Химические источники тока: основные характеристики

Уже более двух столетий человечество использует энергию химических реакций между различными веществами для получения постоянного тока.

Принцип работы

Окислительно-восстановительная реакция, протекающая между веществами, обладающими свойствами окислителя и восстановителя, сопровождаются выделением электронов, движение которых образует электрический ток. Однако, чтобы использовать его энергию, необходимо создать условия для прохождения электронов через внешнюю цепь, в противном случае она при простом смешивании окислителя и восстановителя выделяется во внешнюю среду теплом.

Поэтому все химические источники тока имеют два электрода:

• анод, на котором происходит окисление;

• катод, осуществляющий восстановление вещества.

Электроды на расстоянии помещены в сосуд с электролитом — веществом, проводящим электрический ток за счет процессов диссоциации среды на ионы.

Принцип преобразования химической энергии в электрическую

На рисунке показано, что электроды размещены в отдельных сосудах, соединенных солевым мостиком, через который создается движение ионов по внутренней цепи. Когда внешняя и внутренняя цепь разомкнуты, то на электродах протекают два процесса: переход ионов из металла электрода в электролит и переход ионов из электролита в кристаллическую решетку электродов.

Скорости протекания этих процессов одинаковы и на каждом электроде накапливаются потенциалы напряжения противоположных знаков. Если их соединить через солевой мостик и приложить нагрузку, то возникнет электрическая цепь. По внутреннему контуру электрический ток создается движением ионов между электродами через электролит и солевой мостик. По внешней цепи возникает движение электронов по направлению от анода на катод.

Практически все окислительно-восстановительные реакции сопровождаются выработкой электроэнергии. Но ее величина зависит от многих факторов, включающих объемы и массы используемых химических веществ, примененных материалов для изготовления электродов, типа электролита, концентрации ионов, конструкции.

Наибольшее применение в современных химических источниках тока нашли:

• для материала анода (восстановителя) — цинк (Zn), свинец (Pb), кадмий (Cd) и некоторые другие металлы;

• для материала катода (окислителя) — оксид свинца PbO2, оксид марганца MnO2, гидроксооксид никеля NiOOH и другие;

• электролиты на основе растворов кислот, щелочей или соли.

Способы классификации

Одна часть химических источников тока может повторно использоваться, а другая нет. Этот принцип взят за основу их классификации.

Классификация химических элементов

Электродвижущая сила гальванических элементов , в зависимости от конструкции, достигает 1,2÷1,5 вольта. Для получения больших значений их объединяют в батареи, соединяя последовательно. При параллельном подключении батарей увеличивается ток и мощность.

Принято считать, что первичные химические источники тока не поддерживают повторную зарядку, хотя более точно это положение можно сформулировать по-другому: ее проведение экономически не целесообразно.

Резервные первичные химические источники тока хранятся в состоянии, когда электролит изолирован от электродов. Это исключает протекание окислительно-восстановительной реакции и обеспечивает готовность к вводу в работу. Они не используются повторно. Срок хранения резервных химических источников тока ограничен в 10÷15 лет.

Аккумуляторы успешно перезаряжаются приложением внешней электрической энергии. Благодаря этой возможности их называют вторичными источниками тока. Они способны выдерживать сотни и тысячи циклов заряда-разряда. ЭДС аккумулятора может быть в пределах 1,0÷1,5 вольта. Их тоже объединяют в батареи.

Электрохимические генераторы работают по принципу гальванических элементов, но у них для проведения электрохимической реакции вещества поступают извне, а все выделяющиеся продукты удаляются из электролита. Это позволяет организовать непрерывный процесс.

Основные рабочие характеристики химических источников тока

1. Величина напряжения на разомкнутых клеммах

В зависимости от конструкции единичный источник может создавать только определенную разность потенциалов. Для использования в электрических устройствах их объединяют в батареи.

2. Удельная емкость

За определенное время (в часах) один химический источник тока может выработать ограниченное количество тока (в амперах), которые относят к единице веса либо объема.

3. Удельная мощность

Характеризует способность единицы веса или объема химического источника тока вырабатывать мощность, образованную произведением напряжения на силу тока.

4. Продолжительность эксплуатации

Еще этот параметр называют сроком годности.

5. Значение токов саморазряда

Эти побочные процессы электрохимических реакций приводят к расходу активной массы элементов, вызывают коррозию, снижают удельную емкость.

6. Цена на изделие

Зависит от конструкции, применяемых материалов и ряда других факторов.

Лучшими химическими источниками тока считаются те, у которых высокие значения первых четырех параметров, а саморазряд и стоимость низкие.

Принципы заряда аккумуляторов

Среди вторичных химических источников тока большую популярность набирают литий ионные модели, которые стали массово применяться для питания электронных устройств. У них материалом положительного электрода используется LiMO2 (M Co, Ni, Mn), а отрицательного — графит.

При заряде ионы лития от приложенной внешней энергии выделяются из металла катода, проходят через электролит и проникают в пространство между слоями графита, накапливаясь там.

Когда энергия зарядного устройства отсутствует, а к электродам подключена нагрузка, то ионы лития в электролите двигаются в противоположную сторону.

Если заряд и разряд не проводятся, то энергия в аккумуляторе не расходуется, а сохраняется. Но ее количество ограничивается свойствами применяемых материалов. К примеру, у литий-ионных аккумуляторов значение удельной электроемкости составляет 130÷150 мАч/г. Оно лимитировано свойствами материала анода. Для графита емкость выше примерно в два раза.

Ученые сейчас ищут способы повышения емкости аккумулятора, изучают возможности использования химической реакции, проходящей между литием и кислородом воздуха. Для этого разрабатываются конструкции с воздушным, не расходуемым катодом, используемые в отдельных аккумуляторах. Этот метод может до 10 раз увеличить плотность энергии.

Эксплуатация химических источников тока требует знания основ электротехники , электрохимии, материаловедения и физики твердых тел.