Cheminiai srovės š altiniai (sutrumpintai kaip HIT) yra įrenginiai, kuriuose redokso reakcijos energija paverčiama elektros energija. Kiti jų pavadinimai yra elektrocheminis elementas, galvaninis elementas, elektrocheminis elementas. Jų veikimo principas yra toks: dėl dviejų reagentų sąveikos vyksta cheminė reakcija, kai energija išsiskiria iš nuolatinės elektros srovės. Kituose srovės š altiniuose elektros energijos gamybos procesas vyksta pagal daugiapakopę schemą. Pirmiausia išsiskiria šiluminė energija, vėliau ji paverčiama mechanine, o tik po to – elektros energija. HIT pranašumas yra vienpakopis procesas, tai yra, elektra gaunama iš karto, apeinant šiluminės ir mechaninės energijos gavimo etapus.
Istorija
Kaip atsirado pirmieji dabartiniai š altiniai? Cheminiai š altiniai vadinami galvaniniais elementais XVIII amžiaus italų mokslininko Luigi Galvani garbei. Jis buvo gydytojas, anatomas, fiziologas ir fizikas. Viena iš jos krypčiųtyrimai buvo gyvūnų reakcijų į įvairius išorinius poveikius tyrimas. Cheminį elektros generavimo būdą Galvani atrado atsitiktinai, per vieną iš eksperimentų su varlėmis. Jis sujungė dvi metalines plokštes prie atviro varlės kojos nervo. Dėl to susitraukė raumenys. Paties Galvani šio reiškinio paaiškinimas buvo neteisingas. Tačiau jo eksperimentų ir stebėjimų rezultatai padėjo jo tautiečiui Alessandro Voltai tolesniuose tyrimuose.
Volta savo raštuose išdėstė elektros srovės atsiradimo teoriją, atsirandančią dėl dviejų metalų, besiliečiančių su varlės raumenų audiniu, cheminės reakcijos. Pirmasis cheminis srovės š altinis atrodė kaip fiziologinio tirpalo talpykla, į kurią panardintos cinko ir vario plokštės.
HIT buvo pradėtas gaminti pramoniniu mastu XIX amžiaus antroje pusėje prancūzo Leclanche dėka, kuris išrado jo vardu pavadintą pirminį mangano-cinko elementą su druskos elektrolitu. Po kelerių metų šis elektrocheminis elementas buvo patobulintas kito mokslininko ir buvo vienintelis pirminis cheminės srovės š altinis iki 1940 m.
Dizainas ir veikimo principas HIT
Cheminių srovės š altinių įtaisą sudaro du elektrodai (pirmojo tipo laidininkai) ir tarp jų esantis elektrolitas (antrojo tipo laidininkas arba joninis laidininkas). Elektroninis potencialas atsiranda ties riba tarp jų. Elektrodas, prie kurio oksiduojamas reduktoriusvadinamas anodu, o tas, kuriame redukuojamas oksidatorius, vadinamas katodu. Kartu su elektrolitu jie sudaro elektrocheminę sistemą.
Šalutinis redokso reakcijos tarp elektrodų produktas yra elektros srovės generavimas. Tokios reakcijos metu reduktorius oksiduojasi ir atiduoda elektronus oksiduojančiam agentui, kuris juos priima ir taip redukuojasi. Elektrolito buvimas tarp katodo ir anodo yra būtina reakcijos sąlyga. Jei paprasčiausiai sumaišysite dviejų skirtingų metalų miltelius, elektra nebus išleista, visa energija bus išleista šilumos pavidalu. Norint supaprastinti elektronų perdavimo procesą, reikalingas elektrolitas. Dažniausiai tai yra druskos tirpalas arba lydalas.
Elektrodai atrodo kaip metalinės plokštės arba tinkleliai. Kai jie panardinami į elektrolitą, tarp jų atsiranda elektrinio potencialo skirtumas – atviros grandinės įtampa. Anodas linkęs atiduoti elektronus, o katodas linkęs juos priimti. Jų paviršiuje prasideda cheminės reakcijos. Jie sustoja atidarius grandinę, taip pat kai išnaudojamas vienas iš reagentų. Grandinė atsidaro, kai pašalinamas vienas iš elektrodų arba elektrolitas.
Elektrocheminių sistemų sudėtis
Cheminiuose srovės š altiniuose kaip oksidatoriai naudojamos deguonies turinčios rūgštys ir druskos, deguonis, halogenidai, aukštesniųjų metalų oksidai, azoto organiniai junginiai ir kt. Metalai ir jų žemesnieji oksidai, vandenilis juose yra reduktorius.ir angliavandenilių junginiai. Kaip naudojami elektrolitai:
- Rūgščių, šarmų, fiziologinio tirpalo ir tt vandeniniai tirpalai
- Joninio laidumo nevandeniniai tirpalai, gaunami tirpinant druskas organiniuose arba neorganiniuose tirpikliuose.
