🗊Презентация Химические источники тока

Гальванические элементы – это устройства, которые применяют для преобразования энергии окислительно-восстановительной реакции в электрическую энергию.

Разряд - процесс, во время которого ХИТ отдает энергию во внешнюю цепь. Разряд - процесс, во время которого ХИТ отдает энергию во внешнюю цепь. В ХИТ можно использовать энергию лишь окислительно-восстановительной реакции, и нужно разделить окислительную и восстановительную реакции, проводя их раздельно (но одновременно) на разных электродах. Батарея – это два или более элемента, соединенные электрически, имеющие общий корпус, выводы и маркировку.

Первичные ХИТ - устройства, допускающие лишь однократное использование заключенных в них активных материалов. Отдача электрической энергии может быть осуществлена в один или несколько приемов. Полностью разряженный первичный источник тока к дальнейшей работе непригоден. Первичные ХИТ - устройства, допускающие лишь однократное использование заключенных в них активных материалов. Отдача электрической энергии может быть осуществлена в один или несколько приемов. Полностью разряженный первичный источник тока к дальнейшей работе непригоден. Вторичные – ХИТ, работоспособность которых после разряда может быть восстановлена путем заряда, т.е. пропусканием постоянного электрического тока в направлении, противоположном току разряда. При заряде продукты разряда превращаются в первоначальные реагенты. Вторичные ХИТ подразделяются на аккумуляторы (вторичные элементы) и аккумуляторные батареи.

Топливный элемент (ТЭ) – ХИТ, в котором реагенты непрерывно и раздельно подводятся к электродам. ТЭ входят в состав электрохимического генератора (ЭХГ), который включает батарею ТЭ, устройства для переработки и подвода топлива и окислителя, для вывода продуктов реакции, контроля и поддержания температуры и другие устройства. Топливный элемент (ТЭ) – ХИТ, в котором реагенты непрерывно и раздельно подводятся к электродам. ТЭ входят в состав электрохимического генератора (ЭХГ), который включает батарею ТЭ, устройства для переработки и подвода топлива и окислителя, для вывода продуктов реакции, контроля и поддержания температуры и другие устройства.

Любой гальванический элемент состоит из двух электродов, разделенных слоем электролита. Любой гальванический элемент состоит из двух электродов, разделенных слоем электролита. Электродная электрохимическая реакция протекает на границе раздела фаз между электродом и электролитом. В общем случае эти фазы следующие: фаза с электронной проводимостью (для подвода или отвода электронов); фаза с ионной проводимостью (электролит); реагент (окислитель или восстановитель).

Реагенты, участвующие в электродных реакциях, называются активными веществами (АВ). Реагенты, участвующие в электродных реакциях, называются активными веществами (АВ). АВ в совокупности с электролитом образуют электрохимическую систему.

АВ отрицательного электрода служит восстановитель, отдающий электроны. При разряде отрицательный электрод является анодом. АВ отрицательного электрода служит восстановитель, отдающий электроны. При разряде отрицательный электрод является анодом. АВ положительного электрода служит окислитель, присоединяющий электроны. При разряде положительный электрод является катодом. При разряде электроны движутся от отрицательного электрода во внешнюю (нагрузочную) цепь; при электролизе электроны движутся от отрицательного вывода выпрямителя к отрицательному электроду.

Различают электроды с твердыми реагентами и электроды с жидкими и газообразными реагентами. Различают электроды с твердыми реагентами и электроды с жидкими и газообразными реагентами. В электроде с твердым реагентом всегда содержатся определенный запас АВ и фаза с электронной проводимостью, служащая для токоотвода. АВ наносится на специальный токоотвод. Для улучшения работоспособности электрода активные вещества часто используют в составе активных масс – смесей с веществами, придающими массе определенные физико-химические свойства.

Компоненты активных масс: Компоненты активных масс: электропроводные добавки (металлические, угольные, графитовые порошки); связующие (карбоксиметилцеллюлоза, фторопласт, полиэтилен, полипропилен и т.д.); расширители – соединения, препятствующие рекристаллизации частиц активного вещества и способствующие сохранению высокой истинной поверхности электрода; ингибиторы коррозии (в случае порошковых металлических анодов); активирующие добавки, способствующие повышению коэффициента использования активного вещества, и т.д.

Электролиты: Электролиты: водные растворы кислот, щелочей или солей; электролиты на основе неорганических неводных растворителей; электролиты на основе органических растворителей; ионные расплавы; твердые электролиты.

