Chemiese stroombronne (afgekort as HIT) is toestelle waarin die energie van 'n redoksreaksie in elektriese energie omgeskakel word. Hulle ander name is elektrochemiese sel, galvaniese sel, elektrochemiese sel. Die beginsel van hul werking is soos volg: as gevolg van die interaksie van twee reagense vind 'n chemiese reaksie plaas met die vrystelling van energie uit 'n gelykstroom. In ander stroombronne vind die proses om elektrisiteit op te wek volgens 'n multi-stadium skema plaas. Eerstens word termiese energie vrygestel, dan word dit omgeskakel in meganiese energie, en dan eers in elektriese energie. Die voordeel van HIT is die enkelfase-proses, dit wil sê, elektrisiteit word onmiddellik verkry, wat die stadiums van die verkryging van termiese en meganiese energie omseil.
Geskiedenis
Hoe het die eerste huidige bronne verskyn? Chemiese bronne word galvaniese selle genoem ter ere van die Italiaanse wetenskaplike van die agtiende eeu - Luigi Galvani. Hy was 'n geneesheer, anatoom, fisioloog en fisikus. Een van sy aanwysingsnavorsing was die studie van diere se reaksies op verskeie eksterne invloede. Die chemiese metode om elektrisiteit op te wek is toevallig deur Galvani ontdek tydens een van die eksperimente op paddas. Hy het twee metaalplate aan die blootgestelde senuwee op die padda se been verbind. Dit het gelei tot spiersametrekking. Galvani se eie verduideliking van hierdie verskynsel was verkeerd. Maar die resultate van sy eksperimente en waarnemings het sy landgenoot Alessandro Volta in daaropvolgende studies gehelp.
Volta het in sy geskrifte die teorie uiteengesit van die voorkoms van 'n elektriese stroom as gevolg van 'n chemiese reaksie tussen twee metale in kontak met die spierweefsel van 'n padda. Die eerste chemiese stroombron het soos 'n houer met sout gelyk, met plate van sink en koper daarin gedompel.
HIT het in die tweede helfte van die negentiende eeu op industriële skaal begin vervaardig word, danksy die Fransman Leclanche, wat die primêre mangaan-sinksel met soutelektroliet, wat na hom genoem is, uitgevind het. 'n Paar jaar later is hierdie elektrochemiese sel deur 'n ander wetenskaplike verbeter en was tot 1940 die enigste primêre chemiese stroombron.
Ontwerp en werkingsbeginsel HIT
Die toestel van chemiese stroombronne bevat twee elektrodes (geleiers van die eerste soort) en 'n elektroliet wat tussen hulle geleë is (geleier van die tweede soort, of ioniese geleier). 'n Elektroniese potensiaal ontstaan by die grens tussen hulle. Die elektrode waarby die reduseermiddel geoksideer wordgenoem die anode, en die een waarop die oksideermiddel gereduseer word, word die katode genoem. Saam met die elektroliet vorm hulle die elektrochemiese sisteem.
'n Neweproduk van die redoksreaksie tussen elektrodes is die opwekking van elektriese stroom. Tydens so 'n reaksie word die reduseermiddel geoksideer en skenk elektrone aan die oksideermiddel, wat dit aanvaar en daardeur gereduseer word. Die teenwoordigheid van 'n elektroliet tussen die katode en anode is 'n noodsaaklike voorwaarde vir die reaksie. As jy bloot poeiers van twee verskillende metale saam meng, sal geen elektrisiteit vrygestel word nie, al die energie sal in die vorm van hitte vrygestel word. 'n Elektroliet is nodig om die proses van elektronoordrag vaartbelyn te maak. Meestal is dit 'n soutoplossing of 'n smelt.
Elektrodes lyk soos metaalplate of roosters. Wanneer hulle in 'n elektroliet gedompel word, ontstaan 'n elektriese potensiaalverskil tussen hulle - 'n oopbaanspanning. Die anode is geneig om elektrone te skenk, terwyl die katode geneig is om hulle te aanvaar. Chemiese reaksies begin op hul oppervlak. Hulle stop wanneer die kring oopgemaak word, en ook wanneer een van die reagense opgebruik is. Die oopmaak van die stroombaan vind plaas wanneer een van die elektrodes of elektroliet verwyder word.
samestelling van elektrochemiese stelsels
Chemiese stroombronne gebruik suurstofbevattende sure en soute, suurstof, haliede, hoër metaaloksiede, nitroorganiese verbindings, ens. as oksideermiddels. Metale en hul laer oksiede, waterstof is reduseermiddels daarinen koolwaterstofverbindings. Hoe elektroliete gebruik word:
- Waterige oplossings van sure, alkalieë, sout, ens.
