8.4 Химические источники электрической энергии

Все химические источники электрической энергии подразделяются на источники однократного действия – элементы и многократного действия – аккумуляторы.

Элементы. Разработано довольно много вариантов элементов. Наиболее распространенным из них являются марганцево-цинковый элемент, в котором один электрод цинковый, другой – MnO₂, а электролитом является NH₄Cl. В процессе работы данного элемента протекают следующие реакции:

А) Zn – 2e = Zn²⁺, далее Zn²⁺ + 4NH₄⁺ = [Zn(NH₃)₄]²⁺ + 4H⁺,

К) MnO₂ + H⁺ + e = MnO(OH).

Реакция в растворе электролита

[Zn(NH₃)₄]²⁺ + 2H⁺ + 4Сl^– = [Zn(NH₃)₄] Сl₂ + 2HСl.

Суммарное уравнение

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

Аккумуляторы – устройства позволяющие многократно повторять операции зарядки и разрядки. Теоретически обратимым, после разрядки, может быть любой гальванический элемент, но восстановленная емкость для большинства гальванических элементов невелика.

Наилучшими эксплуатационными характеристиками обладают следующие аккумуляторы:

1) кислотные – свинцовые,

2) щелочные – никель-кадмиевые, железо-кадмиевые и серебряно-цинковые аккумуляторы.

Разберем химические процессы, протекающие в ходе работы данных аккумуляторов.

1 Свинцовый аккумулятор

Электроды свинцового аккумулятора выполнены в виде ячеистых пластин из свинцового сплава; ячейки заполнены смесью свинцового глета (PbO) с глицерином. После заполнения аккумулятора электролитом (H₂SO₄) оксид свинца превращается в сульфат. При зарядке протекает электролиз, а при разрядке работает гальванический элемент:

Зарядка аккумулятора:

А) PbSO₄ + 2H₂O – 2e = PbO₂ + SO₄^2– + 4H⁺ ,

К) PbSO₄ + 2e = Pb + SO₄^2–.

Разрядка аккумулятора:

А) Pb + SO₄^2– – 2e = PbSO₄ ,

К) PbO₂ + SO₄^2– + 4H⁺ + 2e = PbSO₄ + 2H₂O.

Суммарное уравнение:

разрядка ®

Pb + PbO₂ + 2H₂SO₄ = 2PbSO₄ + 2H₂O, ЭДС = 2,0 В.

¬ зарядка

При разрядке аккумулятора расходуется серная кислота и образуется вода с плотностью примерно в два раза меньшей, что приводит к уменьшению плотности электролита. На измерении плотности электролита основан один из методов контроля степени разрядки аккумулятора.

К основным преимуществам свинцового аккумулятора относятся большая электрическая емкость и устойчивость в работе при многократных циклах перезарядки. Основные недостатки – массивность и токсичность свинца и его соединений.

2 Кадмиево-никелевый аккумулятор (КН)

разряд ®

Cd + 2NiO(OH) = 2Ni(OH)₂ + Cd(OH)₂, ЭДС = 1,4 В.

¬ заряд

3 Железо-никелевый аккумулятор (ЖН)

разряд ®

Fе + 2NiO(OH) = 2Ni(OH)₂ + Fе(OH)₂ , ЭДС = 1,2 В.

¬ заряд

Аккумуляторы КН и ЖН являются щелочными, так как электролитом для них служит раствор КОН с небольшим количеством LiОН.

4 Серебряно-цинковый аккумулятор (СЦ)

разряд ®

AgO + Zn + H₂O = Ag + Zn(OH)₂. ЭДС =1,85 В.

¬ заряд

Вследствие большой удельной емкости и высокого значения ЭДС этот аккумулятор чаще всего применяется для питания различных микроэлектронных устройств.