Sursele de curent chimic (abreviate ca HIT) sunt dispozitive în care energia unei reacții redox este convertită în energie electrică. Celel alte nume ale lor sunt celulă electrochimică, celulă galvanică, celulă electrochimică. Principiul funcționării lor este următorul: ca urmare a interacțiunii a doi reactivi, are loc o reacție chimică cu eliberarea de energie dintr-un curent electric direct. În alte surse de curent, procesul de generare a energiei electrice are loc după o schemă în mai multe etape. Mai întâi, energia termică este eliberată, apoi este transformată în energie mecanică și abia apoi în energie electrică. Avantajul HIT este procesul într-o singură etapă, adică electricitatea se obține imediat, ocolind etapele de obținere a energiei termice și mecanice.
Istorie
Cum au apărut primele surse de curent? Sursele chimice sunt numite celule galvanice în onoarea savantului italian din secolul al XVIII-lea - Luigi Galvani. A fost medic, anatomist, fiziolog și fizician. Una dintre direcțiile salecercetarea a fost studiul reacțiilor animalelor la diferite influențe externe. Metoda chimică de generare a energiei electrice a fost descoperită de Galvani întâmplător, în timpul unuia dintre experimentele pe broaște. A conectat două plăci de metal la nervul expus de pe piciorul broaștei. Acest lucru a dus la contracția musculară. Explicația lui Galvani asupra acestui fenomen a fost incorectă. Dar rezultatele experimentelor și observațiilor sale l-au ajutat pe compatriotul său Alessandro Volta în studiile ulterioare.
Volta a conturat în scrierile sale teoria apariției unui curent electric ca urmare a unei reacții chimice între două metale în contact cu țesutul muscular al unei broaște. Prima sursă de curent chimic arăta ca un recipient cu ser fiziologic, cu plăci de zinc și cupru scufundate în ea.
HIT a început să fie produs la scară industrială în a doua jumătate a secolului al XIX-lea, datorită francezului Leclanche, care a inventat celula primară mangan-zinc cu electrolit de sare, numită după el. Câțiva ani mai târziu, această celulă electrochimică a fost îmbunătățită de un alt om de știință și a fost singura sursă primară de curent chimic până în 1940.
Design și principiul de funcționare HIT
Dispozitivul surselor de curent chimic include doi electrozi (conductori de primul fel) și un electrolit situat între ei (conductor de al doilea fel, sau conductor ionic). Un potențial electronic apare la granița dintre ele. Electrodul la care agentul reducător este oxidatnumit anod, iar cel pe care se reduce agentul de oxidare se numește catod. Împreună cu electrolitul, ele formează sistemul electrochimic.
Un produs secundar al reacției redox dintre electrozi este generarea de curent electric. În timpul unei astfel de reacții, agentul reducător este oxidat și donează electroni agentului de oxidare, care îi acceptă și este astfel redus. Prezența unui electrolit între catod și anod este o condiție necesară pentru reacție. Dacă amestecați pur și simplu pulberi din două metale diferite împreună, nu se va elibera electricitate, toată energia va fi eliberată sub formă de căldură. Este necesar un electrolit pentru a eficientiza procesul de transfer de electroni. Cel mai adesea, este o soluție de sare sau o topitură.
Electrozii arată ca plăci sau grile metalice. Când sunt scufundați într-un electrolit, între ele apare o diferență de potențial electric - o tensiune în circuit deschis. Anodul tinde să doneze electroni, în timp ce catodul tinde să-i accepte. Reacțiile chimice încep la suprafața lor. Ele se opresc atunci când circuitul este deschis și, de asemenea, atunci când unul dintre reactivi este epuizat. Deschiderea circuitului are loc atunci când unul dintre electrozi sau electrolit este îndepărtat.
Compoziția sistemelor electrochimice
Sursele de curent chimic folosesc ca agenți oxidanți acizi și săruri care conțin oxigen, oxigen, halogenuri, oxizi metalici superiori, compuși nitroorganici etc.. Metalele și oxizii lor inferiori, hidrogenul sunt agenți reducători în eiși compuși de hidrocarburi. Cum se utilizează electroliții:
- Soluții apoase de acizi, baze, soluții saline etc.
