9.5. Химические источники тока

Для своих нужд в настоящее время человечество использует в основном химическую энергию ископаемого вещества. Химическая энергия превращается в электрическуюна паротурбинных тепловых электростанцияхив механическую энергию в двигателях внутреннего сгорания, используемых на транспорте. Т.е. производство электроэнергии станциями, работающими на угле, природном газе, бензине или других подходящих носителях энергии, осуществляется по следующей, ставшей уже классической схеме:химическая энергия топлива – тепловая энергия - энергия движения, электроэнергия. При современных способах преобразования химической энергии топливо используется неэффективно: к.п.д. двигателей внут-

реннего сгорания и электростанций составляет 15 – 40 %. Если бы удалось преобразовывать химическую энергию в электрическую, минуя промежуточные стадии, был бы получен значительный выигрыш как в материалах, так и в энергии. Кроме того, паротурбинные установки и двигатели внутреннего сго-

рания не могут быть использованы во многих областях техники, например: в системах, работающих в космосе и под водой, в портативных устройствах. Существенным недостатком тепловых электростанций и двигателей внутреннего сгорания является то, что они дают большое число вредных выбросов, загрязняют окружающую атмосферу. В связи с этим ведутся поиски новых методов преобразования энергии.

Одним из наиболее перспективных является электрохимический способ преобразования химической энергии в электрическую, которая осуществляется в химических источниках тока. К ним относятся: гальванические элементы, аккумуляторы и топливные элементы. Достоинством их является высокий к.п.д., бесшумность, безвредность, возможность использовать в космосе и под водой, в переносных устройствах на транспорте и т.п.

Гальванические первичные элементы. Гальваническими первичными элементами называют устройство для прямого преобразования химической энергии заключенных в них реагентов в электрическую энергию. Реагенты входят непосредственно в состав гальванического элемента и расходуются в процессе его работы. После расхода реагентов элемент не может больше работать. Таким образом, это источник токаодноразовогодействия, поэтому его еще называютпервичнымхимическим источником тока. Гальванический элемент характеризуетсяЭДС, напряжением, емкостьюиэнергией, которую он может отдать во внешнюю цепь.

Напряжение элемента Uменьше ЭДСиз-за поляризации электродов и омических потерь.

U = E - I (r₁ + r₂) – Δ E,

где Е–ЭДС элемента;I– сила тока;r₁иr₂– сопротивление проводников первого и второго рода внутри элемента;Δ Е– поляризация элемента, равная сумме катодной и анодной поляризаций:

Δ Е = Δ Е_к + Δ Е_а

В свою очередь катодная и анодная поляризация является суммой концентрационной и электрохимической поляризаций анода и катода.

Поляризация возрастает с увеличением плотности тока. Кроме того, при увеличении плотности тока растет омическое падение напряжения. Таким образом, при увеличении плотности тока напряжение элемента падает.

Емкость элемента– это количество электричества, которое источник тока отдает при разряде. Она определяется количеством запасенных в элементе реагентов, их эквивалентом и степенью превращения. Если элемент разряжается при постоянной силе токаI, то емкость практически определяют по уравнению

C_I = I ∙ τ,

где C_I– емкость при постоянной силе тока,А;τ– время разряда элемента.

Если элемент разряжается при постоянном внешнем сопротивлении R, тоемкостьимеет вид:

C_R = =

Если элемент разряжается при постоянной силе тока I, тоэнергиюэлемента определяют по уравнению

A= IIU

и если элемент разряжается при постоянном внешнем сопротивлении R, то по уравнению:

А=,

где АиА– энергия элемента, которую он отдает во внешнюю цепь, соответственно при постоянной силе токаIили постоянном внешнем сопротивленииR;U– среднее напряжение при разряде элемента.

Важной характеристикой элемента служит удельная энергия, т.е. энергия, отнесенная к единице массы или объема элемента. Так как при увеличении силы тока напряжение элемента падает, то энергия элемента, и удельная энергия также падают. Более высокую удельную энергию можно получить в элементах сбольшим значением ЭДС,малой поляризацией, малыми значениями электрохимических эквивалентов. В качестве анодов обычно применяют электроды из цинка и магния; катодов – электроды из окислов металлов (марганца, меди, ртути, серебра) и хлоридов (меди и свинца) на графите, а также кислородный электрод.

Широко применяется для питания радиоаппаратуры, аппаратуры связи, магнитофонов, карманных фонарей.

Марганцево - цинковый элемент.Анодом в элементе служит цинковый электрод, катодом – электрод из смеси диоксида марганца с графитом, токоотводом служит графит. В качестве электролита используется паста, состоящая из раствора хлорида алюминия с добавкой муки или крахмала (загустители). Схема элемента:Zn MnO, C

На аноде происходит анодное окисление цинка, на катоде Mn(IV)восстанавливается доMn (III).Суммарное уравнение токообразующей реакции:

Zn + 2NHCl + 2MnO=Cl

Элемент имеет напряжение 1,4 1,6 В, удельную энергию10 - 50Вт∙ч/кг. В элементах с такими же реагентами, но со щелочным электролитом(КОН)получают более высокую удельную энергию20 - 80Вт∙ч/кг. Если требуется высокая сохранность в рабочем состоянии, постоянное напряжение и высокая удельная энергия на единицу объема, используют ртутно-цинковые элементы:

Zn HgO, C

Напряжение элемента 1,0 – 1,3 В, удельная энергия50 - 130 Вт∙ч/кг. Элементы применяются в портативных радиоприемниках и передатчиках, слуховых аппаратах, кардиостимуляторах.

Напряжение можно увеличить при использовании анодов из магния. Однако такие аноды в водных растворах подвергаются коррозии. Коррозию можно предотвратить применением неводных растворов электролитов, в которых устойчивы даже щелочные металлы. В последние годы разработаны элементы с литиевыми анодами, неводными растворами электролитов (тетрагидрофуран и др.) и катодными материалами на основе оксида марганца, оксида или сульфида или фторида меди (Cu)и др. Такие элементы характеризуются высоким разрядным напряжением(2,0 - 3,0 В)и удельной энергией(200 - 500 Вт ∙ ч/кг).