Классификация ХИТ

 

Классификация ХИТ

 

 

 

 

 

Первичные, или гальванические элементы

Одноразового действия; работают, пока есть запас активных реагентов. Процессы на аноде и катоде – необратимые.

Вторичные, или аккумуляторы

Работают в режиме заряда-разряда.

Выдерживают большое число циклов. При разряде работают как источник тока, при заряде – как электролизер. Процессы на электродах – обратимые.

Топливные элементы

Работают, пока подводятся реагенты (топливо и окислитель) к электродам. Работают как источник тока. Реагенты хранятся вне ТЭ.

Преимущества ХИТ :

 

● автономность -воз­можность использованияв космосе и под водой, в переносных устройствах , медицине, на транспорте и т. п.;

● высокий КПД;

● бесшумность;

Экологичность - относительная безвредность.

 

Основные характеристики ХИТ

► ЭДС Е_Э , (В) – электродвижущая силаравнаразности равновесных потенциалов катода и анода. Е_Э = Е^р_К - Е^р_А

Определяется термодинамикой процессов в ХИТ.

Е_э = -ΔG/nF ; Е_э⁰ = -ΔG⁰/nF

 

 

► Напряжение U, (В) - всегда меньше ЭДС :

U= Е_Э - ∆E - I(R₁+R₂)

При разряде напряжение элемента постепенно снижается.

Чем меньше изменение напряжения Þ тем лучше элемент.

Емкость элемента Q ,(Кл, А.ч) – количество электричества, которое ХИТ отдает при разряде.

Q = f { - массы запасенных реагентов в элементе;

Степени их превращения.

При ↑I и ↓Т Þ ↓ степень превращения, ↓емкость элемента.

Удельная емкость q, (А.ч/кг) – емкость, отнесенная к единице массы или объема элемента.

Более высокую q можно получить в элементах с малой m.

Энергия элемента W, (Вт.ч) – равна произведению его емкости на напряжение: W= Q . U

Удельная энергия w , ( Вт.ч/кг или Вт.ч/м3 ) - энергия, отнесенная к единице массы или объема элемента.

При ↑I Þ ↓U Þ ↓W , ↓w .

Более высокую w можно получить в элементах с:

- малой m ,

- большой ЭДС, Е_Э ,

Высокой степенью превращения реагентов.

 

►Мощность элемента P , (Вт) – энергия, отдаваемая за единицу времени.

Р = U. I = ( ЕЭ – ΔE – IR) .I

Все факторы, повышающие напряжение элемента Þ увеличивают его мощность.

Зависимость Р = f ( I ) проходит через максимум.

► Удельная мощность , ( Вт/кг или Вт/м³ ) – мощность, отнесенная к массе или объему элемента.

 

Сохраняемость – срок хранения ХИТ, в течение которого его характеристики остаются в заданных пределах.

  Требования к современным ХИТ : · Возможно большая величина ЭДС;

Гальванические элементы - первичные элементы.

Реагенты (окислитель и восстановитель)

входят непосредст­венно в состав гальванического элемента,

Расходуются в процессе его ра­боты.

Может работать непрерывно или с перерывами.

После расхода реагентов элемент не может больше работать.

THORN; это источник тока одноразового действия.

 

 

Примеры:

 

Сухой» марганцево - цинковый элемент

 

Широко применяется для питания радиоаппаратуры, аппаратуры связи, магнитофонов, карманных фонарей и др.

Анод - цинковый электрод;

катод - электрод из смеси диоксида марганца с гра­фитом (МnО₂+С);

токоотвод - графит;

Электролит - паста из раствора хлорида аммония NH4Cl с загустителем или бумага, пропитанная раствором NH4Cl .

 

Устройство первичного элемента МnО₂ - Zn с солевым электролитом:

1 - цинковый анод; 2 - электролит; 3 – катод (МnО₂+С);

Графитовый токоотвод катода; 5 - простран­ство для сбора газов; 6 - крышка; 7 - уплотнение; 8 - стойка; 9 - футляр; 10 – дно.

 

Схема элемента:

 

(-) Zn | NH₄Cl| MnO₂ , С (+)

 

на аноде - окисление цинка:

Zn + 2NH₄ ⁺-2e→[Zn(NH₃)₂]²⁺+2H⁺

на катоде - Мn(IV) восстанав­ливается до Мn(III):

MnO2 + 2H+ + 2e → 2MnOOH

Суммарное уравнение ТОР:

Zn + 2NH4Cl + 2MnO2 = [Zn(NH3)2]Cl2 + 2MnOOH

 

Щелочной марганцево-цинковый элемент

Такой же элемент, но с щелочным электролитом.

