Химиялык ток булактары. Химиялык ток булактарынын түрлөрү жана алардын түзүлүштөрү

2024 Автор: Angel Austin | [email protected]. Акыркы өзгөртүү: 2023-12-17 05:34

Химиялык ток булактары (кыскача HIT) – бул редокс реакциясынын энергиясы электр энергиясына айланган түзүлүштөр. Алардын башка аттары электрохимиялык клетка, гальваникалык элемент, электрохимиялык клетка. Алардын иштөө принциби төмөнкүдөй: эки реагенттин өз ара аракеттешүүсүнүн натыйжасында туруктуу электр тогунан энергиянын бөлүнүп чыгышы менен химиялык реакция жүрөт. Башка ток булактарында электр энергиясын өндүрүү процесси көп баскычтуу схема боюнча жүрөт. Биринчиден, жылуулук энергиясы бөлүнүп чыгат, андан кийин механикалык энергияга, андан кийин гана электр энергиясына айланат. HITтин артыкчылыгы бир этаптуу процесс, башкача айтканда, электр энергиясы жылуулук жана механикалык энергияны алуу этаптарын айланып өтүп дароо алынат.

Тарых

Биринчи учурдагы булактар кантип пайда болгон? Химиялык булактар XVIII кылымдын италиялык окумуштуусу Луиджи Галванинин урматына гальваникалык клеткалар деп аталат. Ал дарыгер, анатомист, физиолог жана физик болгон. Анын багыттарынын бириизилдөө жаныбарлардын ар кандай тышкы таасирлерге реакциясын изилдөө болгон. Электр энергиясын өндүрүүнүн химиялык ыкмасын бакаларга жасалган эксперименттердин биринде Галвани кокустан ачкан. Ал баканын бутундагы ачык нервге эки темир пластинканы туташтырды. Бул булчуңдардын жыйрылышына алып келди. Бул көрүнүштү Галванинин өзүнүн түшүндүрмөсү туура эмес болгон. Бирок анын эксперименттеринин жана байкоолорунун натыйжалары мекендеши Алессандро Вольтага кийинки изилдөөлөрүндө жардам берди.

Вольта өз эмгектеринде баканын булчуң ткандары менен байланышта болгон эки металлдын ортосундагы химиялык реакциянын натыйжасында электр тогунун пайда болуу теориясын белгилеген. Биринчи химиялык токтун булагы туздуу идишке окшоп, ичине цинк менен жез чөмүлдүрүлгөн.

ХИТ он тогузунчу кылымдын экинчи жарымында өнөр жайлык масштабда чыгарыла баштаган, француз Лекланштын аркасында туз электролити менен марганец-цинктин биринчи клеткасын ойлоп тапкан, анын аты менен аталган. Бир нече жылдан кийин бул электрохимиялык клетка башка окумуштуу тарабынан жакшыртылып, 1940-жылга чейин бирден-бир негизги химиялык ток булагы болгон.

Дизайн жана иштөө принциби HIT

Токтун химиялык булактарынын түзүлүшүнө эки электрод (биринчи түрдөгү өткөргүчтөр) жана алардын ортосунда жайгашкан электролит (экинчи түрдөгү өткөргүч же иондук өткөргүч) кирет. Алардын ортосундагы чек арада электрондук потенциал пайда болот. калыбына келтирүүчү зат кычкылдануучу электроданод деп аталат, ал эми кычкылдандыруучу зат калыбына келтирилгени катод деп аталат. Электролит менен бирге алар электрохимиялык системаны түзөт.

Электроддор арасындагы редокс реакциясынын кошумча продуктусу электр тогун пайда кылуу болуп саналат. Мындай реакциянын жүрүшүндө калыбына келтирүүчү кычкылданат жана оксидантка электрондорду берет, ал аларды кабыл алат жана ошону менен редукцияланат. Катод менен аноддун ортосунда электролиттин болушу реакциянын зарыл шарты болуп саналат. Эки башка металлдын порошокторун жөн эле аралаштырсаңыз, электр энергиясы чыкпайт, бардык энергия жылуулук түрүндө бөлүнүп чыгат. Электрондун өтүү процессин тартипке келтирүү үчүн электролит керек. Көбүнчө бул туз эритмеси же эритме.

