Chemische stroombronnen (afgekort als HIT) zijn apparaten waarin de energie van een redoxreactie wordt omgezet in elektrische energie. Hun andere namen zijn elektrochemische cel, galvanische cel, elektrochemische cel. Het principe van hun werking is als volgt: als gevolg van de interactie van twee reagentia vindt een chemische reactie plaats met het vrijkomen van energie uit een directe elektrische stroom. In andere huidige bronnen vindt het proces van het opwekken van elektriciteit plaats volgens een meertraps schema. Eerst komt thermische energie vrij, vervolgens wordt deze omgezet in mechanische energie en pas daarna in elektrische energie. Het voordeel van HIT is het eentrapsproces, dat wil zeggen dat elektriciteit onmiddellijk wordt verkregen, waarbij de fasen van het verkrijgen van thermische en mechanische energie worden omzeild.
Geschiedenis
Hoe zijn de eerste huidige bronnen ontstaan? Chemische bronnen worden galvanische cellen genoemd ter ere van de Italiaanse wetenschapper van de achttiende eeuw - Luigi Galvani. Hij was arts, anatoom, fysioloog en natuurkundige. Een van de richtingenonderzoek was de studie van de reacties van dieren op verschillende externe invloeden. De chemische methode om elektriciteit op te wekken werd door Galvani bij toeval ontdekt tijdens een van de experimenten met kikkers. Hij verbond twee metalen platen met de blootliggende zenuw op de kikkerpoot. Dit resulteerde in spiercontractie. Galvani's eigen verklaring van dit fenomeen was onjuist. Maar de resultaten van zijn experimenten en observaties hielpen zijn landgenoot Alessandro Volta bij latere studies.
Volta schetste in zijn geschriften de theorie van het optreden van een elektrische stroom als gevolg van een chemische reactie tussen twee metalen in contact met het spierweefsel van een kikker. De eerste chemische stroombron zag eruit als een bak met zoutoplossing, met platen van zink en koper erin ondergedompeld.
HIT werd in de tweede helft van de negentiende eeuw op industriële schaal geproduceerd, dankzij de Fransman Leclanche, die de naar hem vernoemde primaire mangaan-zinkcel met zoutelektrolyt uitvond. Een paar jaar later werd deze elektrochemische cel verbeterd door een andere wetenschapper en was tot 1940 de enige primaire chemische stroombron.
Ontwerp en werkingsprincipe HIT
Het apparaat van chemische stroombronnen omvat twee elektroden (geleiders van de eerste soort) en een elektrolyt daartussen (geleider van de tweede soort, of ionische geleider). Op de grens daartussen ontstaat een elektronische potentiaal. De elektrode waarop het reductiemiddel wordt geoxideerdde anode genoemd, en degene waarop het oxidatiemiddel wordt gereduceerd, wordt de kathode genoemd. Samen met de elektrolyt vormen ze het elektrochemische systeem.
Een bijproduct van de redoxreactie tussen elektroden is de opwekking van elektrische stroom. Tijdens een dergelijke reactie wordt het reductiemiddel geoxideerd en worden elektronen gedoneerd aan het oxidatiemiddel, dat ze accepteert en daardoor wordt gereduceerd. De aanwezigheid van een elektrolyt tussen de kathode en anode is een noodzakelijke voorwaarde voor de reactie. Als je gewoon poeders van twee verschillende metalen met elkaar mengt, komt er geen elektriciteit vrij, alle energie komt vrij in de vorm van warmte. Een elektrolyt is nodig om het proces van elektronenoverdracht te stroomlijnen. Meestal is het een zoutoplossing of een smelt.
Elektroden zien eruit als metalen platen of roosters. Wanneer ze worden ondergedompeld in een elektrolyt, ontstaat er een elektrisch potentiaalverschil tussen hen - een nullastspanning. De anode heeft de neiging om elektronen af te staan, terwijl de kathode de neiging heeft ze te accepteren. Chemische reacties beginnen op hun oppervlak. Ze stoppen wanneer het circuit wordt geopend, en ook wanneer een van de reagentia is opgebruikt. Het circuit wordt geopend wanneer een van de elektroden of elektrolyt wordt verwijderd.
Samenstelling van elektrochemische systemen
Chemische stroombronnen gebruiken als oxidatiemiddelen zuurstofbevattende zuren en zouten, zuurstof, halogeniden, hogere metaaloxiden, nitro-organische verbindingen, enz. Metalen en hun lagere oxiden, waterstof zijn reductiemiddelen daarinen koolwaterstofverbindingen. Hoe elektrolyten worden gebruikt:
- Waterige oplossingen van zuren, logen, zoutoplossingen, enz.
