Лекция 7. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОХИМИИ

Понятия и основные законы

Реакции, протекающие за счет подведенной извне электрической энергии или же, наоборот, служащие источником ее получения, называются ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИМИ РЕАКЦИЯМИ.

ЭЛЕКТРОХИМИЯ занимается исследованием закономерностей, связанных со взаимным превращением химической и электрической форм энергии.

Для осуществления электрохимической реакции необходима некоторая система – ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ ЦЕПЬ.

Общая схема электрохимической цепи, в которой протекает реакция

X^z + Y^z' = X^z-1 + Y^z'+1

Существенные элементы такой системы:

1) два электрода, состоящие из электронопроводящих материалов (металла, графита и т.п.), контактирующих с ионными проводниками (электролитами);

ЭЛЕКТРОД ДОЛЖЕН:

1. ПРОВОДИТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСТВО,

2. СОДЕРЖАТЬ АТОМЫ, КОТОРЫЕ ИЗМЕНЯЮТ СВОЮ СТЕПЕНЬ ОКИСЛЕНИЯ.

2) металлический проводник (проводник I рода), соединяющий электроды и обеспечивающий прохождение электрического тока между ними, он представляет собой внешнюю цепь;

3) раствор электролита, его расплав или твердый электролит (проводники II рода), эта часть системы есть внутренняя цепь.

Электрохимическая цепь работает как химический источник тока (гальванический элемент), если в ней электрический ток возникает в результате самопроизвольно идущей реакции.

При помощи электрохимической цепи и внешнего источника тока можно осуществить различные химические превращения веществ. Такая цепь работает как электролизер.

МЕЖДУ МЕТАЛЛОМ И ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ (т.е. на границе раздела электроно- и ионопроводящих фаз) ВОЗНИКАЕТ ОПРЕДЕЛЕННАЯ РАЗНОСТЬ ПОТЕНЦИАЛОВ, КОТОРУЮ НАЗЫВАЮТ ЭЛЕКТРОДНЫМ ПОТЕНЦИАЛОМ МЕТАЛЛА.

ЭЛЕКТРОДНЫЙ ПОТЕНЦИАЛ может принимать:

1. ПОЛОЖИТЕЛЬНОЕ ЗНАЧЕНИЕ, если металлические ионы получают электроны от электрода, образуют атомы металла, и электрод заряжается положительно.

Me²⁺_(ж) + 2 ē → Me_(т)

2. ОТРИЦАТЕЛЬНОЕ ЗНАЧЕНИЕ, если металл электрода окисляется, растворяется, образуются положительно заряженные ионы металла (катионы); излишек электронов остается на поверхности электрода, и электрод заряжается отрицательно.

Me_(т) → Me²⁺_(ж) + 2 ē

ГАЛЬВАНИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ – УСТРОЙСТВО, где в результате окислительно-восстановительной реакции возникает электрический ток.

Элемент Вольта — первый гальванический элемент - был создан в 1799 г. физиком Вольта.

Схема http://ru.wikipedia.org

Вольтов столб— применявшееся на заре электротехники (1800) устройство для получения электричества.

Zn ↔ Zn²⁺ + 2 ē окисление

2 H⁺ + 2 ē = H₂↑ восстановление

В 1800 году итальянский учёный Алессандро Вольта опустил в банку с кислотой две пластинки — цинковую и медную — и соединил их проволокой. После этого цинковая пластина начала растворяться, а на медной стали выделяться пузырьки газа. Вольта предположил и показал, что по проволоке протекает электрический ток.

Для удобства Вольта придал ему форму вертикального цилиндра (столба), состоящего из соединённых между собой колец цинка, меди и сукна, пропитанных кислотой.

Вольтов столб высотою в полметра развивал напряжение, чувствительное для человека.

В 1803 русский физик Василий Петров создал самый мощный в мире вольтов столб, составленный из 4 200 медных и цинковых кругов и развивающий напряжение до 2 500 вольт. С помощью этого прибора ему удалось открыть такое важное явление, как электрическая дуга, применяемая в электросварке; а в Российской армии стал применяться электрический запал пороха и взрывчатки.