Сепараторы и их функции: Сепараторы и их функции: предотвращение внутренних коротких замыканий между разноименными электродами; механическое удержание активной массы на электродах во избежание ее выкрашивания и осыпания; замедление роста металлических дендритов при заряде некоторых типов аккумуляторов; удержание электролита вблизи поверхности электродов (функция электролитоносителя); уменьшение саморазряда ХИТ вследствие замедления массопереноса растворенных активных веществ к противоположным электродам.

В литературе по ХИТ широко используется термин напряжение разомкнутой цепи (НРЦ), представляющее собой разность бестоковых потенциалов положительного и отрицательного электродов: В литературе по ХИТ широко используется термин напряжение разомкнутой цепи (НРЦ), представляющее собой разность бестоковых потенциалов положительного и отрицательного электродов: UРЦ = φ+ - φ- UРЦ ≤ Е

Напряжение ХИТ при разряде Up меньше напряжения разомкнутой цепи на абсолютную величину поляризации электродов (|η+| и η-) и на величину падения напряжения на омическом сопротивлении ROM ХИТ (сопротивление электролита, электродов и других токоведущих деталей ХИТ): Напряжение ХИТ при разряде Up меньше напряжения разомкнутой цепи на абсолютную величину поляризации электродов (|η+| и η-) и на величину падения напряжения на омическом сопротивлении ROM ХИТ (сопротивление электролита, электродов и других токоведущих деталей ХИТ): Up = UРЦ – (|η+| + η-) – IROM При заряде аккумулятора зарядное напряжение UЗ > UРЦ: UЗ = UРЦ + (η+ + |η-|) + IROM

Зависимость разрядного напряжения от силы тока представляет вольт-амперную характеристику ХИТ. Зависимость разрядного напряжения от силы тока представляет вольт-амперную характеристику ХИТ.

Мощность ХИТ – количество энергии, отдаваемое им в единицу времени Мощность ХИТ – количество энергии, отдаваемое им в единицу времени РТЕОР = IUРЦ = I (IRВЦ – IR) = I2 RВЦ – I2 R Первая часть – полезная мощность Р, Вторая часть – потери мощности внутри ХИТ.

Полезная мощность ХИТ зависит от силы тока. Зависимость Р от I может Полезная мощность ХИТ зависит от силы тока. Зависимость Р от I может быть легко получена из вольт-амперной характеристики, поскольку P = IU Видно, что зависимость проходит через максимум: при больших токах существенное влияние оказывает падение напряжения.

Разрядная кривая ХИТ позволяет судить о величине и степени постоянства напряжения при разряде. По оси абсцисс откладывается либо время разряда, либо количество электричества Q, отобранное от ХИТ . Разрядная кривая ХИТ позволяет судить о величине и степени постоянства напряжения при разряде. По оси абсцисс откладывается либо время разряда, либо количество электричества Q, отобранное от ХИТ .

Разрядная емкость ХИТ С – это количество электричества, отдаваемого Разрядная емкость ХИТ С – это количество электричества, отдаваемого источником тока при его разряде до достижения UКОН при заданном режиме разряда. Если разряд ведется при I = const, то CI = Iτ Под τ понимается время достижения Uкон

Саморазряд – потеря емкости ХИТ, обусловленная протеканием в нем самопроизвольных процессов. Саморазряд имеет место как при хранении, так и при разряде ХИТ. Саморазряд – потеря емкости ХИТ, обусловленная протеканием в нем самопроизвольных процессов. Саморазряд имеет место как при хранении, так и при разряде ХИТ.

Взаимодействие активных веществ электродов с электролитом, обусловленное термодинамической неустойчивостью многих восстановителей и окислителей (потенциалы электродов расположены за пределами области термодинамической устойчивости электролита), например, в свинцовом аккумуляторе: Взаимодействие активных веществ электродов с электролитом, обусловленное термодинамической неустойчивостью многих восстановителей и окислителей (потенциалы электродов расположены за пределами области термодинамической устойчивости электролита), например, в свинцовом аккумуляторе: на отрицательном электроде Pb + H2SO4 → PbSO4 + H2 на положительном электроде PbO2 + H2SO4 → PbSO4 + H2O + ½ O2

