Химически източници на ток (съкратено HIT) са устройства, в които енергията на окислително-редукционната реакция се преобразува в електрическа енергия. Другите им имена са електрохимична клетка, галванична клетка, електрохимична клетка. Принципът на тяхното действие е следният: в резултат на взаимодействието на два реагента възниква химическа реакция с освобождаване на енергия от постоянен електрически ток. При други източници на ток процесът на генериране на електроенергия протича по многоетапна схема. Първо се отделя топлинна енергия, след това се превръща в механична енергия и едва след това в електрическа енергия. Предимството на HIT е едноетапният процес, тоест електричеството се получава незабавно, заобикаляйки етапите на получаване на топлинна и механична енергия.
История
Как се появиха първите текущи източници? Химическите източници се наричат галванични елементи в чест на италианския учен от осемнадесети век - Луиджи Галвани. Той е бил лекар, анатом, физиолог и физик. Едно от неговите направленияизследванията бяха изучаване на реакциите на животните към различни външни влияния. Химическият метод за генериране на електричество е открит от Галвани случайно по време на един от експериментите върху жаби. Той свърза две метални пластини към оголения нерв на крака на жабата. Това доведе до мускулна контракция. Собственото обяснение на Галвани за този феномен беше неправилно. Но резултатите от неговите експерименти и наблюдения помогнаха на неговия сънародник Алесандро Волта в следващите проучвания.
Волта очертава в своите писания теорията за възникването на електрически ток в резултат на химическа реакция между два метала в контакт с мускулната тъкан на жаба. Първият източник на химичен ток изглеждаше като контейнер с физиологичен разтвор, с плочи от цинк и мед, потопени в него.
HIT започва да се произвежда в индустриален мащаб през втората половина на деветнадесети век, благодарение на французина Лекланш, който изобретява първичната манганово-цинкова клетка със солен електролит, наречена на негово име. Няколко години по-късно тази електрохимична клетка е подобрена от друг учен и е единственият първичен химически източник на ток до 1940 г.
Дизайн и принцип на действие HIT
Устройството на химически източници на ток включва два електрода (проводници от първи вид) и електролит, разположен между тях (проводник от втори вид, или йонен проводник). На границата между тях възниква електронен потенциал. Електродът, при който се окислява редукторътнаречен анод, а този, върху който се редуцира окислителят, се нарича катод. Заедно с електролита те изграждат електрохимичната система.
Страничен продукт от редокс реакцията между електродите е генерирането на електрически ток. По време на такава реакция редуциращият агент се окислява и отдава електрони на окислителя, който ги приема и по този начин се редуцира. Наличието на електролит между катода и анода е необходимо условие за реакцията. Ако просто смесите прахове от два различни метала заедно, няма да се отдели електричество, цялата енергия ще се освободи под формата на топлина. Необходим е електролит за рационализиране на процеса на пренос на електрони. Най-често това е солен разтвор или стопилка.
Електродите изглеждат като метални пластини или решетки. Когато са потопени в електролит, между тях възниква електрическа потенциална разлика - напрежение на отворена верига. Анодът има тенденция да дарява електрони, докато катодът има тенденция да ги приема. На повърхността им започват химични реакции. Те спират при отваряне на веригата, а също и при изчерпване на един от реагентите. Отварянето на веригата става, когато един от електродите или електролита се отстрани.
Състав на електрохимичните системи
Източниците на химичен ток използват като окислители съдържащи кислород киселини и соли, кислород, халогениди, висши метални оксиди, азотоорганични съединения и др. Металите и техните нисши оксиди, водородът са редуциращи агенти в тяхи въглеводородни съединения. Как се използват електролитите:
- Водни разтвори на киселини, основи, физиологичен разтвор и др.
- Неводни разтвори с йонна проводимост, получени чрез разтваряне на соли в органични или неорганични разтворители.
- Стопени соли.
- Твърди съединения с йонна решетка, в която един от йоните е подвижен.
- Матрични електролити. Това са течни разтвори или стопилки, разположени в порите на твърдо непроводимо тяло - електронен носител.
- Йонообменни електролити. Това са твърди съединения с фиксирани йоногенни групи от същия знак. Йоните от другия знак са подвижни. Това свойство прави проводимостта на такъв електролит еднополюсна.
Галванични батерии
Химическите източници на ток се състоят от галванични клетки - клетки. Напрежението в една от тези клетки е малко - от 0,5 до 4V. В зависимост от необходимостта в HIT се използва галванична батерия, състояща се от няколко последователно свързани клетки. Понякога се използва паралелно или последователно-паралелно свързване на няколко елемента. Само идентични първични клетки или батерии винаги са включени в последователна верига. Те трябва да имат еднакви параметри: електрохимична система, дизайн, технологичен вариант и стандартен размер. За паралелно свързване е приемливо да се използват елементи с различни размери.
ХИТ класификация
Химическите източници на ток се различават по:
- размер;
- дизайн;
- реагенти;
- естеството на реакцията, образуваща енергия.
Тези параметри определят характеристиките на HIT, подходящи за конкретно приложение.
Класификацията на електрохимичните елементи се основава на разликата в принципа на действие на устройството. В зависимост от тези характеристики те разграничават:
- Първичните химически източници на ток са елементи за еднократна употреба. Те имат определен запас от реагенти, който се изразходва по време на реакцията. След пълно разреждане такава клетка губи своята функционалност. По друг начин първичните HIT се наричат галванични клетки. Ще бъде правилно да ги наречем просто - елемент. Най-простите примери за първичен източник на захранване са "батериите" A-A.
