2. Устройство и принцип действия химического источника тока
Основой работы ХИТ является взаимодействие окислителя и восстановителя. Из курса химии известно, что в такой реакции восстановитель, окислитель, отдает электроны, а окислитель, восстанавливаясь, присоединяет электроны.
В качестве примера можно привести следующую электрохимическую систему элементов:
При нарушении электродов в электролит между ними устанавливается определенная разность электрических потенциалов называемая напряжением разомкнутой цепи (НРЦ).
Более отрицательным будет потенциал электрода с восстановителем, т.к. у него сильнее тенденция к отдаче (Zn) электронов.
Если соединить оба электрода между собой с помощью внешней проводящей цепи, то через нее при наличии напряжения разомкнутой цепи начнется переток электронов от отрицательного электрода к положительному, что равносильно прохождению электрического тока (рисунок 2.2).
Рисунок 2.2 – Устройство химического источника тока:
1 – положительный электрод; 2 – отрицательный электрод;
3 – сепаратор; 4 – электролит; 5 – корпус
При этом будут протекать следующие процессы:
- на катоде – окисление цинка, цинк является восстановителем, т.е. атом цинка отдает свой электрон во внешнюю цепь, а свободная валентная связь идет на образование окиси цинка
(2.1)
- на аноде - восстановление окиси серебра, который является окислителем, т.е. атом серебра принимает электроны и восстанавливается до валентно нейтрального серебра с образованием гидроокислительной группы ОН ˉ
(2.2)
- в растворе электролита – движение гидроксид-ионов. (ОН) в растворе от окислителя к восстановителю (от анода к катоду)
- во внешней цепи – движение электронов от восстановителя к окислителю (от катода к аноду)
Суммируя реакции (2.1) и (2.2), получаем:
(2.3)
Таким образом, в результате протекания реакции (2.3) во внешней цепи генерируется постоянный электрический ток, т.е. химическая энергия реакции превращается в электрическую энергию.
3. Основные характеристики гальванических
элементов и аккумуляторов
Основными характеристиками гальванических элементов и аккумуляторов являются следующие характеристики:
- напряжение разомкнутой цепи (ЭДС);
- внутреннее сопротивление;
- напряжение;
- емкость;
- удельная энергия;
- удельная мощность;
- саморазряд;
- сохранность.
1. Напряжение разомкнутой цепи или электродвижущая сила - разность потенциалов электродов источника тока является причиной, которая вызывает протекание тока в цепи, определяется химическими свойствами активных материалов (электролита и электродов) и не зависит от размеров источника тока. Она практически не зависит и от температуры. Только при температуре, близкой к температуре замерзания электролита, ЭДС резко снижается. Свойства гальванического элемента восстанавливаются после оттаивания электролита.
Напряжение разомкнутой цепи – это разность потенциалов между его положительным и отрицательным электродами при разомкнутой внешней цепи
2. Внутреннее сопротивление аккумулятора – это сумма омического сопротивления и поляризационных сопротивлений его электродов
определяется
конструкцией электродов, плотностью
электролита степенью разреженности,
окружающей температурой.
Внутреннее сопротивление элемента складывается из сопротивлений электролита, электродов и сепараторов (прокладок между электродами). Чем меньше внутреннее сопротивление элемента, тем больше может быть ток разряда при заданном напряжении на нагрузке.
3. Напряжение аккумулятора – это разность потенциалов между его положительным и отрицательным электродами при включенной нагрузке
Напряжение элемента или батареи U измеряется при замкнутой внешней цепи, т.е. под нагрузкой. Оно зависит от ЭДС Е, внутреннего сопротивления элемента или батареи Rвн и тока нагрузки Iн:
U = Е - I нR вн
При разряде элемента или батареи различают начальное, среднее и конечное напряжения. Среднее определяется по разрядным кривым (зависимостям напряжения при разряде от времени), конечное зависит от свойств элемента и условий эксплуатации.
Напряжение при заряде
Напряжение при разряде:
– разрядная кривая
(рисунок 2.3)
зависит от времени
разряда
Рисунок 2.3 – Разрядная кривая
Разряд аккумулятора характеризуется следующими напряжениями:
начальным;
средним;
конечным,
меньше ЭДС на
величину падения напряжения на внутреннее
сопротивление.
определяет разрядную энергию аккумулятора.
характеризует возможности аккумулятора по отдаче энергии во внешнюю цепь.
4. Разрядная емкость – это количество электричества, которое может отдать полностью заряженный аккумулятор при разряде от начального до конечного напряжения.
,
А·ч
где
;
– мгновенное
значение тока разряда.
Если ток разряда остается постоянным в течение всего разряда, то емкость Qр можно определить по формуле
QP = IP tP, А·ч.
где IР - ток разряда, А; tР - время разряда, ч.
Разрядная емкость - количество электричества, которое можно получить от элемента при определенных условиях его работы, т.е. при заданных температуре, токе разряда и конечном напряжении.
Если ток разряда изменяется в процессе разряда, то определяют среднее арифметическое токов в начале и в конце разряда. Емкость указывается вместе с условиями разряда. Она будет больше при следующих условиях: меньшем токе разряда, разряде с меньшими перерывами, более высокой температуре окружающей среды, а также более низком конечном напряжении.
Номинальная разрядная емкость - количество электричества, которое должен отдать элемент непосредственно после изготовления при номинальном режиме разряда.
Зарядная емкость – количество электричества, сообщаемое аккумулятору при его заряде
Заряд аккумулятора (аккумуляторной батареи) с последующим разрядом называется циклом. Число циклов, которое аккумулятор проработал к данному моменту времени, называется наработкой аккумулятора.
Коэффициент отдачи по емкости равен соотношению разрядной и зарядной емкостей.
Коэффициент отдачи по энергии - отношение энергии, полученной аккумулятором за время полного цикла, к энергии, отданной им.
5. Удельная энергия – это отношение электрической энергии, которую аккумулятор отдает во внешнюю цепь, к его массе:
6. Удельная мощность – это максимальная мощность аккумулятора, отнесенная к его массе:
7. Саморазряд аккумулятора – потеря емкости, обусловленная самопроизвольными процессами при разомкнутой внешней цепи. При повышении температуры и влажности окружающей среды саморазряд ускоряется.
Саморазряд аккумулятора обусловлен протеканием в нем самопроизвольных процессов при разомкнутой цепи.
Саморазряд оценивается потерей емкости в процентах за сутки или месяц:
Интенсивность саморазряда зависит от
– t0 окружающей среды;
– состава электролита;
– материалов электродов.
8. Сохранность (срок хранения) элементов время, на протяжении которого элемент сохраняет определенную часть номинальной емкости.
Срок службы аккумулятора - наработка, при которой его разрядная емкость сделается меньше определенной нормированной величины.
Срок годности аккумулятора сумма срока хранения и времени эксплуатации, в течение которого наработка аккумулятора достигает срока его службы.