Элемент ДАНИЭЛЯ – ЯКОБИ

или медно-цинковый элемент

SO₄^2-

НА ОТРИЦАТЕЛЬНОМ НА ПОЛОЖИТЕЛЬНОМ ЭЛЕКТРОДЕ, АНОДЕ: ЭЛЕКТРОДЕ, КАТОДЕ:

Мет. цинк окисляется, Катионы меди Cu²⁺ ионы Zn²⁺ восстанавливаются;

переходят в раствор: осаждение меди:

Zn ↔ Zn²⁺ + 2 ē Cu²⁺ + 2 ē = Cu

(окисление) (восстановление)

Электрод, на котором происходит ОКИСЛЕНИЕ, является анодом,

а ВОССТАНОВЛЕНИЕ – катодом.

Электрохимические ячейки часто представляют схематически, обозначая границу между электродом и электролитом вертикальной чертой (|), а солевой мостик – двумя черточками (||).

СХЕМА ЭЛЕМЕНТА:

(-) Zn│ ZnSO₄ ║ CuSO₄│ Cu (+)

В элементе протекает суммарная окислительно-восстановительная реакция:

Cu²⁺_(ж) + Zn_(т) = Cu _(т) + Zn²⁺_(ж)

Разность равновесных потенциалов двух электродов, из которых составлен гальванический элемент, представляет собой его электродвижущую силу (э.д.с.).

В общем виде, э.д.с. гальванического элемента:

E = E_катода – E_анода

Э.д.с. гальванического элемента Даниэля:

E = E_Cu2+/Cu - E_Zn2+/Zn = E_Cu - E_Zn

E° = E_Cu°- E_Zn° = 0,34 – (-0,76) = 1,1 В

СТАНДАРТНЫЙ ПОТЕНЦИАЛ (Е^°) – это э.д.с. гальванического элемента, составленного из водородного электрода и исследуемого электрода.

Схема стандартного водородного электрода:

www.wikipedia.org

1. платиновый электрод

2. подводимый газообразный водород

3. раствор кислоты (обычно HCl), С_H+ = 1моль/л

4. водяной затвор,

5. электролитический мост (состоящий из концентрированного р-ра KCl).

По договоренности, э.д.с. стандартного водородного электрода принимается равной 0 (Е_Н+° = 0,00 В)

Потенциалы других электродов, измеренные относительно водородного электрода в стандартном состоянии называют стандартными окислительно-восстановительными потенциалами (E⁰ или e⁰, В) или стандартными потенциалами.

Стандартные условия: 25 °C (298,15 K)

Электролит – раствор 1 M HCl (H⁺, 1 M)

Давление водорода 1 атм

Концентрация ионов Meⁿ⁺ составляет 1 M

На поверхности платины, Pt:

2 H⁺_(ж) + 2 ē ↔ H_2(г)

Zn_(тв) ↔ Zn²⁺_(ж) + 2 ē

СХЕМА ЭЛЕМЕНТА:

(-) Zn│1 М Zn²⁺║ Н⁺│H₂ (1 atm)│Pt_(тв) (+)

Если [Zn²⁺] = 1 моль/дм³, то E_Zn = E_Zn°

СТАНДАРТНЫЕ ЭЛЕКТРОДНЫЕ ПОТЕНЦИАЛЫ

Вещество	E◦, V	Вещество	E◦, V
Li	-3,04	Ni	-0,25
K	-2,92	Sn	-0,14
Ca	-2,87	Pb	-0,13
Na	-2,71	2 H+ + 2 ē	0,00
G	-2,38	Cu	0,34
Al	-1,66	Ag	0,80
Zn	-0,76	Au	1,50
Fe	-0,44	Ce4+ + 2 ē	1,61
Cr	-0,41

Электродвижущая сила гальванического элемента, в котором реакция протекает самопроизвольно, есть величина положительная и Е_k > Е_a,

то есть электрод, на котором совершается процесс восстановления, имеет более положительный потенциал, чем электрод, на котором идет процесс окисления.

