Характеристики химических источников тока

Источник тока	Электрохимическая система	U, В	C Втч/кг	N, Вт/кг
	Гальванические элементы				Тхр, годы
Марганцево-цинковые солевые	Zn|NH4C1,ZnCl2|MnO2(С)	1,4-1,6	20-60	20	1-3
Марганцево-цинковые щелочные	Zn|КОН|MnO2(С)	1,4-1,6	60-100	20	2-3
Ртутно-цинковые	Zn|КОН|HgO(С)	1,1-1,3	110-120	10	3-5
Литиевые неводные	Li|SOC12,LiAlCl4|(С)	2,6-3,2	300-450	50	3-5
	Аккумуляторы				Число циклов
Свинцовые кислотные	Рb|H2SO4|PbO2,Рb	1,8-2,0	25-40	100	300- 1000
Никель–кадмиевые	Cd|KOH|NiOOH,Ni	1,2-1,3	25-35	100	2000
Серебряно-цинковые	Zn|KOH|Ag2O,Ag	1,4-1,7	100-120	600	300-500
Никель–металлгидридный	МеН|KOH|NiOOH,Ni	1,2–1,3	40 – 70	-	500
	Топливные элементы				Ресурс, ч
Водородно-кислородные	(C,Ме)H2|КОН| O2(Ме,C)	0,8-0,9	-	30-60	1000-5000
Гидразино-кислородные	(C,Ме)N2H4|KOH| O2(Ме,C)	0,8-0,9	-	30-60	1000-2000

Примеры.1. Марганцево-цинковый элемент.

а) Сухой элемент Лекланше (Leclanche).

Катодом является смесь диоксида марганца и графитового порошка, окружающая графитовый токоотвод, электролитом – паста из хлорида аммония, хлорида цинка и воды, находящаяся в тонкостенном цинковом стаканчике, который, выполняя функции корпуса, служит также анодом. Активные материалы – цинк и двуокись марганца:

()ZnNH₄ClMnO₂,C(+)

анод ()(Zn) Zn Zn²⁺ + 2ē

2Zn²⁺+4NH₄Cl  [Zn(NH₃)₄]Cl₂+4H⁺+ZnCl₂

 2Zn + 4NH₄Cl  4ē + [Zn(NH₃)₄]Cl₂ + 4H⁺ + ZnCl₂

катод (+)(С) MnO₂+H⁺+ ē  MnO(OH)

Суммарное уравнение протекающей в системе реакции:

2Zn + 4NH₄Cl + 4MnO₂ + 4H⁺+4ē[Zn(NH₃)₄]Cl₂ + 4H⁺ + ZnCl₂+ + 4MnO(OH)+4ē

2Zn + 4NH₄Cl + 4MnO₂  [Zn(NH₃)₄]Cl₂ + ZnCl₂ + 4MnO(OH)

Электродвижущая сила Е = 1,65 В.

б) Щелочной марганцово-цинковый сухой элемент.

Отличается от сухого элемента Лекланше главным образом тем, что в качестве электролита используется щелочь – раствор гидроксида калия (КОН). Замена электролита приводит к существенному улучшению эксплуатационных характеристик, в частности увеличивается емкость и срок хранения.

()ZnКОНMnO₂,C(+)

анод ()(Zn) Zn + 4ОН^-  ZnО₂^2- + 2ē + 2H₂О

катод (+)(С) MnO₂+ H₂О + ē  MnO(OH) + ОН^-

Суммарное уравнение протекающей в системе реакции:

Zn + 4ОН^- + 2MnO₂ + 2H₂О + 2ē  ZnО₂^2- + 2ē + 2H₂О +

+ 2MnO(OH) + 2ОН^-

Zn + 2КОН+ 2MnO₂ К₂ZnО₂ + 2MnO(OH)

Электродвижущая сила Е = 1,65 В.

2. Свинцовый аккумулятор.

В ячеистые пластины свинца запрессован оксид свинца, который в процессе первичного заряда на одной пластине превращается в свинец, а на другой – в диоксид свинца. Электролит – серная кислота (32…39 %). Активные материалы – свинец и двуокись свинца.

