Kjemiske strømkilder (forkortet til HIT) er enheter der energien til en redoksreaksjon omdannes til elektrisk energi. Deres andre navn er elektrokjemisk celle, galvanisk celle, elektrokjemisk celle. Prinsippet for deres operasjon er som følger: som et resultat av samspillet mellom to reagenser oppstår en kjemisk reaksjon med frigjøring av energi fra en likestrøm. I andre strømkilder skjer prosessen med å generere elektrisitet i henhold til et flertrinnsskjema. Først frigjøres termisk energi, deretter omdannes den til mekanisk energi, og først deretter til elektrisk energi. Fordelen med HIT er entrinnsprosessen, det vil si at elektrisitet oppnås umiddelbart, og omgår stadiene for å oppnå termisk og mekanisk energi.
Historie
Hvordan dukket de første aktuelle kildene ut? Kjemiske kilder kalles galvaniske celler til ære for den italienske forskeren fra det attende århundre - Luigi Galvani. Han var lege, anatom, fysiolog og fysiker. En av retningeneforskning var studiet av dyrs reaksjoner på ulike ytre påvirkninger. Den kjemiske metoden for å generere elektrisitet ble oppdaget av Galvani ved en tilfeldighet, under et av eksperimentene på frosker. Han koblet to metallplater til den blottlagte nerven på froskebeinet. Dette resulterte i muskelsammentrekning. Galvanis egen forklaring av dette fenomenet var feil. Men resultatene av hans eksperimenter og observasjoner hjalp hans landsmann Alessandro Volta i påfølgende studier.
Volta skisserte i sine skrifter teorien om forekomsten av en elektrisk strøm som et resultat av en kjemisk reaksjon mellom to metaller i kontakt med muskelvevet til en frosk. Den første kjemiske strømkilden så ut som en beholder med s altvann, med plater av sink og kobber nedsenket i den.
HIT begynte å bli produsert i industriell skala i andre halvdel av det nittende århundre, takket være franskmannen Leclanche, som oppfant den primære mangan-sinkcellen med s altelektrolytt, oppk alt etter ham. Noen år senere ble denne elektrokjemiske cellen forbedret av en annen vitenskapsmann og var den eneste primære kjemiske strømkilden frem til 1940.
Design og operasjonsprinsipp HIT
Enheten for kjemiske strømkilder inkluderer to elektroder (ledere av den første typen) og en elektrolytt plassert mellom dem (leder av den andre typen, eller ionisk leder). Et elektronisk potensiale oppstår ved grensen mellom dem. Elektroden der reduksjonsmidlet oksideresk alt anoden, og den som oksidasjonsmidlet er redusert på kalles katoden. Sammen med elektrolytten utgjør de det elektrokjemiske systemet.
Et biprodukt av redoksreaksjonen mellom elektrodene er generering av elektrisk strøm. Under en slik reaksjon oksideres reduksjonsmidlet og donerer elektroner til oksidasjonsmidlet, som aksepterer dem og reduseres derved. Tilstedeværelsen av en elektrolytt mellom katoden og anoden er en nødvendig betingelse for reaksjonen. Hvis du ganske enkelt blander pulver fra to forskjellige metaller sammen, frigjøres det ikke strøm, all energien frigjøres i form av varme. En elektrolytt er nødvendig for å effektivisere prosessen med elektronoverføring. Oftest er det en s altløsning eller en smelte.
Elektroder ser ut som metallplater eller gitter. Når de er nedsenket i en elektrolytt, oppstår det en elektrisk potensialforskjell mellom dem - en åpen kretsspenning. Anoden har en tendens til å donere elektroner, mens katoden har en tendens til å akseptere dem. Kjemiske reaksjoner begynner på overflaten deres. De stopper når kretsen åpnes, og også når en av reagensene er brukt opp. Åpning av kretsen skjer når en av elektrodene eller elektrolytten fjernes.
Sammensetning av elektrokjemiske systemer
Kjemiske strømkilder bruker oksygenholdige syrer og s alter, oksygen, halogenider, høyere metalloksider, nitroorganiske forbindelser etc. som oksidasjonsmidler Metaller og deres lavere oksider, hydrogen er reduksjonsmidler i demog hydrokarbonforbindelser. Hvordan elektrolytter brukes:
- Vandige løsninger av syrer, alkalier, s altvann osv.