H:\YKI3030_09\Galvanic_serie.doc

Гальваническая серия сплавов металлов в морской воде

Most cathodic, noble, or resistant to corrosion

Platinum

Gold

Graphite

Titanium

Silver

/ Chlorimet 3

\ Hastelloy C

/ 18-8 Mo stainless steel (passive)

| 18-8 stainless steel (passive)

\ Chromium steel >11 % Cr (passive)

/ Inconel (passive)

\ Nickel (passive)

/ Silver solder

| Monel

| Bronzes

| Copper

\  Brasses

/ Chlorimet 2

\ Hastelloy B

/ Inconel (active)

\ Nickel (active)

Tin

Lead

Lead-tin solders

/ 18-8 Mo stainless steel (active)

\ 18-8 stainless steel (active)

Ni-resist

Chromium steel >11 % Cr (active)

/ Cast iron

\ Steel or iron

2024 Aluminum

Cadmium

Commercially pure aluminium

Zinc

Magnesium and its alloys

Most anodic or easy to corrode

Гальваническая серия сплавов металлов в морской воде

Катод, (nobel) устойчивый к коррозии

платина

золото

графит

титан

серебро

/ хлоримет 3

\ хастеллой C

/ 18-8 Mo нерж.сталь (пассивир.)

| 18-8 нерж.сталь (пассивир.)

\ хромистая сталь >11 % Cr (пассивир.)

/ инконель (пассивир.) ( 73%Ni, 15%Cr, 3,5%Ti, 1,5%Nb)

\ никель (пассивир.)/ серебряный припой

| монель ( 66%Ni, 30%Cu, 3,5%Al, 1,5%Fe)

| бронзы

| медь

\  латуни

/ хлоримет 2 (63%Ni, 3%Cr, 32%Mo)

\ хастеллой B

/ инконель (актив.)

\ никель (актив.)

олово

свинец

свинцово-оловянный припой / 18-8 Mo нерж.сталь (актив.)

\ 18-8 нерж.сталь (актив.)

Ni-resist (аустенитные стали)

Хромистые (ферритные) стали >11 % Cr (актив.)

/ чугун

\ сталь или железо

2024 Алюминий

кадмий

чистый алюминий

цинк

магний и сплавы Mg

Анод; легко корродирует

УРАВНЕНИЕ НЕРНСТА (1889г.)

Электродный потенциал Е зависит от концентрации окисленной и восстановленной форм в растворе и температуры и связан с ними и стандартным потенциалом E° уравнением Нернста:

,

где R – 8,314 Дж/(моль·К), универсальная газовая постоянная,

T – температура, К,

n – число электронов в электродной полуреакции,

F – число Фарадея, 96485 Кл/моль.

При Т = 298 К

Химический источник тока (ХИТ) — источник тока, в котором энергия протекающих в нём химических реакций непосредственно превращается в электрическую энергию.

Классификация ХИТ

Элементы первого рода, или гальванические элементы - это одноразовые батареи, которые производят электроэнергию за счет химических реакций, в результате которых анод, катод и электролит претерпевают необратимые изменения.

Перезарядка таких батарей невозможна или очень нерациональна.

Элементы второго рода чаще называют аккумуляторами. Это значит, что они могут заряжаться, если к электродам подключить источник постоянного тока.

Химические реакции, протекающие в аккумуляторах, являются обратимыми.

Батареи второго рода не производят, а лишь сохраняют энергию.

Топливные элементы - электрохимические генераторы - относятся к первичным элементам, но конструктивно выполняются так, что активные вещества подаются, а продукты реакции отводятся по мере работы элемента.

Топливные элементы нуждаются в различных вспомогательных системах, обеспечивающих подготовку и подвод реагентов, отвод продуктов реакции, поддержание теплового режима, хранилище активных веществ.

Параметры ХИТ:

1) напряжение разомкнутой цепи. Если величина напряжения недостаточна, то проводится оценка количества последовательно включенных элементов в батарею, необходимого для получения требуемого напряжения;

Например, в 9-вольтовой батарейке обычно объединены 6 элементов с э.д.с. 1,5 В:

2) емкость батареи электропитания в ампер-часах равна произведению предельного тока на продолжительность разрядки.

