Химические источники электрического тока
Содержание
Без химических источников тока (ХИТ) в виде различных по форме и размерам батареек и аккумуляторов современный человек не может обойтись, как без одежды и обуви. Без них замолкают мобильные телефоны, не работают компьютерная и бытовая техника, не заводятся обычные авто, а тем более электромобили. Промышленное производство, медицина, все виды транспорта, космическая и военная техника нуждаются в постоянном улучшении технических параметров ХИТ. Главный механизм получения электродвижущей силы (ЭДС) в химических источниках электрического тока — это превращение энергии химических реакций в электрическую энергию.
Историческая справка
Итальянский врач-физиолог Л. Гальвани (1737–1798) в 1786 г. изучал реакцию организма лягушек на различные внешние факторы. Подключение двух металлических пластин к лапке лягушки вызывало резкое мускульное сокращение.
Правильного объяснения этому явлению Гальвани дать не смог, но эти исследования продолжил его соотечественник А. Вольта (1745–1827), предложивший свою модель природы электрического тока, являющейся следствием химических реакций, возникающих при контакте металла с мышцами лягушки.
Экспериментируя с различными металлами и электролитами, А. Вольта создал фактически первый химический источник тока, который часто называют гальваническим элементом в честь Л. Гальвани.
Соединив несколько десятков таких элементов последовательно, А. Вольта предъявил миру первую батарею, ставшую прообразом современных химических источников электрического тока.
Какие источники токов относятся к химическим
Классификация химических источников тока осуществляется по таким признакам, как:
- Природа воспроизводства химических реакций.
- Используемые химические компоненты.
- Конструктивные особенности.
- Габаритные размеры.
Эти характеристики определяют свойства устройств, генерирующих электрическую энергию в ходе химических взаимодействий, необходимые для конкретной области применения.
Основываясь на принципе работы, выделяют три основные категории:
- Первичные химические источники тока (альтернативное название — гальванические элементы) — это одноразовые источники. Внутри них идут окислительно-восстановительные реакции (ОВР) с выделением энергии, преобразующейся в электрическую. Данный вид реакций необратим, поэтому перезарядка устройства невозможна, его работоспособность утрачивается. Типичный пример такого источника питания — батарейки «АА», «ААА».
- Химические вторичные источники электрического тока — это аккумуляторы, перезаряжаемые устройства многоразового использования. Аккумуляторы в отличие от батарей после разрядки возможно регенерировать (перезарядить). Зарядка достигается с помощью пропускания электрического тока от внешней цепи. Типичные примеры этого процесса — повсеместная зарядка различных гаджетов, смартфонов, планшетов.
- Топливные (электрохимические генераторы или источники тока) — это устройства с непрерывной подачей реагентов. Главное отличие от гальванических элементов заключается в том, что компоненты для химической реакции поступают внутрь из внешних накопителей. Продукты реакции удаляются. Здесь основное преимущество в том, что возникает возможность непрерывной работы «без перезарядки». Наиболее перспективные вещества, которые имеются в неограниченном количестве, это водород и кислород, взаимодействующие по окислительно-восстановительной реакции: 2Н2 + О2 → 2Н2О. Перенос электронов по внешней цепи между ионами водорода и кислорода является механизмом источника тока.
Что такое окислительно-восстановительные реакции
В разделе химии, описывающем взаимодействие веществ в растворах электролитов, базовым понятием является деление реагентов на окислители и восстановители. Принцип работы химических источников тока строится именно на окислительно-восстановительных реакциях.
Химический источник тока является электрохимической ячейкой, в состав которой входят два электрода (катод и анод), помещенных в электролит (кислотный или щелочной), обладающий ионной проводимостью. На одном электроде (аноде) окисляется восстановитель, а на другом (катоде) м восстанавливается окислитель.
В процессе ОВР на электродах образуются потенциалы, отличные друг от друга, то есть появляется разность потенциалов. Если электроды соединить металлическим проводником, благодаря этой разности потенциалов в цепи возбуждается электрический ток. Движение электронов происходит по внешнему участку цепи, а в электролите непрерывность тока создаётся ионами.
Гальванические элементы и батареи
Первичные ХИТ представляют собой набор гальванических элементов (ячеек). Одна ячейка способна выдать напряжение от 0.5 до 4.0 В. При необходимости получить на выходе большее напряжение, собирается батарея из последовательно соединенных ячеек. Примером типичной батареи служит свинцово-кислотный аккумулятор на 12 В, состоящий из шести гальванических ячеек (каждая выдаёт 2 В).