Взаимодействие активного вещества отрицательного электрода с окислителями, имеющимися в ХИТ (растворенный кислород, ионы Fe3+, MnO4- и др.), и активного вещества положительного электрода с материалом токоотвода, например, в свинцовом аккумуляторе Взаимодействие активного вещества отрицательного электрода с окислителями, имеющимися в ХИТ (растворенный кислород, ионы Fe3+, MnO4- и др.), и активного вещества положительного электрода с материалом токоотвода, например, в свинцовом аккумуляторе Pb + 2 Fe3+ + H2SO4 → PbSO4 + 2 Fe2+ + 2 H+ PbO2 + Pb (токоотвод) + 2 H2SO4 → 2 PbSO4 + 2 H2O

Взаимодействие активных веществ отрицательного и положительного электродов, обусловленное их непосредственным контактом внутри ХИТ из-за повышенной растворимости в электролите хотя бы одного из двух активных веществ. Взаимодействие активных веществ отрицательного и положительного электродов, обусловленное их непосредственным контактом внутри ХИТ из-за повышенной растворимости в электролите хотя бы одного из двух активных веществ. Диффузионный и конвективный вынос активного вещества, растворенного в электролите, за пределы межэлектродного пространства, например, в ХИТ, работающих в морской воде. Разряд ХИТ без подключенной внешней нагрузки на мостики с электронной проводимостью, имеющиеся внутри ХИТ между электродами; такие мостики, например, образуются в серебряно-цинковом аккумуляторе и приводят в конечном итоге к коротким замыканиям. Разряд ХИТ без подключенной внешней нагрузки на электролитные мостики; он может иметь место, если на крышке источника тока находится пролитый электролит или сконденсированная влага, а напряжение ХИТ достаточно, чтобы электролиз воды шел с заметной скоростью (U > 1,7 В).

Удобным параметром для сравнения режимов разряда или заряда ХИТ служит нормированный ток j. Это численное значение отношения тока (в А) к номинальной емкости (в А.ч): Удобным параметром для сравнения режимов разряда или заряда ХИТ служит нормированный ток j. Это численное значение отношения тока (в А) к номинальной емкости (в А.ч): j = I / C0 Размерность нормированного тока (ч-1) иногда не указывается. Например, если говорится, что нормированный ток заряда равен 0,3, это означает, что сила зарядного тока (в А) численно составляет 30 % от емкости аккумулятора (в А.ч), а сам заряд будет длиться 1 : 0,3 = 3,33 ч

Технический ресурс аккумулятора – число циклов, которое должен выдержать аккумулятор при эксплуатации или испытаниях, пока его емкость не снизится до доли от номинальной, установленной в стандарте на аккумулятор (обычно в конце срока службы на 20 – 25 % меньше номинальной). Технический ресурс аккумулятора – число циклов, которое должен выдержать аккумулятор при эксплуатации или испытаниях, пока его емкость не снизится до доли от номинальной, установленной в стандарте на аккумулятор (обычно в конце срока службы на 20 – 25 % меньше номинальной). Цикл представляет собой заряд и последующий за ним разряд.

1865 г. - первый МЦ элемент (Ж.-Л. Лекланше). 1865 г. - первый МЦ элемент (Ж.-Л. Лекланше). Преимущества МЦ солевых ХИТ: -дешевизна (самые дешевые из первичных ХИТ); -удовлетворительные электрические показатели; -приемлемая сохраняемость; -удобства в эксплуатации. Недостаток – резкое падение напряжения при разряде (конечное напряжение составляет 50 – 70 % начального). Солевые МЦ ХИТ используют для энергопитания различных бытовых приборов (фонари, игрушки, радиоприемники, часы, и др.).

Возможные электрохимические системы для солевых МЦ элементов: Возможные электрохимические системы для солевых МЦ элементов: Zn | NH4Cl | MnO2 и Zn | ZnCl2 | MnO2

Первичной анодной реакцией является ионизация цинка: Zn → Zn2+ Последующие реакции в электролите: 1. в растворе хлорида аммония: Zn2+ + 2NH4Cl → Zn(NH3)2Cl2↓ + 2H+ 2. в растворе хлорида цинка: 4Zn2+ + ZnCl2 + 9H2O → ZnCl2.4ZnO.5H2O↓ + 8H+

Для солевых МЦ ХИТ характерен значительный саморазряд (до 30 % в год), обусловленный взаимодействием цинкового электрода с хлоридом аммония, водой и растворенным кислородом с последующим образованием малорастворимых пассивных пленок: Для солевых МЦ ХИТ характерен значительный саморазряд (до 30 % в год), обусловленный взаимодействием цинкового электрода с хлоридом аммония, водой и растворенным кислородом с последующим образованием малорастворимых пассивных пленок: Zn + 2 NH4Cl → ↓Zn(NH3)2Cl2 + H2 Zn + 2 H2O → Zn(OH)2 + H2 Для снижения саморазряда в электролит вводят ингибиторы коррозии: сулема (HgCl2), различные органические ингибиторы.

