Тема лекції: «акумулятори. Електроліз».

1. Акумулятори.

Акумулятори – це гальванічні елементи багаторазового використання, які належать до категорії вторинних батарей.

Електричний акумулятор (лат. „acumulare“- „нагромаджувати“) – це хімічне джерело електричного струму багаторазової дії, яке використовується для накопичення електричної енергії з метою автономного електроживлення електротехнічних пристроїв та систем.

Принцип дії акумулятора заснований на зворотності окисно-відновних реакцій.

Зворотна окисно-відновна реакція повинна відбуватись досить швидко з малими втратами на побічні процеси і забезпечувати утворення струму значної сили.

Зарядка акумулятора – це процес накопичення хімічної енергії для відновлення працездатності акумулятора, що проходить шляхом перетворення електричної енергії в хімічну.

Розрядка (робота) акумулятора – це процес перетворення хімічної енергії в електричну, як у гальванічному елементі.

Цикли „зарядки-розрядки“ акумулятора проходять багаторазово.

У найпростішому варіанті акумулятор складається з двох електродів (аноду і катоду) та іонного провідника між ними.

При роботі акумулятора, аналогічно гальванічному елементу, на аноді проходять процеси окиснення на катоді – відновлення.

При зарядці акумулятора( коли «плюс» акумулятора під’єднують до «плюса», а «мінус» до «мінуса» джерела постійного електричного струму), за рахунок пропускання електричного струму в напрямку протилежному напрямку при роботі (розрядці), навпаки: на бувшому аноді – проходять процеси відновлення, а на катоді – окиснення.

Акумулятори характеризуються ємністю.

Ємність акумулятора – це максимально можливий корисний заряд, що віддається повністю зарядженим акумулятором при розрядці до найменшої допустимої напруги. (В системі СІ вимірюється в кулонах, на практиці в ампер-годинах: 1 А*год=3600 Кл).

Ємність акумулятора залежить від природи і кількості реагентів і зменшується при збільшенні густини струму, а також при зберіганні через побічні реакції – «саморозрядка».

Певні акумулятори працюють в певних температурних інтервалах.

У залежності від типу електроліту розрізняють кислотні та лужні акумулятори.

2. Кислотні акумулятори.

Найбільш поширені – свинцеві кислотні акумулятори, де електролітом є H₂SO₄. (Таблиця). (Винайшов1858р. француз. Фізик Гастон Планте).

Вони складаються з свинцевих пластин: решіток (+1-2% Sb) із запресованими металічним губчастим свинцем (дрібноподрібнений розпушений свинець), що є «анодом», та діоксидом свинцю PbO₂, який є катодом. Пластини заливають 32-39 % розчином H₂SO₄ (=1,24 – 1,32 г/см³). Збільшення концентрації кислоти вище 40% (>1,32 г/см³) понижує її електропровідність за рахунок зменшення рухливості йонів. При менших густинах кислоти, ніж вищевказані, проходить сульфатизація пластин –утворення нерозчинної PbSO₄, внаслідок чого акумулятор «засолюється».

При роботі акумулятора внаслідок окисно-відновних процесах на електродах Pb та PbO₂ перетворюються у розчинну кислу сіль Pb(HSO₄)₂.

Робота (розрядка акумулятора)		Зарядка акумулятора
(-) А:Pb0-2e-→Pb2+ (+) K: Pb4++2e-→ Pb2+	Е.Р.С.2В	(-) K: Pb2+ + 2e-→ Pb0 (+)А: Pb2+ -2e-→ Pb4+	Побічно – електроліз води
Сумарно: Pb0 +Pb4+→ Pb2+ В молекулярному вигляді: Pb0+PbO2+4H2SO4→2Pb(HSO4)2 + 2H2O		Сумарно: Pb2+ →Pb0 +Pb4+ В молекулярному вигляді: 2Pb(HSO4)2 + 2H2O → Pb0+PbO2+4H2SO4

Переваги: - високий к.к.д. 80-90% - висока стійка е.р.с.; - робочий діапазон температур -40 до +40оС(tзамерз.зарядж.акум.<-55оС); - простота конструкції і невисока вартість.

