Chemické zdroje proudu (zkráceně HIT) jsou zařízení, ve kterých se energie redoxní reakce přeměňuje na elektrickou energii. Jejich další názvy jsou elektrochemický článek, galvanický článek, elektrochemický článek. Princip jejich fungování je následující: v důsledku interakce dvou činidel dochází k chemické reakci s uvolněním energie ze stejnosměrného elektrického proudu. V jiných zdrojích proudu probíhá proces výroby elektřiny podle vícestupňového schématu. Nejprve se uvolní tepelná energie, poté se přemění na mechanickou energii a teprve poté na elektrickou energii. Výhodou HIT je jednostupňový proces, to znamená, že elektřina je získávána okamžitě a obchází fáze získávání tepelné a mechanické energie.
Historie
Jak se objevily první aktuální zdroje? Chemické zdroje se nazývají galvanické články na počest italského vědce z osmnáctého století - Luigiho Galvaniho. Byl to lékař, anatom, fyziolog a fyzik. Jeden z jejích směrůvýzkum byl výzkum reakcí zvířat na různé vnější vlivy. Chemický způsob výroby elektřiny objevil Galvani náhodou, při jednom z pokusů na žábách. K obnaženému nervu na žabí noze připojil dvě kovové destičky. To mělo za následek svalovou kontrakci. Galvaniho vlastní vysvětlení tohoto jevu bylo nesprávné. Ale výsledky jeho experimentů a pozorování pomohly jeho krajanovi Alessandru Voltovi v následných studiích.
Volta ve svých spisech nastínil teorii výskytu elektrického proudu v důsledku chemické reakce mezi dvěma kovy v kontaktu se svalovou tkání žáby. První zdroj chemického proudu vypadal jako nádoba s fyziologickým roztokem, v níž byly ponořeny pláty zinku a mědi.
HIT se začal v průmyslovém měřítku vyrábět v druhé polovině devatenáctého století díky Francouzovi Leclanche, který vynalezl primární manganovo-zinkový článek se solným elektrolytem, pojmenovaný po něm. O několik let později byl tento elektrochemický článek vylepšen jiným vědcem a byl jediným primárním chemickým zdrojem proudu až do roku 1940.
Design a princip fungování HIT
Zařízení chemických zdrojů proudu obsahuje dvě elektrody (vodiče prvního druhu) a mezi nimi umístěný elektrolyt (vodič druhého druhu, neboli iontový vodič). Na hranici mezi nimi vzniká elektronický potenciál. Elektroda, na které se oxiduje redukční činidlose nazývá anoda a ta, na které se redukuje oxidační činidlo, se nazývá katoda. Společně s elektrolytem tvoří elektrochemický systém.
Vedlejším produktem redoxní reakce mezi elektrodami je generování elektrického proudu. Během takové reakce je redukční činidlo oxidováno a předává elektrony oxidačnímu činidlu, které je přijímá a tím je redukováno. Nezbytnou podmínkou reakce je přítomnost elektrolytu mezi katodou a anodou. Pokud jednoduše smícháte prášky ze dvou různých kovů dohromady, neuvolní se žádná elektřina, veškerá energie se uvolní ve formě tepla. Pro zefektivnění procesu přenosu elektronů je zapotřebí elektrolyt. Nejčastěji se jedná o solný roztok nebo taveninu.
Elektrody vypadají jako kovové desky nebo mřížky. Když jsou ponořeny do elektrolytu, vzniká mezi nimi rozdíl elektrického potenciálu - napětí naprázdno. Anoda má tendenci elektrony darovat, zatímco katoda má tendenci je přijímat. Na jejich povrchu začínají chemické reakce. Zastaví se při otevření okruhu a také při spotřebování jednoho z činidel. Otevření okruhu nastane, když se odstraní jedna z elektrod nebo elektrolyt.
Složení elektrochemických systémů
Chemické zdroje proudu používají jako oxidační činidla kyseliny a soli obsahující kyslík, kyslík, halogenidy, vyšší oxidy kovů, nitroorganické sloučeniny atd. Kovy a jejich nižší oxidy, vodík jsou v nich redukční činidlaa uhlovodíkové sloučeniny. Jak se elektrolyty používají:
- Vodné roztoky kyselin, zásad, fyziologického roztoku atd.