- Nie-waterige oplossings met ioniese geleidingsvermoë, verkry deur soute in organiese of anorganiese oplosmiddels op te los.
- Gesmelte soute.
- Soliede verbindings met 'n ioniese rooster waarin een van die ione beweeglik is.
- Matriks-elektroliete. Dit is vloeibare oplossings of smelt wat in die porieë van 'n soliede nie-geleidende liggaam geleë is - 'n elektrondraer.
- Ioon-uitruil elektroliete. Dit is vaste verbindings met vaste ionogene groepe van dieselfde teken. Ione van die ander teken is mobiel. Hierdie eienskap maak die geleidingsvermoë van so 'n elektroliet eenpolig.
Galvaniese batterye
Chemiese stroombronne bestaan uit galvaniese selle - selle. Die spanning in een van hierdie selle is klein - van 0,5 tot 4V. Na gelang van die behoefte, word 'n galvaniese battery in HIT gebruik, wat uit verskeie seriegekoppelde selle bestaan. Soms word 'n parallelle of serie-parallelle verbinding van verskeie elemente gebruik. Slegs identiese primêre selle of batterye word altyd in 'n seriestroombaan ingesluit. Hulle moet dieselfde parameters hê: elektrochemiese stelsel, ontwerp, tegnologiese opsie en standaardgrootte. Vir parallelle verbinding is dit aanvaarbaar om elemente van verskillende groottes te gebruik.
HIT-klassifikasie
Chemiese huidige bronne verskil in:
- grootte;
- ontwerpe;
- reagense;
- die aard van die energievormende reaksie.
Hierdie parameters bepaal die HIT-prestasie-eienskappe wat geskik is vir 'n spesifieke toepassing.
Klassifikasie van elektrochemiese elemente is gebaseer op die verskil in die werkingsbeginsel van die toestel. Afhangende van hierdie kenmerke, onderskei hulle:
- Primêre chemiese stroombronne is weggooibare elemente. Hulle het 'n sekere voorraad reagense wat tydens die reaksie verbruik word. Na 'n volle ontlading verloor so 'n sel sy funksionaliteit. Op 'n ander manier word primêre HIT's galvaniese selle genoem. Dit sal korrek wees om hulle eenvoudig - element te noem. Die eenvoudigste voorbeelde van 'n primêre kragbron is "batterye" A-A.
- Herlaaibare chemiese stroombronne - batterye (dit word ook sekondêre, omkeerbare HIT genoem) is herbruikbare selle. Deur stroom van 'n eksterne stroombaan in die teenoorgestelde rigting deur die battery te stuur, na 'n volledige ontlading, word die verbruikte reagense geregenereer, wat weer chemiese energie ophoop (laai). Danksy die vermoë om te herlaai vanaf 'n eksterne konstante stroombron, word hierdie toestel vir 'n lang tyd gebruik, met onderbrekings vir herlaai. Die proses om elektriese energie op te wek word battery-ontlading genoem. Sulke treffers sluit batterye vir baie elektroniese toestelle (skootrekenaars, selfone, ens.) in.
- Termiese chemiese stroombronne - deurlopende toestelle. BYin die proses van hul werk is daar 'n voortdurende vloei van nuwe porsies reagense en die verwydering van reaksieprodukte.
- Gekombineerde (semi-brandstof) galvaniese selle het 'n voorraad van een van die reagense. Die tweede word van buite in die toestel ingevoer. Die leeftyd van die toestel hang af van die verskaffing van die eerste reagens. Gekombineerde chemiese bronne van elektriese stroom word as batterye gebruik, indien dit moontlik is om hul lading te herstel deur stroom van 'n eksterne bron af te stuur.
- HIT hernubare herlaaibare meganies of chemies. Vir hulle is dit moontlik om die verbruikte reagense met nuwe porsies te vervang na 'n volledige ontslag. Dit wil sê, hulle is nie deurlopende toestelle nie, maar, soos batterye, word hulle periodiek herlaai.
HIT Kenmerke
Die hoofkenmerke van chemiese kragbronne sluit in:
- Oopbaanspanning (ORC of ontladingsspanning). Hierdie aanwyser hang eerstens af van die gekose elektrochemiese stelsel (kombinasie van reduseermiddel, oksideermiddel en elektroliet). Die NRC word ook beïnvloed deur die konsentrasie van die elektroliet, die mate van ontlading, temperatuur en meer. Die NRC is afhanklik van die waarde van die stroom wat deur die HIT gaan.
