Лабораторна робота 8. Дослідження деяких параметрів вторинних хімічних джерел струму

Мета роботи: дослідити вольт-амперні параметри акумуляторів у процесі їх заряджання і розряджання.

Завдання: провести послідовно заряджання і розряджання хімічного джерела струму. Зафіксувати зміни напруги і струму під час цих процесів. Побудувати вольт-амперні криві заряджання і розряджання, визначити зміни внутрішнього опору джерела струму в ході його розряджання.

Короткий огляд теоретичних основ процесу

Найважливіші характеристики ХДС.

ЕРС – електрорушійна сила. Це величина, що дорівнює зміні вільної енергії Гіббса у електрохімічній реакції

,

де Е – електрорушійна сила, n – кількість електронів, що приймають участь у електрохімічному процесі, F – стала Фарадея і - зміна вільної енергії Гіббса.

З іншого боку, ЕРС – це максимально можлива теоретична різниця потенціалів елемента у розімкненому ланцюгу.

ЕРС залежить від природи електрохімічних реакцій та від температури. Остання залежність виражається таким рівнянням . З нього видно, що залежно від знаку похідної ЕРС по температурі, зі зростанням останньої сумарна ЕРС може як зростати, так і спадати.

Також ЕРС можна описати як різницю потенціалів позитивного й негативного на півелементів.

.

Практичні значення ЕРС можуть значно відрізнятись від теоретично розрахованих, оскільки у реальних елементах проходять численні побічні процеси, що можуть значно впливати на загальну електрохімічну реакцію. З огляду на це, частіше використовують практичну напругу розімкненого елементу , а не ЕРС.

Внутрішній опір елементу. Ця величина складається з суми всіх омічних опорів конструктивних частин джерела струму – провідників, електролітів, електродів тощо та суми поляризаційних опорів елементу

,

де І – сила струму, що проходить через електричний ланцюг.

Внутрішній опір – непостійна величина, він залежить від зношеності, ступеню розряджання елементу, температури, сили струму. Як правило, його намагаються зменшити, оскільки це підвищує ефективність роботи ХДС. Для цього застосовують різні рішення – підвищення поверхні електродів, зниження опору електроліту, уникнення утворення нерозчинних чи газоподібних продуктів всередині елементу. Також для зменшення внутрішнього опору важливо дотримуватись оптимального режиму експлуатації ХДС – без тряски, екстремальних температур, глибоких розряджань чи перезаряджань, без надто високих навантажень.

В ольт-амперна характеристика елементу показує залежність його напруги від сили струму, що відбирається від елементу. В узагальненому виді вона виглядає так (Рис.1):

U

I

Рисунок 1. Типова вольт-амперна крива розряджання ХДС.

Оптимальним режимом експлуатації ХДС є той, де струм, що від нього відбирається, знаходиться в межах плато.

Розрядна крива показує, як змінюється в часі напруга на елементі, що працює з постійним навантаженням. Її вид такий (Рис. 2):

Р

U

t

Рисунок 2. Зміна напруги на ХДС під час його розряджання

Експлуатаційний період ХДС знаходиться від вісі OY до перегину після плато (точка Р). Вид розрядної кривої залежить від дії багатьох факторів – струму розряджання, температури, зношеності елементу, величини зовнішнього опру, режиму роботи (безперервний, переривчастий) тощо.

Ємність елементу це та кількість електрики, що може бути від нього відібрана. Практично ця величина дорівнює площі заштрихованої області під частиною розрядної кривої від її початку до точки Р. Для зручності ємності ХДС часто позначають не в одиницях СІ кулонах, а у технічних одиницях – А*год, що показують середній добуток сили струму та часу роботи під нею (в діапазоні робочих сил струму), які може забезпечити даний елемент.

Втрата ємності внаслідок саморозряджання ХДС визначається як частина ємності елементу, що зникає під час його зберігання з моменту виготовлення (або заряджання вторинного ХДС). На саморозряджання впливають різні процеси, що їдуть всередині елементу – протікання паразитних хімічних реакцій, в яких витрачається активна маса електродів, незворотна втрата активних мас (випаровування (просипання, проливання), короткі замикання в конструкції елементу, втрата характеристик електродів та активних мас в ході експлуатації (зменшення поверхні, зміна структури тощо).

Питома ємність ХДС обчислюється як величина робочої ємності елементу, віднесена до його маси. Вимірюється у А*год/кг, ця величина важлива для ХДС, що працюють на транспорті, особливо космічному та авіаційному, де маса всіх конструктивних елементів машини відіграє критичну роль.

Для вторинних ХДС використовують також величину віддачі акумулятора, що розраховується як відношення пропущеної через акумулятор кількості струму до кількості, що може бути від нього відібрана.

Важливою характеристикою вторинних ХДС є й кількість циклів розряджання/заряджання, яку вони можуть витримати до зниження експлуатаційних характеристик.