Электроддор металл плиталарга же торлорго окшош. Аларды электролитке батырганда, алардын ортосунда электр потенциалынын айырмасы – ачык чынжырлуу чыңалуу пайда болот. Анод электрондорду берүүгө умтулат, ал эми катод аларды кабыл алууга умтулат. Алардын бетинде химиялык реакциялар башталат. Алар схема ачылганда, ошондой эле реагенттердин бири түгөнгөндө токтойт. Электроддордун же электролиттердин бири алынып салынганда схеманын ачылышы болот.

Электрохимиялык системалардын курамы

Химиялык ток булактары кычкылтекти камтыган кислоталарды жана туздарды, кычкылтекти, галогениддерди, жогорку металл оксиддерин, азоторганикалык бирикмелерди жана башкаларды кычкылдандыргыч катары колдонушат. Металлдар жана алардын төмөнкү оксиддери, суутек алардагы калыбына келтирүүчү заттар болуп саналат.жана углеводороддук бирикмелер. Электролиттер кантип колдонулат:

1. Кислоталардын, щелочтордун, туздун жана башкалардын суудагы эритмелери.
2. Туздарды органикалык же органикалык эмес эриткичтерде эритүү жолу менен алынган иондук өткөрүмдүүлүккө ээ суусуз эритмелер.
3. Эриген туздар.
4. Иондордун бири кыймылдуу болгон иондук торчолуу катуу бирикмелер.
5. Матрицалык электролиттер. Бул электр өткөргүч катуу дененин тешикчелеринде жайгашкан суюк эритмелер же эритмелер.
6. Ион алмаштыруучу электролиттер. Булар бирдей белгидеги туруктуу ионогендик топтору бар катуу бирикмелер. Башка белгинин иондору кыймылдуу. Бул касиет мындай электролиттин өткөргүчтүгүн бир полярдуу кылат.

Гальваникалык батарейкалар

Химиялык ток булактары гальваникалык элементтерден - клеткалардан турат. Бул клеткалардын биринде чыңалуу аз - 0,5тен 4V чейин. Зарылчылыгына жараша ХИТте бир нече серия менен байланышкан клеткалардан турган гальваникалык батарея колдонулат. Кээде бир нече элементтердин параллель же катар-параллель байланышы колдонулат. Ар дайым бир катар схемага бирдей негизги клеткалар же батарейкалар гана киргизилет. Алар бирдей параметрлерге ээ болушу керек: электрохимиялык система, дизайн, технологиялык вариант жана стандарттык өлчөмү. Параллель туташуу үчүн ар кандай өлчөмдөгү элементтерди колдонууга болот.

HIT классификациясы

Химиялык ток булактары төмөнкүчө айырмаланат:

• өлчөм;
• дизайндар;
• реагенттер;
• энергия түзүүчү реакциянын табияты.

Бул параметрлер белгилүү бир колдонмо үчүн ылайыктуу HIT аткаруу касиеттерин аныктайт.

Электрохимиялык элементтердин классификациясы прибордун иштөө принцибиндеги айырмачылыкка негизделген. Бул өзгөчөлүктөргө жараша, алар айырмалайт:

1. Негизги химиялык ток булактары бир жолу колдонулуучу элементтер. Аларда реагенттердин белгилүү бир запасы бар, ал реакция учурунда керектелет. Толук разряддан кийин мындай клетка өзүнүн функционалдуулугун жоготот. Башка жол менен, баштапкы HITs гальваникалык клеткалар деп аталат. Аларды жөн гана - элемент деп атоо туура болот. Негизги энергия булагынын эң жөнөкөй мисалдары "батареялар" A-A.
2. Кайра заряддалуучу химиялык ток булактары - батарейкалар (алар экинчилик, кайтарым HIT деп да аталат) көп жолу колдонулуучу клеткалар. Тышкы чынжырдан токту батарейка аркылуу карама-каршы багытта өткөрүү менен, толук разряддан кийин сарпталган реагенттер регенерацияланып, кайрадан химиялык энергия (заряд) топтолот. Тышкы туруктуу ток булагынан кайра заряддоо мүмкүнчүлүгүнүн аркасында бул аппарат заряддоо үчүн тыныгуулар менен көпкө колдонулат. Электр энергиясын өндүрүү процесси батареянын разряды деп аталат. Мындай ХИТтерге көптөгөн электрондук түзүлүштөрдүн (ноутбуктар, уюлдук телефондор ж.б.) батареялары кирет.
3. Термикалык химиялык ток булактары - үзгүлтүксүз түзүлүштөр. ATалардын иштөө процессинде реагенттердин жаңы порцияларынын үзгүлтүксүз агымы жана реакция продуктыларынын алынышы байкалат.
4. Комбинирленген (жарым күйүүчү) гальваникалык элементтерде реагенттердин биринин запасы болот. Экинчиси аппаратка сырттан киргизилет. Аппараттын иштөө мөөнөтү биринчи реагенттин берилишине жараша болот. Тышкы булактан ток өткөрүү аркылуу алардын зарядын калыбына келтирүү мүмкүн болсо, электр тогунун бириккен химиялык булактары батарея катары колдонулат.
5. HIT кайра заряддалуучу механикалык же химиялык жол менен. Алар үчүн сарпталган реагенттерди толук разряддан кийин жаңы порцияларга алмаштырууга болот. Башкача айтканда, алар үзгүлтүксүз түзмөктөр эмес, бирок батарейкалар сыяктуу мезгил-мезгили менен кайра заряддалып турат.

HIT функциялары

Химиялык энергия булактарынын негизги мүнөздөмөлөрү төмөнкүлөрдү камтыйт:

1. Ачык чынжырдагы чыңалуу (ORC же разряд чыңалуусу). Бул көрсөткүч, биринчи кезекте, тандалган электрохимиялык системага (калыбына келтирүүчү, кычкылдандыргыч жана электролиттин айкалышы) көз каранды. Ошондой эле, NRC электролиттин концентрациясы, разряддын даражасы, температура жана башкалар таасир этет. NRC HIT аркылуу өткөн токтун маанисине жараша болот.
2. Күч.
3. Разряд агымы - тышкы чынжырдын каршылыгына жараша болот.
4. Capacity - HIT толук кубатталганда бөлүп бере турган электр энергиясынын максималдуу көлөмү.
5. Энергия запасы - түзмөк толук кубаты бүткөндө алынган максималдуу энергия.
6. Энергетикалык мүнөздөмөлөрү. Батареялар үчүн бул, биринчиден, кубаттуулукту же заряддын чыңалуусун (ресурсту) азайтпастан, кубаттоо-разряд циклдарынын кепилденген саны.
7. Температуранын иштөө диапазону.
8. Сактоо мөөнөтү - бул аппараттын өндүрүү менен биринчи разрядынын ортосундагы максималдуу жол берилген убакыт.
9. Пайдалануу мөөнөтү - сактоонун жана эксплуатациялоонун максималдуу уруксат берилген жалпы мөөнөтү. Күйүүчү май клеткалары үчүн үзгүлтүксүз жана үзгүлтүктүү кызмат мөөнөтү маанилүү.
10. Жалпы энергия өмүр бою сарпталган.
11. Тилтирүүгө, соккуга ж.б. каршы механикалык күч.
12. Кандай кызматта болбосун иштей алат.
13. Ишенимдүүлүк.
14. Оңой тейлөө.