- Power.
- Ontlaaistroom - hang af van die weerstand van die eksterne stroombaan.
- Kapasiteit - die maksimum hoeveelheid elektrisiteit wat die HIT afgee wanneer dit ten volle ontlaai is.
- Kragreserwe - die maksimum energie wat ontvang word wanneer die toestel heeltemal ontlaai is.
- Energie-eienskappe. Vir batterye is dit eerstens 'n gewaarborgde aantal laai-ontladingsiklusse sonder om die kapasiteit of laaispanning (hulpbron) te verminder.
- Temperatuurbedryfsreeks.
- Raklewe is die maksimum toelaatbare tyd tussen vervaardiging en die eerste ontlading van die toestel.
- Nuttige lewensduur - die maksimum toelaatbare totale tydperk van berging en werking. Vir brandstofselle is deurlopende en intermitterende dienslewe belangrik.
- Totale energie versprei oor leeftyd.
- Meganiese sterkte teen vibrasie, skok, ens.
- Vermoë om in enige posisie te werk.
- Betroubaarheid.
- Maklike instandhouding.
HIT-vereistes
Die ontwerp van elektrochemiese selle moet toestande verskaf wat bevorderlik is vir die mees doeltreffende reaksie. Hierdie voorwaardes sluit in:
- voorkom stroomlekkasie;
- selfs werk;
- meganiese sterkte (insluitend digheid);
- skeiding van reagense;
- goeie kontak tussen elektrodes en elektroliet;
- dissipasie van stroom vanaf die reaksiesone na die buitenste terminaal met minimale verliese.
Chemiese stroombronne moet aan die volgende algemene vereistes voldoen:
- hoogste waardes van spesifieke parameters;
- maksimum bedryfstemperatuurreeks;
- die grootste spanning;
- minimum kosteeenhede energie;
- spanningstabiliteit;
- laaiveiligheid;
- sekuriteit;
- gemak van instandhouding, en ideaal gesproke nie nodig nie;
- lang dienslewe.
Exploitation TREFF
Die grootste voordeel van primêre galvaniese selle is dat hulle geen onderhoud benodig nie. Voordat u dit begin gebruik, is dit genoeg om die voorkoms, vervaldatum na te gaan. Wanneer u aansluit, is dit belangrik om die polariteit waar te neem en die integriteit van die kontakte van die toestel na te gaan. Meer komplekse chemiese stroombronne - batterye, vereis meer ernstige sorg. Die doel van hul instandhouding is om hul lewensduur te maksimeer. Om die battery te versorg is:
- hou skoon;
- oopbaanspanningmonitering;
- handhawing van die elektrolietvlak (slegs gedistilleerde water kan vir aanvulling gebruik word);
- beheer van elektrolietkonsentrasie (met 'n hidrometer - 'n eenvoudige toestel om die digtheid van vloeistowwe te meet).
Wanneer galvaniese selle gebruik word, moet alle vereistes met betrekking tot die veilige gebruik van elektriese toestelle nagekom word.
Klassifikasie van HIT deur elektrochemiese stelsels
Tipe chemiese stroombronne, afhangend van die stelsel:
- lood (suur);
- nikkel-kadmium, nikkel-yster, nikkel-sink;
- mangaan-sink, koper-sink, kwik-sink, sinkchloried;
- silwer-sink, silwer-kadmium;
- lug-metaal;
- nikkel-waterstof en silwer-waterstof;
- mangaan-magnesium;
- litium ens.
Moderne toepassing van HIT
Chemiese huidige bronne word tans gebruik in:
- voertuie;
- draagbare toestelle;
- militêre en ruimtetegnologie;
- wetenskaplike toerusting;
- medisyne (pasaangeërs).
Gewone voorbeelde van HIT in die alledaagse lewe:
- batterye (droë batterye);
- batterye vir draagbare huishoudelike toestelle en elektronika;
- ononderbroke kragtoevoer;
- motorbatterye.
Litium chemiese stroombronne word veral wyd gebruik. Dit is omdat litium (Li) die hoogste spesifieke energie het. Die feit is dat dit die mees negatiewe elektrodepotensiaal onder alle ander metale het. Litium-ioon batterye (LIA) is voor alle ander CPS in terme van spesifieke energie en bedryfspanning. Nou bemeester hulle geleidelik’n nuwe area – padvervoer. In die toekoms sal die ontwikkeling van wetenskaplikes wat verband hou met die verbetering van litiumbatterye beweeg na ultradun ontwerpe en groot swaardiensbatterye.
