Kemični tokovni viri (skrajšano HIT) so naprave, v katerih se energija redoks reakcije pretvori v električno energijo. Njihova druga imena so elektrokemična celica, galvanska celica, elektrokemična celica. Načelo njihovega delovanja je naslednje: zaradi interakcije dveh reagentov pride do kemične reakcije s sproščanjem energije iz enosmernega električnega toka. V drugih virih toka se proces proizvodnje električne energije odvija po večstopenjski shemi. Najprej se sprosti toplotna energija, nato se pretvori v mehansko energijo in šele nato v električno energijo. Prednost HIT je enostopenjski proces, to pomeni, da se električna energija pridobi takoj, mimo stopenj pridobivanja toplotne in mehanske energije.
Zgodovina
Kako so se pojavili prvi trenutni viri? Kemični viri se imenujejo galvanske celice v čast italijanskega znanstvenika iz osemnajstega stoletja - Luigija Galvanija. Bil je zdravnik, anatom, fiziolog in fizik. Ena od njegovih smeriraziskava je bila preučevanje reakcij živali na različne zunanje vplive. Kemično metodo pridobivanja električne energije je Galvani odkril po naključju, med enim od poskusov na žabah. Na izpostavljen živec na žabji nogi je povezal dve kovinski plošči. To je povzročilo krčenje mišic. Galvanijeva lastna razlaga tega pojava je bila napačna. Toda rezultati njegovih poskusov in opazovanj so pomagali njegovemu rojaku Alessandru Volti pri kasnejših študijah.
Volta je v svojih spisih orisal teorijo o pojavu električnega toka kot posledica kemične reakcije med dvema kovinama v stiku z mišičnim tkivom žabe. Prvi kemični vir toka je bil videti kot posoda s fiziološko raztopino, v kateri so bile potopljene plošče cinka in bakra.
HIT se je začel proizvajati v industrijskem obsegu v drugi polovici devetnajstega stoletja po zaslugi Francoza Leclanchea, ki je izumil primarno manganovo-cinkovo celico s solnim elektrolitom, poimenovano po njem. Nekaj let pozneje je to elektrokemično celico izboljšal drug znanstvenik in je bila do leta 1940 edini primarni kemični vir toka.
Zasnova in princip delovanja HIT
Naprava kemičnih tokovnih virov vključuje dve elektrodi (prevodnika prve vrste) in elektrolit, ki se nahaja med njima (prevodnik druge vrste ali ionski prevodnik). Na meji med njima nastane elektronski potencial. Elektroda, na kateri se oksidira redukcijsko sredstvoimenujemo anoda, tista, na kateri se reducira oksidant, pa katoda. Skupaj z elektrolitom sestavljajo elektrokemični sistem.
Stranski produkt redoks reakcije med elektrodama je nastajanje električnega toka. Med takšno reakcijo se redukcijsko sredstvo oksidira in podari elektrone oksidantu, ki jih sprejme in se s tem reducira. Prisotnost elektrolita med katodo in anodo je nujen pogoj za reakcijo. Če preprosto mešate prah iz dveh različnih kovin skupaj, se ne bo sprostila elektrika, vsa energija se bo sprostila v obliki toplote. Za poenostavitev procesa prenosa elektronov je potreben elektrolit. Najpogosteje je to raztopina soli ali taline.
Elektrode izgledajo kot kovinske plošče ali mreže. Ko so potopljeni v elektrolit, med njima nastane električna potencialna razlika – napetost odprtega tokokroga. Anoda teži k oddaji elektronov, katoda pa jih nagiba k sprejemanju. Kemične reakcije se začnejo na njihovi površini. Ustavijo se, ko se vezje odpre in tudi, ko je eden od reagentov porabljen. Odpiranje tokokroga se pojavi, ko se odstrani ena od elektrod ali elektrolita.
Sestava elektrokemijskih sistemov
Kemični viri toka uporabljajo kot oksidacijska sredstva kisline in soli, ki vsebujejo kisik, kisik, halogenide, višje kovinske okside, dušikove organske spojine itd. Kovine in njihovi nižji oksidi, vodik so v njih redukci.in ogljikovodikovih spojin. Kako se uporabljajo elektroliti:
- Vodne raztopine kislin, alkalij, fiziološke raztopine itd.
