Ķīmiskie strāvas avoti (saīsināti kā HIT) ir ierīces, kurās redoksreakcijas enerģija tiek pārvērsta elektroenerģijā. To citi nosaukumi ir elektroķīmiskā šūna, galvaniskā šūna, elektroķīmiskā šūna. To darbības princips ir šāds: divu reaģentu mijiedarbības rezultātā notiek ķīmiska reakcija, atbrīvojot enerģiju no tiešas elektriskās strāvas. Citos strāvas avotos elektroenerģijas ražošanas process notiek saskaņā ar daudzpakāpju shēmu. Vispirms izdalās siltumenerģija, pēc tam tā tiek pārvērsta mehāniskajā enerģijā un tikai pēc tam elektroenerģijā. HIT priekšrocība ir vienpakāpes process, tas ir, elektrība tiek iegūta uzreiz, apejot siltumenerģijas un mehāniskās enerģijas iegūšanas posmus.
Vēsture
Kā parādījās pirmie pašreizējie avoti? Ķīmiskos avotus sauc par galvaniskajām šūnām par godu astoņpadsmitā gadsimta itāļu zinātniekam Luidži Galvani. Viņš bija ārsts, anatoms, fiziologs un fiziķis. Viens no tā virzieniempētījumi bija dzīvnieku reakcijas uz dažādām ārējām ietekmēm izpēte. Elektroenerģijas ražošanas ķīmisko metodi Galvani atklāja nejauši, vienā no eksperimentiem ar vardēm. Viņš savienoja divas metāla plāksnes ar atsegto vardes kājas nervu. Tas izraisīja muskuļu kontrakciju. Galvani paša skaidrojums par šo parādību bija nepareizs. Taču viņa eksperimentu un novērojumu rezultāti palīdzēja viņa tautietim Alesandro Voltam turpmākajos pētījumos.
Volta savos rakstos izklāstīja teoriju par elektriskās strāvas rašanos ķīmiskas reakcijas rezultātā starp diviem metāliem, kas saskaras ar vardes muskuļu audiem. Pirmais ķīmiskās strāvas avots izskatījās pēc fizioloģiskā šķīduma tvertnes, kurā bija iegremdētas cinka un vara plāksnes.
HIT sāka ražot rūpnieciskā mērogā deviņpadsmitā gadsimta otrajā pusē, pateicoties francūzim Leklanam, kurš izgudroja viņa vārdā nosaukto primāro mangāna-cinka elementu ar sāls elektrolītu. Dažus gadus vēlāk šo elektroķīmisko elementu uzlaboja cits zinātnieks, un tas bija vienīgais primārais ķīmiskās strāvas avots līdz 1940. gadam.
Dizains un darbības princips HIT
Ķīmisko strāvas avotu ierīcē ir divi elektrodi (pirmā veida vadītāji) un elektrolīts, kas atrodas starp tiem (otrā veida vadītājs vai jonu vadītājs). Uz robežas starp tām rodas elektroniskais potenciāls. Elektrods, pie kura tiek oksidēts reducētājssauc par anodu, un to, uz kura tiek reducēts oksidētājs, sauc par katodu. Kopā ar elektrolītu tie veido elektroķīmisko sistēmu.
Reducēšanās reakcijas starp elektrodiem blakusprodukts ir elektriskās strāvas ģenerēšana. Šādas reakcijas laikā reducētājs tiek oksidēts un nodod elektronus oksidētājam, kas tos pieņem un tādējādi tiek reducēts. Elektrolīta klātbūtne starp katodu un anodu ir nepieciešams reakcijas nosacījums. Ja jūs vienkārši sajaucat pulverus no diviem dažādiem metāliem, elektrība netiks atbrīvota, visa enerģija tiks atbrīvota siltuma veidā. Elektrolīts ir nepieciešams, lai racionalizētu elektronu pārneses procesu. Visbiežāk tas ir sāls šķīdums vai kausējums.
Elektrodi izskatās kā metāla plāksnes vai režģi. Kad tie ir iegremdēti elektrolītā, starp tiem rodas elektriskā potenciāla atšķirība - atvērtas ķēdes spriegums. Anods mēdz ziedot elektronus, savukārt katods mēdz tos pieņemt. Uz to virsmas sākas ķīmiskās reakcijas. Tie apstājas, kad ķēde tiek atvērta, kā arī tad, kad tiek izlietots kāds no reaģentiem. Ķēdes atvēršanās notiek, kad tiek noņemts viens no elektrodiem vai elektrolīts.
Elektroķīmisko sistēmu sastāvs
Ķīmiskie strāvas avoti kā oksidētājus izmanto skābekli saturošas skābes un sāļus, skābekli, halogenīdus, augstākus metālu oksīdus, nitroorganiskos savienojumus u.c.. Tajos reducētāji ir metāli un to zemākie oksīdi, ūdeņradisun ogļūdeņražu savienojumi. Kā tiek izmantoti elektrolīti:
- Skābju, sārmu, fizioloģisko šķīdumu uc ūdens šķīdumi.
