Термины и определения в электрохимической технологии. Учебно-методическое пособие

2. Электрическая энергия W – энергия, выделяющаяся при разряде во внешнюю электрическую цепь:

где С – емкость; U – среднее значение напряжения при разряде.

3.Сохранность заряда ХИТ – свойство электрохимического устройства сохранять емкость во время хранения при разомкнутой внешней цепи.

4.Саморазряд – потеря емкости, обусловленная протеканием самопроизвольных процессов. Саморазряд может иметь место как при хранении, так и при разряде аккумулятора.

5.Цикл – периоды заряда и разряда. Работоспособность аккумулятора определяется числом циклов. Под циклом заряда/разряда обычно понимается полная разрядка заряженного аккумулятора с последующей полной зарядкой, но это не всегда так. Аккумуляторы редко когда полностью разряжаются, и производителями часто используется 80-й % уровень разрядки для оценки характеристик. Это означает, что аккумулятор оперирует только 80 % имеющейся энергии, остальные 20 остаются в резерве. Такой циклический режим работы с привлечением неполной емкости помогает увеличить общий срок службы аккумуляторной батареи.

Широкое распространение в народном хозяйстве получили аккумуляторы: тяговые для электрокаров, батареи для подводных лодок, аккумуляторы для освещения у шахтеров и многие другие.

Стартерные аккумуляторы. Среди таковых распространены свинцовые аккумуляторы, которые используются в автомобилях. Условно свинцовый аккумулятор можно представить, как следующую электрохимическую цепь:

Свинцовые кислотные аккумуляторы состоят из следующих основных частей:

а) активным материалом положительно заряженного электрода является диоксид свинца;

б) активным материалом отрицательно заряженного электрода – губчатый свинец;

в) электролита – раствора серной кислоты; г) токоведущих частей;

41

д) изолирующих разделителей – сепараторов, предохраняющих от коротких замыканий между пластинами;

е) аккумуляторных сосудов из кислотостойких материалов.

В свинцовом аккумуляторе суммарная реакция при его разряде:

Процессы на электродах могут быть представлены следующим образом:

– на отрицательном:

Токообразующие процессы, лежащие в основе суммарной реакции, соответствуют так называемой теории двойной сульфатации. По этой теории оба электрода при разряде переходят в сульфат свинца и, когда электроды становятся одинаковыми по химическому составу SO42-│ PbSO4│ Pb, ЭДС такой цепи приближается к нулю. При зарядке аккумулятора происходит регенерация продуктов реакции, и такая цепь вновь может стать источником электрической энергии.

Свинцовые кислотные аккумуляторы являются одним из наиболее распространенных ХИТ. О степени их распространенности можно судить по тому, что более 60 % ежегодного мировою производства свинца расходуется на изготовление кислотных свинцовых аккумуляторов.

Существует несколько видов герметичных свинцово-кислот- ных батарей, и наиболее распространенными среди них являются гелевые (называются так из-за пастообразной консистенции используемого электролита), также известные как свинцово-кислотные батареи с регулируемым клапаном (Valve Regulated Lead Acid Battery или сокращенно VRLA) и батареи с технологией AGM (Absorbent Glass Mat), которая использует в качестве сепаратора пористый сорбент из стекловолокна, впитавший жидкий электролит.

Преимущества наиболее распространенных свинцово-кислот- ных аккумуляторов: дешевизна и простота в изготовлении; низкая стоимость в расчете на ватт-час, самый низкий показатель саморазряда среди всех аккумуляторных батарей, высокая удельная мощность,

42

способность поставлять высокие значения силы тока, хорошие характеристики при высоких и низких температурах.

Недостатки: низкая удельная энергоемкость, медленный процесс зарядки около 14–16 часов, необходимость хранения в заряженном состоянии для избегания сульфатации, ограниченное количество циклов заряда/разряда, полный разряд уменьшает время жизни.

Значительно распространены щелочные аккумуляторы, где в качестве электролита используется щелочь, а не кислота. Наибольший интерес представляют никель-кадмиевые и никель-металлогид- ридные аккумуляторы.

В аккумуляторах щелочного типа различается число положительных и отрицательных электродов. В никель-кадмиевом типе на 1 плюсовую пластину больше, чем минусовых. Сами пластины расположены по краям и соединены с корпусом аккумулятора. В типе ни- кель–железо на одну отрицательную пластину больше, чем плюсовых. В батареях щелочного типа требуется значительно меньше электролита, чем в кислотных, поскольку при прохождении реакции он не расходуется.