Аккумуляторы
Аккумуляторы относятся к ХИТ, которые называются вторичными, то есть, многократно перезаряжаемым устройствам. Ток заряда в них должен иметь направление обратное току разряда.
Аккумуляторы широко применяются в режиме разрядки-зарядки (отдачи-накопления) электроэнергии для автономного питания различных устройств, оборудования на транспорте, производстве, медицине и в других приложениях. Параметры вторичных ХИТ задаются свойствами электролита, материалов катода и анода. Массово используются следующие версии аккумуляторов:
Тип |
Выходное напряжение, (В) |
Где используются |
Свинцово-кислотные |
2.10 |
Все виды наземного транспорта, погрузочная техника, аварийно-резервное электропитание (бесперебойники) |
Никель-кадмиевые |
1.20 |
Электроинструмент, городской электротранспорт, воздухоплавательная техника. |
Никель-металл-гидридные |
1.20 |
Альтернатива устаревшим батарейкам, электротранспорт |
Литий-ионные |
3.70 |
Электромобили, гаджеты, мобильные телефоны, смартфоны |
Литиево-полимерные |
3.70 |
Электромобили, гаджеты, смартфоны |
Никель-цинковые |
1.60 |
Альтернатива устаревшим батарейкам |
Топливные элементы
В этом типе ХИТ электродвижущая сила вырабатывается за счёт непрерывного поступления реагентов в зону топливного элемента. Основными реагентами являются водород (топливо) и кислород, поступающие в электродную зону. На металлические электроды наносится слой катализатора.
В настоящее время ведущие мировые производители различного вида транспорта инвестируют солидные средства в совершенствование этого вида ХИТ. Современные топливные химические источники тока обладают такими преимуществами, как:
- Высокие значения КПД по сравнению с традиционными способами генерации электроэнергии. Достигнуты значения КПД в диапазоне 60–80%.
- Независимость КПД от коэффициента загрузки.
- Экологическая чистота, которая обусловлена тем, что «выхлопом» в данном случае является просто водяной пар (H2O).
- Меньшие габаритные размеры по сравнению с традиционными ХИТ.
- Большой срок эксплуатации за счёт отсутствия необходимости постоянного техобслуживания (нет движущихся механических деталей).
Параметры ХИТ
Среди большого набора параметров, характеризующих различные типы электрохимических источников тока можно выделить:
- Напряжение на разомкнутых клеммах (электродвижущая сила) — выходное напряжение.
- Ёмкость элемента (батареи) — количество энергии, которое ХИТ способен отдать, измеряется в ампер-часах. Приведённая к единице веса или объёма называется удельной ёмкостью.
- Удельная мощность — произведение силы тока на напряжение для единицы объем/веса источника.
- Энергетический запас — максимальная энергия, получаемая при полном разряде источника.
- Срок годности — продолжительность эксплуатации.
- Ток саморазряда характеризует расход активной массы элементов, снижает удельную ёмкость, провоцирует коррозию.
- Сохраняемый срок — максимально допустимый период времени от даты изготовления до первого включения (разряда) элемента.
- Время службы — максимально допустимый срок эксплуатации и хранения.
- Полная энергия, выдаваемая за все время эксплуатации.
- Возможность работы в любом положении (горизонтально, вертикально и так далее)
- Диапазон рабочих температур.
- Механическая прочность.
- Простота эксплуатации и текущего ухода.
- Цена.
К устройствам с оптимальными показателями относятся те, у которых большие значения первых 4–5 параметров, а цена и саморазряд доступные.
Заключение
Химические источники постоянного электрического тока трансформируют энергию окислительно-восстановительных реакций непосредственно в электрическую. В большинстве мощных источников тока электроэнергия вырабатывается в результате многоступенчатого процесса. Например, на тепловых и атомных электростанциях сначала получают большое количество тепловой энергии при сжигании природного (уголь, газ, мазут) или ядерного топлива, затем полученная тепловая энергия нагревает воду для получения насыщенного пара, который оказывая мощное механическое давление на лопатки паровой турбины, приводит её во вращение. Вал турбины, связан с ротором генератора. Таким образом происходит преобразование механической энергии вращающегося ротора в электрическую. Одно из основных преимуществ ХИТ — генерация электроэнергии напрямую, без применения промежуточных стадий.