Sumber arus kimia (disingkatkan sebagai HIT) ialah peranti di mana tenaga tindak balas redoks ditukar kepada tenaga elektrik. Nama lain mereka ialah sel elektrokimia, sel galvanik, sel elektrokimia. Prinsip operasi mereka adalah seperti berikut: akibat daripada interaksi dua reagen, tindak balas kimia berlaku dengan pembebasan tenaga dari arus elektrik terus. Dalam sumber semasa yang lain, proses penjanaan elektrik berlaku mengikut skim pelbagai peringkat. Pertama, tenaga haba dibebaskan, kemudian ia ditukar menjadi tenaga mekanikal, dan hanya kemudian menjadi tenaga elektrik. Kelebihan HIT ialah proses satu peringkat, iaitu elektrik diperoleh serta-merta, memintas peringkat mendapatkan tenaga haba dan mekanikal.
Sejarah
Bagaimanakah sumber semasa pertama muncul? Sumber kimia dipanggil sel galvanik sebagai penghormatan kepada saintis Itali abad kelapan belas - Luigi Galvani. Beliau adalah seorang pakar perubatan, ahli anatomi, ahli fisiologi dan ahli fizik. Salah satu petunjuknyapenyelidikan ialah kajian tentang tindak balas haiwan terhadap pelbagai pengaruh luar. Kaedah kimia untuk menjana elektrik telah ditemui oleh Galvani secara kebetulan, semasa salah satu eksperimen ke atas katak. Dia menyambung dua plat logam pada saraf yang terdedah pada kaki katak. Ini mengakibatkan pengecutan otot. Penjelasan Galvani sendiri tentang fenomena ini adalah tidak betul. Tetapi hasil eksperimen dan pemerhatiannya membantu rakan senegaranya Alessandro Volta dalam kajian seterusnya.
Volta menggariskan dalam tulisannya teori berlakunya arus elektrik hasil daripada tindak balas kimia antara dua logam yang bersentuhan dengan tisu otot katak. Sumber arus kimia pertama kelihatan seperti bekas garam, dengan plat zink dan kuprum direndam di dalamnya.
HIT mula dihasilkan pada skala perindustrian pada separuh kedua abad kesembilan belas, terima kasih kepada orang Perancis Leclanche, yang mencipta sel mangan-zink utama dengan elektrolit garam, dinamakan sempena namanya. Beberapa tahun kemudian, sel elektrokimia ini telah diperbaiki oleh saintis lain dan merupakan satu-satunya sumber arus kimia utama sehingga tahun 1940.
Reka bentuk dan prinsip operasi HIT
Peranti sumber arus kimia termasuk dua elektrod (konduktor jenis pertama) dan elektrolit yang terletak di antara keduanya (konduktor jenis kedua, atau konduktor ionik). Potensi elektronik timbul di sempadan antara mereka. Elektrod di mana agen penurunan teroksidadipanggil anod, dan satu di mana agen pengoksidaan dikurangkan dipanggil katod. Bersama-sama dengan elektrolit, ia membentuk sistem elektrokimia.
Hasil sampingan daripada tindak balas redoks antara elektrod ialah penjanaan arus elektrik. Semasa tindak balas sedemikian, agen penurunan teroksida dan menderma elektron kepada agen pengoksidaan, yang menerimanya dan dengan itu berkurangan. Kehadiran elektrolit antara katod dan anod adalah syarat yang diperlukan untuk tindak balas. Jika anda hanya mencampurkan serbuk daripada dua logam yang berbeza bersama-sama, tiada elektrik akan dilepaskan, semua tenaga akan dibebaskan dalam bentuk haba. Elektrolit diperlukan untuk melancarkan proses pemindahan elektron. Selalunya, ia adalah larutan garam atau cair.
Elektrod kelihatan seperti plat logam atau grid. Apabila mereka direndam dalam elektrolit, perbezaan potensi elektrik timbul di antara mereka - voltan litar terbuka. Anod cenderung untuk menderma elektron, manakala katod cenderung untuk menerima mereka. Tindak balas kimia bermula pada permukaannya. Mereka berhenti apabila litar dibuka, dan juga apabila salah satu reagen telah digunakan. Pembukaan litar berlaku apabila salah satu elektrod atau elektrolit dikeluarkan.
Komposisi sistem elektrokimia
Sumber arus kimia menggunakan asid dan garam yang mengandungi oksigen, oksigen, halida, oksida logam yang lebih tinggi, sebatian nitroorganik, dsb. sebagai agen pengoksidaan. Logam dan oksida rendahnya, hidrogen adalah agen penurunan di dalamnyadan sebatian hidrokarbon. Cara elektrolit digunakan:
- Larutan akueus asid, alkali, garam, dll.
