Chemische Stromquellen (kurz HIT) sind Geräte, in denen die Energie einer Redoxreaktion in elektrische Energie umgewandelt wird. Ihre anderen Namen sind elektrochemische Zelle, galvanische Zelle, elektrochemische Zelle. Ihr Funktionsprinzip ist wie folgt: Durch das Zusammenwirken zweier Reagenzien tritt eine chemische Reaktion unter Freisetzung von Energie aus einem elektrischen Gleichstrom auf. Bei anderen Stromquellen erfolgt die Stromerzeugung nach einem mehrstufigen Schema. Zunächst wird thermische Energie freigesetzt, dann in mechanische Energie und erst dann in elektrische Energie umgewandelt. Der Vorteil von HIT ist der einstufige Prozess, dh Strom wird sofort gewonnen, wobei die Phasen der Gewinnung von thermischer und mechanischer Energie umgangen werden.
Verlauf
Wie sind die ersten Stromquellen entstanden? Chemische Quellen werden zu Ehren des italienischen Wissenschaftlers des achtzehnten Jahrhunderts - Luigi Galvani - galvanische Zellen genannt. Er war Arzt, Anatom, Physiologe und Physiker. Eine seiner RichtungenForschung war die Untersuchung der Reaktionen von Tieren auf verschiedene äußere Einflüsse. Die chemische Methode zur Stromerzeugung wurde von Galvani zufällig während eines der Experimente an Fröschen entdeckt. Er verband zwei Metallplatten mit dem freigelegten Nerv am Bein des Frosches. Dies führte zu Muskelkontraktionen. Galvanis eigene Erklärung dieses Phänomens war falsch. Doch die Ergebnisse seiner Experimente und Beobachtungen halfen seinem Landsmann Alessandro Volta bei späteren Studien.
Volta skizzierte in seinen Schriften die Theorie des Auftretens eines elektrischen Stroms als Ergebnis einer chemischen Reaktion zwischen zwei Metallen in Kontakt mit dem Muskelgewebe eines Frosches. Die erste chemische Stromquelle sah aus wie ein Behälter mit Kochsalzlösung, in den Platten aus Zink und Kupfer getaucht waren.
HIT begann in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts dank des Franzosen Leclanche, der die nach ihm benannte primäre Mangan-Zink-Zelle mit Salzelektrolyt erfand, im industriellen Maßstab hergestellt zu werden. Einige Jahre später wurde diese elektrochemische Zelle von einem anderen Wissenschaftler verbessert und war bis 1940 die einzige primäre chemische Stromquelle.
Aufbau und Wirkungsweise HIT
Die Vorrichtung chemischer Stromquellen besteht aus zwei Elektroden (Leiter erster Art) und einem dazwischen befindlichen Elektrolyten (Leiter zweiter Art oder Ionenleiter). An der Grenze zwischen ihnen entsteht ein elektronisches Potential. Die Elektrode, an der das Reduktionsmittel oxidiert wirdwird als Anode bezeichnet, und derjenige, an dem das Oxidationsmittel reduziert wird, wird als Kathode bezeichnet. Zusammen mit dem Elektrolyten bilden sie das elektrochemische System.
Ein Nebenprodukt der Redoxreaktion zwischen Elektroden ist die Erzeugung von elektrischem Strom. Bei einer solchen Reaktion wird das Reduktionsmittel oxidiert und gibt Elektronen an das Oxidationsmittel ab, das diese aufnimmt und dadurch reduziert wird. Das Vorhandensein eines Elektrolyten zwischen Kathode und Anode ist eine notwendige Bedingung für die Reaktion. Wenn Sie einfach Pulver aus zwei verschiedenen Metallen miteinander mischen, wird kein Strom freigesetzt, die gesamte Energie wird in Form von Wärme freigesetzt. Ein Elektrolyt wird benötigt, um den Prozess der Elektronenübertragung zu rationalisieren. Meistens ist es eine Salzlösung oder eine Schmelze.
