Kemiska strömkällor (förkortat HIT) är enheter där energin från en redoxreaktion omvandlas till elektrisk energi. Deras andra namn är elektrokemisk cell, galvanisk cell, elektrokemisk cell. Principen för deras funktion är följande: som ett resultat av interaktionen mellan två reagenser sker en kemisk reaktion med frigöring av energi från en likström. I andra strömkällor sker processen att generera el enligt ett flerstegsschema. Först frigörs termisk energi, sedan omvandlas den till mekanisk energi och först sedan till elektrisk energi. Fördelen med HIT är enstegsprocessen, det vill säga elektricitet erhålls omedelbart och går förbi stegen för att erhålla termisk och mekanisk energi.
Historia
Hur såg de första aktuella källorna ut? Kemiska källor kallas galvaniska celler för att hedra den italienska forskaren från 1700-talet - Luigi Galvani. Han var läkare, anatom, fysiolog och fysiker. En av dess riktningarforskning var studiet av djurs reaktioner på olika yttre påverkan. Den kemiska metoden att generera elektricitet upptäcktes av Galvani av en slump, under ett av experimenten på grodor. Han kopplade två metallplattor till den blottade nerven på grodbenet. Detta resulterade i muskelkontraktion. Galvanis egen förklaring av detta fenomen var felaktig. Men resultaten av hans experiment och observationer hjälpte hans landsman Alessandro Volta i efterföljande studier.
Volta beskrev i sina skrifter teorin om förekomsten av en elektrisk ström som ett resultat av en kemisk reaktion mellan två metaller i kontakt med muskelvävnaden hos en groda. Den första kemiska strömkällan såg ut som en behållare med s altlösning, med plattor av zink och koppar nedsänkta i den.
HIT började produceras i industriell skala under andra hälften av artonhundratalet, tack vare fransmannen Leclanche, som uppfann den primära mangan-zinkcellen med s altelektrolyt, uppkallad efter honom. Några år senare förbättrades denna elektrokemiska cell av en annan forskare och var den enda primära kemiska strömkällan fram till 1940.
Design och funktionsprincip HIT
Enheten för kemiska strömkällor inkluderar två elektroder (ledare av det första slaget) och en elektrolyt placerad mellan dem (ledare av det andra slaget, eller jonledare). En elektronisk potential uppstår vid gränsen mellan dem. Elektroden vid vilken reduktionsmedlet oxideraskallas anoden, och den på vilken oxidationsmedlet reduceras kallas katoden. Tillsammans med elektrolyten utgör de det elektrokemiska systemet.
En biprodukt av redoxreaktionen mellan elektroderna är genereringen av elektrisk ström. Under en sådan reaktion oxideras reduktionsmedlet och donerar elektroner till oxidationsmedlet som tar emot dem och därigenom reduceras. Närvaron av en elektrolyt mellan katoden och anoden är ett nödvändigt villkor för reaktionen. Om man helt enkelt blandar ihop pulver från två olika metaller så frigörs ingen elektricitet, all energi frigörs i form av värme. En elektrolyt behövs för att effektivisera processen för elektronöverföring. Oftast är det en s altlösning eller en smälta.
Elektroder ser ut som metallplattor eller galler. När de är nedsänkta i en elektrolyt uppstår en elektrisk potentialskillnad mellan dem - en öppen kretsspänning. Anoden tenderar att donera elektroner, medan katoden tenderar att acceptera dem. Kemiska reaktioner börjar på deras yta. De stannar när kretsen öppnas, och även när ett av reagenserna är slut. Öppning av kretsen sker när en av elektroderna eller elektrolyten tas bort.
Komposition av elektrokemiska system
Kemiska strömkällor använder syreh altiga syror och s alter, syre, halogenider, högre metalloxider, nitroorganiska föreningar etc. som oxidationsmedel. Metaller och deras lägre oxider, väte är reduktionsmedel i democh kolväteföreningar. Hur elektrolyter används:
- Vattenlösningar av syror, alkalier, s altlösning, etc.