- Neūdens šķīdumi ar jonu vadītspēju, ko iegūst, izšķīdinot sāļus organiskos vai neorganiskos šķīdinātājos.
- Kausētie sāļi.
- Cieti savienojumi ar jonu režģi, kurā viens no joniem ir kustīgs.
- Matricas elektrolīti. Tie ir šķidri šķīdumi vai kausējumi, kas atrodas cieta nevadoša ķermeņa – elektronu nesēja – porās.
- Jonu apmaiņas elektrolīti. Tie ir cieti savienojumi ar fiksētām vienas zīmes jonogēnām grupām. Otras zīmes joni ir mobili. Šī īpašība padara šāda elektrolīta vadītspēju vienpolāru.
Galvaniskās baterijas
Ķīmiskie strāvas avoti sastāv no galvaniskajiem elementiem - elementiem. Spriegums vienā no šīm šūnām ir mazs - no 0,5 līdz 4 V. Atkarībā no nepieciešamības HIT tiek izmantots galvaniskais akumulators, kas sastāv no vairākiem sērijveidā savienotiem elementiem. Dažreiz tiek izmantots vairāku elementu paralēlais vai virknes paralēlais savienojums. Sērijas ķēdē vienmēr ir iekļautas tikai identiskas primārās šūnas vai baterijas. Tiem jābūt vienādiem parametriem: elektroķīmiskā sistēma, konstrukcija, tehnoloģiskā iespēja un standarta izmērs. Paralēlajam savienojumam ir pieļaujams izmantot dažāda izmēra elementus.
HIT klasifikācija
Ķīmiskās strāvas avoti atšķiras:
- izmērs;
- dizaini;
- reaģenti;
- enerģiju veidojošās reakcijas raksturs.
Šie parametri nosaka HIT veiktspējas īpašības, kas piemērotas konkrētam lietojumam.
Elektroķīmisko elementu klasifikācijas pamatā ir ierīces darbības principa atšķirība. Atkarībā no šīm īpašībām tās izšķir:
- Primārie ķīmiskie strāvas avoti ir vienreizlietojami elementi. Viņiem ir noteikts reaģentu daudzums, kas tiek patērēts reakcijas laikā. Pēc pilnīgas izlādes šāda šūna zaudē savu funkcionalitāti. Citā veidā primāros HIT sauc par galvaniskajām šūnām. Pareizi tos būs saukt vienkārši - elementu. Vienkāršākie primārā barošanas avota piemēri ir "akumulatori" A-A.
- Uzlādējami ķīmiskās strāvas avoti – akumulatori (tos sauc arī par sekundārajiem, reversīvajiem HIT) ir atkārtoti lietojami elementi. Novadot strāvu no ārējās ķēdes pretējā virzienā caur akumulatoru, pēc pilnīgas izlādes tiek reģenerēti izlietotie reaģenti, atkal uzkrājot ķīmisko enerģiju (uzlādējot). Pateicoties iespējai uzlādēt no ārēja pastāvīgas strāvas avota, šī ierīce tiek izmantota ilgu laiku, ar pārtraukumiem uzlādēšanai. Elektriskās enerģijas ražošanas procesu sauc par akumulatora izlādi. Šādi HIT ietver baterijas daudzām elektroniskām ierīcēm (klēpjdatoriem, mobilajiem tālruņiem utt.).
- Termiskās ķīmiskās strāvas avoti - nepārtrauktas ierīces. ATviņu darba procesā notiek nepārtraukta jaunu reaģentu porciju plūsma un reakcijas produktu noņemšana.
- Kombinētajiem (daļdegvielas) galvaniskajiem elementiem ir viena no reaģentiem krājumi. Otrais tiek ievadīts ierīcē no ārpuses. Ierīces kalpošanas laiks ir atkarīgs no pirmā reaģenta padeves. Kombinētie elektriskās strāvas ķīmiskie avoti tiek izmantoti kā akumulatori, ja ir iespējams atjaunot to uzlādi, novadot strāvu no ārēja avota.
- HIT atjaunojams mehāniski vai ķīmiski uzlādējams. Viņiem ir iespējams aizstāt izlietotos reaģentus ar jaunām porcijām pēc pilnīgas iztukšošanas. Tas ir, tās nav nepārtrauktas ierīces, bet, tāpat kā akumulatori, tās periodiski tiek uzlādētas.
HIT funkcijas
Ķīmisko enerģijas avotu galvenie raksturlielumi ir:
- Atvērtās ķēdes spriegums (ORC vai izlādes spriegums). Šis rādītājs, pirmkārt, ir atkarīgs no izvēlētās elektroķīmiskās sistēmas (reducētāja, oksidētāja un elektrolīta kombinācijas). Tāpat NRC ietekmē elektrolīta koncentrācija, izlādes pakāpe, temperatūra un daudz kas cits. NRC ir atkarīgs no strāvas vērtības, kas iet caur HIT.
- Jauda.
- Izlādes strāva - atkarīga no ārējās ķēdes pretestības.
