Οι πηγές χημικού ρεύματος (συντομογραφία ως HIT) είναι συσκευές στις οποίες η ενέργεια μιας αντίδρασης οξειδοαναγωγής μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια. Τα άλλα τους ονόματα είναι ηλεκτροχημική κυψέλη, γαλβανική κυψέλη, ηλεκτροχημική κυψέλη. Η αρχή της λειτουργίας τους είναι η εξής: ως αποτέλεσμα της αλληλεπίδρασης δύο αντιδραστηρίων, εμφανίζεται μια χημική αντίδραση με την απελευθέρωση ενέργειας από ένα συνεχές ηλεκτρικό ρεύμα. Σε άλλες πηγές ρεύματος, η διαδικασία παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας λαμβάνει χώρα σύμφωνα με ένα σχήμα πολλαπλών σταδίων. Πρώτα απελευθερώνεται η θερμική ενέργεια, μετά μετατρέπεται σε μηχανική ενέργεια και μόνο μετά σε ηλεκτρική ενέργεια. Το πλεονέκτημα του HIT είναι η διαδικασία ενός σταδίου, δηλαδή η ηλεκτρική ενέργεια λαμβάνεται αμέσως, παρακάμπτοντας τα στάδια λήψης θερμικής και μηχανικής ενέργειας.
Ιστορία
Πώς εμφανίστηκαν οι πρώτες τρέχουσες πηγές; Οι χημικές πηγές ονομάζονται γαλβανικά κύτταρα προς τιμήν του Ιταλού επιστήμονα του δέκατου όγδοου αιώνα - Luigi Galvani. Ήταν γιατρός, ανατόμος, φυσιολόγος και φυσικός. Μία από τις κατευθύνσεις τουΗ έρευνα ήταν η μελέτη των αντιδράσεων των ζώων σε διάφορες εξωτερικές επιδράσεις. Η χημική μέθοδος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας ανακαλύφθηκε από τον Galvani τυχαία, κατά τη διάρκεια ενός από τα πειράματα σε βατράχους. Συνέδεσε δύο μεταλλικές πλάκες στο εκτεθειμένο νεύρο στο πόδι του βατράχου. Αυτό είχε ως αποτέλεσμα τη συστολή των μυών. Η εξήγηση του ίδιου του Galvani για αυτό το φαινόμενο ήταν εσφαλμένη. Όμως τα αποτελέσματα των πειραμάτων και των παρατηρήσεών του βοήθησαν τον συμπατριώτη του Αλεσάντρο Βόλτα σε μετέπειτα μελέτες.
Ο Βόλτα σκιαγράφησε στα γραπτά του τη θεωρία της εμφάνισης ηλεκτρικού ρεύματος ως αποτέλεσμα μιας χημικής αντίδρασης μεταξύ δύο μετάλλων σε επαφή με τον μυϊκό ιστό ενός βατράχου. Η πρώτη πηγή χημικού ρεύματος έμοιαζε με δοχείο φυσιολογικού ορού, με πλάκες ψευδαργύρου και χαλκού βυθισμένες σε αυτό.
Το
HIT άρχισε να παράγεται σε βιομηχανική κλίμακα το δεύτερο μισό του δέκατου ένατου αιώνα, χάρη στον Γάλλο Leclanche, ο οποίος εφηύρε την κύρια κυψέλη μαγγανίου-ψευδάργυρου με ηλεκτρολύτη άλατος, που πήρε το όνομά του. Λίγα χρόνια αργότερα, αυτό το ηλεκτροχημικό στοιχείο βελτιώθηκε από άλλον επιστήμονα και ήταν η μόνη κύρια πηγή χημικού ρεύματος μέχρι το 1940.
Σχεδίαση και αρχή λειτουργίας HIT
Η συσκευή των πηγών χημικού ρεύματος περιλαμβάνει δύο ηλεκτρόδια (αγωγούς πρώτου είδους) και έναν ηλεκτρολύτη που βρίσκεται ανάμεσά τους (αγωγός δεύτερου είδους ή ιονικός αγωγός). Ένα ηλεκτρονικό δυναμικό προκύπτει στο όριο μεταξύ τους. Το ηλεκτρόδιο στο οποίο οξειδώνεται ο αναγωγικός παράγονταςονομάζεται άνοδος και αυτή στην οποία ανάγεται ο οξειδωτικός παράγοντας ονομάζεται κάθοδος. Μαζί με τον ηλεκτρολύτη, αποτελούν το ηλεκτροχημικό σύστημα.