- Icke-vattenh altiga lösningar med jonledningsförmåga, erhållna genom att lösa s alter i organiska eller oorganiska lösningsmedel.
- Smälta s alter.
- Fasta föreningar med ett jongitter där en av jonerna är rörlig.
- Matrixelektrolyter. Dessa är flytande lösningar eller smältor som finns i porerna i en fast icke-ledande kropp - en elektronbärare.
- Jonbytarelektrolyter. Dessa är fasta föreningar med fixerade jonogena grupper av samma tecken. Joner av det andra tecknet är mobila. Denna egenskap gör ledningsförmågan hos en sådan elektrolyt unipolär.
Galvaniska batterier
Kemiska strömkällor består av galvaniska celler - celler. Spänningen i en av dessa celler är liten - från 0,5 till 4V. Beroende på behov används ett galvaniskt batteri i HIT, bestående av flera seriekopplade celler. Ibland används en parallell eller serieparallell koppling av flera element. Endast identiska primärceller eller batterier ingår alltid i en seriekrets. De måste ha samma parametrar: elektrokemiskt system, design, tekniskt alternativ och standardstorlek. För parallellkoppling är det acceptabelt att använda element av olika storlekar.
HIT-klassificering
Kemiska strömkällor skiljer sig åt i:
- storlek;
- designs;
- reagens;
- naturen hos den energibildande reaktionen.
Dessa parametrar bestämmer de egenskaper för HIT-prestanda som är lämpliga för en viss applikation.
Klassificering av elektrokemiska element baseras på skillnaden i enhetens funktionsprincip. Beroende på dessa egenskaper skiljer de åt:
- Primära kemiska strömkällor är engångselement. De har ett visst utbud av reagens, som förbrukas under reaktionen. Efter en full urladdning förlorar en sådan cell sin funktionalitet. På ett annat sätt kallas primära HIT galvaniska celler. Det kommer att vara korrekt att kalla dem helt enkelt - element. De enklaste exemplen på en primär strömkälla är "batterier" A-A.
- Uppladdningsbara kemiska strömkällor - batterier (de kallas även sekundära, reversibla HIT) är återanvändbara celler. Genom att föra ström från en extern krets i motsatt riktning genom batteriet, efter en fullständig urladdning, regenereras de förbrukade reagenserna och ackumulerar återigen kemisk energi (laddning). Tack vare möjligheten att ladda från en extern konstantströmkälla används denna enhet under lång tid, med pauser för laddning. Processen att generera elektrisk energi kallas batteriurladdning. Sådana HITs inkluderar batterier för många elektroniska enheter (bärbara datorer, mobiltelefoner, etc.).
- Termiska kemiska strömkällor - kontinuerliga enheter. PÅunder arbetets gång sker ett kontinuerligt flöde av nya portioner reagens och avlägsnande av reaktionsprodukter.
- Kombinerade (halvbränsle) galvaniska celler har ett lager av ett av reagenserna. Den andra matas in i enheten från utsidan. Enhetens livslängd beror på tillförseln av det första reagenset. Kombinerade kemiska källor för elektrisk ström används som batterier, om det är möjligt att återställa deras laddning genom att leda ström från en extern källa.
- HIT förnybar uppladdningsbar mekaniskt eller kemiskt. För dem är det möjligt att ersätta de använda reagenserna med nya portioner efter en fullständig urladdning. Det vill säga, de är inte kontinuerliga enheter, men, precis som batterier, laddas de med jämna mellanrum.
HIT-funktioner
De huvudsakliga egenskaperna hos kemiska kraftkällor inkluderar:
- Öppen kretsspänning (ORC eller urladdningsspänning). Denna indikator beror först och främst på det valda elektrokemiska systemet (kombination av reduktionsmedel, oxidationsmedel och elektrolyt). NRC påverkas också av koncentrationen av elektrolyten, graden av urladdning, temperatur och mer. NRC beror på värdet på strömmen som passerar genom HIT.
