ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 29.03.2024
Просмотров: 21
Скачиваний: 0
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Mg0 – 2ē → Mg2+;
на катоде происходит восстановление хлорида меди:
2CuCl + 2ē → 2Cu0 + 2Cl-.
Суммарная реакция:
Mg0 + 2CuCl → 2Cu0 + MgCl2.
Характеристики элемента: напряжение 1,3 В, удельная энергия 38 – 50 Вт·ч/кг, срок хранения в сухом виде – до 10 лет. После заполнения элемента водой он может работать 16 – 18 часов, так как имеет высокий саморазряд. Используется в качестве аварийных источников тока.
Серебряно-магниевый наливной элемент состоит из магниевого анода, на катод нанесен слой хлорида серебра, а в качестве электролита заливается водный раствор хлорида натрия. Схема такого элемента:
(– ) A: Mg ǀ Н2О, NaCl ǀ AgCl: K (+)
При попадании в элемент воды начинается химическая реакция. На аноде окисляется магний:
Mg0 – 2ē → Mg2+;
Соли магния подвергаются гидролизу, то есть взаимодействуют с водой:
Mg2+ + Н2О → MgОН+ + Н+.
На катоде восстанавливается хлорид серебра:
AgCl + ē → Ag0 + Cl-.
Суммарная реакция имеет вид:
Mg0 + 2AgCl + Н2О → MgОНCl + Ag0 + НCl.
Такой элемент имеет высокую электропроводность – до 120 Вт·ч/кг, высокое напряжение – до 1,8 В, может работать от -20 до +60 оС. Также к его достоинствам можно отнести доступность, невысокую стоимость и безопасность. Недостаток – после заполнения водой имеет высокий саморазряд, может работать до 20 дней.
Используется для питания аварийных систем подводных лодок, подводных прожекторов, аварийных маяков, мин, торпед, сигнальных устройств, радиогидроакустических буев и т. п
В настоящее время получили распространение литиевые элементы с неводными электролитами, такими как пропиленкарбонат и диметоксиэтан. Литиевые источники работают на твердом электролите, что позволяет при минимальных размерах батареи получить сравнительно большую ёмкость и увеличить срок их службы. Достоинства таких элементов – большой срок службы (до 10 лет), удельная энергия до 600 Вт·ч/кг, высокое рабочее напряжение – до 3,5 В, способны работать в широком диапазоне температур. Литиевые элементы используются в имплантируемых слуховых аппаратах, кардиостимуляторах и водителях ритма сердца, в электронной аппаратуре, портативных компьютерах, кинокамерах и военной технике.
3. Химические источники второго рода
В химических источниках второго рода (аккумуляторах) превращения энергии окислительно-восстановительной реакции в электрическую энергию могут проходить многократно, так как реакции на электродах являются обратимыми. После разрядки аккумулятор можно подключить к внешнему источнику постоянного тока, провести электролиз, в результате чего источник тока вновь будет готов к работе.
Наиболее распространены кислотные свинцовые аккумуляторы. Такой аккумулятор состоит из нескольких электродов (положительных и отрицательных) и разделительных пористых пластин, изготовленных из материала, не взаимодействующего с кислотой, препятствующих замыканию электродов (сепараторов), которые погружены в электролит. Электроды представляют собой плоские решётки из металлического свинца. В современных аккумуляторах электродные решётки изготавливаются не из чистого свинца, а из сплава свинца с сурьмой с содержанием её 1—2 % для повышения прочности и эксплуатационных характеристик. В эти решётки запрессован порошок оксида свинца PbO. Применение порошков увеличивает поверхность раздела электролит – твердое вещество, тем самым увеличивает электрическую ёмкость аккумулятора. В качестве электролита используют 32 – 39 %-ный раствор серной кислоты H2SO4. Электрическая проводимость электролита зависит от концентрации серной кислоты и при комнатной температуре максимальна при плотности электролита 1,23 г/см³. Чем больше проводимость электролита, тем меньше внутреннее сопротивление аккумулятора, и, соответственно, ниже потери. Однако, на практике, часто в районах с холодным климатом применяются и более высокие концентрации серной кислоты, плотность до 1,29−1,31 г/см³, это связано с тем, что при низких концентрациях электролит может замёрзнуть, при замерзании образуется лёд, который может разорвать банки аккумулятора.
При добавлении электролита в новый аккумулятор происходит реакция:
PbO + H2SO4 → PbSO4 + H2O.