Ένα υποπροϊόν της αντίδρασης οξειδοαναγωγής μεταξύ των ηλεκτροδίων είναι η παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος. Κατά τη διάρκεια μιας τέτοιας αντίδρασης, ο αναγωγικός παράγοντας οξειδώνεται και δίνει ηλεκτρόνια στον οξειδωτικό παράγοντα, ο οποίος τα δέχεται και ως εκ τούτου ανάγεται. Η παρουσία ηλεκτρολύτη μεταξύ της καθόδου και της ανόδου είναι απαραίτητη προϋπόθεση για την αντίδραση. Αν απλώς αναμίξετε σκόνες από δύο διαφορετικά μέταλλα μαζί, δεν θα απελευθερωθεί ηλεκτρισμός, όλη η ενέργεια θα απελευθερωθεί με τη μορφή θερμότητας. Απαιτείται ένας ηλεκτρολύτης για τον εξορθολογισμό της διαδικασίας μεταφοράς ηλεκτρονίων. Τις περισσότερες φορές, είναι διάλυμα αλατιού ή τήγμα.
Τα ηλεκτρόδια μοιάζουν με μεταλλικές πλάκες ή πλέγματα. Όταν βυθίζονται σε έναν ηλεκτρολύτη, προκύπτει μια διαφορά ηλεκτρικού δυναμικού μεταξύ τους - μια τάση ανοιχτού κυκλώματος. Η άνοδος τείνει να δίνει ηλεκτρόνια, ενώ η κάθοδος τείνει να τα δέχεται. Οι χημικές αντιδράσεις ξεκινούν στην επιφάνειά τους. Σταματούν όταν ανοίξει το κύκλωμα, καθώς και όταν ένα από τα αντιδραστήρια εξαντληθεί. Το άνοιγμα του κυκλώματος συμβαίνει όταν αφαιρεθεί ένα από τα ηλεκτρόδια ή ο ηλεκτρολύτης.
Σύνθεση ηλεκτροχημικών συστημάτων
Οι χημικές πηγές ρεύματος χρησιμοποιούν οξέα και άλατα που περιέχουν οξυγόνο, οξυγόνο, αλογονίδια, οξείδια ανώτερων μετάλλων, νιτροοργανικές ενώσεις κ.λπ. ως οξειδωτικά μέσα. Τα μέταλλα και τα κατώτερα οξείδια τους, το υδρογόνο είναι αναγωγικοί παράγοντες σε αυτάκαι ενώσεις υδρογονανθράκων. Πώς χρησιμοποιούνται οι ηλεκτρολύτες:
- Υδατικά διαλύματα οξέων, αλκαλίων, φυσιολογικού ορού κ.λπ.
- Μη υδατικά διαλύματα με ιοντική αγωγιμότητα, που λαμβάνονται με διάλυση αλάτων σε οργανικούς ή ανόργανους διαλύτες.
- Λιωμένα άλατα.
- Στερεές ενώσεις με ιοντικό πλέγμα στο οποίο ένα από τα ιόντα είναι κινητό.
- Ηλεκτρολύτες μήτρας. Αυτά είναι υγρά διαλύματα ή τήγματα που βρίσκονται στους πόρους ενός στερεού μη αγώγιμου σώματος - ενός φορέα ηλεκτρονίων.
- Ηλεκτρολύτες ανταλλαγής ιόντων. Πρόκειται για στερεές ενώσεις με σταθερές ιονογόνες ομάδες του ίδιου σημείου. Τα ιόντα του άλλου ζωδίου είναι κινητά. Αυτή η ιδιότητα καθιστά την αγωγιμότητα ενός τέτοιου ηλεκτρολύτη μονοπολική.