3) удельная емкость, то есть количество электрической энергии (обычно в ампер-часах) на единицу веса или объема ХИТ;

4) удельная мощность, то есть произведение силы тока на напряжение, отнесенное к единице веса или объема ХИТ;

5) срок годности;

6) величина саморазряда, обусловленного наличием побочных электрохимических процессов на электродах, приводящих к расходованию активных масс (коррозия) и потере удельной емкости ХИТ;

7) стоимость.

Элемент ЛЕКЛАНШЕ, СУХОЙ элемент

СОЛЕВАЯ батарейка

Первыми серийно выпускаемыми элементами питания стали именно сухие. И поныне они являются самыми распространенными в мире.

Одна лишь компания Energizer продает более 6 миллиардов таких батарей ежегодно.

Они имеют самую низкую удельную емкость из всех "массовых" типов, но дешевы.

Основные типы сухих элементов:

• цинк-хлоридные,

• марганцево-цинковые батареи (элементы Лекланше),

• щелочные

Марганцево-цинковый: электролит - смесь хлорида аммония и хлорида цинка, разбавленная водой.

Цинк-хлоридный: электролит почти на 100% представляет собой хлорид цинка.

Различие в номинальном напряжении у них минимально: 1,55В и 1,6В соответственно.

Цинк-хлоридные имеют большую емкость по сравнению с элементами Лекланше, но это преимущество пропадает при малой нагрузке. Поэтому на них часто пишут "heavy-duty", то есть элементы с повышенной мощностью.

У ГОЛЬНЫЙ СТЕРЖЕНЬ -

КАТОДНЫЙ ТОКОСЪЕМНИК

КАТОД – СМЕСЬ ПИРОЛЮЗИТА (MnO₂) С УГЛЕМ, ПРОПИТАННЫМ ЭЛЕКТРОЛИТОМ – ВОДНЫМ РАСТВОРОМ NH₄OH+NH₄Cl ИЛИ ZnCl₂ И ЗАГУСТИТЕЛЕМ.

АНОД – ЦИНКОВЫЙ СТАКАНЧИК (Zn)

Полуреакции ячейки Лекланше:

Zn_(s) → Zn²⁺_(aq) + 2ē

E^o = -0,76 B

2MnO_2(s) + H₂O + 2ē → Mn₂O_3(s) + 2OH^-_(aq)

E^o = +0,32 B

Цинк окисляется до Zn²⁺ ионов

Ионы Mn(IV) восстанавливаются до Mn(III) во время разрядки батарейки

Суммарная реакция во время разрядки:

Zn_(s) + 2MnO_2(s) + H₂O → Mn₂O_3(s) + Zn(OH)_2(s)

Стандартный окислительно-восстановительный потенциал элемента:

E^o_cell = E^o_catode - E^o_anode

E^o_cell = 0.32 – (-0.76) = 1.08 B

На практике разность потенциалов составляет 1,55 В из-за того, что концентрации ионов в элементе не являются стандартными.

Щелочной элемент

Alcaline

При замене хлористого аммония на щелочь (KOH) удается значительно снизить саморазряд элемента и повысить срок его годности.

В зависимости от области применения, щелочные батарейки могут прослужить в 4-5 раз дольше, чем обычные угольно-цинковые.

В конструкции различия существенны. Можно сказать, что щелочная батарея это сухой элемент, „вывернутый наизнанку”.

АНОД – внутренний цилиндр - желеобразная смесь цинкового порошка вперемешку с электролитом (водным раствором гидроксида калия, KOH).

КАТОД –паста из MnO₂ и маленьких частиц графита (С) - окружает анод и электролит. Он отделяется от анода слоем нетканого материала (полиэстер).

Внешний корпус не является анодом, это просто защитная оболочка.

На аноде: Zn + 2OH^– → ZnO + H₂O + 2e^–

На катоде: 2MnO₂+H₂O+2e^–→ Mn₂O₃+2OH^–

Элемент не является перезаряжаемым! Если солевую или щелочную батарейку поставить в зарядное устройство, то она будет вести себя не как аккумулятор, а как резистор – начнет нагреваться. Если ее оттуда вовремя не вынуть, то она нагреется достаточно сильно, чтобы взорваться.

