Современные химические источники тока

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ  УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО  ОБРАЗОВАНИЯ

КНИТУ

КАФЕДРА ТЕХНОЛОГИИ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ  ПРОИЗВОДСТВ

 

 

 

 

 

Реферат на тему:

«Современные химические источники тока»

 

 

 

 

 

 

                                                                                                                           Выполнила:

                                                                                                                           ст. группы 4291-31

                                                                                                                           Токарева К.

                                                                                                                           Проверила:

                                                                                                                          Григорьева И. О.

 

 

 

Казань, 2013

Содержание

1. Введение                                                                                                                                       (3)
2. Краткая теория химических источников тока                                                                          (4)
3. Коммутация ХИТ                                                                                                                      (10)
4. Общие требования к химическим источникам тока                                                              (11)
5. Направления развития электрохимических систем                                                               (11)
6. Источники тока с цинковым анодом                                                                                       (12)  

6.1 Марганцево-цинковые элементы                                                                                      (12)

6.2 Система Zn | NH₄Cl, ZnCl₂ | MnO₂ (элемент Лекланше)                                                 (13)

6.3 Система Zn | KOH | MnO₂                                                                                                   (15)

6.4 Система Zn | NaOH | CuO                                                                                                   (16)

6.5 Система Zn | KOH | HgO                                                                                                     (17)

6.6 Система Zn | KOH | AgO (Ag₂O)                                                                                        (18)

7. Система Pb | H₂SO₄ | PbO₂ (свинцовый аккумулятор)                                                           (20)
8. Никель-кадмиевые и никель-железные аккумуляторы Cd | KOH | NiOOH и Fe | KOH | NiOOH                                                                                                                                        (22)
9. Никель-металлгидридный аккумулятор MH | KOH | NiOOH                                               (24)
10. Первичные литиевые источники тока                                                                                     (27)

10.1 Система литий-вода                                                                                                          (27)

10.2 Растворители и соли для  литиевых источников тока                                                    (28)

10.3 Причины устойчивости литиевого  электрода                                                                (30)

10.4 Система Li│LiBr│SO₂                                                                                                     (31)

10.5 Система Li│LiAlCl₄│SOCl₂                                                                                            (32)

11. Литиевые системы с твердым катодом                                                                                   (33)

11.1 Система Li│MnO₂                                                                                                             (33)

11.2 Система Li│CuO                                                                                                               (34)

11.3 Система Li│LiJ│J₂                                                                                                           (35)

12. Литиевые аккумуляторы                                                                                                         (36)
13. Марганцево-цинковые перезаряжаемые ХИТ                                                                        (39)
14. Топливные элементы                                                                                                                (41)
15. Электрохимические конденсаторы                                                                                         (43)
16. ХИТ для электромобиля                                                                                                          (45)
17. Вывод                                                                                                                                         (47)
18. Список используемой литературы                                                                                          (48)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Введение

Жизнь современного общества невозможно представить без использования ХИТ. Они нашли широчайшее применение как автономные источники электроэнергии для питания всевозможной электронной аппаратуры, компьютеров, радиотелефонов, часов и многого другого. Они незаменимы на транспорте, в автомобилях, в промышленности, в космических аппаратах, в военной технике и во многих других областях.

ХИТ – это устройство, в котором химическая энергия  НЕПОСРЕДСТВЕННО превращается в электрическую энергию. Устройство для этого преобразования и будет называться «химическим источником тока» или «гальваническим элементом» или «электрохимическим элементом» или «электрохимической ячейкой». Все другие устройства предполагают ОПОСРЕДОВАННОЕ превращение химической энергии в электрическую энергию. Например, топливо сжигается, его химическая энергия превращается в тепло, за счет которого вода превращается в водяной пар, поток пара вращает турбину, которая генерирует электроэнергию.

Основой работы ХИТ является химическая реакция взаимодействия окислителя и восстановителя. В процессе взаимодействия окислитель, восстанавливаясь, присоединяет электроны, а восстановитель, окисляясь, отдает электроны. Чтобы энергия этой реакции не выделялась в виде тепла, а превращалась в электрическую энергию, процессы окисления и восстановления должны быть пространственно разделены. Электрохимическим методом можно также обратно преобразовать электрическую энергию в химическую и таким образом накапливать, аккумулировать электрическую энергию в химической форме. Перезаряжаемую электрохимическую ячейку многократного действия называют также «аккумулятор».

Простейшая электрохимическая  ячейка состоит из двух электродов, разделенных проводником второго  рода, т.е. ионным проводником или  электролитом. Электролит необходим  для предотвращения непосредственного перехода электронов от восстановителя к окислителю.

 

окислитель │ ионный проводник │ восстановитель

                              катод   электролит     анод

← ∆j_к →            ← ∆j_а →

 

Электродом называют проводник первого рода, находящийся в контакте с ионным проводником. На границе между этими проводниками возникает скачок потенциала, называемый электродным потенциалом. Электрод, на котором протекает окисление восстановителя, называют анодом, электрод, на котором протекает восстановление окислителя – катодом. Совокупность окислителя, восстановителя и ионного проводника называется электрохимической системой.