- Larutan bukan akueus dengan kekonduksian ionik, diperoleh dengan melarutkan garam dalam pelarut organik atau bukan organik.
- Garam cair.
- Sebatian pepejal dengan kekisi ionik di mana salah satu ionnya mudah alih.
- Elektrolit matriks. Ini ialah larutan cecair atau cair yang terletak di dalam liang badan pepejal bukan konduktif - pembawa elektron.
- Elektrolit penukar ion. Ini adalah sebatian pepejal dengan kumpulan ionogenik tetap dengan tanda yang sama. Ion tanda lain adalah mudah alih. Sifat ini menjadikan kekonduksian elektrolit sedemikian unipolar.
Bateri galvanik
Sumber arus kimia terdiri daripada sel galvanik - sel. Voltan dalam salah satu sel ini adalah kecil - dari 0.5 hingga 4V. Bergantung pada keperluan, bateri galvanik digunakan dalam HIT, yang terdiri daripada beberapa sel bersambung siri. Kadangkala sambungan selari atau siri-selari beberapa elemen digunakan. Hanya sel atau bateri primer yang serupa sentiasa disertakan dalam litar bersiri. Mereka mesti mempunyai parameter yang sama: sistem elektrokimia, reka bentuk, pilihan teknologi dan saiz standard. Untuk sambungan selari, ia boleh diterima untuk menggunakan elemen saiz yang berbeza.
Klasifikasi HIT
Sumber semasa kimia berbeza dalam:
- saiz;
- reka bentuk;
- reagen;
- sifat tindak balas membentuk tenaga.
Parameter ini menentukan sifat prestasi HIT yang sesuai untuk aplikasi tertentu.
Pengkelasan unsur elektrokimia adalah berdasarkan perbezaan dalam prinsip pengendalian peranti. Bergantung pada ciri ini, mereka membezakan:
- Sumber arus kimia utama ialah unsur pakai buang. Mereka mempunyai bekalan reagen tertentu, yang digunakan semasa tindak balas. Selepas pelepasan penuh, sel sedemikian kehilangan fungsinya. Dengan cara lain, HIT primer dipanggil sel galvanik. Adalah betul untuk memanggilnya secara ringkas - elemen. Contoh paling mudah bagi sumber kuasa utama ialah "bateri" A-A.
- Sumber arus kimia boleh dicas semula - bateri (ia juga dipanggil sekunder, HIT boleh balik) ialah sel boleh guna semula. Dengan menghantar arus dari litar luaran ke arah yang bertentangan melalui bateri, selepas pelepasan lengkap, reagen yang dibelanjakan dijana semula, sekali lagi mengumpul tenaga kimia (mengecas). Terima kasih kepada keupayaan untuk mengecas semula daripada sumber arus malar luaran, peranti ini digunakan untuk masa yang lama, dengan rehat untuk mengecas semula. Proses penjanaan tenaga elektrik dipanggil nyahcas bateri. HIT tersebut termasuk bateri untuk banyak peranti elektronik (komputer riba, telefon mudah alih, dll.).
- Sumber arus kimia terma - peranti berterusan. ATdalam proses kerja mereka, terdapat aliran berterusan bahagian baru reagen dan penyingkiran produk tindak balas.
- Sel galvanik gabungan (separa bahan api) mempunyai stok salah satu reagen. Yang kedua dimasukkan ke dalam peranti dari luar. Hayat peranti bergantung pada bekalan reagen pertama. Sumber kimia gabungan arus elektrik digunakan sebagai bateri, jika mungkin untuk memulihkan casnya dengan menghantar arus daripada sumber luaran.
- HIT boleh diperbaharui boleh dicas semula secara mekanikal atau kimia. Bagi mereka, adalah mungkin untuk menggantikan reagen yang dibelanjakan dengan bahagian baru selepas pelepasan lengkap. Iaitu, ia bukan peranti berterusan, tetapi, seperti bateri, ia dicas semula secara berkala.
Ciri HIT
Ciri-ciri utama sumber kuasa kimia termasuk:
- Voltan litar terbuka (ORC atau voltan nyahcas). Penunjuk ini, pertama sekali, bergantung pada sistem elektrokimia yang dipilih (gabungan agen pengurangan, agen pengoksidaan dan elektrolit). Selain itu, NRC dipengaruhi oleh kepekatan elektrolit, tahap nyahcas, suhu dan banyak lagi. NRC bergantung pada nilai arus yang melalui HIT.
- Kuasa.
- Arus nyahcas - bergantung pada rintangan litar luaran.