СРЕДНИЙ СРОК СЛУЖБЫ СТАКАНЧИКОВЫХ ЭХГ
Тип	Применение		Особенности
	карманный фонарь, мин	радиоприемник, ч
Лекланше	250	85	Для нормальных условий работы
Цинкхлоридный	730	135	Для жестких и сверхжестких условий работы
Марганцево-цинковый	1500	250	Щелочной

АККУМУЛЯТОРЫ

Характеризуется как источник и потребитель электрического тока c поочередной работой в режиме заряда-разряда.

Основной показатель - номинальная емкость батареи (А(Ампер)-час), т.е. количество электричества, которое отдает полностью заряженная батарея.

Другой показатель для заряженной батареи - напряжение на клеммах (В). Если номинальное напряжения первичной ячейки аккумулятора равно 2 В, то номинальное напряжение батареи U_ном = (число последовательно соединенных элементов) х 2

Аккумуляторы подразделяются на:

• Кислотные

• Щелочные.

СВИНЦОВЫЙ АККУМУЛЯТОР (КИСЛОТНЫЙ) или СТАРТЕРНЫЙ АВТОМОБИЛЬНЫЙ АККУМУЛЯТОР

http://www.akb-service.ru/

Электролит – раствор серной кислоты,

ρ_H2SO4 = 1,18 – 1,27 g/cm³ (28 – 30%)

РЕЖИМ РАЗРЯДКИ:

- пластина(губчатый свинец, Pb):

Pb_(т) + SO_4(ж)^2- → PbSO_4(т) + 2 ē

Pb → Pb²⁺ + 2 ē окисление свинца

E° = - 0,36 V

+ пластина (оксид свинца, PbO₂):

PbO_2(т) + 4 H_(ж)⁺ + SO_4(ж)^2-+ 2 ē → →PbSO_4(т) + 2 H₂O_(ж)

Pb^IV + 2 ē → Pb^II восстановление

E° = +1,69 V

При разрядке аккумулятора на электродах образуется труднорастворимый сульфат свинца, (PbSO₄), а концентрация серной кислоты понижается.

СУММАРНО:

Pb_(тв) + PbO_2(тв) + 2 H₂SO_4(ж) → → 2 PbSO_4(тв) + 2 H₂O_(ж)

Каждый элемент свинцовой аккумуляторной батареи дает э.д.с. при стандартной температуре и давлении

E° = 1,69 – (- 0,36) = 2,05 V

Свинцово-кислотные аккумуляторы разделяют на четыре основные группы:

• стартерные,

• стационарные,

• тяговые,

• портативные (герметизированные), для UPS-ов (Uninterruptible Power Supply).

В автомобилях используются стартерные свинцово-кислотные батареи. Такие батареи способны кратковременно отдавать ток большой величины за несколько секунд, что необходимо при пуске двигателя стартером.

В последние годы в основном используются аккумуляторы, не требующие ухода.

Для этого применяют т.н. связанный электролит, который внутри имеет поры, позволяющие ионам водорода и кислорода свободно перемещаться от одного электрода к другому. Основные способы связывания электролитов — это применение пропитанного жидким электролитом пористого заполнителя (технология Absorptive Glass Mat — AGM) или использование гелеобразного электролита (технологии Dryfit и Gelled Electrolite — GEL). Герметичные аккумуляторы снабжаются клапанами для сброса избыточного давления.

К недостаткам кислотных аккумуляторов относят невысокие удельную энергию, плохую сохранность заряда, выделение водорода.

В ЩЕЛОЧНЫХ АККУМУЛЯТОРАХ электролитом служит раствор щелочи (КОН, NaOH).

Наиболее распостранены щелочные

• никель-кадмиевые НК

• никель-железные НЖ

• Никель-металлогидридные аккумуляторы (Ni-MH). значительно меньше

• серебряно-цинковые

• серебрянно-кадмиевые аккумуляторы.

Все батареи предназначены для многократного глубого заряда-разряда.

Никель-кадмиевый аккумулятор

(Ni-Cd)

Положительный электрод (катод) содержит оксид-гидрооксид никеля NiOOH с графитовым порошком (5-8%), а отрицательный (анод) — металлический кадмий Cd в виде порошка.

