Kemiske strømkilder (forkortet HIT) er enheder, hvor energien fra en redoxreaktion omdannes til elektrisk energi. Deres andre navne er elektrokemisk celle, galvanisk celle, elektrokemisk celle. Princippet for deres drift er som følger: Som et resultat af interaktionen mellem to reagenser opstår en kemisk reaktion med frigivelse af energi fra en jævnstrøm. I andre nuværende kilder sker processen med at generere elektricitet i henhold til et flertrinsskema. Først frigives termisk energi, derefter omdannes den til mekanisk energi og først derefter til elektrisk energi. Fordelen ved HIT er enkelttrinsprocessen, det vil sige, at elektricitet opnås med det samme, uden at stadierne til opnåelse af termisk og mekanisk energi.
Historie
Hvordan så de første aktuelle kilder ud? Kemiske kilder kaldes galvaniske celler til ære for den italienske videnskabsmand fra det attende århundrede - Luigi Galvani. Han var læge, anatom, fysiolog og fysiker. En af dens retningerforskning var studiet af dyrs reaktioner på forskellige ydre påvirkninger. Den kemiske metode til at generere elektricitet blev opdaget af Galvani ved et tilfælde under et af eksperimenterne på frøer. Han forbandt to metalplader til den blotlagte nerve på frølåret. Dette resulterede i muskelsammentrækning. Galvanis egen forklaring af dette fænomen var forkert. Men resultaterne af hans eksperimenter og observationer hjalp hans landsmand Alessandro Volta i efterfølgende undersøgelser.
Volta skitserede i sine skrifter teorien om forekomsten af en elektrisk strøm som et resultat af en kemisk reaktion mellem to metaller i kontakt med en frøs muskelvæv. Den første kemiske strømkilde lignede en beholder med s altvand med plader af zink og kobber nedsænket i den.
HIT begyndte at blive produceret i industriel skala i anden halvdel af det nittende århundrede, takket være franskmanden Leclanche, som opfandt den primære mangan-zinkcelle med s altelektrolyt, opkaldt efter ham. Et par år senere blev denne elektrokemiske celle forbedret af en anden videnskabsmand og var den eneste primære kemiske strømkilde indtil 1940.
Design og funktionsprincip HIT
Enheden med kemiske strømkilder omfatter to elektroder (ledere af den første type) og en elektrolyt placeret mellem dem (leder af den anden type eller ionisk leder). Et elektronisk potentiale opstår ved grænsen mellem dem. Elektroden, hvorved reduktionsmidlet oxidereskaldes anoden, og den, hvorpå oxidationsmidlet er reduceret, kaldes katoden. Sammen med elektrolytten udgør de det elektrokemiske system.
Et biprodukt af redoxreaktionen mellem elektroder er genereringen af elektrisk strøm. Under en sådan reaktion oxideres reduktionsmidlet og donerer elektroner til oxidationsmidlet, som accepterer dem og derved reduceres. Tilstedeværelsen af en elektrolyt mellem katoden og anoden er en nødvendig betingelse for reaktionen. Hvis man blot blander pulvere fra to forskellige metaller sammen, frigives der ingen elektricitet, al energien frigives i form af varme. En elektrolyt er nødvendig for at strømline processen med elektronoverførsel. Oftest er det en s altopløsning eller en smelte.
Elektroder ligner metalplader eller gitter. Når de er nedsænket i en elektrolyt, opstår der en elektrisk potentialforskel mellem dem - en åben kredsløbsspænding. Anoden har en tendens til at donere elektroner, mens katoden har en tendens til at acceptere dem. Kemiske reaktioner begynder på deres overflade. De stopper, når kredsløbet åbnes, og også når et af reagenserne er brugt op. Åbning af kredsløbet sker, når en af elektroderne eller elektrolytten fjernes.
sammensætning af elektrokemiske systemer
Kemiske strømkilder bruger oxygenholdige syrer og s alte, oxygen, halogenider, højere metaloxider, nitroorganiske forbindelser osv. som oxidationsmidler. Metaller og deres lavere oxider, hydrogen er reduktionsmidler i demog kulbrinteforbindelser. Sådan bruges elektrolytter:
- Vandige opløsninger af syrer, baser, s altvand osv.