Затем аккумулятор необходимо зарядить. Для этого его подключают к внешнему источнику постоянного тока. Под действием тока идет электролиз сульфата свинца. На катоде происходит восстановление:
PbSO4 + 2ē → Pb0 + SO42-;
на аноде происходит окисление:
PbSO4 – 2ē + 2Н2О → PbО2 + SO42- + 4Н+.
Суммарная реакция зарядки аккумулятора:
2PbSO4 + 2Н2О → PbО2 + Pb
0 + 2H2SO4.
Во время зарядки аккумулятора плотность электролита (следовательно, и концентрация кислоты) возрастает. После того, как весь сульфат свинца израсходуется в процессе электролиза, начинается электролиз воды:
на катоде: 2Н2О + 2ē → Н20↑ + 2ОН-;
на аноде: 2Н2О – 4ē → О20↑ + 4Н+.
В этот момент из-за выделяющихся газов электролит «вскипает». Это нежелательное явление, при заряде его следует, по-возможности, избегать, так как при этом вода необратимо расходуется, нарастает плотность электролита и есть риск взрыва образующихся газов. Потери воды в результате электролиза восполняют доливкой в банки аккумулятора дистиллированной воды. Необходимо помнить, что вода, попадающая в концентрированную серную кислоту, закипает и сильно разбрызгивает кислотные капли.
После зарядки аккумулятора его отключают от источника постоянного тока. Аккумулятор готов к использованию.
Схема кислотного аккумулятора:
(– ) A: Pb0 ǀ H2SO4ǀ PbО2: K (+)
При работе (разрядке) аккумулятора тот электрод, который во время зарядки был катодом, при работе аккумулятора станет анодом (полюс отрицательный), на нем будет происходить окисление образовавшегося свинца:
Pb0 + H2SO4 – 2ē → PbSO4 + 2Н+.
Электрод, который во время зарядки аккумулятора был анодом, при работе станет катодом (полюс положительный), на нем будет происходить восстановление диоксида свинца:
PbО2 + 2H2SO4 + 2ē → PbSO4 + 2Н2О + SO42-.
Суммарное уравнение реакции разрядки аккумулятора:
PbО2 + Pb0 + 2H2SO4 → 2PbSO4 + 2Н2О.
Электродный потенциал катодного процесса равен +1,68 В, анодного процесса – 0,36 В. ЭДС аккумулятора равна 1,68 – (– 0,36) = 2,04 В.
Характеристики аккумулятора: удельная энергия 30 – 60 Вт·ч/кг; рабочее напряжение 2 В; коэффициент полезного действия (КПД) 80 – 90 %, работает в диапазоне температур от – 40 до + 40 оС.
Достоинства: высокий КПД, относительно стабильное напряжение, простой, недорогой.
Недостатки: невысокая удельная энергия, высокий саморазряд при хранении, малый срок службы (2 – 5 лет), негерметичный, что часто приводит к утечке электролита – агрессивной жидкости, свинец – токсичный тяжелый металл, после окончания срока эксплуатации аккумулятор необходимо утилизировать на специальных предприятиях. Свинцовые аккумуляторы имеют большие размеры, очень тяжелые.
Хранить свинцовые кислотные аккумуляторы необходимо только в заряженном состоянии, так как их хранение в разряженном состоянии быстро приводит к потере работоспособности аккумулятора. Для приготовления или разбавления электролита необходимо использовать только дистиллированную воду, так как присутствующие в обычной воде соли жёсткости (гидрокарбонаты, сульфаты и хлориды кальция и магния) значительно ухудшают параметры аккумулятора и снижают срок его службы. Нельзя допускать разряд аккумулятора ниже напряжения 1,75 В, так как это значительно снизит срок его эксплуатации.
Большое распространение получили и щелочные никель-железные и никель-кадмиевые аккумуляторы. В таких аккумуляторах железный или кадмиевый электроды являются анодами, а катод изготовлен из гидроксида никеля (III) Ni(OH)3 (или его частично дегидратированной формы NiO(OH) – гидрата окиси никеля). В качестве электролита используется 20 – 23 %-ный раствор гидроксида калия КОН. Схема щелочного аккумулятора:
(– ) A: Fe0 (Cd0) ǀ КОНǀ Ni(OH)3: K (+)
При работе аккумулятора происходят следующие процессы: на аноде – окисление железа (или кадмия)
Fe0 (Cd0) – 2ē + 2 OH- → Fe(OH)2 (Cd(OH)2);
на катоде – восстановление гидроксида никеля (III)
Ni(OH)3 + ē → Ni(OH)2 + OH-.
