Аккумуляторы

Химические источники тока делятся на источники тока одноразового действия (гальванические элементы) и многоразового действия (аккумуляторы). В аккумуляторах при пропускании через них тока от внешней цепи (заряжение) происходят химические изменения в электродах и растворах, близких к обратимым, и работа электрического тока аккумулируется (запасается) в форме свободной энергии продуктов реакции. Заряженный аккумулятор дает ток при разряжении, после чего вновь может быть заряжен.

Наиболее широко используют кислотный свинцовый, щелочной кадмиево-никелевый и щелочной серебряно-цинковый аккумуляторы.

СВИНЦОВЫЙ АККУМУЛЯТОР в заряженном состоянии представляет собой элемент

() Pb PbSO₄ H₂SO₄ (32-34 %) PbO₂ Pb (+) .

Здесь имеется два электрода второго рода: свинцово-сульфатный, обратимый по отношению к сульфат-ионам, и свинцово-диоксидный, обратимый по отношению к гидроксильным ионам, а следовательно, и к ионам водорода (как всякий металлоксидный электрод).

При работе аккумулятора протекают следующие электродные реакции:

на левом электроде (свинцово-сульфатном)

Pb + SO₄^2– PbSO₄ (т) + 2е ;

на правом электроде (свинцово-диоксидном)

PbO₂ (т) + 4H⁺ + SO₄^2– + 2e PbSO₄ (т) + 2H₂O .

Суммарная реакция в цепи

Pb + PbO₂ (т) + 4H⁺ + 2SO₄^2– 2 PbSO₄ (т) + 2H₂O ,

откуда ЭДС цепи равна

Е = Е_о + ln = Е_о + ln =

= Е_о + ln

При 25^оС Е = 2,04 + 0,059 lg .

В свинцовых аккумуляторах применяются концентрированные растворы серной кислоты, поэтому активность воды здесь не будет постоянной и ее нельзя включать в величину Е_о.

КАДМИЕВО-НИКЕЛЕВЫЙ АККУМУЛЯТОР в заряженном состоянии представляет собой электрохимический элемент

() Cd Cd(OH)₂ KOH (20%) KOH (20%)  Ni(OH)₂ , Ni(OH)₃ Ni (+)

Суммарная реакция в этом элементе

Cd + 2Ni(OH)₃ Cd(OH)₂ + 2Ni(OH)₂

Значение G для этой реакции не должно зависеть от концентрации щелочи, так как в суммарной реакции участвуют только твердые вещества. Однако реакции на электродах сопровождаются изменением концентрации щелочи и образованием разности концентраций у двух электродов:

Cd + 2OH^– Cd(OH)₂ + 2e

2Ni(OH)₃ + 2e 2Ni(OH)₂ + 2OH^–

Тем не менее, в результате естественного перемешивания в условиях близости электродов эта разность концентраций практически не возникает. ЭДС кадмиево-никелевого аккумулятора равна приблизительно 1,36 В.

ЖЕЛЕЗО-НИКЕЛЕВЫЙ АККУМУЛЯТОР. В этом щелочном аккумуляторе кадмий и окись кадмия заменены железом и закисью железа.

СЕРЕБРЯНО-ЦИНКОВЫЙ АККУМУЛЯТОР. Анодом является пористая цинковая пластинка, катодом  окислы серебра Ag₂O и AgO. Электролит  концентрированный раствор КОН, насыщенный цинкатом калия Zn(OK)₂. Заряженный аккумулятор может быть представлен в виде

() Zn Zn(OK)₂ , KOH (40%) AgO или Ag₂O Ag (+)

Суммарная реакция в этом элементе

AgO + Zn ZnO + Ag

Процесс идет в две стадии: AgO восстанавливается сначала до Ag₂O, затем  до металлического серебра. ЭДС элементов с катодом AgO равна 1,86 В, с катодом Ag₂O  1,58 – 1,60 В (при 25^оС). После разряда аккумулятора имеем

() Zn ZnO Zn(OK)₂ , KOH (40%) Ag (+)

В этих аккумуляторах, в отличие от свинцовых и щелочных, электролит в реакциях заряда и разряда не участвует, поэтому его количество можно быть очень мало. Это позволило создать аккумуляторы, имеющие очень эффективную конструкцию: электроды помещены вплотную друг к другу и разделены только тонким слоем целлофана. Весь электролит находится в порах электродов. Серебряно-цинковые аккумуляторы имеют большую емкость, высокую энергию и высокую мощность на единицу массы и объема. Они широко применяются там, где необходимы аккумуляторы небольшого размера.