ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 29.03.2024
Просмотров: 19
Скачиваний: 0
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Никель-цинковые аккумуляторы состоят из цинкового анода и катода на основе гидрата оксида никеля, в качестве электролита используется раствор гидроксида калия.
(– ) A: Zn0 ǀ КОНǀ NiO(OH): K (+).
На аноде происходит окисление цинка с последующим образованием комплексного соединения:
Zn0 – 2ē → Zn2+;
Zn2+ + 2КОН + 2Н2О → К2[Zn(OH)4] + 2H+
на катоде – восстановлении гидрата оксида никеля:
NiО(OH) + ē + Н2О → Ni(OH)2 + OH-.
Суммарное уравнение реакции работы аккумулятора:
Zn0 + 2 NiО(OH) + 2Н2О + 2КОН → К2[Zn(OH)4] + 2Ni(OH)2.
При зарядке аккумулятора происходят обратные реакции:
на катоде восстанавливается цинк:
К2[Zn(OH)4] + 2ē → Zn0 + 2К+ + 4ОН-;
на аноде окисляется гидроксид никеля (II):
Ni(OH)2 + OH- – ē → NiО(OH) + Н2О.
Суммарное уравнение реакции зарядки аккумулятора:
К2[Zn(OH)4] + 2Ni(OH)2 → Zn0 + 2КОН + 2NiО(OH) + 2Н2О.
Достоинства аккумулятора: высокое рабочее напряжение 1,6 В, удельная энергия 50 – 70 Вт·ч/кг, высокий КПД 70 – 75 %, экологическая безопасность.
Недостатки: малый срок службы (всего 200 – 300 циклов заряд – разряд).
Применяются в цифровых фотоаппаратах.
Бромно-цинковый аккумулятор состоит из цинкового анода, угольного катода, адсорбирующего жидкий бром. В качестве электролита используется раствор бромида цинка. Схема аккумулятора:
(– ) A: Zn0 ǀ ZnBr2ǀ Br2, C: K (+).
При работе на аноде происходит окисление цинка:
Zn0 – 2ē → Zn2+;
на катоде восстанавливаются молекулы брома:
Br2 + 2ē → 2Br-.
Суммарное уравнение реакции имеет вид:
Zn0 + Br2 → ZnBr2.
Процесс зарядки представляет собой электролиз бромида цинка.
На катоде восстанавливается цинк:
Zn2+ + 2ē → Zn0;
на аноде окисляются ионы брома:
2Br- – 2ē → Br2.
Суммарное уравнение реакции имеет вид:
ZnBr2 → Zn0 + Br2.
Характеристики аккумулятора: удельная энергия 70 – 145 Вт·ч/кг, КПД 65 – 75 %, ЭДС 1,82 В, рабочее напряжение 1,7 В, рабочий диапазон температур 25 – 50 оС.
Достоинства: высокая удельная энергия и КПД, высокое напряжение, недорогой.
Недостатки: малый срок службы (до 2-х лет), небольшой рабочий диапазон температур, содержит токсичный бром.
Серно-натриевый аккумулятор
в качестве анода использует натрий, катод – сера в смеси с графитом. Электролитом служит твердый алюминат натрия, который при высоких температурах плавится и обеспечивает ионную проводимость. Схема аккумулятора:
(– ) A: Na0 ǀ Na2O·xAl2O3ǀ S, C: K (+).
При работе аккумулятора на аноде происходит окисление натрия:
Na0 – ē → Na+;
на катоде восстанавливается сера с образованием сульфид-ионов:
S0 + 2 ē → S2-.
Суммарное уравнение реакции работы серно-натриевого аккумулятора:
2 Na0 + S0 → Na2 S.
Зарядка аккумулятора представляет собой процесс электролиза сульфида натрия. На катоде восстанавливается натрий:
Na+ + ē → Na0;
на аноде окисляются сульфид-ионы:
S2- – 2ē → S0.
Суммарное уравнение реакции зарядки серно-натриевого аккумулятора:
Na2 S → 2Na0 + S0.
Характеристики аккумулятора: удельная энергия 100 – 150 Вт·ч/кг, КПД 70 – 75 %, ЭДС – 2,1 В, рабочее напряжение 1,8 В, срок службы 3 – 5 лет, работает при температуре + 300 оС.
Достоинства: работает при высоких температурах, высокая удельная энергия, КПД, напряжение, достаточно большой срок службы.
Недостатки: очень дорогой, содержит щелочной металл, который в случае разрушения аккумулятора при высоких температурах может привести к пожару.