Его характеристики лучше.

Схема элемента:

(-) Zn | КОН | MnO₂ , С (+)

на аноде - окисление цинка:

Zn + 2OH ^--2e→ Zn(OH)₂ = ZnO+H₂O,

на катоде - Мn(IV) восстанав­ливается до Мn(III):

MnO₂ + H₂O + e → MnOOH+ OH^-

 

Элементы с литиевыми анодами

Разработаны в последние десятилетия. Большой прогресс, так как имеют существенно более высокие характеристики, особенно при низких температурах.

Электролиты – обязательно неводные (пропиленкарбонат ПК, тионилхлорид и др.), т.к. в присутствии воды или кислорода литий быстро окисляется. Необходима полная герметичность при изготовлении и использовании.

Катодные материалы – на основе MnO₂, FeS₂, CF_x , SOCl₂

Преимущества:

● стабильное напряжение,

● высокая удельная энергия,

● длительная сохраняемость,

Способность работать при отрицательных Т (до -50оС).

Применение: электронная аппаратура, часы, портативные ЭВМ, кинокамеры, медицинские приборы, военная техника.

ПРИМЕР гальванический элемент Li / SOCl₂

Схема элемента:

(-) Li | LiAlCl₄ ,SOCl₂ | SOCl₂ (+)

Токообразующая реакция:

SOCl2 + 4Li → S + SO2 + 4LiCl

на аноде - окисление лития:

Li – e → Li⁺

 

на катоде - восстанов­ление тионилхлорида SOCl₂ :

2SOCl₂ +4е→S + SO₂ + 4Cl^-

Параметры первичных элементов

Аккумуляторы – вторичные ХИТ.

В аккумуляторах под воздействием внешнего источника тока накапливается (аккумулируется) химическая энергия (заряд аккумулятора), которая затем самопроизвольно переходит в электриче­скую (разряд аккумулятора).

…при заряде аккумулятор работает как электролизер,

При раз­ряде - как гальванический элемент .

 

Процессы заряда-разряда аккумуляторов осуще­ствляются

Многократно.

Примеры:

Свинцовые кислотные ак­кумуляторы.

Наиболее распространены в настоящее время: - стартерные,

Стационарные.

Электролит - раствор Н2SО4 (поэтому «кислотный»).

Электроды - свинцовые решетки с активной массой из РbSО4, разделены раствором Н2SО4 и по­ристыми сепараторами.

Решетки вначале за­полняются оксидом свинца, который при взаимодействии с Н2SО4 превраща­ется в РbSО4).

Аккумуляторы соединяют в батарею, которую поме­щают в баки из эбонита или полипропилена.

Процессы на электродах:

На отрицательном электроде при работе аккумулятора протекают реакции, при которых степень окисления свинца меняется от +2 до 0 и обратно:

Заряд 0

РbSO₄ +2е Pb + SО₄^2-; Е⁰_Рb/PbSО4= - 0,36 В,

Разряд

 

(-) электрод: при заряде – катод;

При разряде – анод.

На положительном электроде степень окисления свинца меняется от +2 до +4 и обратно:

 

Заряд +4

РbSO₄ + Н₂О PbО₂ + SО₄^2- + 4Н⁺+ 2e;

разряд Е°_{РbО2/PbSО4} = 1,68 В.

 

(+) электрод: при заряде – анод;

При разряде – катод.

 

Суммарная реакция в аккумуляторе:

Заряд

2РbSO₄ + 2Н₂О Рb + PbО₂ + 4Н⁺ + 2SО₄^2-

Разряд

 

ЭДС аккумулятора

= разности потенциалов электродов, может быть рассчитана по уравнению:

 

 

Где Е0э = Е0РbО2/РbSО4– Е0РbSО4/Рb = 1,68 В - (- 0,36) В = 2,04 В.

Е_э – зависит от концентрации H₂SO₄, оптимум -32-39%

При заряде U_заряда=Е_Э + ∆E + I(R₁+R₂) Þ U_заряда >Е_Э

При разряде U_{разряда}=Е_Э - ∆E - I(R₁+R₂) Þ U_{разряда}< Е_Э

 

Достоинства свинцовых аккумуляторов:

● высокий КПД (около 80 %),

● высокая ЭДС,

● относительно малое ее изменение при разряде,

● простота,

Невысокая цена.

Недос­татки свинцовых аккумуляторов:

● небольшая удельная энергия,

● саморазряд аккумулятора при хранении,

Малый срок службы (2 - 5 лет).