- Soluții neapoase cu conductivitate ionică, obținute prin dizolvarea sărurilor în solvenți organici sau anorganici.
- Săruri topite.
- Compuși solizi cu o rețea ionică în care unul dintre ioni este mobil.
- Electroliți de matrice. Acestea sunt soluții lichide sau topituri situate în porii unui corp solid neconductor - un purtător de electroni.
- Electroliți schimbători de ioni. Aceștia sunt compuși solizi cu grupări ionogene fixe de același semn. Ionii celuil alt semn sunt mobili. Această proprietate face ca conductivitatea unui astfel de electrolit să fie unipolară.
Baterii galvanice
Sursele de curent chimic constau din celule galvanice - celule. Tensiunea într-una dintre aceste celule este mică - de la 0,5 la 4V. In functie de necesitate, in HIT se foloseste o baterie galvanica, formata din mai multe celule conectate in serie. Uneori se folosește o conexiune paralelă sau serie-paralelă a mai multor elemente. Doar celulele sau bateriile primare identice sunt întotdeauna incluse într-un circuit în serie. Acestea trebuie să aibă aceiași parametri: sistem electrochimic, design, opțiune tehnologică și dimensiune standard. Pentru conexiunea paralelă, este acceptabil să folosiți elemente de diferite dimensiuni.
Clasificare HIT
Sursele de curent chimic diferă în:
- dimensiune;
- designe;
- reactivi;
- natura reacției de formare a energiei.
Acești parametri determină proprietățile de performanță HIT potrivite pentru o anumită aplicație.
Clasificarea elementelor electrochimice se bazează pe diferența de principiu de funcționare a dispozitivului. În funcție de aceste caracteristici, ele disting:
- Sursele primare de curent chimic sunt elemente de unică folosință. Au o anumită cantitate de reactivi, care se consumă în timpul reacției. După o descărcare completă, o astfel de celulă își pierde funcționalitatea. Într-un alt mod, HIT-urile primare sunt numite celule galvanice. Va fi corect să le numiți simplu - element. Cele mai simple exemple de sursă de alimentare primară sunt „bateriile” A-A.
- Surse de curent chimic reîncărcabile - bateriile (se mai numesc și HIT secundare, reversibile) sunt celule reutilizabile. Prin trecerea curentului dintr-un circuit extern în sens opus prin baterie, după o descărcare completă, reactivii uzați sunt regenerați, acumulând din nou energie chimică (încărcare). Datorită capacității de reîncărcare de la o sursă externă de curent constant, acest dispozitiv este utilizat timp îndelungat, cu pauze pentru reîncărcare. Procesul de generare a energiei electrice se numește descărcarea bateriei. Astfel de HIT includ baterii pentru multe dispozitive electronice (laptop-uri, telefoane mobile etc.).
- Surse de curent termic chimic - dispozitive continue. LAîn procesul muncii lor, există un flux continuu de noi porțiuni de reactivi și îndepărtarea produselor de reacție.
- Celulele galvanice combinate (semi-combustibil) au un stoc de unul dintre reactivi. Al doilea este introdus în dispozitiv din exterior. Durata de viață a dispozitivului depinde de furnizarea primului reactiv. Sursele chimice combinate de curent electric sunt folosite ca baterii, dacă este posibil să le restabiliți încărcarea prin trecerea curentului de la o sursă externă.
- HIT regenerabil reîncărcabil mecanic sau chimic. Pentru ei, este posibil să înlocuiți reactivii uzați cu porțiuni noi după o descărcare completă. Adică nu sunt dispozitive continue, ci, ca și bateriile, sunt reîncărcate periodic.
Funcții HIT
Principalele caracteristici ale surselor de energie chimică includ:
- Tensiune în circuit deschis (ORC sau tensiune de descărcare). Acest indicator, în primul rând, depinde de sistemul electrochimic ales (combinație de agent reducător, agent oxidant și electrolit). De asemenea, NRC este afectat de concentrația electrolitului, gradul de descărcare, temperatură și multe altele. NRC depinde de valoarea curentului care trece prin HIT.
- Putere.
- Curentul de descărcare - depinde de rezistența circuitului extern.
- Capacitate - cantitatea maximă de energie electrică pe care HIT-ul o eliberează atunci când este complet descărcat.