Недоліки: невисока питома енергія: 20-30 Вт*год/кг; саморозряд при зберіганні; малий термін служби 2-5 років.

Використання:

Автомобілі, мотоцикли, літаки, електротранспорт, аварійне електропостачання, джерела безперебійного живлення.

В нових експериментальних розробках свинцеві пластини замінюють вспіненим карбоном, покритим тонкою свинцевою плівкою – збільшується питома енергія, зменшується час зарядки.

3. Лужні акумулятори. За складом електродів (активної маси) лужні акумулятори поділяють на:

• кадмій – нікелеві;

• залізо – нікелеві;

• цинк – нікелеві;

• срібло-цинкові.

• Електролітом служить 20-30% розчин калій гідроксиду з добавкою LiOH (для утворення нікелатів літію і збільшення ємності на 21-25%), які поміщено у ламелі – плоскі коробочки з отворами. (Існують і безламельні акумулятори у вигляді «таблеток»).

У залізо-нікелевих та кадмій – нікелевих акумуляторів катодом є гідратований оксид нікелю (ІІІ) Ni₂O₃*H₂O або NiОOH з графітовим порошком (5-8% для підвищення електропровідності), а анодом – відповідно залізо чи кадмій.

(Ni-Cd винайшов1899р. швед Вальдемар Юнгер)

Процеси на електродах:

Робота (розрядка акумулятора)		Зарядка акумулятора
А: Fe(Cd) – 2e– + 2OH–→ Fe(OH)2 (Cd(OH)2) K: 2NiOOH + 2H2O + 2e–→2Ni(OH)2 + 2OH–	Е.Р.С.(Fe)1,48В Е.Р.С.(Cd) 1,45В	K: Fe(Cd)2+ + 2e-→ Fe(Cd)0 А: 2Ni(OH)2 + 2OH–→ 2NiOOH + 2H2O + 2e–
Сумарно в  молекулярному вигляді: 2 NiOOH+2H2O + Fe →2Ni(OH)2+ Fe(OH)2 Робота ←1		Сумарно в  молекулярному вигляді: 2 NiOOH+2H2O + Cd →2Ni(OH)2+ Cd(OH)2 Робота ←
Переваги: - великий термін служби до 20-25 років; - висока механічна міцність; -стійкість до короткого замикання, термічних ударів, вібрацій та струсів. -можуть зберігатись довгий час розрядженими.		Недоліки: невисокі ККД (60-65%); невисока електрорушійна сила.

Використання:

Ni-Cd: будівельні електроінструменти, тролейбуси, літаки.

Ni-Fe: гірничо-видобувна промисловість, живлення електрокарів, навантажувачів, сонячна та вітроенергетика. В Україні випускає Луганський завод лужних акумуляторів.

Цинк-нікелеві акумулятори – самостійне вивчення.

Срібно-цинкові акумулятори мають хороші електричні характеристики, малу масу і об’єм. Електродами є оксиди срібла Ag₂O, AgO і губчатий цинк. Електроліт – KOH.

Сумарна реакція виражається рівнянням:

AgO + Zn = Ag+ZnO; е.р.с.1,85В.

Акумулятор характеризується відносно великою питомою енергією, однак дорогий і має малий термін служби, тому використовується в основному у реактивній авіації та космічній техніці.

4. Електроліз

Електроліз – це окисно-відновний процес, який відбувається за рахунок перетворення електричної енергії в хімічну під час проходження крізь розчин або розплав електроліту постійного електричного струму.

Якщо через розчин або розплав електроліту пропустити електричний струм, то рух іонів стає спрямованим: катіони рухаються до катода, а аніони – до анода. Електрод, на якому відбувається відновлення – катод, під час електролізу заряджений негативно; електрод, на якому відбувається окиснення – анод, заряджений при електролізі позитивно.

Отже, при електролізі за рахунок електричної енергії здійснюється реакція, яка самочинно відбуватись не може.