Аккумуляторы этого типа часто называют рулонными, так как электроды скатаны в цилиндр (рулон) вместе с разделяющим слоем, помещены в металлический корпус и залиты электролитом. Разделитель (сепаратор), увлажненный электролитом, изолирует пластины друг от друга. Он изготавливается из нетканого материала, который должен быть устойчив к воздействию щелочи. Электролитом чаще всего выступает гидроксид калия KOH с добавкой гидроксида лития LiOH, способствующего образованию никелатов лития и увеличения емкости на 20%.

На аноде: Cd (тв) + 2OH^– (ж) → Cd(OH)₂ (тв) + 2e^–

На катоде: 2Ni^IIIO(OH) (тв) + 2H₂O (ж) + 2e^– → 2Ni^II(OH)₂ (тв) + 2OH^– (ж)

Суммарное уравнение разряда для никель-кадмиевого аккумулятора:

2 NiOOH + Cd + 2 H₂O ↔ 2 Ni(OH)₂ + Cd(OH)₂

Напряжение на клеммах 1,2 В

Преимущества:

• дает относительно сильный ток, почему используется, например, в аккумуляторных рабочих инструментах,

• возможность быстрого и простого заряда, даже после длительного хранения аккумулятора; • большое количество циклов заряд/разряд: при правильной эксплуатации - более 1000 циклов; • хорошая нагрузочная способность и возможность эксплуатации при низких температурах; • продолжительные сроки хранения при любой степени заряда.

Недостатки: токсичность кадмия; эффект „памяти".

http://www.ixbt.com/mobile/accumulators-mem.shtml

Никель-металлoгидридный аккумулятор (NiMH)

Анодом служит сплав никеля с каким-то другим металлом (La, Li); сплав в целом обозначают буквой М. Такой материал позволяет в пустотах кристаллической решетки сохранять атомы водорода (Н).

Катодом является смесь основного оксида и гидроксида никеля.

Напряжение на клеммах около 1,2 В.

Использовались в мобильных телефонах старых типов. В продаже имеются NiMH аккумуляторы типоразмера стандартной батарейки (АА и пр.), которые в последнее время в этой области вытеснили NiCd аккумуляторы.

Преимущества: большая удельная емкость, относительно легкие, менее токсичны по сравнению с NiCd аккумулятором.

Недостатки: относительно быстрый саморазряд; дороже вышеназванных аккумуляторов.

Рекомендации по зарядке Ni-Cd и Ni-MH аккумуляторов:

• заряжайте только полностью разряженные аккумуляторы;

• не следует помещать заряженный аккумулятор на дополнительную подзарядку, так как это значительно сокращает срок его использования;

• не рекомендуется извлекать из зарядного устройства недозаряженный аккумулятор;

• не следует оставлять Ni-Cd и Ni-MH аккумуляторы в ЗУ после окончания заряда надолго, так как зарядное устройство и после полного заряда продолжает их заряжать, но только значительно меньшим током. Длительное нахождение Ni-Cd- и Ni-MH аккумуляторов в ЗУ приводит к их перезаряду и ухудшению параметров;

• перед зарядкой аккумуляторы должны быть комнатной температуры. Наиболее эффективна зарядка при температуре окружающей среды от +10°С до +25°С.

Хранить Ni-MH аккумуляторы нужно в сухом прохладном месте при температуре немного ниже комнатной, заряженным на 40%. Раз в 1-2 месяца следует проводить дозаряд, разряд и снова заряд на 30-60% емкости. Допустимо хранение сроком до 5-ти лет.

Литий-ионные аккумуляторы

Литий является химически самым активным металлом и используется именно в самых компактных системах для мобильной техники. Литиевые катоды используются практически во всех батареях с большой емкостью. Эти батареи имеют самое высокое номинальное напряжение. В зависимости от катода, литий-содержащие элементы имеют выходное напряжение от 1,5 В до 3,6 В!

В литий-ионных элементах ионы лития связаны молекулами других материалов. Типичный Li-Ion-аккумулятор имеет угольный анод и катод из литийкобальтдиоксида, LiCoO₂, или оксида лития-марганца. Литий-кобальтовые пластины служат дольше, а литий-марганцевые значительно дешевле. Электролит в своей основе имеет раствор солей лития.

