Классификация химического источника тока

Аккумуляторы, батарейки и другие гальванические приборы – все это относится к категории «химический источник тока». В них химическая энергия преобразуется в энергию электрическую. Процесс не самый простой, но и не очень сложный. Здесь важно правильно подобрать элементы, одни из которых будут участвовать в процессе окисления, другие в процессе восстановления. Как это происходит, что для этого нужно, расскажем ниже.

Принцип работы химического источника тока

Для того чтобы химический источник электрической энергии работал, нужен один или несколько гальванических элемента. Последний состоит из двух электродов, которые разделены электролитом – это жидкость или сухой материал, проводящий ток.

Материалы для изготовления электродов – проводники первого рода, которые обладают электронной проводимостью. Материалы для электролитов – проводники второго рода, которые обладают ионной проводимостью. Именно на границе двух родов проводников происходят токообразующие процессы, они же электродные. Здесь же зарождается разница потенциалов.

Токообразующие реакции – это процессы окисления или восстановления. Поэтому на электроде, где происходит окисление восстановителей, называется анодом. А на том, где происходит реакция восстановления окислителей – катодом. Восстановителями называются вещества, которые электроны отдают. Окислителями соответственно вещества, которые электроны принимают. В гальванических процессах катод и анод не являются элементами, которые обозначают заряд. То есть они могут быть как положительными, так и отрицательными. И это зависит от направления течения окислительно-восстановительной реакции.

Есть в химических источниках тока величина, которая называется электродный потенциал. Обозначается он буквой «Е». Этот показатель характеризует восстановительную или окислительную способность. Например, в источнике установлен сильный восстановитель, у которого высокий отрицательный потенциал. Здесь же был установлен электрод в более сильным окислительным потенциалом. Получается большая разница потенциалов. И если ток в этой цепи отсутствует, то такое состояние называется напряжением разомкнутой цепи – НРЦ. При этом данный показатель всегда положительный.

Напряжение разомкнутой цепи напрямую связано с электродвижущей силой – ЭДС, как величиной термодинамической. Если электродные процессы обратимы, то ЭДС всегда будет равно НРЦ. Но чаще ЭДС больше.

Электродные реакции – это всегда движение электродов. Если происходит анодный процесс, то есть восстановительный, то движение электродов происходит во внешнюю цепь. В катодном окислительном наоборот, из внешней цепи на электроды.

Например, что происходит в серебряно-цинковом аккумуляторе при его разрядке:

• окисление цинка на отрицательно заряженном электроде;
• восстановление серебра, а точнее его оксидов, на положительном электроде.

Внимание! В химических источниках тока все процессы протекают с одной скоростью. Если на аноде за определенный промежуток времени выделяется какое-то количество электронов, то на катоде затрачивается точно такое же количество за тот же промежуток времени.

Типы химических источников тока

Все химические источники химического типа делятся на три группы: первичные, вторичные и топливные.

Первичные химические источники тока – это элементы, которые используются одноразово. К таким относятся батарейки. Внутри закладывается определенное количество разных активных веществ. Как только последние расходуются, источник тока прекращает свою работу. Проходимый внутри них процесс генерации называется разрядом. При этом последний может происходить в непрерывном или прерывистом режиме.

Если химический источник – это одна ячейка, то его называют гальваническим элементом. Если ячеек много, то гальванической батареей, внутри которой элементы могут быть подсоединены последовательно или параллельно. Обычно первичные источники уже готовы к работе. Но есть и такие, в которых жидкий электролит заливается перед началом работы. И хранится он отдельно в другой емкости. Третий вариант – электролит сухой, находится внутри элемента, он не пропускает ток. Перед началом работы его подогревают до расплавленного состояния, которое позволяет пропускать через себя энергию. Две последние позиции называются резервными источниками тока химического типа. Они могут долго храниться.

Вторичные предназначены для многоразового использования. То есть после их полного разряжения аккумулятор можно зарядить, подключив к источнику электрического тока. При этом ток пропускается в обратном направлении. Суть проходящих внутри процессов таков:

• при разрядке источник работает, как первичный, то есть химическая реакция преобразуется в электрическую;
• при зарядке внутри аккумулятора происходит преобразование электрической энергии в химическую, то есть прибор работает как электролизер.

Внимание! Практически все аккумуляторные батареи можно подвергать многократному разряду-заряду, цикл которых доходит до сотен или тысяча раз.

Топливные источники тока

Это отдельная категория, которая сильно отличается от двух первых. Это не аккумуляторы, это электрохимические генераторы, которые могут работать отдельно или быть в составе электрохимических энергетических установок.