- Išlydytos druskos.
- Kietieji junginiai su jonine gardele, kurioje vienas iš jonų yra judrus.
- Matriciniai elektrolitai. Tai skysti tirpalai arba lydalai, esantys kieto nelaidžio kūno – elektronų nešiklio – porose.
- Jonų mainų elektrolitai. Tai kieti junginiai su fiksuotomis to paties ženklo jonogeninėmis grupėmis. Kito ženklo jonai yra mobilūs. Dėl šios savybės tokio elektrolito laidumas yra vienpolis.
Galvaninės baterijos
Cheminiai srovės š altiniai susideda iš galvaninių elementų – elementų. Įtampa vienoje iš šių elementų yra maža - nuo 0,5 iki 4 V. Pagal poreikį HIT naudojamas galvaninis akumuliatorius, susidedantis iš kelių nuosekliai sujungtų elementų. Kartais naudojamas lygiagretus arba nuoseklus lygiagretus kelių elementų sujungimas. Į nuoseklią grandinę visada įtraukiami tik identiški pirminiai elementai arba baterijos. Jie turi turėti vienodus parametrus: elektrocheminę sistemą, dizainą, technologinį variantą ir standartinį dydį. Lygiagrečiam ryšiui priimtina naudoti skirtingų dydžių elementus.
HIT klasifikacija
Cheminės srovės š altiniai skiriasi:
- dydis;
- dizainas;
- reagentai;
- energiją formuojančios reakcijos pobūdis.
Šie parametrai nustato HIT veikimo savybes, tinkamas konkrečiai programai.
Elektrocheminių elementų klasifikacija pagrįsta prietaiso veikimo principo skirtumu. Atsižvelgiant į šias savybes, jie išskiria:
- Pirminiai cheminiai srovės š altiniai yra vienkartiniai elementai. Jie turi tam tikrą reagentų atsargą, kuri sunaudojama reakcijos metu. Po visiško iškrovimo tokia ląstelė praranda savo funkcionalumą. Kitu būdu pirminiai HIT vadinami galvaniniais elementais. Būtų teisinga juos vadinti paprastai - elementu. Paprasčiausi pirminio maitinimo š altinio pavyzdžiai yra „baterijos“A–A.
- Įkraunami cheminiai srovės š altiniai – baterijos (jie dar vadinami antriniais, reversable HIT) yra daugkartinio naudojimo elementai. Leidžiant srovę iš išorinės grandinės priešinga kryptimi per akumuliatorių, po visiško išsikrovimo, panaudoti reagentai regeneruojami, vėl kaupiant cheminę energiją (įkraunant). Dėl galimybės įkrauti iš išorinio nuolatinės srovės š altinio, šis įrenginys naudojamas ilgą laiką, su pertraukomis įkrovimui. Elektros energijos generavimo procesas vadinamas akumuliatoriaus iškrovimu. Tokie HIT apima daugelio elektroninių įrenginių (nešiojamųjų kompiuterių, mobiliųjų telefonų ir kt.) baterijas.
- Šiluminės cheminės srovės š altiniai – nuolatiniai įrenginiai. ATjų darbo metu nuolat patenka naujų reagentų porcijų ir pašalinami reakcijos produktai.
- Kombinuotuose (pus kuro) galvaniniuose elementuose yra vieno iš reagentų atsargos. Antrasis tiekiamas į įrenginį iš išorės. Prietaiso eksploatavimo laikas priklauso nuo pirmojo reagento tiekimo. Kombinuoti cheminiai elektros srovės š altiniai naudojami kaip akumuliatoriai, jei įmanoma atkurti jų įkrovą perduodant srovę iš išorinio š altinio.
- HIT atsinaujinantis įkraunamas mechaniškai arba chemiškai. Jiems panaudotus reagentus galima pakeisti naujomis porcijomis po visiško iškrovimo. Tai yra, jie nėra nuolatiniai įrenginiai, bet, kaip ir baterijos, periodiškai įkraunami.
HIT funkcijos
Pagrindinės cheminių energijos š altinių charakteristikos:
- Atviros grandinės įtampa (ORC arba išlydžio įtampa). Šis rodiklis visų pirma priklauso nuo pasirinktos elektrocheminės sistemos (redukcijos agento, oksidatoriaus ir elektrolito derinio). Taip pat NRC turi įtakos elektrolito koncentracija, iškrovos laipsnis, temperatūra ir kt. NRC priklauso nuo srovės, einančios per HIT, vertės.
- Galia.
- Iškrovimo srovė – priklauso nuo išorinės grandinės varžos.