- Ikke-vandige løsninger med ioneledningsevne, oppnådd ved å løse opp s alter i organiske eller uorganiske løsemidler.
- Smelte s alter.
- Fastiske forbindelser med et ionegitter der ett av ionene er mobilt.
- Matrix elektrolytter. Dette er flytende løsninger eller smelter lokalisert i porene til et solid ikke-ledende legeme - en elektronbærer.
- Ionebytterelektrolytter. Dette er faste forbindelser med faste ionogene grupper med samme fortegn. Ioner av det andre tegnet er mobile. Denne egenskapen gjør ledningsevnen til en slik elektrolytt unipolar.
Galvaniske batterier
Kjemiske strømkilder består av galvaniske celler - celler. Spenningen i en av disse cellene er liten - fra 0,5 til 4V. Avhengig av behov brukes et galvanisk batteri i HIT, bestående av flere seriekoblede celler. Noen ganger brukes en parallell eller serie-parallell forbindelse av flere elementer. Bare identiske primærceller eller batterier er alltid inkludert i en seriekrets. De må ha de samme parameterne: elektrokjemisk system, design, teknologisk alternativ og standardstørrelse. For parallellkobling er det akseptabelt å bruke elementer av forskjellige størrelser.
HIT-klassifisering
Kjemiske strømkilder er forskjellige i:
- size;
- designs;
- reagenser;
- naturen til den energidannende reaksjonen.
Disse parameterne bestemmer egenskapene for HIT-ytelse som er egnet for en bestemt applikasjon.
Klassifisering av elektrokjemiske elementer er basert på forskjellen i funksjonsprinsippet til enheten. Avhengig av disse egenskapene skiller de:
- Primære kjemiske strømkilder er engangselementer. De har en viss tilførsel av reagenser, som forbrukes under reaksjonen. Etter en full utladning mister en slik celle funksjonaliteten. På en annen måte kalles primære HIT galvaniske celler. Det vil være riktig å kalle dem ganske enkelt - element. De enkleste eksemplene på en primær strømkilde er "batterier" A-A.
- Opladbare kjemiske strømkilder - batterier (de kalles også sekundære, reversible HIT) er gjenbrukbare celler. Ved å føre strøm fra en ekstern krets i motsatt retning gjennom batteriet, etter en fullstendig utladning, regenereres de brukte reagensene, og akkumulerer igjen kjemisk energi (lading). Takket være muligheten til å lade opp fra en ekstern konstantstrømkilde, brukes denne enheten i lang tid, med pauser for lading. Prosessen med å generere elektrisk energi kalles batteriutladning. Slike treff inkluderer batterier for mange elektroniske enheter (bærbare datamaskiner, mobiltelefoner osv.).
- Termiske kjemiske strømkilder - kontinuerlige enheter. PÅi prosessen med arbeidet deres er det en kontinuerlig strøm av nye porsjoner av reagenser og fjerning av reaksjonsprodukter.
- Kombinerte (semi-fuel) galvaniske celler har et lager av en av reagensene. Den andre mates inn i enheten fra utsiden. Levetiden til enheten avhenger av tilførselen av den første reagensen. Kombinerte kjemiske kilder til elektrisk strøm brukes som batterier, hvis det er mulig å gjenopprette ladningen ved å sende strøm fra en ekstern kilde.
- HIT fornybar oppladbar mekanisk eller kjemisk. For dem er det mulig å erstatte de brukte reagensene med nye porsjoner etter fullstendig utladning. Det vil si at de ikke er kontinuerlige enheter, men, som batterier, lades de opp med jevne mellomrom.
HIT-funksjoner
De viktigste egenskapene til kjemiske kraftkilder inkluderer:
- Åpen kretsspenning (ORC eller utladningsspenning). Denne indikatoren avhenger først og fremst av det valgte elektrokjemiske systemet (kombinasjon av reduksjonsmiddel, oksidasjonsmiddel og elektrolytt). Også NRC påvirkes av konsentrasjonen av elektrolytten, graden av utladning, temperatur og mer. Flyktninghjelpen avhenger av verdien av strømmen som går gjennom HIT.