- Акумулаторни химически източници на ток - батериите (те се наричат още вторични, обратими HIT) са клетки за многократна употреба. Чрез преминаване на ток от външна верига в обратна посока през акумулатора, след пълно разреждане, отработените реагенти се регенерират, като отново се натрупва химическа енергия (зареждане). Благодарение на възможността за презареждане от външен източник на постоянен ток, това устройство се използва дълго време, с прекъсвания за презареждане. Процесът на генериране на електрическа енергия се нарича разреждане на батерията. Такива HIT включват батерии за много електронни устройства (лаптопи, мобилни телефони и др.).
- Термични химически източници на ток - непрекъснати устройства. ATв процеса на тяхната работа има непрекъснат поток от нови порции реагенти и отстраняване на реакционните продукти.
- Комбинираните (полугоривни) галванични елементи имат запас от един от реагентите. Вторият се подава в устройството отвън. Животът на устройството зависи от доставката на първия реагент. Комбинираните химически източници на електрически ток се използват като батерии, ако е възможно да се възстанови зарядът им чрез преминаване на ток от външен източник.
- HIT възобновяеми, презареждащи се механично или химически. За тях е възможно да се заменят отработените реагенти с нови порции след пълно изхвърляне. Тоест те не са непрекъснати устройства, но като батериите периодично се презареждат.
HIT функции
Основните характеристики на химическите източници на енергия включват:
- Напрежение на отворена верига (ORC или напрежение на разряд). Този индикатор преди всичко зависи от избраната електрохимична система (комбинация от редуктор, окислител и електролит). Също така, NRC се влияе от концентрацията на електролита, степента на разреждане, температурата и др. NRC зависи от стойността на тока, преминаващ през HIT.
- Мощност.
- Разряден ток - зависи от съпротивлението на външната верига.
- Капацитет - максималното количество електричество, което HIT отделя, когато е напълно разреден.
- Резерв на мощност - максималната получена енергия, когато устройството е напълно разредено.
- Енергийни характеристики. За батериите това е на първо място гарантиран брой цикли на зареждане-разреждане без намаляване на капацитета или напрежението на зареждане (ресурс).
- Температурен работен диапазон.
- Срокът на годност е максималното допустимо време между производството и първото разреждане на устройството.
- Полезен живот - максимално допустимият общ период на съхранение и експлоатация. За горивните клетки непрекъснатият и периодичен експлоатационен живот има значение.
- Общата енергия, разсеяна през целия живот.
- Механична якост срещу вибрации, удари и др.
- Възможност за работа на всяка позиция.
- Надеждност.
- Лесна поддръжка.
Изисквания за HIT
Дизайнът на електрохимичните клетки трябва да осигурява условия, благоприятстващи най-ефективната реакция. Тези условия включват:
- предотвратяване на изтичане на ток;
- равномерна работа;
- механична якост (включително херметичност);
- разделяне на реагентите;
- добър контакт между електродите и електролита;
- разсейване на тока от зоната на реакция към външния извод с минимални загуби.
Химическите източници на ток трябва да отговарят на следните общи изисквания:
- най-високи стойности на специфични параметри;
- максимален диапазон на работната температура;
- най-голямото напрежение;
- минимална ценаединици енергия;
- стабилност на напрежението;
- безопасност при зареждане;
- сигурност;
- лесна поддръжка и в идеалния случай няма нужда от нея;
- дълъг експлоатационен живот.
Експлуатация ХИТ
Основното предимство на първичните галванични елементи е, че те не изискват никаква поддръжка. Преди да започнете да ги използвате, достатъчно е да проверите външния вид, срока на годност. При свързване е важно да се спазва полярността и да се провери целостта на контактите на устройството. По-сложните химически източници на ток - батериите, изискват по-сериозна грижа. Целта на тяхната поддръжка е да удължат експлоатационния им живот. Грижата за батерията е:
- поддържайте чистота;
- мониторинг на напрежението в отворена верига;
- поддържане на нивото на електролита (за доливане може да се използва само дестилирана вода);
- контрол на концентрацията на електролита (с помощта на хидрометър - просто устройство за измерване на плътността на течностите).
При работа с галванични елементи трябва да се спазват всички изисквания, свързани с безопасното използване на електрически уреди.
Класификация на HIT по електрохимични системи
Видове химически източници на ток, в зависимост от системата:
- олово (киселина);
- никел-кадмий, никел-желязо, никел-цинк;
- манган-цинк, мед-цинк, живак-цинк, цинков хлорид;
- сребро-цинк, сребро-кадмий;
- въздух-метал;
- никел-водород и сребърно-водород;
- манган-магнезий;
- литий и др.
Модерно приложение на HIT
Химически източници на ток в момента се използват в:
- превозни средства;
- преносими уреди;
- военни и космически технологии;
- научно оборудване;
- лекарство (пейсмейкъри).
Обикновени примери за HIT в ежедневието:
- батерии (сухи батерии);
- батерии за преносими домакински уреди и електроника;
- непрекъсваеми захранвания;
- автомобилни батерии.
Литиевите химически източници на ток са особено широко използвани. Това е така, защото литият (Li) има най-висока специфична енергия. Факт е, че той има най-отрицателния електроден потенциал сред всички други метали. Литиево-йонните батерии (LIA) изпреварват всички останали CPS по специфична енергия и работно напрежение. Сега те постепенно овладяват нова област - автомобилния транспорт. В бъдеще развитието на учените, свързани с усъвършенстването на литиевите батерии, ще се насочи към ултратънки дизайни и големи батерии за тежко натоварване.