- Pajėgumas – didžiausias elektros energijos kiekis, kurį HIT išskiria visiškai išsikrovęs.
- Galios rezervas – maksimali energija, gaunama, kai įrenginys visiškai išsikrovęs.
- Energijos charakteristikos. Akumuliatoriams tai, visų pirma, yra garantuotas įkrovimo-iškrovimo ciklų skaičius nesumažinant talpos ar įkrovimo įtampos (ištekliaus).
- Temperatūros veikimo diapazonas.
- Laikymo laikas yra didžiausias leistinas laikas nuo pagaminimo iki pirmojo prietaiso iškrovimo.
- Naudojimo laikas – didžiausias leistinas bendras saugojimo ir veikimo laikotarpis. Kuro elementams svarbu nenutrūkstamas ir su pertrūkiais tarnavimo laikas.
- Bendra energija išsklaidyta per visą gyvenimą.
- Mechaninis atsparumas vibracijai, smūgiams ir kt.
- Gebėjimas dirbti bet kokias pareigas.
- Patikimumas.
- Lengva priežiūra.
HIT Reikalavimai
Elektrocheminių elementų konstrukcija turi sudaryti sąlygas, palankias veiksmingiausiai reakcijai. Šios sąlygos apima:
- užkirsti kelią srovės nuotėkiui;
- netgi darbas;
- mechaninis stiprumas (įskaitant sandarumą);
- reagentų atskyrimas;
- geras kontaktas tarp elektrodų ir elektrolito;
- srovės išsklaidymas iš reakcijos zonos į išorinį gnybtą su minimaliais nuostoliais.
Cheminiai srovės š altiniai turi atitikti šiuos bendruosius reikalavimus:
- aukščiausios konkrečių parametrų reikšmės;
- didžiausias darbinės temperatūros diapazonas;
- didžiausia įtampa;
- minimali kainaenergijos vienetai;
- įtampos stabilumas;
- įkrovimo sauga;
- saugumas;
- lengva priežiūra ir idealiu atveju jos nereikia;
- ilgas tarnavimo laikas.
Exploitation HIT
Pagrindinis pirminių galvaninių elementų privalumas yra tai, kad jiems nereikia jokios priežiūros. Prieš pradedant juos naudoti, pakanka patikrinti išvaizdą, galiojimo laiką. Jungiant svarbu stebėti poliškumą ir patikrinti įrenginio kontaktų vientisumą. Sudėtingesni cheminės srovės š altiniai – baterijos, reikalauja rimtesnės priežiūros. Jų priežiūros tikslas – maksimaliai prailginti tarnavimo laiką. Akumuliatoriaus priežiūra yra:
- laikykite švarą;
- atviros grandinės įtampos stebėjimas;
- elektrolito lygio palaikymas (pilant galima naudoti tik distiliuotą vandenį);
- elektrolitų koncentracijos kontrolė (naudojant hidrometrą – paprastą prietaisą skysčių tankiui matuoti).
Eksploatuojant galvaninius elementus, reikia laikytis visų reikalavimų, susijusių su saugiu elektros prietaisų naudojimu.
HIT klasifikacija pagal elektrochemines sistemas
Cheminių srovės š altinių tipai, priklausomai nuo sistemos:
- švinas (rūgštis);
- nikelis-kadmis, nikelis-geležis, nikelis-cinkas;
- manganas-cinkas, varis-cinkas, gyvsidabris-cinkas, cinko chloridas;
- sidabras-cinkas, sidabras-kadmis;
- oras-metalas;
- nikelis-vandenilis ir sidabras-vandenilis;
- manganas-magnis;
- litis ir kt.
Šiuolaikinis HIT taikymas
Cheminiai srovės š altiniai šiuo metu naudojami:
- transporto priemonės;
- nešiojami prietaisai;
- karinės ir kosminės technologijos;
- mokslinė įranga;
- vaistas (širdies stimuliatoriai).
Įprasti HIT pavyzdžiai kasdieniame gyvenime:
- baterijos (sausos baterijos);
- nešiojamai buitinei technikai ir elektronikai baterijos;
- nepertraukiamo maitinimo š altiniai;
- automobilių akumuliatoriai.
Ypač plačiai naudojami ličio cheminiai srovės š altiniai. Taip yra todėl, kad ličio (Li) savitoji energija yra didžiausia. Faktas yra tas, kad jis turi didžiausią neigiamą elektrodo potencialą tarp visų kitų metalų. Ličio jonų baterijos (LIA) lenkia visas kitas CPS pagal specifinę energiją ir darbinę įtampą. Dabar jie pamažu įvaldo naują sritį – kelių transportą. Ateityje mokslininkų, susijusių su ličio baterijų tobulinimu, plėtra bus nukreipta į itin ploną dizainą ir didelius, patvarius akumuliatorius.