- Nevodné roztoky s iontovou vodivostí, získané rozpuštěním solí v organických nebo anorganických rozpouštědlech.
- Tavené soli.
- Pevné sloučeniny s iontovou mřížkou, ve které je jeden z iontů pohyblivý.
- Matrixové elektrolyty. Jedná se o kapalné roztoky nebo taveniny umístěné v pórech pevného nevodivého tělesa - nosiče elektronů.
- iontoměničové elektrolyty. Jedná se o pevné sloučeniny s fixními ionogenními skupinami stejného znaménka. Ionty druhého znamení jsou pohyblivé. Tato vlastnost činí vodivost takového elektrolytu unipolární.
Galvanické baterie
Zdroje chemického proudu se skládají z galvanických článků - článků. Napětí v jednom z těchto článků je malé - od 0,5 do 4V. Podle potřeby se v HIT používá galvanická baterie skládající se z několika sériově zapojených článků. Někdy se používá paralelní nebo sériově paralelní zapojení více prvků. V sériovém obvodu jsou vždy zahrnuty pouze identické primární články nebo baterie. Musí mít stejné parametry: elektrochemický systém, provedení, technologickou variantu a standardní velikost. Pro paralelní připojení je přijatelné použít prvky různých velikostí.
Klasifikace HIT
Chemické zdroje proudu se liší v:
- size;
- designs;
- reagencie;
- povaha reakce tvořící energii.
Tyto parametry určují výkonnostní vlastnosti HIT vhodné pro konkrétní aplikaci.
Klasifikace elektrochemických prvků je založena na rozdílu v principu činnosti zařízení. V závislosti na těchto charakteristikách rozlišují:
- Primární zdroje chemického proudu jsou prvky na jedno použití. Mají určitou zásobu činidel, která se při reakci spotřebovává. Po úplném vybití takový článek ztrácí funkčnost. Jiným způsobem se primární HIT nazývají galvanické články. Bude správné je nazývat jednoduše - prvek. Nejjednoduššími příklady primárního zdroje energie jsou „baterie“A-A.
- Nabíjecí chemické zdroje proudu – baterie (nazývají se také sekundární, reverzibilní HIT) jsou opakovaně použitelné články. Průchodem proudu z vnějšího obvodu v opačném směru přes baterii se po úplném vybití spotřebovaná činidla regenerují a opět akumulují chemickou energii (nabíjení). Díky možnosti dobíjení z externího zdroje konstantního proudu je toto zařízení používáno dlouhodobě, s přestávkami na dobíjení. Proces výroby elektrické energie se nazývá vybíjení baterie. Mezi takové HIT patří baterie pro mnoho elektronických zařízení (notebooky, mobilní telefony atd.).
- Tepelné chemické zdroje proudu – kontinuální zařízení. Vv procesu jejich práce dochází k nepřetržitému toku nových porcí činidel a odstraňování reakčních produktů.
- Kombinované (polopalivové) galvanické články mají zásobu jednoho z činidel. Druhý je přiváděn do zařízení zvenčí. Životnost zařízení závisí na dodávce prvního činidla. Kombinované chemické zdroje elektrického proudu se používají jako baterie, pokud je možné obnovit jejich nabití průchodem proudu z externího zdroje.
- HIT obnovitelné dobíjecí mechanicky nebo chemicky. U nich je možné po úplném vybití vyměnit použité reagencie za nové porce. To znamená, že nejde o nepřetržitá zařízení, ale stejně jako baterie se pravidelně dobíjejí.
Funkce HIT
Mezi hlavní charakteristiky chemických zdrojů energie patří:
- Napětí naprázdno (ORC nebo vybíjecí napětí). Tento indikátor závisí především na zvoleném elektrochemickém systému (kombinace redukčního činidla, oxidačního činidla a elektrolytu). Také NRC je ovlivněno koncentrací elektrolytu, stupněm vybití, teplotou a dalšími. NRC závisí na hodnotě proudu procházejícího HIT.
- Síla.