- Niet-waterige oplossingen met ionische geleidbaarheid, verkregen door zouten op te lossen in organische of anorganische oplosmiddelen.
- Gesmolten zouten.
- Vaste verbindingen met een ionenrooster waarin een van de ionen mobiel is.
- Matrix elektrolyten. Dit zijn vloeibare oplossingen of smelten die zich in de poriën van een vast niet-geleidend lichaam bevinden - een elektronendrager.
- Ionenuitwisselingselektrolyten. Dit zijn vaste verbindingen met vaste ionogene groepen van hetzelfde teken. Ionen van het andere teken zijn mobiel. Deze eigenschap maakt de geleidbaarheid van zo'n elektrolyt unipolair.
Galvanische batterijen
Chemische stroombronnen bestaan uit galvanische cellen - cellen. De spanning in een van deze cellen is klein - van 0,5 tot 4V. Afhankelijk van de behoefte wordt in HIT een galvanische batterij gebruikt, bestaande uit meerdere in serie geschakelde cellen. Soms wordt een parallelle of serie-parallelle verbinding van meerdere elementen gebruikt. In een serieschakeling worden altijd alleen identieke primaire cellen of batterijen opgenomen. Ze moeten dezelfde parameters hebben: elektrochemisch systeem, ontwerp, technologische optie en standaardmaat. Voor een parallelle verbinding is het acceptabel om elementen van verschillende afmetingen te gebruiken.
HIT-classificatie
Chemische stroombronnen verschillen in:
- maat;
- ontwerpen;
- reagentia;
- de aard van de energievormende reactie.
Deze parameters bepalen de HIT-prestatie-eigenschappen die geschikt zijn voor een bepaalde toepassing.
Classificatie van elektrochemische elementen is gebaseerd op het verschil in het werkingsprincipe van het apparaat. Afhankelijk van deze kenmerken onderscheiden ze:
- Primaire chemische stroombronnen zijn wegwerpelementen. Ze hebben een bepaalde voorraad reagentia, die tijdens de reactie wordt verbruikt. Na een volledige ontlading verliest zo'n cel zijn functionaliteit. Op een andere manier worden primaire HIT's galvanische cellen genoemd. Het is correct om ze eenvoudig - element te noemen. De eenvoudigste voorbeelden van een primaire stroombron zijn "batterijen" A-A.
- Oplaadbare chemische stroombronnen - batterijen (ze worden ook secundaire, omkeerbare HIT genoemd) zijn herbruikbare cellen. Door stroom van een extern circuit in de tegenovergestelde richting door de batterij te leiden, worden de verbruikte reagentia na een volledige ontlading geregenereerd, waarbij opnieuw chemische energie wordt verzameld (opladen). Dankzij de mogelijkheid om op te laden via een externe constante stroombron, wordt dit apparaat lange tijd gebruikt, met pauzes om op te laden. Het proces van het opwekken van elektrische energie wordt batterijontlading genoemd. Dergelijke HIT's omvatten batterijen voor veel elektronische apparaten (laptops, mobiele telefoons, enz.).
- Thermische chemische stroombronnen - continue apparaten. BIJtijdens hun werk is er een continue stroom van nieuwe porties reagentia en de verwijdering van reactieproducten.
- Gecombineerde (semi-brandstof) galvanische cellen hebben een voorraad van een van de reagentia. De tweede wordt van buitenaf in het apparaat gevoerd. De levensduur van het apparaat is afhankelijk van de toevoer van het eerste reagens. Gecombineerde chemische bronnen van elektrische stroom worden gebruikt als batterijen, als het mogelijk is om hun lading te herstellen door stroom van een externe bron door te laten.
- HIT hernieuwbaar, mechanisch of chemisch herlaadbaar. Voor hen is het mogelijk om de verbruikte reagentia te vervangen door nieuwe porties na een volledige ontlading. Dat wil zeggen, het zijn geen continue apparaten, maar net als batterijen worden ze periodiek opgeladen.
HIT-functies
De belangrijkste kenmerken van chemische krachtbronnen zijn:
- Nullastspanning (ORC of ontlaadspanning). Deze indicator hangt allereerst af van het gekozen elektrochemische systeem (combinatie van reductiemiddel, oxidatiemiddel en elektrolyt). Ook wordt de NRC beïnvloed door de concentratie van de elektrolyt, de mate van ontlading, temperatuur en meer. De NRC hangt af van de waarde van de stroom die door de HIT gaat.
- Kracht.