- Power.
- Urladdningsström - beror på motståndet i den externa kretsen.
- Capacity - den maximala mängden el som HIT avger när den är helt urladdad.
- Strömreserv - den maximala energi som tas emot när enheten är helt urladdad.
- Energiegenskaper. För batterier är detta först och främst ett garanterat antal laddnings-urladdningscykler utan att minska kapaciteten eller laddningsspänningen (resurs).
- Temperaturdriftintervall.
- Hållbarhet är den maxim alt tillåtna tiden mellan tillverkning och första urladdning av enheten.
- Användbar livslängd - den maxim alt tillåtna totala lagrings- och driftperioden. För bränsleceller är kontinuerlig och intermittent livslängd viktig.
- Total energi som försvinner under hela livet.
- Mekanisk styrka mot vibrationer, stötar, etc.
- Förmåga att arbeta i vilken position som helst.
- Tillförlitlighet.
- Enkelt underhåll.
HIT-krav
Utformningen av elektrokemiska celler måste tillhandahålla förhållanden som bidrar till den mest effektiva reaktionen. Dessa villkor inkluderar:
- förhindra strömläckage;
- jämnt arbete;
- mekanisk hållfasthet (inklusive täthet);
- separation av reagenser;
- bra kontakt mellan elektroder och elektrolyt;
- avledning av ström från reaktionszonen till den yttre terminalen med minimala förluster.
Kemiska strömkällor måste uppfylla följande allmänna krav:
- högsta värden av specifika parametrar;
- maxim alt driftstemperaturområde;
- den största spänningen;
- minimikostnadenergienheter;
- spänningsstabilitet;
- laddningssäkerhet;
- säkerhet;
- enkelt underhåll, och helst inget behov av det;
- lång livslängd.
Exploitation HIT
Den största fördelen med primära galvaniska celler är att de inte kräver något underhåll. Innan du börjar använda dem räcker det med att kontrollera utseendet, utgångsdatumet. Vid anslutning är det viktigt att observera polariteten och kontrollera integriteten hos enhetens kontakter. Mer komplexa kemiska strömkällor - batterier, kräver mer seriös vård. Syftet med deras underhåll är att maximera deras livslängd. Att ta hand om batteriet är:
- håll rent;
- öppningskretsspänningsövervakning;
- upprätthålla elektrolytnivån (endast destillerat vatten kan användas för påfyllning);
- kontroll av elektrolytkoncentrationen (med en hydrometer - en enkel anordning för att mäta vätskors densitet).
Vid användning av galvaniska celler måste alla krav som rör säker användning av elektriska apparater följas.
Klassificering av HIT efter elektrokemiska system
Typer av kemiska strömkällor, beroende på system:
- bly (syra);
- nickel-kadmium, nickel-järn, nickel-zink;
- mangan-zink, koppar-zink, kvicksilver-zink, zinkklorid;
- silver-zink, silver-kadmium;
- luft-metall;
- nickel-väte och silver-väte;
- mangan-magnesium;
- litium etc.
Modern tillämpning av HIT
Kemiska strömkällor används för närvarande i:
- fordon;
- bärbara apparater;
- militär- och rymdteknik;
- vetenskaplig utrustning;
- medicin (pacemakers).
Vanliga exempel på HIT i vardagen:
- batterier (torrbatterier);
- batterier för bärbara hushållsapparater och elektronik;
- avbrottsfri strömförsörjning;
- bilbatterier.
Kemiska litiumströmkällor används särskilt ofta. Detta beror på att litium (Li) har den högsta specifika energin. Faktum är att den har den mest negativa elektrodpotentialen bland alla andra metaller. Litiumjonbatterier (LIA) ligger före alla andra CPS när det gäller specifik energi och driftsspänning. Nu bemästrar de successivt ett nytt område – vägtransporter. I framtiden kommer utvecklingen av forskare med anknytning till förbättring av litiumbatterier att gå mot ultratunna konstruktioner och stora tunga batterier.