Наиболее продвинутая технология, используемая сегодня при создании аккумуляторов - ЛИТИЙ-ПОЛИМЕРНАЯ.

Главным преимуществом литий-полимерных батарей является отсутствие жидкого электролита. Анод отделен от катода полимерной перегородкой, композитным материалом, таким как полиакрилонитрит, который содержит литиевую соль.

Обычными формами упаковки для литий-полимерных элементов являются плоские пластины или бруски

(призматический корпус).

При разрядке и заряде ионы лития Li⁺ перемещаются через разделительный слой с одного электрода на другой.

На аноде: Li_x/графит → Li⁺ + e^– + Li_x-1/графит

На катоде: Li⁺ + e^– + Li_1-xCoO₂ → Li_xCoO₂

При разряде аккумулятора на положительном электроде происходит интеркаляция лития в оксид и деинтеркаляция из углеродного материала на отрицательном. Таким образом, процессы заряда-разряда сводятся к переносу ионов лития с одного электрода на другой, отсюда и название "литий-ионные" аккумуляторы.

Один элемент Li-ионного аккумулятора дает на клеммах напряжение 3,7 В, поэтому во многих приложениях достаточно одного единственного элемента. Примерно такое же напряжение вырабатывают три NiCd или NiMH элемента.

www.howstuffworks.com

Преимущества литиевого аккумулятора: легкий; не содержит токсичных материалов; отсутствует эффект »памяти»; большая удельная емкость по сравнению с ранее рассмотренными элементами.

Недостатки: дорогой; литий и его соединения – агрессивные вещества; т ребуется электронное устройство контроля внутри аккумулятора от перезарядки; бракованные аккумуляторы могут взрываться.

ТОПЛИВНЫЕ элементы

Топливные элементы представляют собой специализированные химические реакторы, предназначенные для прямого преобразования энергии, высвобождающейся в ходе реакции окисления топлива, в электрическую энергию.

Топливные элементы питания - электрохимические элементы, требующие в процессе работы постоянного расходования электродного вещества.

Принципиальные отличия от гальванических батарей:

Во-первых, в топливных элементах используются не расходуемые в процессе работы электроды,

во-вторых, необходимые для проведения реакции вещества подаются извне, а не закладываются внутрь элемента изначально

Теория топливных элементов была разработана в 1839 году английским ученым Вильямом Гроувом,

в 60-х годах ХХ века НАСА начало использовать топливные элементы в космосе.

Принцип действия топливного аккумулятора на примере элемента на кислороде и водороде. В таком элементе происходит поглощение водорода и кислорода в присутствии щелочного раствора.

Кислород и водород поступают в элемент сквозь пористые угольные электроды, а электродные реакции описываются уравнениями:

 

В результате окислительно-восстановительных необратимых реакций образуется вода.

Реакция окисления-восстановления происходит она не на электродах, а в топливе. Масса электродов в процессе работы никогда не меняется, а топливо служит в качестве источника свободных электронов.

Технология топливных батарей на метаноле (Direct Methanol Fuel Cell, DMFC) - самая перспективная технология топливных элементов в настоящее время.

Топливо - метиловый спирт, или метанол (CH₃OH).

На аноде топливного элемента, выполненного из пластинчатого углерода, происходит реакция окисления метанола, в результате которой образуются электроны, необходимые для создания постоянного тока. Побочными продуктами реакции окисления являются углекислый газ и протоны (H⁺):

 CH₃OH + H₂O → CO₂ + 6H⁺ + 6ē

На катоде из пластинчатого углерода происходит реакция восстановления кислорода воздуха, в результате которой образуется вода:

 

В DMFC-топливном элементе окислительная и восстановительная реакции физически разделены с помощью ионной полимерной мембраны (Polymer Electrolyte Membrane, PEM), пропускающей протоны от анода к катоду. Структурная схема DMFC-топливного элемента:

В метаноловом топливном элементе метанол разлагается на углекислый газ и воду:

Типичная схема DMFC-элемента содержит несколько субкомпонентов, таких как картридж с топливом, датчик метанола, насос для обеспечения циркуляции топлива, воздушный насос, теплообменник и т.д