- Ontlaadstroom - hangt af van de weerstand van het externe circuit.
- Capaciteit - de maximale hoeveelheid elektriciteit die de HIT afgeeft wanneer deze volledig is ontladen.
- Gangreserve - de maximale energie die wordt ontvangen wanneer het apparaat volledig is ontladen.
- Energiekenmerken. Voor accu's is dit in de eerste plaats een gegarandeerd aantal laad-ontlaadcycli zonder de capaciteit of laadspanning (resource) te verminderen.
- Temperatuur bedrijfsbereik.
- Houdbaarheid is de maximaal toegestane tijd tussen fabricage en de eerste ontlading van het apparaat.
- Gebruiksduur - de maximaal toegestane totale periode van opslag en gebruik. Voor brandstofcellen is een continue en intermitterende levensduur van belang.
- Totale energie gedissipeerd gedurende de levensduur.
- Mechanische sterkte tegen trillingen, schokken, enz.
- Mogelijkheid om in elke positie te werken.
- Betrouwbaarheid.
- Eenvoudig onderhoud.
HIT-vereisten
Het ontwerp van elektrochemische cellen moet voorwaarden scheppen die bevorderlijk zijn voor de meest efficiënte reactie. Deze voorwaarden omvatten:
- stroomlekkage voorkomen;
- werk zelfs;
- mechanische sterkte (inclusief dichtheid);
- scheiding van reagentia;
- goed contact tussen elektroden en elektrolyt;
- dissipatie van stroom van de reactiezone naar de buitenste terminal met minimale verliezen.
Chemische stroombronnen moeten aan de volgende algemene eisen voldoen:
- hoogste waarden van specifieke parameters;
- maximaal bedrijfstemperatuurbereik;
- de grootste spanning;
- minimum kosteneenheden van energie;
- spanningsstabiliteit;
- lading veiligheid;
- beveiliging;
- gemakkelijk onderhoud, en idealiter niet nodig;
- lange levensduur.
Exploitatie HIT
Het belangrijkste voordeel van primaire galvanische cellen is dat ze geen onderhoud vergen. Voordat u ze gaat gebruiken, volstaat het om het uiterlijk en de vervaldatum te controleren. Bij het aansluiten is het belangrijk om de polariteit te observeren en de integriteit van de contacten van het apparaat te controleren. Meer complexe chemische stroombronnen - batterijen, vereisen meer serieuze zorg. Het doel van hun onderhoud is om hun levensduur te maximaliseren. Zorg voor de batterij is:
- schoonhouden;
- open circuit spanningsbewaking;
- handhaving van het elektrolytpeil (alleen gedestilleerd water kan worden gebruikt voor het bijvullen);
- controle van de elektrolytconcentratie (met behulp van een hydrometer - een eenvoudig apparaat voor het meten van de dichtheid van vloeistoffen).
Bij het gebruik van galvanische cellen moeten alle vereisten met betrekking tot het veilige gebruik van elektrische apparaten in acht worden genomen.
Classificatie van HIT door elektrochemische systemen
Soorten chemische stroombronnen, afhankelijk van het systeem:
- lood (zuur);
- nikkel-cadmium, nikkel-ijzer, nikkel-zink;
- mangaan-zink, koper-zink, kwik-zink, zinkchloride;
- zilver-zink, zilver-cadmium;
- lucht-metaal;
- nikkel-waterstof en zilver-waterstof;
- mangaan-magnesium;
- lithium enz.
Moderne toepassing van HIT
Chemische stroombronnen worden momenteel gebruikt in:
- voertuigen;
- draagbare apparaten;
- militaire en ruimtetechnologie;
- wetenschappelijke apparatuur;
- medicine (pacemakers).
Gebruikelijke voorbeelden van HIT in het dagelijks leven:
- batterijen (droge batterijen);
- batterijen voor draagbare huishoudelijke apparaten en elektronica;
- uninterruptible voedingen;
- autobatterijen.
Lithium chemische stroombronnen worden vooral veel gebruikt. Dit komt omdat lithium (Li) de hoogste specifieke energie heeft. Het is een feit dat het de meest negatieve elektrodepotentiaal heeft van alle andere metalen. Lithium-ionbatterijen (LIA) lopen voor op alle andere CPS wat betreft specifieke energie en bedrijfsspanning. Nu beheersen ze geleidelijk een nieuw gebied - het wegvervoer. In de toekomst zal de ontwikkeling van wetenschappers met betrekking tot de verbetering van lithiumbatterijen evolueren naar ultradunne ontwerpen en grote zware batterijen.