МЕТОДИКА ВИКОНАННЯ РОБОТИ

У роботі використовуються літій-йонні акумулятори від сучасних мобільних телефонів. Вони обладнані контролерами, які повинні не допускати вихід електричних параметрів заряджання/розряджання за межі допустимого. Разом з тим, студентам, які виконують роботу варто слідкувати за тим, щоб максимальна напруга заряджання акумулятора не перевищувала 4,2 В, мінімальна напруга розряджання не була менше 2,8 В. Недопустимим є закорочення виводів акумулятора без зовнішнього навантаження.

1. Отримати у викладача, або лаборанта акумулятор, записати у протокол його тип, маркування, номінальні електричні характеристики.

2. Підключити акумулятор до джерела струму (звернути увагу на полярність!), послідовно до акумулятора включити амперметр зі шкалою не більше 500 мА, а паралельно – вольтметр зі шкалою до 5 В.

3. Провести заряджання акумулятора у гальваностатичному, або потенціостатичному режимі (за вказівкою викладача). У першому варіанті зарядка проходить з фіксованим значенням струму (200, 250, 300, 350, 400, 450 мА) протягом всього часу заряджання. При цьому виконавець роботи фіксує зміну напруги на акумуляторі (спочатку – через 1 хв, потім, по мірі уповільнення зміни – через 2, 3 і 5 хв) в часі. Всі дані заносяться у протокол виконання роботи. У другому варіанті заряджання проходить з фіксованою напругою на акумуляторі (3,7; 3,8; 3,9; 4,0; 4,1 В) протягом всього часу заряджання. При цьому виконавець роботи фіксує зміну струму, що проходить через акумулятор (спочатку – через 1 хв, потім, по мірі уповільнення зміни – через 2, 3 і 5 хв) в часі. Всі дані заносяться у протокол виконання роботи.

4. Після закінчення заряджання (відключення акумулятора контролером, незмінність струму чи напруги на акумуляторі, закінчення часу, вказаного викладачем для заряджання) джерело струму слід відключити, від’єднати і підключити замість нього реостат, виставивши на ньому опір, вказаний викладачем.

5. Провести розряджання акумулятора, фіксуючи зміни у часі напруги і сили струму у ланцюзі.

6. Сформувати підсумкову таблицю з результатами, куди заносяться виміряні значення та розрахований внутрішній опір акумулятора для процесу розряджання.

7. Побудувати графік зміни напруги з часом під час заряджання і розряджання (для гальваностатичного режиму, обидві криві на одному графіку), або зміни струму з часом під час заряджання і розряджання (для потенціостатичного режиму, обидві криві на одному графіку). На окремій діаграмі побудувати графік струму як функції від напруги для розряджання акумулятора.

У підсумковому протоколі охарактеризувати досліджено джерело струму, вказавши пропущену і відібрану кількість електрики, зміни внутрішнього опору та запас робочого часу для умов експерименту.

Зміна електричних параметрів акумулятора типу ______ під час (підкреслити) гальваностатичного (потенціостатичного) заряджання і розряджання

Час, хв	Uз, В (Iз, A) (заряджання)	Зовнішн. опір, R, Ом	Iр, A (розряджання)	Uр, В (розряджання)	Внутр. опір
0
1
…

Графік зміни напруги (сили струму) з часом під час заряджання і розряджання акумулятора будувати на діаграмі такого виду:

t_{розряджання} 0

U(I)

0 t_{заряджання}

ОРІЄНТОВНИЙ ПЕРЕЛІК ПИТАНЬ ДЛЯ ЗДАЧІ РОБОТИ

1. Сфера застосування та основні типи вторинних хімічних джерел електричного струму.

2. Основні параметри вторинних джерел струму та їх зміст.

3. Хімічні основи роботи, сфера застосування, особливості, переваги й недоліки кислих акумуляторів.

4. Хімічні основи роботи, сфера застосування, особливості, переваги й недоліки лужних акумуляторів.

5. Хімічні основи роботи, сфера застосування, особливості, переваги й недоліки літієвих акумуляторів.

6. Екологічні проблеми, пов’язані з виробництвом, експлуатацією та утилізацією вторинних джерел струму.

ЛІТЕРАТУРА

1. Прикладная электрохимия. / под. ред. А. П. Томилова. – М.: Химия, 1984. – 520 с.

2. Антропов. Л. И. Теоретическая электрохимия. – М.: Высшая школа, 1984. – 519 с.

3. Байрачний Б. І. Технічна електрохімія. Ч. 2. Хімічні джерела струму: Підручник. – Харків: НТУ «ХПІ», 2003. – 174 с.

4. Лайнер В. И. Защитные покрытия металлов. – М.: Металлургия, 1974. – 559 с.

5. Практикум по прикладной электрохимии / Под. ред. В. Н. Варыпаева и В. Н. Кудрявцева. – Л.: Химия, 1990. – 304 с.

6. D. Pletcher, F. C. Walsh. Industrial Electrochemistry. – Kluwer, 1990. – 662 p.

7. A. J. Allmand. The Principles of Applied Electrochemistry. - BiblioBazaar, 2011. – 568 p.

8. Т. Н. Хоперия. Химическое никелирование неметаллических материалов. М.: Металлургия, 1982. – 144 с.