- Power.
- Utladningsstrøm - avhenger av motstanden til den eksterne kretsen.
- Kapasitet - den maksimale mengden elektrisitet som HIT avgir når den er helt utladet.
- Strømreserve - den maksimale energien som mottas når enheten er helt utladet.
- Energiegenskaper. For batterier er dette først og fremst et garantert antall lade-utladingssykluser uten å redusere kapasiteten eller ladespenningen (ressurs).
- Temperaturdriftsområde.
- Holdbarhet er den maksim alt tillatte tiden mellom produksjon og første utlading av enheten.
- Nyttig levetid – maksim alt tillatt total lagrings- og bruksperiode. For brenselceller er kontinuerlig og intermitterende levetid viktig.
- Total energi forsvunnet over levetiden.
- Mekanisk styrke mot vibrasjoner, støt osv.
- Evne til å jobbe i enhver stilling.
- Pålitelighet.
- Enkelt vedlikehold.
HIT-krav
Utformingen av elektrokjemiske celler må gi forhold som bidrar til den mest effektive reaksjonen. Disse betingelsene inkluderer:
- forhindre strømlekkasje;
- jevn arbeid;
- mekanisk styrke (inkludert tetthet);
- separasjon av reagenser;
- god kontakt mellom elektroder og elektrolytt;
- spredning av strøm fra reaksjonssonen til den ytre terminalen med minimale tap.
Kjemiske strømkilder må oppfylle følgende generelle krav:
- høyeste verdier av spesifikke parametere;
- maksim alt driftstemperaturområde;
- den største spenningen;
- minimumskostnadenergienheter;
- spenningsstabilitet;
- ladesikkerhet;
- sikkerhet;
- enkelt vedlikehold, og ideelt sett ikke behov for det;
- lang levetid.
Exploitation HIT
Den største fordelen med primære galvaniske celler er at de ikke krever noe vedlikehold. Før du begynner å bruke dem, er det nok å sjekke utseendet, utløpsdatoen. Når du kobler til, er det viktig å observere polariteten og kontrollere integriteten til kontaktene til enheten. Mer komplekse kjemiske strømkilder - batterier, krever mer seriøs omsorg. Hensikten med vedlikeholdet deres er å maksimere levetiden deres. Vedlikehold av batteriet er:
- hold rent;
- overvåking av åpen kretsspenning;
- vedlikeholde elektrolyttnivået (kun destillert vann kan brukes til påfylling);
- kontroll av elektrolyttkonsentrasjon (ved hjelp av et hydrometer - en enkel enhet for å måle tettheten av væsker).
Ved drift av galvaniske celler må alle krav knyttet til sikker bruk av elektriske apparater overholdes.
Klassifisering av HIT etter elektrokjemiske systemer
Typer kjemiske strømkilder, avhengig av systemet:
- bly (syre);
- nikkel-kadmium, nikkel-jern, nikkel-sink;
- mangan-sink, kobber-sink, kvikksølv-sink, sinkklorid;
- sølv-sink, sølv-kadmium;
- luft-metall;
- nikkel-hydrogen og sølv-hydrogen;
- mangan-magnesium;
- litium osv.
Moderne bruk av HIT
Kjemiske strømkilder brukes for øyeblikket i:
- kjøretøy;
- bærbare apparater;
- militær- og romteknologi;
- vitenskapelig utstyr;
- medisin (pacemakere).
Vanlige eksempler på HIT i hverdagen:
- batterier (tørrbatterier);
- batterier for bærbare husholdningsapparater og elektronikk;
- avbruddsfri strømforsyning;
- bilbatterier.
Litium kjemiske strømkilder er spesielt mye brukt. Dette er fordi litium (Li) har den høyeste spesifikke energien. Faktum er at den har det mest negative elektrodepotensialet blant alle andre metaller. Litium-ion-batterier (LIA) er foran alle andre CPS når det gjelder spesifikk energi og driftsspenning. Nå mestrer de etter hvert et nytt område – veitransport. I fremtiden vil utviklingen av forskere knyttet til forbedring av litiumbatterier gå mot ultratynne design og store kraftige batterier.