- Nevodne raztopine z ionsko prevodnostjo, pridobljene z raztapljanjem soli v organskih ali anorganskih topilih.
- Staljene soli.
- Trdne spojine z ionsko mrežo, v kateri je eden od ionov gibljiv.
- Matrični elektroliti. To so tekoče raztopine ali taline, ki se nahajajo v porah trdnega neprevodnega telesa - nosilca elektronov.
- Ionski izmenjevalni elektroliti. To so trdne spojine s fiksnimi ionogenskimi skupinami istega predznaka. Ioni drugega znaka so mobilni. Zaradi te lastnosti je prevodnost takega elektrolita enopolarna.
galvanske baterije
Kemični viri toka so sestavljeni iz galvanskih celic - celic. Napetost v eni od teh celic je majhna - od 0,5 do 4V. Glede na potrebe se v HIT uporablja galvanska baterija, sestavljena iz več serijsko povezanih celic. Včasih se uporablja vzporedna ali serijsko-vzporedna povezava več elementov. V serijsko vezje so vedno vključene samo enake primarne celice ali baterije. Imeti morajo enake parametre: elektrokemijski sistem, zasnovo, tehnološko možnost in standardno velikost. Za vzporedno povezavo je sprejemljiva uporaba elementov različnih velikosti.
HIT Classification
Kemični viri toka se razlikujejo v:
- velikost;
- oblikovanja;
- reagenti;
- narava reakcije, ki tvori energijo.
Ti parametri določajo lastnosti delovanja HIT, primerne za določeno aplikacijo.
Razvrstitev elektrokemijskih elementov temelji na razliki v principu delovanja naprave. Glede na te značilnosti razlikujejo:
- Primarni kemični viri toka so elementi za enkratno uporabo. Imajo določeno zalogo reagentov, ki se med reakcijo porabijo. Po popolnem praznjenju taka celica izgubi svojo funkcionalnost. Na drug način se primarni HIT imenujejo galvanske celice. Pravilno jih bo poimenovati preprosto - element. Najenostavnejši primeri primarnega vira energije so "baterije" A-A.
- Kemični viri toka za ponovno polnjenje - baterije (imenujejo jih tudi sekundarni, reverzibilni HIT) so celice za večkratno uporabo. S prehajanjem toka iz zunanjega tokokroga v nasprotni smeri skozi baterijo se po popolni izpraznitvi izrabljeni reagenti regenerirajo, pri čemer se ponovno kopiči kemična energija (polnjenje). Zahvaljujoč zmožnosti polnjenja iz zunanjega vira konstantnega toka se ta naprava uporablja dolgo časa, z odmori za ponovno polnjenje. Proces pridobivanja električne energije se imenuje praznjenje baterije. Takšni HIT vključujejo baterije za številne elektronske naprave (prenosni računalniki, mobilni telefoni itd.).
- Toplotni kemični viri toka - neprekinjene naprave. ATv procesu njihovega dela prihaja do neprekinjenega pretoka novih porcij reagentov in odstranjevanja reakcijskih produktov.
- Kombinirane (polgorivne) galvanske celice imajo zalogo enega od reagentov. Drugi se v napravo dovaja od zunaj. Življenjska doba naprave je odvisna od dobave prvega reagenta. Kombinirani kemični viri električnega toka se uporabljajo kot baterije, če je mogoče obnoviti njihov naboj s prehajanjem toka iz zunanjega vira.
- HIT obnovljiv, mehansko ali kemično napolnjen. Zanje je možno zamenjati izrabljene reagente z novimi porcijami po popolnem praznjenju. To pomeni, da niso neprekinjene naprave, ampak se tako kot baterije občasno polnijo.
HIT funkcije
Glavne značilnosti kemičnih virov energije vključujejo:
- Napetost odprtega tokokroga (ORC ali napetost praznjenja). Ta indikator je v prvi vrsti odvisen od izbranega elektrokemičnega sistema (kombinacija reducira, oksidanta in elektrolita). Prav tako na NRC vplivajo koncentracija elektrolita, stopnja praznjenja, temperatura in drugo. NRC je odvisen od vrednosti toka, ki teče skozi HIT.
- Power.
- Izpustni tok - odvisen od upora zunanjega vezja.