Γαλβανικές μπαταρίες
Οι πηγές χημικού ρεύματος αποτελούνται από γαλβανικά κύτταρα - στοιχεία. Η τάση σε ένα από αυτά τα κύτταρα είναι μικρή - από 0,5 έως 4 V. Ανάλογα με την ανάγκη, χρησιμοποιείται μια γαλβανική μπαταρία στο HIT, που αποτελείται από πολλά συνδεδεμένα σε σειρά στοιχεία. Μερικές φορές χρησιμοποιείται παράλληλη ή σειριακή-παράλληλη σύνδεση πολλών στοιχείων. Μόνο τα ίδια πρωτεύοντα στοιχεία ή μπαταρίες περιλαμβάνονται πάντα σε ένα κύκλωμα σειράς. Πρέπει να έχουν τις ίδιες παραμέτρους: ηλεκτροχημικό σύστημα, σχεδιασμός, τεχνολογική επιλογή και τυπικό μέγεθος. Για παράλληλη σύνδεση, είναι αποδεκτή η χρήση στοιχείων διαφορετικών μεγεθών.
Ταξινόμηση HIT
Οι πηγές χημικού ρεύματος διαφέρουν σε:
- μέγεθος;
- σχέδια;
- reagents;
- η φύση της αντίδρασης σχηματισμού ενέργειας.
Αυτές οι παράμετροι καθορίζουν τις ιδιότητες απόδοσης HIT που είναι κατάλληλες για μια συγκεκριμένη εφαρμογή.
Η ταξινόμηση των ηλεκτροχημικών στοιχείων βασίζεται στη διαφορά στην αρχή λειτουργίας της συσκευής. Ανάλογα με αυτά τα χαρακτηριστικά, διακρίνουν:
- Οι πρωτογενείς πηγές χημικού ρεύματος είναι στοιχεία μιας χρήσης. Έχουν μια ορισμένη παροχή αντιδραστηρίων, η οποία καταναλώνεται κατά τη διάρκεια της αντίδρασης. Μετά από πλήρη εκφόρτιση, ένα τέτοιο κύτταρο χάνει τη λειτουργικότητά του. Με άλλο τρόπο, τα πρωτογενή HIT ονομάζονται γαλβανικά κύτταρα. Θα είναι σωστό να τα ονομάσουμε απλά - στοιχείο. Τα πιο απλά παραδείγματα μιας κύριας πηγής ενέργειας είναι οι "μπαταρίες" A-A.
- Επαναφορτιζόμενες πηγές χημικού ρεύματος - οι μπαταρίες (ονομάζονται επίσης δευτερεύον, αναστρέψιμο HIT) είναι επαναχρησιμοποιήσιμα στοιχεία. Περνώντας ρεύμα από εξωτερικό κύκλωμα προς την αντίθετη κατεύθυνση μέσω της μπαταρίας, μετά από πλήρη εκφόρτιση, τα χρησιμοποιημένα αντιδραστήρια αναγεννώνται, συσσωρεύοντας ξανά χημική ενέργεια (φόρτιση). Χάρη στη δυνατότητα επαναφόρτισης από εξωτερική πηγή σταθερού ρεύματος, αυτή η συσκευή χρησιμοποιείται για μεγάλο χρονικό διάστημα, με διακοπές για επαναφόρτιση. Η διαδικασία παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας ονομάζεται εκφόρτιση μπαταρίας. Τέτοια HIT περιλαμβάνουν μπαταρίες για πολλές ηλεκτρονικές συσκευές (φορητοί υπολογιστές, κινητά τηλέφωνα κ.λπ.).
- Πηγές θερμικού χημικού ρεύματος - συνεχείς συσκευές. ΣΤΟστη διαδικασία της εργασίας τους, υπάρχει συνεχής ροή νέων μερίδων αντιδραστηρίων και απομάκρυνση των προϊόντων αντίδρασης.
- Οι συνδυασμένες (ημι-καυσίμου) γαλβανικές κυψέλες έχουν απόθεμα ενός από τα αντιδραστήρια. Το δεύτερο τροφοδοτείται στη συσκευή από το εξωτερικό. Η διάρκεια ζωής της συσκευής εξαρτάται από την παροχή του πρώτου αντιδραστηρίου. Συνδυασμένες χημικές πηγές ηλεκτρικού ρεύματος χρησιμοποιούνται ως μπαταρίες, εάν είναι δυνατόν να αποκατασταθεί η φόρτισή τους περνώντας ρεύμα από εξωτερική πηγή.