- Kapacitāte - maksimālais elektroenerģijas daudzums, ko HIT izdala, kad tas ir pilnībā izlādējies.
- Jaudas rezerve - maksimālā enerģija, kas tiek saņemta, kad ierīce ir pilnībā izlādējusies.
- Enerģijas raksturlielumi. Baterijām tas, pirmkārt, ir garantēts uzlādes-izlādes ciklu skaits, nesamazinot jaudu vai uzlādes spriegumu (resursu).
- Temperatūras darbības diapazons.
- Uzglabāšanas laiks ir maksimālais pieļaujamais laiks starp izgatavošanu un ierīces pirmo izlādi.
- Lietošanas laiks - maksimālais pieļaujamais kopējais uzglabāšanas un darbības laiks. Kurināmā elementiem nepārtraukts un periodisks kalpošanas laiks ir svarīgs.
- Kopējā enerģija, kas izkliedēta dzīves laikā.
- Mehāniskā izturība pret vibrācijām, triecieniem utt.
- Spēja strādāt jebkurā amatā.
- Uzticamība.
- Vienkārša apkope.
HIT prasības
Elektroķīmisko elementu konstrukcijai ir jānodrošina apstākļi, kas veicina visefektīvāko reakciju. Šie nosacījumi ietver:
- novērst strāvas noplūdi;
- pat darbs;
- mehāniskā izturība (ieskaitot hermētiskumu);
- reaģentu atdalīšana;
- labs kontakts starp elektrodiem un elektrolītu;
- strāvas izkliedēšana no reakcijas zonas uz ārējo spaili ar minimāliem zudumiem.
Ķīmiskajiem strāvas avotiem jāatbilst šādām vispārīgām prasībām:
- konkrētu parametru augstākās vērtības;
- maksimālais darba temperatūras diapazons;
- lielākā spriedze;
- minimālās izmaksasenerģijas vienības;
- sprieguma stabilitāte;
- uzlādes drošība;
- drošība;
- apkopes vienkāršība, un ideālā gadījumā tā nav vajadzīga;
- ilgs kalpošanas laiks.
Izmantošanas HIT
Galvenā primāro galvanisko elementu priekšrocība ir tā, ka tiem nav nepieciešama apkope. Pirms sākat tos lietot, pietiek pārbaudīt izskatu, derīguma termiņu. Savienojot, ir svarīgi ievērot polaritāti un pārbaudīt ierīces kontaktu integritāti. Sarežģītāki ķīmiskās strāvas avoti - baterijas, prasa nopietnāku aprūpi. To apkopes mērķis ir maksimāli palielināt to kalpošanas laiku. Rūpes par akumulatoru ir:
- turiet tīrību;
- atvērtās ķēdes sprieguma kontrole;
- elektrolīta līmeņa uzturēšana (uzpildīšanai var izmantot tikai destilētu ūdeni);
- elektrolītu koncentrācijas kontrole (izmantojot hidrometru – vienkāršu ierīci šķidrumu blīvuma mērīšanai).
Ekspluatējot galvaniskās šūnas, ir jāievēro visas prasības, kas attiecas uz drošu elektroierīču lietošanu.
HIT klasifikācija pēc elektroķīmiskām sistēmām
Ķīmisko strāvas avotu veidi atkarībā no sistēmas:
- svins (skābe);
- niķelis-kadmijs, niķelis-dzelzs, niķelis-cinks;
- mangāns-cinks, varš-cinks, dzīvsudrabs-cinks, cinka hlorīds;
- sudrabs-cinks, sudrabs-kadmijs;
- gaiss-metāls;
- niķeļa-ūdeņraža un sudraba-ūdeņraža;
- mangāns-magnijs;
- litijs utt.
Mūsdienīga HIT pielietojums
Ķīmiskās strāvas avoti pašlaik tiek izmantoti:
- transportlīdzekļi;
- portatīvās ierīces;
- militārās un kosmosa tehnoloģijas;
- zinātniskais aprīkojums;
- medicīna (elektrokardiostimulatori).
Parastie HIT piemēri ikdienas dzīvē:
- akumulatori (sausās baterijas);
- akumulatori portatīvajai sadzīves tehnikai un elektronikai;
- nepārtrauktās barošanas avoti;
- automašīnu akumulatori.
Litija ķīmiskie strāvas avoti tiek izmantoti īpaši plaši. Tas ir tāpēc, ka litijam (Li) ir visaugstākā īpatnējā enerģija. Fakts ir tāds, ka tam ir visnegatīvākais elektrodu potenciāls starp visiem citiem metāliem. Litija jonu akumulatori (LIA) apsteidz visas citas CPS īpatnējās enerģijas un darba sprieguma ziņā. Tagad viņi pamazām apgūst jaunu jomu – autotransportu. Nākotnē zinātnieku attīstība, kas saistīta ar litija akumulatoru uzlabošanu, virzīsies uz īpaši plānu dizainu un lieliem lieljaudas akumulatoriem.