Преимущества щелочных аккумуляторных батарей перед свин- цово-кислотными: легко переносят переразряд, хранение этого вида батарей осуществляется практически без потери эксплуатационных характеристик; значительно лучше работают при отрицательных температурах; имеют саморазряд ниже кислотных аккумуляторов; отсутствуют вредные испарения; накапливают большую ёмкость на единицу своей массы.

Недостатки щелочных аккумуляторов: имеют меньшее напряжение, чем у свинцово-кислотных, в результате для достижения нужного напряжения требуется объединять большее число банок, а значит, увеличиваются габариты; цена щелочных батарей значительно выше кислотных.

Электрохимические технологии непрерывно развиваются, и на смену традиционно используемым никель-кадмиевым и никель-ме- таллгидридным батареям пришли литий-ионные. При примерно одинаковом весе одного элемента они имеют большую емкость, чем рассмотренные выше аккумуляторы (превосходя NiCd-аккумуляторы в 4–5, а NiMH в 3–4 раза), и дают более высокое напряжение на одном элементе.

Принцип работы заключается в использовании ионов лития, которые связаны молекулами дополнительных металлов. Обычно

43

в дополнение к литию применяются литий-кобальтоксид и графит. Схема аккумулятора предполагает наличие разделительного сепаратора между двумя частями элемента, это необходимо для предотвращения самопроизвольного перемещения ионов лития. Катод представляет собой оксид металла, а анод состоит из пористого углерода.

Преимущества литий-ионных аккумуляторов: высокая удельная энергоемкость и высокие нагрузочные характеристики; долгий срок службы; высокая производительность; низкое внутреннее сопротивление; хорошая кулоновская эффективность; достаточно короткое время зарядки; низкий саморазряд (более чем в два раза меньше показателя NiCd и NiMH).

Недостатки: необходимость во встроенной системе защиты; деградационные процессы при высоких значениях температуры и напряжения; необходимость в дополнительном обогреве при низких температурах зарядки; специальные регламентирующие правила при транспортировке в больших количествах.

Литий-ионные батареи получили широкое применение в современной электронной технике, автомобилестроении, системах накопления энергии, солнечной генерации электроэнергии, высокотехнологичных устройствах мультимедиа и связи: телефонах, планшетных компьютерах, ноутбуках, радиостанциях и т. д.

В настоящее время затрачиваются большие усилия на создание так называемых топливных элементов, т. е. электрохимических устройств, требующих в процессе своего действия постоянного расходования электродного вещества. Наиболее простым является водо- родно-кислородный элемент. Газы поступают в элемент сквозь пористые электроды. Электродные реакции описываются уравнениями:

Источником электрической энергии служит химическая энергия реакции между водородом и кислородом с образованием воды:

Создание эффективных топливных элементов является одной из первоочередных задач электрохимии. Это связано с поиском экологичных и экономичных источников энергии. Так, например, в современных тепловых установках при получении электрической энергии

44

теплота сгорания топлива используется полезно на 30–40 %. В топливных элементах коэффициент использования теоретически достигает 100 %.

Перспективными химическими источниками электрической энергии являются также суперконденсаторы. Суперконденсатор – это электрохимическое устройство, конденсатор с органическим или неорганическим электролитом, «обкладками» в котором служит двойной электрический слой на границе раздела электрода и электролита. По характеристикам занимает промежуточное положение между конденсатором и химическим источником тока.

Т е р м и н ы и о п р е д е л е н и я

Химический источник тока; ХИТ – основное функциональное устройство, состоящее из блока электродов, электролита, бака, выводов и сепараторов, в котором электрическая энергия получена путем прямого преобразования химической энергии.

Элемент –химический источник тока, в котором электрический заряд не восстанавливается после разряда.

Аккумулятор – химический источник тока, способный восстанавливать электрический заряд после разряда.

Элемент с солевым расплавом – элемент с электролитом, состоящим из одной или более безводных расплавленных солей.

Щелочной химический источник тока – химический источник тока, содержащий щелочной электролит.

Химический источник тока с твердым электролитом – химический источник тока с ионопроводящим твердым электролитом.

Аккумулятор с неводным электролитом – химический источник тока с жидким электролитом, не содержащим источники химически реактивных протонов (Н+).

Показательный аккумулятор [элемент] – аккумулятор [элемент] в батарее ХИТ, выбранный в качестве объекта для оценки состояния или получения представления о средних параметрах батареи.