Суммарное уравнение реакции работы щелочного аккумулятора:
Fe0 (Cd0) + 2Ni(OH)3 → Fe(OH)2 (Cd(OH)2) + 2Ni(OH)2.
Процесс зарядки происходит при подключении аккумулятора к источнику постоянного тока. При этом на катоде происходит восстановление гидроксида кадмия (железа):
Fe(OH)2 (Cd(OH)2) + 2ē → Fe0 (Cd0) + 2ОН-;
на аноде окисляется гидроксид никеля (II):
Ni(OH)2 + OH- – ē → Ni(OH)3.
Суммарное уравнение реакции зарядки щелочного аккумулятора:
Fe(OH)2 (Cd(OH)2) + 2Ni(OH)2 → Fe0 (Cd0) + 2Ni(OH)3.
Характеристики щелочных аккумуляторов: ЭДС никель-кадмиевого аккумулятора равна 1,45 В, для никель-железного – 1,48 В. Удельная энергия у железо-никелевого аккумулятора – до 20 Вт·ч/кг, у никель-кадмиевого – чуть выше – 45 – 65 Вт·ч/кг. Рабочее напряжение 1,35 – 1,0 В. Срок службы – более 10 лет. Саморазряд у железо-никелевых аккумуляторов составляет 20 – 40 % в месяц, у никель-кадмиевых – до 10 % в месяц. Рабочий диапазон температур от –40 до +40 оС.
Достоинствами щелочных аккумуляторов являются большой срок службы, высокая механическая прочность, герметичность, меньшие размеры (по сравнению с кислотным аккумулятором), можно хранить разряженными, при зарядке практически не нагревается. Разогрев аккумулятора в процессе зарядки свидетельствует о завершении процесса и необходимости отключить аккумулятор от внешнего источника тока.
Недостатки щелочных аккумуляторов: невысокий КПД 50 – 60 %, невысокое напряжение, низкая удельная энергия, высокая стоимость. Кадмий является токсичным металлом, поэтому никель-кадмиевые аккумуляторы после завершения эксплуатации требуют утилизации на специальных предприятиях.
Используются в различной аппаратуре связи, использующей большой ток, радиоприемниках, электронной аппаратуре, для питания электрокаров, погрузчиков, для питания цепей управления трамваев и троллейбусов, в качестве бортовых аккумуляторных батарей самолётов и вертолётов, в фонарях для дайвинга, для резервного электропитания при наличии условий для зарядки, в системах электрооборудования пассажирских вагонов и т.п. Для повышения срока службы рекомендуется заряжать аккумулятор только после полной его разрядки (то есть, когда рабочее напряжение станет менее 1,0 В).
В последнее время получили распространение никель-металлгидридные аккумуляторы. В таких аккумуляторах анодом является водородный металлгидридный электрод, (обычно гидрид никель-лантан или никель-литий), катодом – оксид (или гидрат оксида) никеля. В качестве электролита используют раствор гидроксида калия. Схема аккумулятора:
(– ) A: МН ǀ КОНǀ NiО(OH): K (+)
При работе аккумулятора на аноде происходит окисление гидрида металла по реакции:
MН + OH- – ē → M + Н2О,
на катоде восстанавливается гидрат оксида никеля:
NiО(OH) + ē + Н2О → Ni(OH)2 + OH-.
Суммарное уравнение реакции работы аккумулятора:
MН + NiО(OH) → М + Ni(OH)2.
При зарядке аккумулятора проходят следующие реакции:
на катоде восстанавливается водород с образованием гидрида металла
M + Н2О + ē → MН + OH-;
на аноде окисляется гидроксид никеля (II)
Ni(OH)2 + OH- – ē → NiО(OH) + Н2О.
Суммарное уравнение реакции зарядки аккумулятора:
М + Ni(OH)2 → MН + NiО(OH).
Характеристики никель-металлгидридного аккумулятора: ЭДС 1,26 В, рабочее напряжение 1,2 В, удельная энергия 60 – 70 Вт·ч/кг, КПД 60 – 70 %, срок службы 2 – 5 лет, саморазряд 20 – 40 % в месяц, рабочий диапазон температур от -40 до +60 оС.
Достоинства: экологически безопасный, компактный, большая, чем в никель-железный аккумуляторах, удельная энергия, нет «эффекта памяти» при зарядке не окончательно разрядившегося аккумулятора.
Недостатки: небольшой срок службы, высокий саморазряд, разогрев аккумулятора при его зарядке.