- Rezerva de putere - energia maximă primită atunci când dispozitivul este complet descărcat.
- Caracteristici energetice. Pentru baterii, acesta este, în primul rând, un număr garantat de cicluri de încărcare-descărcare fără a reduce capacitatea sau tensiunea de încărcare (resurse).
- Interval de temperatură de funcționare.
- Perioada de valabilitate este timpul maxim permis între fabricare și prima descărcare a dispozitivului.
- Durata de viata utila - perioada totala maxima admisa de depozitare si functionare. Pentru celulele de combustie, durata de viață continuă și intermitentă contează.
- Energia totală disipată de-a lungul vieții.
- Rezistență mecanică împotriva vibrațiilor, șocurilor etc.
- Abilitatea de a lucra în orice poziție.
- Fiabilitate.
- Întreținere ușoară.
Cerințe HIT
Designul celulelor electrochimice trebuie să ofere condiții care să conducă la cea mai eficientă reacție. Aceste condiții includ:
- preveniți scurgerea curentului;
- chiar munca;
- rezistență mecanică (inclusiv etanșeitatea);
- separarea reactivilor;
- contact bun între electrozi și electrolit;
- disiparea curentului din zona de reacție la terminalul exterior cu pierderi minime.
Sursele de curent chimic trebuie să îndeplinească următoarele cerințe generale:
- cele mai mari valori ale anumitor parametri;
- interval maxim de temperatură de funcționare;
- cea mai mare tensiune;
- cost minimunități de energie;
- stabilitate de tensiune;
- siguranța încărcării;
- securitate;
- ușurință de întreținere și, în mod ideal, nu este nevoie de ea;
- .
Durată de viață lungă de
HIT de exploatare
Principalul avantaj al celulelor galvanice primare este că nu necesită întreținere. Înainte de a începe să le utilizați, este suficient să verificați aspectul, data de expirare. La conectare, este important să respectați polaritatea și să verificați integritatea contactelor dispozitivului. Surse de curent chimic mai complexe - bateriile, necesită îngrijire mai serioasă. Scopul întreținerii lor este de a maximiza durata de viață a acestora. Îngrijirea bateriei este:
- păstrați curatenie;
- monitorizarea tensiunii în circuit deschis;
- menținerea nivelului de electroliți (numai apă distilată poate fi folosită pentru completare);
- controlul concentrației de electroliți (cu ajutorul unui hidrometru - un dispozitiv simplu pentru măsurarea densității lichidelor).
La operarea celulelor galvanice, trebuie respectate toate cerințele referitoare la utilizarea în siguranță a aparatelor electrice.
Clasificarea HIT după sisteme electrochimice
Tipuri de surse de curent chimic, în funcție de sistem:
- plumb (acid);
- nichel-cadmiu, nichel-fier, nichel-zinc;
- mangan-zinc, cupru-zinc, mercur-zinc, clorură de zinc;
- argint-zinc, argint-cadmiu;
- aer-metal;
- nichel-hidrogen și argint-hidrogen;
- mangan-magneziu;
- litiu etc.
Aplicația modernă a HIT
Sursele de curent chimic sunt utilizate în prezent în:
- vehicule;
- aparate portabile;
- tehnologie militară și spațială;
- echipament științific;
- medicament (stimulatoare cardiace).
Exemple obișnuite de HIT în viața de zi cu zi:
- baterii (baterii uscate);
- baterii pentru aparate electrocasnice portabile și electronice;
- surse de alimentare neîntreruptibile;
- baterii auto.
Sursele de curent chimic cu litiu sunt utilizate în mod special pe scară largă. Acest lucru se datorează faptului că litiul (Li) are cea mai mare energie specifică. Faptul este că are cel mai negativ potențial de electrod dintre toate celel alte metale. Bateriile litiu-ion (LIA) sunt înaintea tuturor celorl alte CPS în ceea ce privește energia specifică și tensiunea de funcționare. Acum stăpânesc treptat un nou domeniu - transportul rutier. În viitor, dezvoltarea oamenilor de știință legată de îmbunătățirea bateriilor cu litiu se va îndrepta către modele ultra-subțiri și baterii mari și rezistente.