HIT талаптары

Электрохимиялык элементтердин конструкциясы эң эффективдүү реакция үчүн шарттарды камсыз кылууга тийиш. Бул шарттарга төмөнкүлөр кирет:

• учурдагы агып кетүүнүн алдын алуу;
• жумуш;
• механикалык күч (анын ичинде тыгыздык);
• реагенттерди бөлүү;
• электроддор менен электролиттин ортосунда жакшы байланыш;
• реакция аймагынан тышкы терминалга минималдуу жоготуулар менен токтун таралышы.

Химиялык ток булактары төмөнкү жалпы талаптарга жооп бериши керек:

• белгилүү параметрлердин эң жогорку маанилери;
• максималдуу иштөө температурасы диапазону;
• эң чоң чыңалуу;
• минималдуу чыгымэнергия бирдиги;
• чыңалуу туруктуулугу;
• зарядтоо коопсуздугу;
• коопсуздук;
• тейлөөнүн оңойлугу жана идеалдуу түрдө мунун кереги жок;
• узак кызмат мөөнөтү.

Эксплуатация HIT

Биринчи гальваникалык элементтердин негизги артыкчылыгы - алар эч кандай тейлөөнү талап кылбайт. Аларды колдонуудан мурун, сырткы көрүнүшүн, жарактуулук мөөнөтүн текшерүү жетиштүү. Туташтырууда, полярдуулукту сактоо жана аппараттын контакттарынын бүтүндүгүн текшерүү маанилүү. Көбүрөөк татаал химиялык ток булактары - батареялар, олуттуу кам көрүү талап кылынат. Аларды тейлөөнүн максаты алардын кызмат мөөнөтүн максималдуу көбөйтүү болуп саналат. Батареяга кам көрүү:

• тазалыкты сакта;
• ачык чынжырдын чыңалуусуна мониторинг;
• электролиттин деңгээлин сактоо (толуктоо үчүн дистилденген сууну гана колдонсо болот);
• электролит концентрациясын көзөмөлдөө (ареометрди колдонуу - суюктуктардын тыгыздыгын өлчөө үчүн жөнөкөй түзүлүш).

Гальваникалык элементтерди иштетүүдө электр приборлорун коопсуз колдонууга тиешелүү бардык талаптар сакталышы керек.

Электрохимиялык системалар боюнча HIT классификациясы

Системага жараша химиялык ток булактарынын түрлөрү:

• коргошун (кислота);
• никель-кадмий, никель-темир, никель-цинк;
• марганец-цинк, жез-цинк, сымап-цинк, цинк хлориди;
• күмүш-цинк, күмүш-кадмий;
• аба-металл;
• никель-водород жана күмүш-водород;
• марганец-магний;
• литий ж.б.

HITтин заманбап колдонмосу

Химиялык ток булактары учурда колдонулат:

• унаалар;
• көчмө приборлор;
• аскердик жана космостук технологиялар;
• илимий жабдуулар;
• дары (кардиостимулятор).

Күнүмдүк жашоодо ХИТтин адаттагы мисалдары:

• батареялар (кургак батарейкалар);
• көчмө тиричилик техникасы жана электроника үчүн батареялар;
• үзгүлтүксүз энергия булактары;
• унаа батареялары.

Литийдин химиялык ток булактары өзгөчө кеңири колдонулат. Себеби литийдин (Li) өзгөчө энергиясы эң жогору. Чындыгында, ал башка металлдардын арасында эң терс электрод потенциалына ээ. Литий-иондук батарейкалар (LIA) өзгөчө энергия жана иштөө чыңалуусу боюнча башка бардык CPSтерден алдыда. Азыр алар жацы багытты - автомобиль транспортун акырындык менен ездештурууде. Келечекте литий батареяларын өркүндөтүүгө байланыштуу илимпоздордун өнүгүүсү ультра жука конструкцияларга жана чоң жүк көтөрүүчү батареяларга өтөт.