Глава 19. Химические источники тока

19.1. Общая характеристика химических источников тока

Любая электрохимическая цепь в принципе является источником электрического тока. Однако для практического использования в качестве источников тока пригодна лишь незначительная часть электрохимических элементов. Это связано с тем, что элемент должен обладать достаточно большой электрической емкостью, высокой скоростью и обратимостью электрохимических процессов, стабильностью при эксплуатации, технологичностью и экономичностью производства и т.д.

Все химические источники тока (ХИТ) делятся на три группы: источники тока одноразового действия(первичныеисточники,гальванические элементы),многоразового действия(вторичные источники, илиаккумуляторы) итопливные элементы.

В первичных ХИТ электродные материалы (активные массы) загружаются в элемент при изготовлении, и элемент эксплуатируется до тех пор, пока его напряжение не упадет до некоторого критического значения. Электродные материалы отработавших ХИТ идут в отходы или частично перерабатываются для регенерации компонентов.

В аккумуляторах электроактивные вещества образуются в ходе предварительного электролиза (заряд аккумулятора). В процессе эксплуатации они расходуются, (разряд аккумулятора), а напряжение аккумулятора снижается до некоторой предельно допустимой величины, после чего вновь проводят заряд. Процессы заряда и разряда образуютциклработы аккумулятора. Максимальное число циклов (обычно несколько сотен) зависит от типа аккумулятора и условий его эксплуатации.

Работа ХИТ характеризуется рядом параметров, от которых зависит возможность использования ХИТ для тех или иных целей.

ЭДСхимического источника тока, как и любой электрохимической цепи, определяется разностью потенциалов электродов (анода и катода) при разомкнутой внешней цепи.

Полным внутренним сопротивлением rХИТ называется сопротивление, оказываемое им при прохождении внутри него постоянного тока:

, (19.1)

где Е_п– ЭДС поляризации;I– сила тока.

Первое из этих слагаемых r_oназываетсяомическим сопротивлениеми представляет собой сумму сопротивлений электродов и электролита. Второе слагаемоеr_побусловлено изменением потенциалов электродов при прохождении тока и называетсясопротивлением поляризации, или фиктивным сопротивлением, его величина зависит от силы тока. В процессе разряда ХИТ полное внутреннее сопротивление увеличивается из-за изменения состава электролита и электродов (в первую очередь, их поверхностного слоя). Наличием внутреннего сопротивления обусловлено то, чторазрядное напряжение U_p(т.е. напряжение при замкнутой внешней цепи) всегда меньше ЭДС источника тока:

. (19.2)

(нижний индекс "р" обозначает разряд).

При постоянной силе тока и постоянной температуре электролита разрядное напряжение уменьшается во времени.

Зарядное напряжение U_зобратимых систем выражается уравнением:

. (19.3)

При постоянной силе зарядного тока зарядное напряжение увеличивается во времени вследствие увеличения Е_п. В конце заряда, когда идет в основном процесс электролиза воды, значениеU_зстабилизируется.

Разрядной емкостью(емкостью по току)Q_pназывается то количество электричества, которое может быть получено от ХИТ при данных условиях работы, т.е. при заданных температуре, силе разрядного тока и конечном значении разрядного напряжения.