В них нет электродов и окислителей. Все хранится отдельно. Если необходимо источник тока подготовить к работе, то в элемент добавляют топливо и окислитель в определенных пропорциях, равным электрическому разряду. Обычно все делается не вручную. То есть в каждой установке присутствуют дополнительные системы, обеспечивающие работоспособность генератора. Например, емкости хранения топлива и окислителей, система их подачи, приборы, поддерживающие температурный режим, системы отвода продуктов, полученных в процессе химической реакции. По сути, электрохимическая электроустановка – это маломощная электростанция, которая работает постоянно. У нее нет срока годности.

Все дело в том, что внутри установки есть один элемент, который внутри находится только тогда, когда его прокачивают. Это топливо под названием водород – вещество простое по составу, на Земле его объем практически неограничен, экологически чистый. В энергетических установках используют его газообразный тип. В качестве окислителя выступает кислород. Ведь не зря при образовании воды выделяется энергия, потому что это самая простая окислительно-восстановительная реакция. И она является противоположностью гидролиза, когда под действием тока вода разделяется на кислород и водород.

В таких энергетических установках электроды – это пористые катализаторы. На катод подается кислород, на анод водород. На границе электродов с электролитом происходит реакция. У анода окисление водорода, у катода восстановление кислорода.

Внимание! В зависимости от типа электролита и топлива процесс образования воды может происходить в разных пространствах: около анода или около катода.

Например, если электролит – это керамическая или полимерная мембрана протонопроводящего типа, это раствор кислоты или щелочи, то носителями заряда выступают ионы водорода. Они окисляются на аноде. После чего проходят через электролит и начинают реагировать с кислородом. Если в установках используется твердооксидный электролит, тогда носителем выступают ионы кислорода, которые восстанавливаются на катоде. Далее перемещаются в сторону анода, где реагируют с водородом.

Кроме водорода в химических энергетических установках можно использовать метанол. Он при окислении кислородом превращается в воду и углекислый газ.

Достоинства топливных элементов:

• высокая экологичность;
• КПД ничем не ограничен;
• энергоемкость высокая;
• размеры компактные.

Недостатки:

• хранение водорода – процесс сложный и затратный;
• компоненты энергетической установки подвергаются старению.

Сегодня водород хранят в емкостях, изготовленных из материалов, в которые входит платина. Это дорого. Ученые предлагают более дешевые графеновые мембраны.

Что касается повышения эффективности топливных установок, то к решению проблемы подходят разными путями:

• изменение состава электролитового наполнителя;
• изменение свойств и характеристик электродов;
• изменение системы подачи топлива в необходимый участок, что обеспечит снижение побочных эффектов.

Все это дает положительный результат. Например, современные топливные установки работают с КПД 80%. Некоторые модели и того выше.

Альтернативные модификации

В классификации химических источников тока есть комбинированные группы. Например, в одних присутствует расходуемый электрод, как в первичном источнике, а второй электрод – не расходуемый, как в топливном варианте. Понятно, что срок службы такого элемента зависит от срока работы первого электрода. Если источник относится к категории возобновляемые, то расходуемый электрод просто меняют на новый и химический элемент можно снова эксплуатировать.

Еще одна модификация – ионистор. По конструкции это суперконденсатор, в котором накопление электронного заряда происходит в двойном слое. Он образуется около заряженной поверхности, то есть на границе электроды-электролит. При этом емкость такого устройства зависит от удельной площади электродов. Поэтому их изготавливают из пористых материалов. Чем больше пор, тем больше площадь.

У ионисторов одно очень весомое преимущество перед другими разновидностями. Они быстро заряжаются. Но точно также быстро разряжаются – и это минус. К тому же энергетическая плотность у ионисторов небольшая. Для сравнения со свинцовыми аккумуляторами – в 8 раз меньше, с литий-ионными – в 25 раз.

Коротко о главном

Химические источники электрического тока – это несколько видов, каждое из которых имеет в перспективе свои приложения. Ученые над их усовершенствованием работают постоянно, поэтому есть большая вероятность, что в скором времени эффективность источников повысится до требуемого уровня. Правда, для этого необходимо решить ряд технологических и чисто фундаментальных задач, что, как показывает практика, происходит не быстро.

К примеру, сегодня решается проблема замены лития на алюминий, калий или натрий, что снизит себестоимость обычных аккумуляторов. Или использование кислорода в качестве одного из электродов, как это делается в топливных установках.