- Vybíjecí proud – závisí na odporu externího obvodu.
- Kapacita – maximální množství elektřiny, které HIT vydá, když je zcela vybitý.
- Rezerva výkonu – maximální přijatá energie, když je zařízení zcela vybité.
- Energetické vlastnosti. U baterií se jedná především o garantovaný počet nabíjecích a vybíjecích cyklů bez snížení kapacity nebo nabíjecího napětí (zdroje).
- Provozní rozsah teplot.
- Skladovatelnost je maximální povolená doba mezi výrobou a prvním vybitím zařízení.
- Užitečná životnost – maximální přípustná celková doba skladování a provozu. U palivových článků záleží na nepřetržité a přerušované životnosti.
- Celková energie rozptýlená během životnosti.
- Mechanická odolnost proti vibracím, nárazům atd.
- Schopnost pracovat na jakékoli pozici.
- Spolehlivost.
- Snadná údržba.
Požadavky HIT
Konstrukce elektrochemických článků musí poskytovat podmínky vedoucí k nejúčinnější reakci. Tyto podmínky zahrnují:
- zabránit úniku proudu;
- dokonce i práce;
- mechanická pevnost (včetně těsnosti);
- separace činidel;
- dobrý kontakt mezi elektrodami a elektrolytem;
- ztráta proudu z reakční zóny do vnějšího terminálu s minimálními ztrátami.
Zdroje chemického proudu musí splňovat následující obecné požadavky:
- nejvyšší hodnoty konkrétních parametrů;
- maximální rozsah provozních teplot;
- největší napětí;
- minimální cenajednotky energie;
- stabilita napětí;
- bezpečnost nabíjení;
- security;
- snadná údržba a v ideálním případě ji není potřeba;
- dlouhá životnost.
HIT zneužívání
Hlavní výhodou primárních galvanických článků je, že nevyžadují žádnou údržbu. Než je začnete používat, stačí zkontrolovat vzhled, datum spotřeby. Při zapojování je důležité dodržet polaritu a zkontrolovat neporušenost kontaktů zařízení. Složitější chemické zdroje proudu – baterie, vyžadují vážnější péči. Účelem jejich údržby je maximalizovat jejich životnost. Péče o baterii je:
- udržovat čistotu;
- monitorování napětí naprázdno;
- udržování hladiny elektrolytu (k doplňování lze použít pouze destilovanou vodu);
- kontrola koncentrace elektrolytu (pomocí hustoměru - jednoduchého zařízení pro měření hustoty kapalin).
Při provozu galvanických článků musí být dodrženy všechny požadavky týkající se bezpečného používání elektrických spotřebičů.
Klasifikace HIT elektrochemickými systémy
Typy chemických zdrojů proudu v závislosti na systému:
- olovo (kyselina);
- nikl-kadmium, nikl-železo, nikl-zinek;
- mangan-zinek, měď-zinek, rtuť-zinek, chlorid zinečnatý;
- stříbro-zinek, stříbro-kadmium;
- vzduch-kov;
- nikl-vodík a stříbro-vodík;
- mangan-magnesium;
- lithium atd.
Moderní aplikace HIT
Chemické zdroje proudu se v současnosti používají v:
- vozidla;
- přenosné spotřebiče;
- vojenské a vesmírné technologie;
- vědecké vybavení;
- medicína (kardiostimulátory).
Obvyklé příklady HIT v každodenním životě:
- baterie (suché baterie);
- baterie pro přenosné domácí spotřebiče a elektroniku;
- nepřerušitelné zdroje napájení;
- autobaterie.
Obzvláště široce používané jsou lithiové chemické zdroje proudu. Je to proto, že lithium (Li) má nejvyšší specifickou energii. Faktem je, že má nejvíce negativní elektrodový potenciál ze všech ostatních kovů. Lithium-iontové baterie (LIA) jsou před všemi ostatními CPS, pokud jde o měrnou energii a provozní napětí. Nyní si postupně osvojují novou oblast – autodopravu. V budoucnu se vývoj vědců souvisejících se zlepšováním lithiových baterií posune směrem k ultratenkým konstrukcím a velkým bateriím pro velké zatížení.