- Zmogljivost - največja količina električne energije, ki jo odda HIT, ko je popolnoma izpraznjen.
- Rezerva moči - največja prejeta energija, ko je naprava popolnoma izpraznjena.
- Energijske značilnosti. Za baterije je to najprej zajamčeno število ciklov polnjenja-praznjenja brez zmanjšanja zmogljivosti ali napetosti polnjenja (vir).
- Območje delovanja temperature.
- Rok uporabnosti je najdaljši dovoljeni čas med izdelavo in prvim praznjenjem naprave.
- Življenjska doba - največja dovoljena skupna doba skladiščenja in delovanja. Za gorivne celice je pomembna neprekinjena in občasna življenjska doba.
- Skupna energija, razpršena v življenjski dobi.
- Mehanska trdnost proti vibracijam, udarcem itd.
- Možnost dela v katerem koli položaju.
- Zanesljivost.
- Enostavno vzdrževanje.
Zahteve HIT
Zasnova elektrokemičnih celic mora zagotavljati pogoje za najbolj učinkovito reakcijo. Ti pogoji vključujejo:
- preprečite uhajanje toka;
- celo delo;
- mehanska trdnost (vključno s tesnostjo);
- ločevanje reagentov;
- dober stik med elektrodami in elektrolitom;
- odvajanje toka iz reakcijske cone do zunanjega terminala z minimalnimi izgubami.
Kemični viri toka morajo izpolnjevati naslednje splošne zahteve:
- najvišje vrednosti določenih parametrov;
- maksimalno območje delovne temperature;
- največja napetost;
- minimalna cenaenote energije;
- napetostna stabilnost;
- varnost polnjenja;
- varnost;
- enostavno vzdrževanje in v idealnem primeru ga ni potrebno;
- dolga življenjska doba.
HIT izkoriščanja
Glavna prednost primarnih galvanskih celic je, da ne potrebujejo nobenega vzdrževanja. Preden jih začnete uporabljati, je dovolj, da preverite videz, rok uporabnosti. Pri povezovanju je pomembno upoštevati polarnost in preveriti celovitost kontaktov naprave. Bolj zapleteni kemični viri toka - baterije, zahtevajo resnejšo nego. Namen njihovega vzdrževanja je podaljšati njihovo življenjsko dobo. Skrb za baterijo je:
- ohranite čist;
- nadzor napetosti odprtega tokokroga;
- vzdrževanje nivoja elektrolita (za dolivanje lahko uporabite samo destilirano vodo);
- kontrola koncentracije elektrolitov (z uporabo hidrometra - preprosta naprava za merjenje gostote tekočin).
Pri delu z galvanskimi celicami je treba upoštevati vse zahteve v zvezi z varno uporabo električnih naprav.
Razvrstitev HIT po elektrokemičnih sistemih
Vrste kemičnih tokovnih virov, odvisno od sistema:
- svinec (kislina);
- nikelj-kadmij, nikelj-železo, nikelj-cink;
- mangan-cink, baker-cink, živo srebro-cink, cinkov klorid;
- srebro-cink, srebro-kadmij;
- zrak-kovina;
- nikelj-vodik in srebro-vodik;
- mangan-magnezij;
- litij itd.
Sodobna uporaba HIT
Kemični viri toka se trenutno uporabljajo v:
- vozila;
- prenosne naprave;
- vojaška in vesoljska tehnologija;
- znanstvena oprema;
- zdravilo (spodbujevalniki).
Običajni primeri HIT-a v vsakdanjem življenju:
- baterije (suhe baterije);
- baterije za prenosne gospodinjske aparate in elektroniko;
- neprekinitveni napajalnik;
- akumulatorji.
Litijevi kemični viri toka so še posebej pogosto uporabljeni. To je zato, ker ima litij (Li) najvišjo specifično energijo. Dejstvo je, da ima med vsemi drugimi kovinami najbolj negativni potencial elektrode. Litij-ionske baterije (LIA) so po specifični energiji in delovni napetosti pred vsemi drugimi CPS. Zdaj postopoma obvladujejo novo področje - cestni promet. V prihodnosti se bo razvoj znanstvenikov, povezanih z izboljšanjem litijevih baterij, usmeril v ultra tanke oblike in velike težke baterije.