- HIT ανανεώσιμη επαναφορτιζόμενη μηχανικά ή χημικά. Για αυτούς, είναι δυνατή η αντικατάσταση των χρησιμοποιημένων αντιδραστηρίων με νέες μερίδες μετά από πλήρη εκκένωση. Δηλαδή, δεν είναι συνεχείς συσκευές, αλλά, όπως οι μπαταρίες, επαναφορτίζονται περιοδικά.
Λειτουργίες HIT
Τα κύρια χαρακτηριστικά των πηγών χημικής ενέργειας περιλαμβάνουν:
- Τάση ανοιχτού κυκλώματος (ORC ή τάση εκφόρτισης). Αυτός ο δείκτης, πρώτα απ 'όλα, εξαρτάται από το επιλεγμένο ηλεκτροχημικό σύστημα (συνδυασμός αναγωγικού παράγοντα, οξειδωτικού παράγοντα και ηλεκτρολύτη). Επίσης, το NRC επηρεάζεται από τη συγκέντρωση του ηλεκτρολύτη, τον βαθμό εκφόρτισης, τη θερμοκρασία και άλλα. Το NRC εξαρτάται από την τιμή του ρεύματος που διέρχεται από το HIT.
- Ισχύς.
- Ρεύμα εκφόρτισης - εξαρτάται από την αντίσταση του εξωτερικού κυκλώματος.
- Χωρητικότητα - η μέγιστη ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας που εκπέμπει το HIT όταν αποφορτιστεί πλήρως.
- Απόθεμα ισχύος - η μέγιστη ενέργεια που λαμβάνεται όταν η συσκευή είναι πλήρως αποφορτισμένη.
- Ενεργειακά χαρακτηριστικά. Για τις μπαταρίες, αυτός είναι, πρώτα απ 'όλα, ένας εγγυημένος αριθμός κύκλων φόρτισης-εκφόρτισης χωρίς μείωση της χωρητικότητας ή της τάσης φόρτισης (πόρος).
- Εύρος λειτουργίας θερμοκρασίας.
- Η διάρκεια ζωής είναι ο μέγιστος επιτρεπόμενος χρόνος μεταξύ της κατασκευής και της πρώτης εκφόρτισης της συσκευής.
- Χρήσιμη διάρκεια ζωής - η μέγιστη επιτρεπόμενη συνολική περίοδος αποθήκευσης και λειτουργίας. Για τις κυψέλες καυσίμου, η συνεχής και διακοπτόμενη διάρκεια ζωής έχει σημασία.
- Συνολική ενέργεια που διαχέεται κατά τη διάρκεια της ζωής.
- Μηχανική αντοχή έναντι κραδασμών, κραδασμών κ.λπ.
- Ικανότητα εργασίας σε οποιαδήποτε θέση.
- Αξιοπιστία.
- Εύκολη συντήρηση.
Απαιτήσεις HIT
Ο σχεδιασμός των ηλεκτροχημικών στοιχείων πρέπει να παρέχει συνθήκες που ευνοούν την πιο αποτελεσματική αντίδραση. Αυτές οι προϋποθέσεις περιλαμβάνουν:
- αποτροπή τρέχουσας διαρροής;
- ακόμα και δουλειά;
- μηχανική αντοχή (συμπεριλαμβανομένης της στεγανότητας);
- διαχωρισμός αντιδραστηρίων;
- καλή επαφή μεταξύ ηλεκτροδίων και ηλεκτρολύτη;
- διαρροή ρεύματος από τη ζώνη αντίδρασης στον εξωτερικό ακροδέκτη με ελάχιστες απώλειες.
Οι πηγές χημικού ρεύματος πρέπει να πληρούν τις ακόλουθες γενικές απαιτήσεις:
- υψηλές τιμές συγκεκριμένων παραμέτρων;
- μέγιστο εύρος θερμοκρασίας λειτουργίας;
- η μεγαλύτερη ένταση;
- ελάχιστο κόστοςμονάδες ενέργειας;
- σταθερότητα τάσης;
- ασφάλεια χρέωσης;
- ασφάλεια;
- ευκολία συντήρησης και ιδανικά δεν χρειάζεται;
- μεγάλη διάρκεια ζωής.