45

Батарея для оригинального оборудования – батарея ХИТ, поставляемая изготовителю оригинального оборудования для использования только с этим оборудованием или в составе этого оборудования.

Заменяющая батарея – батарея ХИТ, используемая вместо существующей батареи с такими же или подобными рабочими и эксплуатационными характеристиками.

Резервный химический источник тока – химический источник тока, хранящийся в сухом заряженном состоянии, при этом необходимый электролит обязательно хранят отдельно и помещают в химический источник тока для его активации.

Аварийная батарея – батарея ХИТ, подающая необходимую электрическую энергию в цепь при перерывах в работе нормального источника энергии.

Буферная батарея – батарея ХИТ, подключенная параллельно к постоянному источнику тока для уменьшения влияния колебаний энергии на источник.

Элемент эталонного напряжения – элемент, имеющий при заданной температуре определенное неизменное напряжение разомкнутой цепи и используемый в качестве эталонного напряжения.

Элемент эталонного напряжения Вестона – эталон напряжения элемента с солевым электролитом, содержащим насыщенный раствор сульфата кадмия, положительный электрод – из ртути и твердого сульфата ртути, отрицательный электрод – из соединений ртути с кадмием и твердым сульфатом кадмия.

Активация химического источника тока – завершающий процесс, при котором электрохимически активные компоненты химического источника тока приводятся в рабочее состояние, обеспечивающее отдачу электрической энергии.

Инактивированный химический источник тока – химический источник тока, в котором электрохимические компоненты не доведены до завершающей функциональной стадии и отдача электрической энергии невозможна.

Герметичный химический источник тока – полностью газонепроницаемый химический источник тока без устройства для выпуска газа.

Пластина ХИТ – электрод химического источника тока, состоящий из токоотвода и активного материала.

46

Пастированная пластина – пластина ХИТ, в которой активный материал в виде пасты нанесен на токоотвод.

Набор пластин ХИТ – совокупность пластин ХИТ одной полярности, соединенных друг с другом электрически.

Отрицательная пластина – часть химического источника тока, содержащая активный материал, в котором во время разряда протекает реакция окисления.

Положительная пластина – часть химического источника тока, содержащая активный материал, в котором во время разряда протекает реакция восстановления.

Трубчатая пластина – положительная пластина, состоящая из комплекта пористых трубок из перфорированного металла или футляра из сетчатой ткани с или без проходящего в центре токоотвода и активного материала, помещенного внутри трубок.

Блок пластин ХИТ – готовая сборочная единица из набора положительных и отрицательных пластин с проложенными между ними сепараторами, с или межэлементными соединениями

Пара пластин ХИТ – комплект из одной положительной пластины и одной отрицательной пластины, с сепаратором между ними, если он предусмотрен.

Прокладка ХИТ – деталь, изготовленная из изоляционного материала и предназначенная для поддержания зазора между пластинами ХИТ противоположной полярности или между блоком пластин ХИТ и аккумуляторным баком.

Сепаратор ХИТ – составная часть химического источника тока, изготовленная из ионопроницаемого материала и предотвращающая электрический контакт между пластинами противоположной полярности.

Клапан ХИТ – деталь химического источника тока, которая позволяет газу выходить только в одном направлении.

Аккумуляторный сосуд – сосуд химического источника тока, кроме цилиндрического, из материала с определенными свойствами.

Аккумуляторный бак – сосуд из электролитостойкого материала для размещения набора пластин ХИТ и электролита, одного аккумулятора или нескольких.

Аккумуляторная крышка – деталь с отверстиями, закрывающая аккумуляторный бак.

47

Герметизирующий компаунд – материал, используемый для герметизации в местах соединения аккумуляторной крышки с аккумуляторным баком и в выводах аккумулятора.

Моноблочная батарея – батарея, состоящая из нескольких отдельных, но электрически соединенных химических источников тока, каждый из которых состоит из блока электродов, электролита, выводов или соединителей и по мере необходимости сепараторов.

Аккумуляторный моноблок – аккумуляторный бак, разделенный на несколько отдельных камер.

Боковой изолятор – деталь, обеспечивающая изоляцию между блоком пластин ХИТ и стенками аккумуляторного бака.

Чехол ХИТ – частичная или полная внешняя оболочка для химического источника тока.

Электрод ХИТ – токоведущая составная часть, электрически соединенная с выводом ХИТ, на которой при контакте с электролитом происходит электродная реакция.

Вывод – токоведущая часть в электрической цепи, обеспечивающая электрическую связь с одним или несколькими внешними проводниками.