- Kapasiti - jumlah maksimum elektrik yang dikeluarkan oleh HIT apabila ia dinyahcas sepenuhnya.
- Rizab kuasa - tenaga maksimum yang diterima apabila peranti dinyahcas sepenuhnya.
- Ciri-ciri tenaga. Untuk bateri, ini adalah, pertama sekali, bilangan kitaran nyahcas cas yang dijamin tanpa mengurangkan kapasiti atau voltan cas (sumber).
- Julat pengendalian suhu.
- Hayat rak ialah masa maksimum yang dibenarkan antara pembuatan dan pelepasan pertama peranti.
- Hayat berguna - jumlah maksimum tempoh penyimpanan dan operasi yang dibenarkan. Untuk sel bahan api, hayat perkhidmatan berterusan dan terputus-putus penting.
- Jumlah tenaga yang hilang sepanjang hayat.
- Kekuatan mekanikal melawan getaran, kejutan, dsb.
- Keupayaan untuk bekerja dalam sebarang jawatan.
- Kebolehpercayaan.
- Penyelenggaraan yang mudah.
Keperluan HIT
Reka bentuk sel elektrokimia mesti menyediakan keadaan yang kondusif untuk tindak balas yang paling cekap. Syarat ini termasuk:
- halang kebocoran semasa;
- kerja pun;
- kekuatan mekanikal (termasuk kekejangan);
- pemisahan reagen;
- sentuhan yang baik antara elektrod dan elektrolit;
- pelesapan arus dari zon tindak balas ke terminal luar dengan kehilangan minimum.
Sumber semasa kimia mesti memenuhi keperluan am berikut:
- nilai tertinggi bagi parameter tertentu;
- julat suhu operasi maksimum;
- ketegangan terbesar;
- kos minimumunit tenaga;
- kestabilan voltan;
- cas keselamatan;
- keselamatan;
- kemudahan penyelenggaraan, dan idealnya tidak memerlukannya;
- hayat perkhidmatan yang panjang.
Eksploitasi HIT
Kelebihan utama sel galvanik primer ialah ia tidak memerlukan sebarang penyelenggaraan. Sebelum anda mula menggunakannya, sudah cukup untuk memeriksa penampilan, tarikh tamat tempoh. Apabila menyambung, adalah penting untuk memerhatikan kekutuban dan memeriksa integriti kenalan peranti. Sumber arus kimia yang lebih kompleks - bateri, memerlukan penjagaan yang lebih serius. Tujuan penyelenggaraan mereka adalah untuk memaksimumkan hayat perkhidmatan mereka. Penjagaan bateri ialah:
- jaga kebersihan;
- pemantauan voltan litar terbuka;
- mengekalkan paras elektrolit (hanya air suling boleh digunakan untuk menambah nilai);
- kawalan kepekatan elektrolit (menggunakan hidrometer - alat mudah untuk mengukur ketumpatan cecair).
Apabila mengendalikan sel galvanik, semua keperluan yang berkaitan dengan penggunaan selamat peralatan elektrik mesti dipatuhi.
Pengkelasan HIT oleh sistem elektrokimia
Jenis sumber arus kimia, bergantung pada sistem:
- plumbum (asid);
- nikel-kadmium, nikel-besi, nikel-zink;
- mangan-zink, kuprum-zink, merkuri-zink, zink klorida;
- zink perak, kadmium perak;
- udara-logam;
- nikel-hidrogen dan perak-hidrogen;
- mangan-magnesium;
- lithium dsb.
Aplikasi moden HIT
Sumber semasa kimia sedang digunakan dalam:
- kenderaan;
- perkakas mudah alih;
- teknologi ketenteraan dan angkasa;
- peralatan saintifik;
- ubat (perentak jantung).
Contoh biasa HIT dalam kehidupan seharian:
- bateri (bateri kering);
- bateri untuk perkakas rumah dan elektronik mudah alih;
- bekalan kuasa tidak terganggu;
- bateri kereta.
Sumber arus kimia litium digunakan secara meluas. Ini kerana litium (Li) mempunyai tenaga tentu yang paling tinggi. Hakikatnya ialah ia mempunyai potensi elektrod paling negatif di antara semua logam lain. Bateri litium-ion (LIA) mendahului semua CPS lain dari segi tenaga khusus dan voltan operasi. Kini mereka secara beransur-ansur menguasai kawasan baru - pengangkutan jalan raya. Pada masa hadapan, pembangunan saintis yang berkaitan dengan penambahbaikan bateri litium akan bergerak ke arah reka bentuk ultra nipis dan bateri tugas berat yang besar.