Επιτυχία εκμετάλλευσης
Το κύριο πλεονέκτημα των πρωτογενών γαλβανικών κυψελών είναι ότι δεν απαιτούν καμία συντήρηση. Πριν ξεκινήσετε τη χρήση τους, αρκεί να ελέγξετε την εμφάνιση, την ημερομηνία λήξης. Κατά τη σύνδεση, είναι σημαντικό να παρατηρήσετε την πολικότητα και να ελέγξετε την ακεραιότητα των επαφών της συσκευής. Πιο πολύπλοκες πηγές χημικού ρεύματος - μπαταρίες, απαιτούν πιο σοβαρή φροντίδα. Σκοπός της συντήρησής τους είναι η μεγιστοποίηση της διάρκειας ζωής τους. Η φροντίδα της μπαταρίας είναι:
- μείνετε καθαροί;
- παρακολούθηση τάσης ανοιχτού κυκλώματος;
- διατήρηση του επιπέδου ηλεκτρολύτη (μόνο απεσταγμένο νερό μπορεί να χρησιμοποιηθεί για συμπλήρωση);
- έλεγχος συγκέντρωσης ηλεκτρολυτών (με χρήση υδρόμετρου - απλή συσκευή μέτρησης της πυκνότητας υγρών).
Κατά τη λειτουργία γαλβανικών στοιχείων, πρέπει να τηρούνται όλες οι απαιτήσεις σχετικά με την ασφαλή χρήση ηλεκτρικών συσκευών.
Ταξινόμηση HIT κατά ηλεκτροχημικά συστήματα
Τύποι χημικών πηγών ρεύματος, ανάλογα με το σύστημα:
- μόλυβδος (οξύ);
- νικέλιο-κάδμιο, νικέλιο-σίδηρος, νικέλιο-ψευδάργυρος;
- μαγγάνιο-ψευδάργυρος, χαλκός-ψευδάργυρος, υδράργυρος-ψευδάργυρος, χλωριούχος ψευδάργυρος;
- ασήμι-ψευδάργυρος, ασήμι-κάδμιο;
- αέρα-μέταλλο;
- νικέλιο-υδρογόνο και άργυρος-υδρογόνο;
- μαγνήσιο-μαγνήσιο;
- λίθιο κ.λπ.
Σύγχρονη εφαρμογή HIT
Οι πηγές χημικού ρεύματος χρησιμοποιούνται αυτήν τη στιγμή σε:
- οχήματα;
- φορητές συσκευές;
- στρατιωτική και διαστημική τεχνολογία;
- επιστημονικός εξοπλισμός;
- medicine (βηματοδότες).
Συνήθη παραδείγματα HIT στην καθημερινή ζωή:
- μπαταρίες (dry batteries);
- μπαταρίες για φορητές οικιακές συσκευές και ηλεκτρονικά είδη;
- τροφοδοτικά αδιάλειπτης ισχύος;
- μπαταρίες αυτοκινήτου.
Οι πηγές ρεύματος χημικών λιθίου χρησιμοποιούνται ιδιαίτερα ευρέως. Αυτό συμβαίνει επειδή το λίθιο (Li) έχει την υψηλότερη ειδική ενέργεια. Το γεγονός είναι ότι έχει το πιο αρνητικό δυναμικό ηλεκτροδίου μεταξύ όλων των άλλων μετάλλων. Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου (LIA) προηγούνται όλων των άλλων CPS όσον αφορά την ειδική ενέργεια και την τάση λειτουργίας. Τώρα κατακτούν σταδιακά έναν νέο τομέα - τις οδικές μεταφορές. Στο μέλλον, η ανάπτυξη επιστημόνων που σχετίζονται με τη βελτίωση των μπαταριών λιθίου θα κινηθεί προς εξαιρετικά λεπτά σχέδια και μεγάλες μπαταρίες βαρέως τύπου.