Защита вывода ХИТ – крышка из изолирующего материала, позволяющая предотвратить электрический контакт между выводами ХИТ.

Отрицательный вывод ХИТ – открытая проводящая часть, обеспечивающая связь отрицательного электрода ХИТ с внешней электрической цепью.

Положительный вывод ХИТ – открытая проводящая часть, обеспечивающая связь положительного электрода ХИТ с внешней электрической цепью.

Активная поверхность электрода ХИТ – поверхность между электролитом и электродом ХИТ, на которой происходит электродная реакция.

Анод ХИТ – электрод ХИТ, на котором обычно происходит реакция окисления.

Катод ХИТ – электрод ХИТ, на котором обычно происходит реакция восстановления.

Электролит – жидкая или твердая субстанция, содержащая подвижные ионы, которые обеспечивают ионную проводимость.

48

Капиллярное просачивание электролита – постепенное и медленное распространение пленки электролита на внешнюю поверхность отдельного химического источника тока или батареи ХИТ.

Удержание электролита – способность отдельного химического источника тока или батареи ХИТ удерживать электролит под влиянием определенных механических воздействий и условий окружающей среды.

Утечка – непредвиденная потеря материалов из отдельного химического источника тока или батареи ХИТ.

Активный материал – материал, вступающий в химическую реакцию для производства электрической энергии в химическом источнике тока при разряде.

Смесь активных материалов – смесь, состоящая из материала, вступающего в химическую реакцию, и других материалов химического источника тока для производства электрической энергии.

Батарейный поддон – контейнер для размещения одного или нескольких отдельных аккумуляторов или батарей ХИТ.

Выводной кабель – кабель, обеспечивающий электрическое соединение между выводами батареи ХИТ и зарядным устройством.

Перемычка – электрический проводник, используемый для передачи тока между составными частями химического источника тока в электрической цепи.

Призматический ХИТ – химический источник тока в форме параллелепипеда с прямоугольными сторонами.

Цилиндрический ХИТ – химический источник тока цилиндрической формы, общая высота которого больше или равна его диаметру.

Пуговичный элемент – химический источник тока цилиндрической формы, общая высота которого меньше его диаметра.

Электрохимическая реакция – химическая реакция, заключающаяся в окислении или в восстановлении химических компонентов с передачей электронов к или от активных материалов.

Электродная поляризация – разница между потенциалом электрода ХИТ при протекании тока и потенциалом электрода ХИТ без протекания тока.

Переполюсовка – изменение полярности электродов ХИТ, возникающее чаще всего при глубоком разряде источников тока с низкой емкостью при серийной сборке.

Кристаллическая поляризация – часть электродной поляризации, происходящая при формировании и росте ядер кристаллов.

49

Энергия поляризации – часть электродной поляризации, происходящая на этапе перехода заряда в реакцию на электроде ХИТ.

Анодная поляризация – электродная поляризация, обусловленная электрохимической реакцией окисления.

Катодная поляризация – электродная поляризация, обусловленная электрохимической реакцией восстановления.

Поляризация концентрации – часть электродной поляризации, происходящая при перепаде концентрации продуктов и реагентов на электроде ХИТ.

Омическая поляризация – часть электродной поляризации, происходящая при протекании тока через электрод ХИТ и электролит без учета внутреннего сопротивления.

Реакция поляризации – часть электродной поляризации, происходящая при химической реакции, тормозящей реакцию на электроде ХИТ.

Анодная реакция – реакция на электроде ХИТ, заключающаяся в электрохимическом окислении.

Катодная реакция – реакция на электроде ХИТ, заключающаяся в электрохимическом восстановлении.

Вторичная реакция – дополнительная и нежелательная реакция, происходящая в химическом источнике тока, который недостаточно отформирован и теряет емкость в течение срока службы из-за некачественного исполнения.

Емкость аккумулятора [элемента, батареи ХИТ] – электрический заряд, который аккумулятор [элемент, батарея ХИТ] может отдать в установленном режиме разряда.

Назначенная емкость батареи – значение емкости батареи ХИТ, определенное в установленных условиях и заявленное изготовителем.

Остаточная емкость ХИТ – емкость, оставшаяся в химическом источнике тока после разряда, использования или хранения в установленных условиях при испытании.

Объемная емкость – отношение емкости отдельного химического источника тока или батареи ХИТ к его (ее) объему.

Температурный коэффициент (для ёмкости) – расчет значения емкости химического источника тока в зависимости от значения температуры.

50