По принципу работы ХИТ подразделяют на первичные, вторичные и топливные элементы. Первичные ХИТ (гальванические элементы) – одноразовые, содержат активные вещества в электродах, а после полного расходования активных веществ источники становятся неработоспособными и требуют замены новыми. Самыми распространенными являются гальванические элементы цинк-диоксидмарганцевой электрохимической системы:

 

(–)       (анод)    Zn │ NH₄Cl, H₂O │ MnO₂, смесь с углеродом   (катод)     (+)

 

или

 

(–)       (анод)    Zn │ КОН, Н₂О │ MnO₂, смесь с углеродом   (катод)     (+)

На отрицательном электроде (аноде) окисляется цинк

 

Zn + 2OH^– → Zn(OH)₂ + 2ē

 

На положительном электроде (катоде) восстанавливается диоксид марганца

 

2MnO₂ + 2H₂O + 2ē → 2MnOOH + 2OH^–

 

Обе электродные полуреакции являются СОПРЯЖЕННЫМИ – их скорости всегда равны. Суммарная реакция называется ТОКООБРАЗУЮЩЕЙ:

 

Zn + 2MnO₂ + 2H₂O → Zn(OH)₂ + 2MnOOH

При этом электроны переносятся через внешнюю цепь от анода к катоду, гидроксид-ионы движутся в растворе от катода, где они образуются, к аноду, где они расходуются, но суммарная их концентрация не меняется. Цинк окисляется – переходит из состояния со степенью окисления 0 в степень окисления +2, а марганец восстанавливается – переходит из четырехвалентного в трехвалентное состояние. Почти все используемые в быту гальванические элементы являются цинк-диоксидмарганцевыми.

Вторичные ХИТ (аккумуляторы) после разряда, т.е. после израсходования активных масс могут быть приведены в рабочее состояние пропусканием электрического тока через элемент в обратном направлении. Если в рассмотренном выше примере заменить диоксид марганца (который при определенных условиях тоже может обратимо работать в водном растворе) на оксид серебра Ag₂O, мы получим цинк-серебряный аккумулятор, т.к. пара Ag₂O/Ag способна к обратимому окислению-восстановлению в водном щелочном растворе. Токообразующая реакция имеет вид

           _разряд

Zn + Ag₂O ↔ 2Ag + ZnO

^заряд

 

2. Краткая теория химических источников тока

Термодинамика электрохимических  элементов позволяет определить их электродвижущую силу E (ЭДС). ЭДС – это теоретическая разность потенциалов между положительным и отрицательным электродами в отсутствие тока, т.е. когда элемент разомкнут. ЭДС однозначно связана с изменением энергии Гиббса токообразующей реакции

F = 96485 Кл/моль – число Фарадея, n – число электронов, участвующих в токобразующей реакции (для вышеприведенной реакций n = 2).

 

Температурный коэффициент ЭДС связан с изменением энтропии реакции

ЭДС равна разности равновесных  электродных потенциалов двух электродов

 

Равновесный электродный потенциал зависит от природы электродной реакции, температуры и активностей растворенных или газообразных веществ в соответствии с уравнением Нернста для окислительно-восстановительной реакции

Например, для полуреакции на цинковом электроде равновесный потенциал равен

Реальная разность потенциалов  электродов разомкнутого элемента, называемая напряжением разомкнутой цепи (НРЦ), может быть равна ЭДС, а может отличаться. Отличие обусловлено тем, что на электродах не устанавливаются равновесные потенциалы из-за протекания других (побочных) реакций, кроме основной реакции, для которой был проведен термодинамический расчет. Побочные реакции типично вредны, т.к. вызывают дополнительный расход реагентов и снижают напряжение элемента.

При подключении элемента к устройству нагрузки, т.е. при его замыкании  на внешнюю нагрузку, образуется электрическая цепь

При этом напряжение изменяется, и изменяется тем в большей степени, чем больше сила тока, протекающего через элемент

где U – напряжение элемента, ∆e – поляризация элемента, J (или I)– сила тока, r_внутр – внутреннее сопротивление элемента. Таким образом, рабочее напряжение ХИТ всегда меньше, чем его ЭДС.

Поляризация ∆e может состоять в общем случае из электрохимической, химической и концентрационной составляющих:

 

 

Электрохимическая поляризация  ∆e_эл обусловлена замедленностью собственно электрохимической реакции. Концентрационная поляризация e_конц вызывается замедленностью стадий подвода реагентов к электродам и отвода продуктов реакции. Химическая поляризация e_хим возникает, если электродный процесс сложный и включает химические стадии. Общий путь снижения всех составляющих поляризации и повышения таким образом напряжения ХИТ – увеличение удельной поверхности электродов, увеличение температуры и концентрации реагентов, применение каталитически активных электродов.