2.2. Основные параметры и характеристики химических источников тока

В результате протекания в химическом источнике тока токообразующей реакции возникает электродвижущая сила (ЭДС). ЭДС – это теоретическая разность потенциалов между положительным и отрицательным электродами в отсутствие тока, т.е. когда элемент разомкнут. ЭДС равна разности равновесных электродных потенциалов двух электродов

Е=E₊−E₋ .

При подключении ХИТ к нагрузке образуется электрическая цепь. При этом напряжение на зажимах ХИТ изменяется, и изменяется тем в большей степени, чем больше сила тока, протекающего через ХИТ

U=E−Ir_вн−∆ε,

где U – напряжение ХИТ, ∆ – напряжение поляризации ХИТ, I– сила тока в цепи, r_вн – внутреннее сопротивление ХИТ. Таким образом, рабочее напряжение ХИТ всегда меньше, чем его ЭДС.

Напряжение поляризации ∆ может состоять в общем случае из электрохимической, химической и концентрационной составляющих

∆ε=∆ε_эл+∆ε_конц+∆ε_хим.

Электрохимическая поляризация ∆_эл обусловлена замедленностью собственно электрохимической реакции. Концентрационная поляризация _конц вызывается замедленностью стадий подвода реагентов к электродам и отвода продуктов реакции. Химическая поляризация _хим возникает, если электродный процесс сложный и проходит в несколько стадий. Общий путь снижения всех составляющих поляризации и повышения таким образом напряжения ХИТ – увеличение удельной поверхности электродов, увеличение температуры и концентрации реагентов, применение каталитически активированных электродов.

Графическое изображение зависимости напряжения ХИТ от силы тока называется вольтамперной характеристикой (ВАХ) (рис. 2.1).

Рис. 2.1

В процессе работы ХИТ, т.е. в процессе его разряда возрастает поляризация элемента и уменьшается ЭДС из-за уменьшения концентрации исходных веществ и увеличения концентрации продуктов реакции. Обычно также растет и внутреннее сопротивление. По этим причинам наблюдается неуклонное падение напряжения ХИТ во времени по мере разряда. Это наиболее типичное поведение, хотя бывают и исключения: начальный этап разряда может сопровождаться ростом напряжения ХИТ в основном из-за перераспределения составляющих поляризации или нагрева. Кривая изменения напряжения во времени называется разрядной характеристикой (рис. 2.2).

Рис. 2.2

Разрядные кривые имеют разнообразный вид. Их характерные формы показаны на рисунке: 1 – плоская, 2 – пологая. Идеальная разрядная характеристика должна иметь форму прямоугольника, т.е. весь разряд происходит строго при одном постоянном напряжении и резко заканчивается при 100%-ном исчерпании активных веществ в электродах. Постоянство вырабатываемого напряжения – вот что требуют потребители от ХИТ. Наиболее близка к такой форме плоская разрядная кривая, характеризуемая выраженным плато – рабочим напряжением, при котором происходит основная фаза разряда.

Кроме ЭДС и напряжения для сравнения электрохимических систем и конкретных типов ХИТ используют следующие параметры: мощность P, удельная мощность P_уд, емкость С, удельная емкость С_уд, энергия W и удельная энергия W_уд.

Мощность равна произведению силы тока на напряжение и измеряется в Ваттах. На холостом ходу и в режиме короткого замыкания мощность, отдаваемая ХИТ равна нулю. Следовательно, существует некоторое среднее значение силы тока при котором отдаваемая мощность должна иметь максимум (рис.2.3).

Рис. 2.3

Для измерения емкости и энергии обычно применяются внесистемные единицы. Емкость измеряют в Ампер∙часах (А∙ч) а энергию в Ватт∙часах (Вт·ч). 1 А∙ч =3600 Кл, 1 Вт·ч = 3600 Дж.

Емкость ХИТ – наиболее широко используемый параметр ХИТ. Емкостью называют количество электричества (заряд), которое ХИТ способен выработать при разряде. Теоретическая емкость определяется законом Фарадея. Фактическая емкость ниже теоретической из-за неполного использования активных веществ и расхода их на побочные процессы. Фактическая емкость может быть измерена путем полного разряда ХИТ постоянным током I в течение времени t

С_факт=It .

При разряде ХИТ на постоянную нагрузку (на постоянное внешнее сопротивление R) ток непрерывно меняется во времени. В этом случае емкость (заряд) определяется интегрированием произведения It и представляет собой площадь под разрядной кривой. Обычно на гальваническом элементе или аккумуляторе указывается его рабочее напряжение (иногда также емкость). Так, емкость стартерных свинцовых аккумуляторов чаще всего составляет 40 – 60 А·ч.

Энергия W, которую вырабатывает ХИТ, равна произведению емкости на напряжение. При разряде постоянным током I

,

где U_ср− среднее напряжение в процессе разряда, t − время полного разряда.

На самом деле емкость аккумулятора тоже зависит от тока. Обычно, чем ближе режим разряда к равновесному, чем меньше ток и длительнее разряд, тем выше емкость и особенно энергия. Таким образом, по мере увеличения силы разрядного тока снижаются напряжение ХИТ и его фактическая емкость. Поэтому емкость, указанная в документах на ХИТ (или в маркировке на его корпусе), – это номинальная емкость С (в А·ч), относящаяся к номинальному режиму разряда, т.е. рекомендованному режиму разряда, такому, какой должен быть для отдачи наибольшей энергии.

Необходимо четко понимать, что ЭДС электрохимической ячейки является параметром, зависящими от внутренних свойств веществ, от их природы, но не от их количества. Поэтому ячейки ХИТ одной и той же электрохимической системы будут иметь одну и ту же ЭДС, независимо от массы и геометрических размеров ячейки. Напротив, P, W и С – параметры, пропорциональные количеству заложенных реагентов, следовательно, примерно пропорциональные массе или объему ХИТ. Поэтому для сравнения ХИТ различных электрохимических систем удобно использовать удельные параметры, то есть параметры, отнесенные к массе m или объему V ХИТ. Удельная емкость

[А·ч/кг] или [А·ч/л].

Удельная энергия

[Вт·ч/кг] или [Вт·ч/л].

Хотя энергия (энергозапас) W важнее, чем емкость (заряд) С, последняя употребляется чаще, поскольку емкость легче измерить. Кроме того, энергия сильно зависит от режима разряда, емкость зависит от него в меньшей степени.

Важным параметром любого ХИТ является максимально допустимый ток разряда и связанные с ним максимально допустимая мощность и критическое напряжение. Эксплуатация ХИТ при больших токах невозможна или нецелесообразна (например, из-за сильного снижения напряжения или из-за сильного разогрева). Кроме того, используется понятие тока короткого замыкания I_КЗ. Это наибольший ток, который способен генерировать гальванический элемент (когда внешнее сопротивление равно нулю). Поскольку току короткого замыкания соответствует нулевое напряжение U = 0, следовательно, ему соответствует также нулевая отдаваемая мощность P = 0. В соответствии с законом сохранения энергии в этом режиме вся химическая энергия токообразующей реакции превращается в тепло внутри ХИТ.

Для перезаряжаемых ХИТ (аккумуляторов) важными электрическими параметрами, кроме рассмотренных выше, являются также номинальное число зарядно-разрядных циклов и отдача по емкости М_С.

Так как часть сообщенного заряда С_заряд тратится на побочные процессы, отдача по емкости на практике меньше единицы.