Применяются для энергетического сдвига. Аккумуляторы накапливают энергию, например, в ночное время суток, в дневное время энергия используется. Таким образом, происходит экономия и перенос использования энергии с периода час-пик в период минимального расхода энергии.
В последние годы получили широкое распространение литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы. В литий-ионном аккумуляторе в качестве анода используется литий. В качестве катодов используются кобальтат лития LiCoO2, литий-марганцевая шпинель LiMn2O4 или литий феррофосфат LiFePO4, так как ионы лития легко встраиваются в кристаллическую решетку этих материалов. Этот аккумулятор использует неводный электролит: этиленкарбонат или диэтиленкарбонат.
При работе таких аккумуляторов на на аноде происходит окисление металлического лития, его ионы встраиваются в кристаллическую решетку катода, на котором происходит их восстановление. Зарядка аккумулятора представляет обратный процесс.
Литий-полимерные аккумуляторы представляют собой усовершенствованные литий-ионные аккумуляторы. В них в качестве электролита используется полимерный материал с включением гелеобразного литий-проводящего наполнителя.
Характеристики: рабочее напряжение 2,5 – 3 В, удельная энергия 80 – 120 Вт·ч/кг, КПД 60 – 70 %, число циклов заряд – разряд – 500 – 600. Саморазряд – до 3 % в месяц. Диапазон рабочих температур – от –20 до +60 оС.
Достоинства: высокое и стабильное рабочее напряжение, отсутствие «эффекта памяти», высокая удельная энергия, низкий саморазряд, компактные размеры.
Недостатки: малый срок службы, возможность воспламенения и взрыва при перезарядке (особенно в старых моделях), работают при невысоких токах.
Применяются в современной бытовой электронной технике: компьютерах, ноутбуках, сотовых телефонах, радиоуправляемых моделях, цифровых фотоаппаратах, видеокамерах, также в в качестве источника энергии в электромобилях и накопителях энергии в энергетических системах.
4. Топливные элементы представляют собой устройства, в которые непрерывно и раздельно подаются к электродам восстановитель (топливо) и окислитель. На электродах проходят химические реакции, которые и являются источником энергии. Удельная энергия топливных элементов значительно выше энергии гальванических элементов. В качестве восстановителя обычно используют жидкое или газообразное топливо (водород, оксид углерода (II), метан, метанол) или мелко распыленное твердое топливо (уголь, кокс). В качестве окислителя обычно используют кислород воздуха.
Рассмотрим устройство и принцип работы кислородно-водородного щелочного топливного элемента. Электроды такого элемента выполнены из никеля, который служит проводником электронов и является катализатором процессов окисления водорода и восстановления кислорода. Электроды сделаны в виде решеток, чтобы увеличить площадь поверхности. На анод подается водород, на катод – кислород воздуха. В качестве электролита используют раствор гидроксида калия. Схема щелочного топливного элемента:
(– ) A: Н20 ǀ КОНǀ О2: K (+)
На аноде происходит окисление водорода:
Н2 – 2ē → 2Н+;
на катоде восстанавливается кислород:
О2
+ 4Н+ + 4ē → 2Н2О.
Суммарное уравнение реакции:
2Н2 + О2 → 2Н2О.
Характеристики топливного элемента: ЭДС 1,23 В, КПД 60 – 70 %, удельная энергия до 800 Вт·ч/кг, работает при температурах 25 – 100 оС.
Достоинства: высокая эффективность, экологическая безопасность.
Недостатки: большие габариты, необходимость использовать источник водорода, взрыво- и пожароопасность элемента.
Разработаны и другие виды топливных элементов. Например, топливный элемент, использующий в качестве электролита раствор фосфорной кислоты, может работать при температуре 200 оС, а топливные элементы, использующие в качестве электролита расплавы солей (Li2CO3, Na2CO3) или твердые ионные проводники (ZrO2+Y2O3), могут работать при температуре до 500 оС.
Установки, состоящие из батареи топливных элементов, системы хранения, обработки и подачи топлива и окислителя, отвода продуктов реакции, называются электрохимической энергоустановкой. КПД таких установок составляет 60 – 70 %, что вдвое превышает КПД тепловых машин, они не загрязняют окружающую среду. В последнее время уделяется большое внимание разработке электрохимических установок, работающих на водороде и метане, для электромобилей.
Ознакомиться с другими химическими источниками тока можно по ссылке
https://ru.wikipedia.org/wiki/Химический_источник_тока
