislosti od týchto charakteristík rozlišujú:
- Primárne chemické zdroje prúdu sú prvky na jedno použitie. Majú určitú zásobu činidiel, ktoré sa pri reakcii spotrebúvajú. Po úplnom vybití takýto článok stráca svoju funkčnosť. Iným spôsobom sa primárne HIT nazývajú galvanické články. Bude správne nazvať ich jednoducho - prvok. Najjednoduchším príkladom primárneho zdroja energie sú „batérie“A-A.
- Nabíjateľné zdroje chemického prúdu – batérie (nazývajú sa aj sekundárne, reverzibilné HIT) sú články na opakované použitie. Prechodom prúdu z vonkajšieho obvodu v opačnom smere cez batériu sa po úplnom vybití spotrebované činidlá regenerujú a opäť akumulujú chemickú energiu (nabíjanie). Vďaka možnosti dobíjania z externého zdroja konštantného prúdu je toto zariadenie používané dlhodobo, s prestávkami na dobíjanie. Proces výroby elektrickej energie sa nazýva vybíjanie batérie. Takéto HIT zahŕňajú batérie pre mnohé elektronické zariadenia (notebooky, mobilné telefóny atď.).
- Zdroje tepelného chemického prúdu – nepretržité zariadenia. ATv procese ich práce dochádza k nepretržitému toku nových dávok činidiel a odstraňovaniu produktov reakcie.
- Kombinované (polopalivové) galvanické články majú zásobu jedného z činidiel. Druhý sa privádza do zariadenia zvonku. Životnosť zariadenia závisí od dodávky prvého činidla. Ako batérie sa používajú kombinované chemické zdroje elektrického prúdu, ak je možné obnoviť ich nabitie prechodom prúdu z externého zdroja.
- HIT obnoviteľné dobíjateľné mechanicky alebo chemicky. Pre nich je možné po úplnom vybití nahradiť použité reagencie novými dávkami. To znamená, že nejde o nepretržité zariadenia, ale podobne ako batérie sa pravidelne nabíjajú.
Funkcie HIT
Hlavné charakteristiky chemických zdrojov energie zahŕňajú:
- Napätie naprázdno (ORC alebo vybíjacie napätie). Tento indikátor v prvom rade závisí od zvoleného elektrochemického systému (kombinácia redukčného činidla, oxidačného činidla a elektrolytu). NRC je tiež ovplyvnené koncentráciou elektrolytu, stupňom vybitia, teplotou a ďalšími. NRC závisí od hodnoty prúdu prechádzajúceho cez HIT.
- Sila.
- Vybíjací prúd – závisí od odporu externého obvodu.
- Kapacita – maximálne množstvo elektriny, ktoré HIT vydá, keď je úplne vybitý.
- Rezerva výkonu – maximálna prijatá energia, keď je zariadenie úplne vybité.
- Energetické vlastnosti. Pre batérie je to v prvom rade garantovaný počet cyklov nabitia a vybitia bez zníženia kapacity alebo nabíjacieho napätia (zdroja).
- Prevádzkový rozsah teplôt.
- Skladovateľnosť je maximálny povolený čas medzi výrobou a prvým vybitím zariadenia.
- Úžitková životnosť – maximálna povolená celková doba skladovania a prevádzky. Pre palivové články je dôležitá nepretržitá a prerušovaná životnosť.
- Celková energia rozptýlená počas životnosti.
- Mechanická odolnosť proti vibráciám, nárazom atď.
- Schopnosť pracovať na akejkoľvek pozícii.
- Spoľahlivosť.
- Jednoduchá údržba.
Požiadavky na HIT
Konštrukcia elektrochemických článkov musí poskytovať podmienky vedúce k čo najefektívnejšej reakcii. Tieto podmienky zahŕňajú:
- zabrániť úniku prúdu;
- aj práca;
- mechanická pevnosť (vrátane tesnosti);
- separácia činidiel;
- dobrý kontakt medzi elektródami a elektrolytom;
- disipácia prúdu z reakčnej zóny do vonkajšieho terminálu s minimálnymi stratami.
Zdroje chemického prúdu musia spĺňať nasledujúce všeobecné požiadavky:
- najvyššie hodnoty konkrétnych parametrov;
- maximálny rozsah prevádzkovej teploty;
- najväčšie napätie;
- minimálna cenajednotky energie;
- stabilita napätia;
- bezpečnosť nabíjania;
- security;
- jednoduchá údržba a v ideálnom prípade nie je potrebná;
- dlhá životnosť.
HIT pri zneužívaní
Hlavnou výhodou primárnych galvanických článkov je, že nevyžadujú žiadnu údržbu. Predtým, ako ich začnete používať, stačí skontrolovať vzhľad, dátum spotreby. Pri pripájaní je dôležité dodržať polaritu a skontrolovať neporušenosť kontaktov zariadenia. Zložitejšie chemické zdroje prúdu - batérie, vyžadujú vážnejšiu starostlivosť. Účelom ich údržby je maximalizovať ich životnosť. Starostlivosť o batériu je:
- udržujte čistotu;
- monitorovanie napätia v otvorenom obvode;
- udržiavanie hladiny elektrolytu (na doplnenie možno použiť iba destilovanú vodu);
- kontrola koncentrácie elektrolytu (pomocou hustomera - jednoduchého zariadenia na meranie hustoty kvapalín).
Pri prevádzke galvanických článkov sa musia dodržiavať všetky požiadavky týkajúce sa bezpečného používania elektrických spotrebičov.
Klasifikácia HIT podľa elektrochemických systémov
Typy chemických zdrojov prúdu v závislosti od systému:
- olovo (kyselina);
- nikel-kadmium, nikel-železo, nikel-zinok;
- mangán-zinok, meď-zinok, ortuť-zinok, chlorid zinočnatý;
- striebro-zinok, striebro-kadmium;
- vzduch-kov;
- nikel-vodík a striebro-vodík;
- mangán-horčík;
- lítium atď.
Moderná aplikácia HIT
Chemické zdroje prúdu sa momentálne používajú v:
- vozidlá;
- prenosné spotrebiče;
- vojenské a vesmírne technológie;
- vedecké vybavenie;
- medicína (kardiostimulátory).
Obvyklé príklady HIT v každodennom živote:
- batérie (suché batérie);
- batérie pre prenosné domáce spotrebiče a elektroniku;
- neprerušiteľné zdroje napájania;
- autobatérie.
Lítiové chemické zdroje prúdu sú obzvlášť široko používané. Je to preto, že lítium (Li) má najvyššiu špecifickú energiu. Faktom je, že má najviac negatívny elektródový potenciál spomedzi všetkých ostatných kovov. Lítium-iónové batérie (LIA) sú pred všetkými ostatnými CPS z hľadiska mernej energie a prevádzkového napätia. Teraz si postupne osvojujú novú oblasť – cestnú dopravu. V budúcnosti sa vývoj vedcov súvisiaci so zdokonaľovaním lítiových batérií posunie smerom k ultratenkým dizajnom a veľkým vysokovýkonným batériám.
