- •Электрохимические процессы
- •1. Гальванический элемент понятие об электродном потенциале
- •Гальванический элемент (гэ) даниэля-якоби
- •Электродвижущая сила элемента (эдс)
- •Водородная шкала потенциалов
- •Потенциалы металлических электродов
- •Потенциалы газовых электродов
- •Коррозия металлов
- •7.2.1.Химическая коррозия
- •7.2.2. Электрохимическая коррозия
- •Механизм электрохимической коррозии
- •Термодинамика электрохимической коррозии
- •Основные случаи возникновения коррозионных гальванических пар
- •7.2.3 Защита металлов от коррозии
- •7.3. Электролиз
- •7.3.1. Общие понятия
- •7.3.2. Электролиз расплавов электролитов
- •7.3.3. Электролиз растворов электролитов
- •7.3.4 Электролиз с растворимыми анодами
- •7.3.5. Законы электролиза
- •7.3.6. Применение электролиза
- •Химические источники тока
- •Энергия химическая энергия электрическая
- •Эффективность преобразования энергии из одних форм в другие
- •Гальванические элементы
- •Параметры гальванических элементов
- •Сухие гальванические элементы
- •Марганцово-цинковый элемент
- •Воздушно (кислородно) - цинковый элемент
- •Ртутно-цинковый гальванический элемент
- •Свинцовый элемент
- •Топливные элементы. Электрохимические генераторы
- •Кислородно-водородный топливный элемент
- •Электрохимические генераторы
- •Практическое применение топливных элементов
- •Электрохимические аккумуляторы
- •Характеристики перспективных аккумуляторов
- •Свинцовый аккумулятор
- •Никель - железный аккумулятор
- •Никель - кадмиевый аккумулятор
- •Другие типы перспективных аккумуляторов
Никель - железный аккумулятор
Ni-Fe аккумулятор - это наиболее распространенный из щелочных аккумуляторов. Этот ЭА состоит из двух перфорированных (имеющих большое число отверстий) коробок (ламелей) из никелированной стали, в которые закладывается активная масса. Между электродами 20-23% раствор едкого кали (KOH). Активная масса отрицательного электрода (анода) состоит из высокодисперсного порошка железа; активная масса положительного электрода (катода) состоит из оксида никеля (III) - Ni2O3, в который для повышения электропроводности добавляется графит. Уравнение токообразующей реакции имеет вид:
В ходе разряда и заряда концентрация электролита не меняется, поэтому э.д.с. меняется мало. Преимуществами этого типа ЭА являются: высокая механическая прочность, достаточно малые масса и саморазряд. Этот аккумулятор не боится толчков, может длительное время храниться в заряженном состоянии, не разрушаясь, выдерживает кратковременные перегрузки и изменения температуры.
Никель - кадмиевый аккумулятор
Работа Ni-Cd аккумулятора аналогична работе Ni-Fe аккумулятора. Только активная масса отрицательного электрода (анода) состоит из порошкообразного кадмия. Уравнение токообразующей реакции:
Этот тип аккумулятора дороже, чем Ni-Fe ЭА, но имеет несколько лучшие характеристики (табл. 4).
Другие типы перспективных аккумуляторов
Металловоздушные аккумуляторы. Это особый тип ЭА, в которых электрический ток возникает при взаимодействии кислорода воздуха с отрицательным электродом из металла (железа, цинка и др.) в растворе щелочи. При этом образуются оксиды и гидроксиды металлов. Основное преимущество таких ЭА - это возможность использования в качестве окислителя воздуха, который нет смысла запасать, что не увеличивает массу батареи. Благодаря этому теоретическая удельная мощность может достигать 1000 Втч/кг, а для алюминиево-воздушных - даже 4300 Втч/кг.
Цинк-хлоридный аккумулятор. Это одна из последних разработок. Zn-Cl2 аккумулятор работает при температуре окружающей среды. Электролитом является циркулирующий раствор хлорида цинка ZnCl2. Уравнение токообразующей реакции можно представить следующим образом:
При заряде цинк выделяется в металлическом виде на графитовом электроде, а хлор - в виде газа на другом графитовом, но пористом, электроде. Хлор поступает в расположенный рядом резервуар, где он растворяется в воде и замерзает, образуя кристаллогидрат Cl28H2O. При разряде нагретый электролит подают в резервуар с замороженным хлором, разлагают гидрат, подают хлор в электрохимическую ячейку, где он восстанавливается на пористом графитовом электроде. Цинк при этом растворяется, в растворе увеличивается концентрация ZnCl2. Характеристики работы аккумулятора весьма высокие (табл. 4).
Аккумулятор Na-S. Натриево-серные батареи интенсивно разрабатываются в США и странах Европы. Аккумулятор содержит две камеры: в анодной находится расплавленный натрий, в катодной - расплавленная сера. Между камерами установлена керамическая перегородка, изготовленная из b-глинозема (-Al2O3). -Al2O3 является электролитом. Токообразующая реакция, протекающая в аккумуляторе при его разрядке, может быть представлена уравнением:
Аккумулятор работает при температуре 300-350 С. Na-S аккумуляторы предполагается использовать для сглаживания пиковых нагрузок электростанций.
Аккумулятор Li-FeS. Этот ЭА работает при 400-450 С . Электролитом служат расплавленные LiCl и KCl, анодом - литий (легкий и очень активный щелочной металл) или сплав лития с алюминием, катодом - сульфиды железа (FeS или FeS2).
Токообразующая реакция при разряде может быть представлена уравнением:
По показателям работы Li-FeS2 ЭА несколько уступают Na-S ЭА, а стоимость лития выше стоимости натрия, однако их удельная энергия сопоставима и составляет 40-50 (в пределе 100-150) Втч/кг. Возможно, такие аккумуляторы смогут завоевать позиции на городском транспорте.
Еще одним направлением развития аккумуляторов является использование систем с электролитом на основе органических растворов и литиевым отрицательным электродом. С литием, как и с натрием, нельзя сочетать водные растворы, а твердые электролиты или расплавленные соли работают лишь при высоких температурах. Органический электролит снимает эти ограничения и позволяет использовать активный литий при температурах, близких к комнатной или даже отрицательных - до минус 50 С.
Таблица 3.
Теоретические и экспериментальные значения э.д.с. (Т = 298 К) электрохимических реакций, используемых в топливных элементах
* Замерено при 1023 К.
1 Коррозионная стойкость - способность металла противостоять коррозии в данной среде.
2 Замерено при 1-23 К.