- Ikke-vandige opløsninger med ionisk ledningsevne, opnået ved at opløse s alte i organiske eller uorganiske opløsningsmidler.
- Smeltede s alte.
- faste forbindelser med et iongitter, hvori en af ionerne er mobil.
- Matrixelektrolytter. Disse er flydende opløsninger eller smelter placeret i porerne i et fast ikke-ledende legeme - en elektronbærer.
- Ionbytterelektrolytter. Disse er faste forbindelser med faste ionogene grupper af samme fortegn. Ioner af det andet tegn er mobile. Denne egenskab gør ledningsevnen af sådan en elektrolyt unipolær.
Galvaniske batterier
Kemiske strømkilder består af galvaniske celler - celler. Spændingen i en af disse celler er lille - fra 0,5 til 4V. Alt efter behov anvendes et galvanisk batteri i HIT, der består af flere serieforbundne celler. Nogle gange bruges en parallel eller serie-parallel forbindelse af flere elementer. Kun identiske primærceller eller batterier er altid inkluderet i et seriekredsløb. De skal have de samme parametre: elektrokemisk system, design, teknologisk mulighed og standardstørrelse. Til parallelforbindelse er det acceptabelt at bruge elementer i forskellige størrelser.
HIT-klassifikation
Kemiske strømkilder adskiller sig i:
- størrelse;
- designs;
- reagenser;
- naturen af den energidannende reaktion.
Disse parametre bestemmer de HIT-ydeevneegenskaber, der er egnede til en bestemt applikation.
Klassificering af elektrokemiske elementer er baseret på forskellen i enhedens funktionsprincip. Afhængigt af disse egenskaber skelner de:
- Primære kemiske strømkilder er engangselementer. De har en vis forsyning af reagenser, som forbruges under reaktionen. Efter en fuld afladning mister en sådan celle sin funktionalitet. På en anden måde kaldes primære HIT'er galvaniske celler. Det vil være korrekt at kalde dem simpelthen - element. De enkleste eksempler på en primær strømkilde er "batterier" A-A.
- Genopladelige kemiske strømkilder - batterier (de kaldes også sekundære, reversible HIT) er genanvendelige celler. Ved at føre strøm fra et eksternt kredsløb i den modsatte retning gennem batteriet, efter en fuldstændig afladning, regenereres de brugte reagenser, igen akkumulerer kemisk energi (opladning). Takket være evnen til at genoplade fra en ekstern konstant strømkilde, bruges denne enhed i lang tid med pauser til genopladning. Processen med at generere elektrisk energi kaldes batteriafladning. Sådanne HIT'er omfatter batterier til mange elektroniske enheder (bærbare computere, mobiltelefoner osv.).
- Termiske kemiske strømkilder - kontinuerlige enheder. PÅi processen med deres arbejde er der en kontinuerlig strøm af nye portioner af reagenser og fjernelse af reaktionsprodukter.
- Kombinerede (semi-brændstof) galvaniske celler har et lager af et af reagenserne. Den anden føres ind i enheden udefra. Enhedens levetid afhænger af forsyningen af det første reagens. Kombinerede kemiske kilder til elektrisk strøm bruges som batterier, hvis det er muligt at genoprette deres ladning ved at sende strøm fra en ekstern kilde.
- HIT vedvarende genopladelig mekanisk eller kemisk. For dem er det muligt at erstatte de brugte reagenser med nye portioner efter en fuldstændig udledning. Det vil sige, at de ikke er kontinuerlige enheder, men ligesom batterier oplades de med jævne mellemrum.
HIT-funktioner
De vigtigste egenskaber ved kemiske strømkilder omfatter:
- Åbent kredsløbsspænding (ORC eller afladningsspænding). Denne indikator afhænger først og fremmest af det valgte elektrokemiske system (kombination af reduktionsmiddel, oxidationsmiddel og elektrolyt). NRC er også påvirket af koncentrationen af elektrolytten, graden af udledning, temperatur og mere. NRC afhænger af værdien af den strøm, der passerer gennem HIT.
- Power.