()Pb|H₂SO₄|РbO₂, Pb(+)

Разряд аккумулятора:

анод () (Pb) Pb + SO₄^2-  PbSO₄ + 2ē

катод (+) (Pb) PbO₂ + 4H⁺+ SO₄^2- + 2ē  PbSO₄ + 2H₂О

Суммарное уравнение реакции, протекающей в системе при разряде:

Pb +SO₄^2-+PbO₂+4H⁺+ SO₄^2-+ 2ē  PbSO₄ + 2ē+ PbSO₄ +2H₂О

Pb + PbO₂ + 2H₂SO₄  2PbSO₄ + 2H₂О

Электродвижущая сила Е = 2,1 В.

Заряд аккумулятора. К электроду, который при разряде является анодом, подключается отрицательный полюс внешнего источника тока, к другому электроду – соответственно положительный. При напряжении внешнего источника больше, чем Е = 2,1 В, происходит электролиз. В результате протекания катодной и анодной реакций восстанавливаются активные материалы и электролит:

катод () PbSO₄ + 2ē  Pb + SO₄^2-

анод (+) PbSO₄ + 2H₂О  PbO₂ + 4H⁺+ SO₄^2- + 2ē

Суммарное уравнение реакции, протекающей в системе при заряде:

PbSO₄ + 2ē + PbSO₄ + 2H₂О  Pb + SO₄^2- + PbO₂ + 4H⁺+ +SO₄^2- + 2ē

2PbSO₄ + 2H₂О  Pb + PbO₂ + 2H₂SO₄

Примечание. Вследствие участия ионов H⁺ в окислительно-восстановительной реакции при разряде аккумулятора концентрация серной кислоты уменьшается, а при заряде растет. Степень разряда аккумулятора может быть оценена по концентрации серной кислоты (плотности электролита).

3. Никель-кадмиевый аккумулятор.

Активные материалы: кадмий и гидроксооксид никеля (III). Электролит – раствор щелочи (КОН).

Разряд аккумулятора:

анод () Cd + 2ОН^-  Cd(ОН)₂ + 2ē

катод (+) NiO(ОН) + H₂О + ē  Ni(ОН)₂ + ОН^-

Суммарное уравнение реакции, протекающей в системе при разряде:

Cd + 2ОН^- + 2NiO(ОН) + 2H₂О + 2ē  Cd(ОН)₂ + 2ē +

+ 2Ni(ОН)₂ + 2ОН^-

Cd + 2NiO(ОН) + 2H₂О  Cd(ОН)₂ + 2Ni(ОН)₂

Электродвижущая сила Е = 1,35 В.

Заряд аккумулятора:

катод () Ni(ОН)₂ + ОН^-  NiO(ОН) + H₂О + ē

анод (+) Cd(ОН)₂ + 2ē  Cd + 2ОН^-

Суммарное уравнение реакции протекающей в системе при заряде:

2Ni(ОН)₂ + 2ОН^- + Cd(ОН)₂ + 2ē  2NiO(ОН) + 2H₂О + 2ē+ + Cd + 2ОН^-

2Ni(ОН)₂ + Cd(ОН)₂  2NiO(ОН) + 2H₂О + Cd

4. Водородно-кислородный топливный элемент со щелочным электролитом (рис.1.12).

Рис. 1.12. Схема водородно-кислородного топливного элемента

со щелочным электролитом

Катод (Э_к) и анод (Э_а) изготовлены из пористого углерода и содержат катализатор (металлы платиновой группы). Между электродами находится электролит – водный раствор КОН (30–40%). Через поры газы попадают на поверхность электродов, контактирующую с электролитом, образуя гальванический элемент: Э_к,H₂КОНO₂,Э_а. При замыкании внешней цепи электроны будут перетекать с анода на катод, соответственно на поверхности электродов будут протекать реакции:

анод () H₂ + 2ОН^-  2H₂О + 2ē

катод (+) O₂ + 2H₂О + 4ē  4ОН^-

Суммарное уравнение реакции, протекающей в водородно-кислородном топливном элементе:

2H₂ + 4ОН^- + O₂ + 2H₂О + 4ē  4H₂О + 4ē + 4ОН^-

2H₂ + O₂  2H₂О

ЭДС кислородно-водородного топливного элемента Е=1,23 В.

Примечание. Химические источники тока могут быть соединены в батареи: последовательно для увеличения напряжения или параллельно для увеличения тока.