 

Щелочные никель-кадмиевые и никель-железные

Аккумуляторы .

 

(+) электрод содержит гидроксид никеля,

Электрод - соответственно кадмий или железо.

Ионный проводник – 20-23% раствор КОН.

Суммарные реакции (в упрощенном виде):

Разряд

NiOOH + Cd + 2H2О↔ 2Ni(OH)2 + Cd(OH)2 , E0 = 1,45 В

Заряд

Разряд

NiOOH + Fe + 2H2O ↔ 2Ni(OH)2 + Fe(OH)2 , E0 = 1,48 В

Заряд

Достоинства:

● большой срок службы,

Высокая механич.прочность.

Недостатки:

● невысокие КПД,

● невысокое напряжение,

Токсичность Cd.

Литий-ионные аккумуляторы

Разработаны в последнее время.

Отрицательный электрод – литий.

Положительный электрод – на базе оксидов ванадия,

Никеля, кобальта, марганца.

Неводный раствор электролита: пропиленкарбонат,

Этиленкарбонат, диэтилкарбонат

 

На электродах происходит интеркалация - внедрение в

кристаллическую решетку (соответственно, в оксиды и графит) ионов лития:

→ разряд

На (- ) электроде: LixC ↔ xLi+ + C + xe

Заряд

→ разряд

На (+) электроде: xLi⁺ + MO_n+ xe ↔ Li_xMO_n

Заряд

Суммарно: Li_xC + MO_n↔ C + Li_xMO_n

Достоинства: высокая удельная энергия.

Недостаток: работают пока на малых токах (электронная, слаботочная аппаратура).

Параметры аккумуляторов

 

Топливные элементы.

В топлив­ных элементах (ТЭ) окислитель и восстановитель хранятся вне элемента,

В процессе ра­боты подаются к электродам.

THORN; топливный элемент может ра­ботать длительное время.

На электродах

Химическая энергия .

Восстановителя (топлива) Þ в электрическую энергию.

И окисли­теля .

 

Восстановители (топливо), жидкие или газо­образные, - водород, метанол, метан, в последние годы некоторые другие восстановители, например боргидрид натрия.

Окислители - обычно кислород воздуха.

ТЭ состоит из двух электродов с электродными камерами и ионного проводника (электролита) между ними.

 

 

 

Схема кислородно-водородного топливного элемента:

Анод; 2- электролит; 3- катод

Классификация ТЭ по типу ионного проводника (электролита):

● с щелочным (95-100 С),

● фосфорнокислым (200 С),

● протонпроводящим или твердополимерным (95-100 С),

● расплавленным карбонатным (высокотемпературный 700 С),

● твердооксидным (1000 С⁰).

 

ПРИМЕР

 

Кислородно-водородный щелочной топливный элемент

 

Схема кислородно-водородного ТЭ

Н₂, М½КОН½М, О₂

М - проводник 1-го рода -

Катализатор про­цесса и токоотвод (Pt,Pd).

Каждый электрод - сложная многокомпонентная система.

К аноду подводится топливо – водород, идет его окисление:

Н2 + 2ОН- - 2е = 2Н2О

К катоду подводится окислитель - чистый кислород или кислород воздуха, идет его восстановление:

 

1/2О₂+Н₂О+2е=2ОН^-

 

Токообразующая реакция:

 

Н₂ + 1/2О₂ = Н₂О(ж)

или

Н₂ + 1/2О₂ = Н₂О(г)

 

Во внешней цепи - движение электронов от анода к катоду,

В растворе - движение ОН- от катода к аноду.

 

Еэ = -ΔGТОР /nF Еэ0 = -ΔG0ТОР /nF

 

Стандартная ЭДС зависит от температуры в соответствие с уравнением:

Е_э⁰ = -ΔН⁰/nF + TΔS⁰/nF

где ΔН⁰ - энтальпия,

S0 – энтропия токообразующей реакции.

Стандартные термодинамические характеристики

Токообразующих реакций при 298 К

  ….. Электрохимическая энергоустановка. состоит из:

Системы хранения, обработки и подвода топлива и

окислителя,

▬ системы отвода продуктов реакции,

Системы под­держания и регулирования температуры в

элементах,

Системы преобразования тока и на­пряжения.

Достоинства:

● Электрохимические энер­гоустановки имеют более высокий КПД (в 1,5 - 2,0 раза) по сравнению с тепловыми машинами;

Существенно меньше загрязняют окружающую среду.

Развернуть

Открыть в широком формате