- Afladningsstrøm - afhænger af modstanden i det eksterne kredsløb.
- Capacity - den maksimale mængde elektricitet, som HIT'et afgiver, når det er helt afladet.
- Strømreserve - den maksimale energi, der modtages, når enheden er helt afladet.
- Energiegenskaber. For batterier er dette først og fremmest et garanteret antal opladnings-afladningscyklusser uden at reducere kapaciteten eller ladespændingen (ressource).
- Temperaturdriftsområde.
- Holdbarhed er den maksim alt tilladte tid mellem fremstilling og den første udledning af enheden.
- Nyttige levetid - den maksim alt tilladte samlede opbevarings- og driftperiode. For brændselsceller er kontinuerlig og intermitterende levetid afgørende.
- Samlet energi spredt over levetiden.
- Mekanisk styrke mod vibrationer, stød osv.
- Evne til at arbejde i enhver stilling.
- Plidelighed.
- Nem vedligeholdelse.
HIT-krav
Designet af elektrokemiske celler skal give betingelser, der befordrer den mest effektive reaktion. Disse betingelser omfatter:
- forhindre strømlækage;
- jævn arbejde;
- mekanisk styrke (inklusive tæthed);
- separation af reagenser;
- god kontakt mellem elektroder og elektrolyt;
- spredning af strøm fra reaktionszonen til den ydre terminal med minimale tab.
Kemiske strømkilder skal opfylde følgende generelle krav:
- højeste værdier af specifikke parametre;
- maksim alt driftstemperaturområde;
- den største spænding;
- minimumsomkostningerenergienheder;
- spændingsstabilitet;
- opladningssikkerhed;
- sikkerhed;
- nem vedligeholdelse, og ideelt set intet behov for det;
- lang levetid.
UdnyttelsesHIT
Den største fordel ved primære galvaniske celler er, at de ikke kræver nogen vedligeholdelse. Før du begynder at bruge dem, er det nok at kontrollere udseendet, udløbsdatoen. Ved tilslutning er det vigtigt at observere polariteten og kontrollere integriteten af enhedens kontakter. Mere komplekse kemiske strømkilder - batterier, kræver mere seriøs pleje. Formålet med deres vedligeholdelse er at maksimere deres levetid. Vedligeholdelse af batteriet er:
- hold rent;
- spændingsovervågning af åbent kredsløb;
- vedligeholdelse af elektrolytniveauet (kun destilleret vand kan bruges til påfyldning);
- kontrol af elektrolytkoncentration (ved hjælp af et hydrometer - en simpel enhed til måling af væskers massefylde).
Ved betjening af galvaniske celler skal alle krav vedrørende sikker brug af elektriske apparater overholdes.
Klassificering af HIT efter elektrokemiske systemer
Typer af kemiske strømkilder, afhængigt af systemet:
- bly (syre);
- nikkel-cadmium, nikkel-jern, nikkel-zink;
- mangan-zink, kobber-zink, kviksølv-zink, zinkchlorid;
- sølv-zink, sølv-cadmium;
- luft-metal;
- nikkel-hydrogen og sølv-hydrogen;
- mangan-magnesium;
- lithium osv.
Moderne anvendelse af HIT
Kemiske strømkilder bruges i øjeblikket i:
- køretøjer;
- bærbare apparater;
- militær- og rumteknologi;
- videnskabeligt udstyr;
- medicin (pacemakere).
Sædvanlige eksempler på HIT i hverdagen:
- batterier (tørre batterier);
- batterier til bærbare husholdningsapparater og elektronik;
- uninterruptible power supplys;
- bilbatterier.
Kemiske lithiumstrømkilder er særligt udbredte. Dette skyldes, at lithium (Li) har den højeste specifikke energi. Faktum er, at det har det mest negative elektrodepotentiale blandt alle andre metaller. Lithium-ion-batterier (LIA) er foran alle andre CPS med hensyn til specifik energi og driftsspænding. Nu er de så småt ved at mestre et nyt område - vejtransport. I fremtiden vil udviklingen af forskere relateret til forbedring af lithiumbatterier bevæge sig i retning af ultratynde designs og store kraftige batterier.