1 – цинковый стаканчик, 1 – цинковый стаканчик, 2 – «агломерат» (брикет из спрессованной активной массы «плюса», 3 - стержень-токоотвод, 4 - газовое пространство, 5 - слой загущенного электролита, 6 - изолирующая прокладка, 7 – корпус из тонкой оловянированной стали, 8, 9 – токосъемы «плюса» и «минуса».

Электрохимическая система таких элементов: Электрохимическая система таких элементов: Zn | KOH, K2Zn(OH)4 | MnO2 Впервые были предложены в 1912 г. Щелочные МЦ элементы превосходят солевые по допускаемой интенсивности разряда, работоспособности при низких температурах, удельной энергии и сохраняемости. Сравнительное расположение разрядных кривых щелочного и солевого МЦ ХИТ

Реакция на цинковом электроде («первичный процесс»): Реакция на цинковом электроде («первичный процесс»): Zn + 4OH- → Zn(OH)42- + 2e После достижения концентрации насыщенного раствора по цинкату раствора начинается его распад с выделением в осадок гидроксида и оксида цинка: Zn(OH)42- → Zn(OH)2 + 2OH- Zn(OH)42- → ZnO + H2O + 2OH-

1 – токоотвод «плюса», 1 – токоотвод «плюса», 2 – изоляционная шайба, 3 – внешний металлический корпус, 4 – пастообразный электролит, 5 – АМ «минуса», 6 – АМ «плюса», 7 – стальной внутренний стаканчик, 8 – пластмассовая разделяющая прокладка, 9 – токоотвод «минуса», 10 – полимерная шайба, 11 – отверстие предохранительного клапана, 12 – изолирующая шайба, 13 – внешний токоотвод «минуса»

Четыре основные группы: Четыре основные группы: Стартерные Стационарные Тяговые Портативные (герметизированные)

Стартерные батареи используют для запуска двигателей и освещения транспортных средств. Напряжение батарей 6, 12 или 24 В, емкость от 6 до 215 А.ч. Электроды в таких батареях намазного типа; типы батарей: СТ (для автомобилей), ТСТ (для тракторов, мощных автомобилей), СТК (для катеров), МТ (для мотоциклов),А, САМ (для самолетов). Во время движения транспортного средства производится их подзаряд от мотор-генератора для компенсации потери емкости при запуске двигателя и от саморазряда. Срок службы тонких (1 – 3 мм) пластин 2 – 3 года (150 – 400 циклов). В авиационных батареях толщина пластин ~ 1 мм, в стартерных автомобильных ~ 2 мм

Портативные батареи применяют для питания приборов, инструмента, Портативные батареи применяют для питания приборов, инструмента, аварийного освещения.

Стартерные СА состоят из следующих основных частей: Стартерные СА состоят из следующих основных частей: полублоков отрицательных и положительных пластин; межэлементных соединений; электролита; сепараторов; сосуда; крышки.

Одноименные пластины соединены в полублоки с помощью баретки – перемычки из Pb – Sb сплава. Межэлементные соединения из того же сплава служат для соединения аккумуляторов в батареи. Батарея монтируется в моноблоке – общем сосуде из кислотостойкого материала (эбонита, полипропилена, полиамида и др.), разделенном внутри перегородками. В качестве сепараторов применяют: микропористый эбонит (мипор): микропористый поливинилхлорид (мипласт, поровинил и т.д.), стеклянный войлок и др.

Пластины соединены пайкой с помощью БАРЕТКИ. Пластины соединены пайкой с помощью БАРЕТКИ.

Причины выхода из строя стартерных аккумуляторов коррозия решеток положительного электрода

Причины выхода из строя стартерных аккумуляторов оплывание активной массы положительного электрода

Причины выхода из строя стартерных аккумуляторов необратимая сульфатация пластин

Причины выхода из строя стартерных аккумуляторов перенос сурьмы из решеток положительных электродов в активную массу отрицательных электродов и связанный с этим повышенный саморазряд отрицательных электродов