6. Химические источники электрической энергии

6.1. Важнейшие характеристики хиээ

Химическими источниками электрической энергии (ХИЭЭ) называются уст­ройства, с помощью которых свободная энергия пространственно разделенных окислительно-восстановительных процессов превращается в электрическую энер­гию. По характеру работы ХИЭЭ делятся на две группы: гальванические эле­менты, или первичные источники энергии, и электрические аккумуляторы, или вто­ричные источники энергии. Первичные ХИЭЭ допускают лишь однократное ис­пользование заключенных в них активных материалов. При этом отдача элек­трической энергии может быть осуществлена в один или несколько приемов. Пол­ностью разряженный гальванический элемент к дальнейшей работе не пригоден. У вторичных ХИЭЭ работоспособность после разряда может быть восстановлена путем заряда, т. е. пропускания постоянного электрического тока через аккуму­лятор в направлении, противоположном тому, в котором протекал ток при раз­ряде.

Иногда для характеристики электродов в ХИЭЭ используют термины «ка­тод» и «анод». При разряде источника энергии отрицательный электрод, на кото­ром протекает процесс окисления, называется анодом, а положительный элек­трод, на котором происходит процесс восстановления, — катодом. При заряде, наоборот, катодом служит отрицательный электрод, а анодом — положительный.

Электродвижущей силой (ЭДС) Е химического источника энергии называют разность его электродных потенциалов при разомкнутой внешней цепи, т. е. при отсутствии тока в цепи:

Е = Е₊ - Е_-, (6.1)

где Е₊ и Е_- — равновесные потенциалы положительного и отрицательного элек­тродов.

ЭДС батареи Е_б, состоящей из n источников тока, соединенных последова­тельно, равна сумме ЭДС отдельных элементов:

Е_б = nЕ. (6.2)

Полным внутренним сопротивлением r химического источника энергии назы­вают сопротивление, оказываемое источником энергии при прохождении постоян­ного электрического тока; оно складывается из омического r₀ и поляризацион­ного r_n сопротивлений:

r = r₀ + r_n = r₀ +Е_n/I, (6.3)

где Е_n — ЭДС поляризации, представляющая собой алгебраическую сумму пе­ренапряжений электродных процессов: I - ток; r_о — сумма сопротивлений элек­тродов и электролита; r_n зависит от силы тока, т. е. не подчиняется закону Ома.

В процессе разряда ХИЭЭ полное внутреннее сопротивление в большинстве случаев увеличивается, так как r₀ и r_n возрастают при изменении состава элек­тролита и электродов (главным образом, поверхностного слоя). Величина r существенно зависит также от размеров и конструкции ХИЭЭ. Обычно, чем больше размеры ХИЭЭ, тем меньше r.

Значения r при разряде и заряде аккумулятора могут быть рассчитаны по формулам:

r_р = (Е - U_р)/I_р, r_з = (U_р - E)/I_з (6.4)

где U - напряжение ХИЭЭ; I — ток; индексы «р» и «з» здесь и далее показы­вают, к чему относится данная величина, — к разряду или заряду.

Наличием внутреннего сопротивления обусловлено то, что разрядное напря­жение U_p ХИЭЭ (т. е. напряжение при замкнутой внешней цепи) всегда меньше его ЭДС

U_p = Е - r_рI_р = I_рR, (6.5)

где R — внешнее сопротивление (нагрузка).

При постоянной силе разрядного тока и постоянной температуре электролита разрядное напряжение уменьшается во времени вследствие увеличения r_п. _Р и r₀. _р.

Зарядное напряжение аккумуляторов выражается уравнением

U₃ = Е + r₃I₃ = I₃R. (6.6)

При постоянстве силы зарядного тока и температуры электролита зарядное напряжение увеличивается во времени вследствие увеличения Е_п.з. В конце за­ряда, когда в основном идет процесс электролиза воды, значение U₃ стабили­зируется.

Среднее значение напряжения при заряде и разряде:

; , (6.7)

где _з и _р — продолжительность заряда и разряда ХИЭЭ.

Разрядной емкостью Q_p называют количество электричества, которое можно получить от ХИЭЭ при определенных условиях: температуре, разрядном токе и конечном разрядном напряжении, т. е. при определенном режиме разряда. Раз­рядную емкость определяют формулой

Q_p . (6.8)

При I = const эта формула упрощается:

Q_p=I_p_p. (6.9)

Ее можно также записать так:

Q_p= _p/R , (6.10)

где R — сопротивление во внешней цепи (сопротивление нагрузки).

Удельная емкость ХИЭЭ, т. е. отношение фактически получаемой емкости к его полной массе Q_G или объему Q_{V ,} зависит от конструкции ХИЭЭ и опре­деляется формулами:

Q_G=Q_p/_G; Q_v=Q_p/V, (6.11)

где Q_p — разрядная емкость ХИЭЭ; G — масса; V — объем ХИЭЭ.

Энергия W_З, полученная ХИЭЭ при заряде, а также энергия W_p, которую он отдает во внешнюю цепь при определенных условиях разряда, выражаются следующими формулами:

; , (6.12)

или

; . (6.13)

Удельная энергия ХИЭЭ определяется формулами

; (6.14)

и зависит от конструкции ХИЭЭ и условий разряда.

Мощностью Р называют количество энергии, отдаваемой ХИЭЭ в единицу времени. Мощность, отнесенная к единице массы или объема ХИЭЭ, называется удельной.

Теоретическая мощность ХИЭЭ определяется равенством

Р = ЕI=I²R + I²r (6.15)

Первое из слагаемых в правой части этого уравнения представляет собой мощность, развиваемую ХИЭЭ во внешней цепи, а второе - потерю мощности внутри ХИЭЭ.

Полезная мощность ХИЭЭ:

Р_пол=IE –I²r = I²R (6.16)

Для получения во внешней цепи максимальной полезной мощности необхо­димо, чтобы внешнее сопротивление было равно внутреннему сопротивлению ХИЭЭ.

Саморазрядом называют потерю емкости ХИЭЭ при разомкнутой внешней цепи. Этот процесс вызван главным образом взаимодействием активных масс электродов и электролита. Саморазряд С обычно выражают в процентах потери емкости за сутки:

, (6.17)

где Q₁ и Q₂ -емкость ХИЭЭ до и после хранения;  - продолжительность хранения, в сутках.