Elektroden sehen aus wie Metallplatten oder Gitter. Wenn sie in einen Elektrolyten eingetaucht werden, entsteht zwischen ihnen eine elektrische Potentialdifferenz - eine Leerlaufspannung. Die Anode neigt dazu, Elektronen abzugeben, während die Kathode dazu neigt, sie aufzunehmen. An ihrer Oberfläche beginnen chemische Reaktionen. Sie stoppen, wenn der Stromkreis geöffnet wird, und auch, wenn eines der Reagenzien aufgebraucht ist. Das Öffnen des Stromkreises erfolgt, wenn eine der Elektroden oder der Elektrolyt entfernt wird.
Zusammensetzung elektrochemischer Systeme
Chemische Stromquellen verwenden als Oxidationsmittel sauerstoffh altige Säuren und Salze, Sauerstoff, Halogenide, höhere Metalloxide, nitroorganische Verbindungen etc. Metalle und ihre niederen Oxide, Wasserstoff sind in ihnen Reduktionsmittelund Kohlenwasserstoffverbindungen. So werden Elektrolyte verwendet:
- Wässrige Lösungen von Säuren, Laugen, Kochsalzlösung etc.
- Nichtwässrige Lösungen mit Ionenleitfähigkeit, erh alten durch Auflösen von Salzen in organischen oder anorganischen Lösungsmitteln.
- Geschmolzene Salze.
- Feste Verbindungen mit einem Ionengitter, in dem eines der Ionen beweglich ist.
- Matrix-Elektrolyte. Dies sind flüssige Lösungen oder Schmelzen, die sich in den Poren eines festen, nichtleitenden Körpers - eines Elektronenträgers - befinden.
- Ionenaustauschelektrolyte. Dies sind feste Verbindungen mit festen ionogenen Gruppen gleichen Vorzeichens. Ionen des anderen Zeichens sind mobil. Diese Eigenschaft macht die Leitfähigkeit eines solchen Elektrolyten unipolar.
Galvanische Batterien
Chemische Stromquellen bestehen aus galvanischen Zellen - Zellen. Die Spannung in einer dieser Zellen ist klein - von 0,5 bis 4 V. Je nach Bedarf kommt bei HIT eine galvanische Batterie zum Einsatz, die aus mehreren in Reihe gesch alteten Zellen besteht. Manchmal wird eine Parallel- oder Reihenparallelsch altung mehrerer Elemente verwendet. In einer Reihensch altung sind immer nur identische Primärzellen oder Batterien enth alten. Sie müssen die gleichen Parameter haben: elektrochemisches System, Design, technologische Option und Standardgröße. Für die Parallelsch altung können Elemente unterschiedlicher Größe verwendet werden.
HIT-Klassifizierung
Chemische Stromquellen unterscheiden sich in:
- Größe;
- designs;
- Reagenzien;
- die Art der energiebildenden Reaktion.
Diese Parameter bestimmen die HIT-Leistungseigenschaften, die für eine bestimmte Anwendung geeignet sind.
Die Klassifizierung der elektrochemischen Elemente basiert auf dem Unterschied im Funktionsprinzip des Geräts. Abhängig von diesen Merkmalen unterscheiden sie:
- Primäre chemische Stromquellen sind Wegwerfelemente. Sie haben einen gewissen Vorrat an Reagenzien, der während der Reaktion verbraucht wird. Nach einer vollständigen Entladung verliert eine solche Zelle ihre Funktionalität. Auf andere Weise werden primäre HITs als galvanische Zellen bezeichnet. Es ist richtig, sie einfach - Element zu nennen. Die einfachsten Beispiele einer primären Stromquelle sind "Batterien" A-A.
- Wiederaufladbare chemische Stromquellen - Batterien (sie werden auch sekundäre, reversible HIT genannt) sind wiederverwendbare Zellen. Indem Strom von einem externen Stromkreis in entgegengesetzter Richtung durch die Batterie geleitet wird, werden nach einer vollständigen Entladung die verbrauchten Reagenzien regeneriert, wobei wiederum chemische Energie angesammelt wird (Aufladung). Dank der Möglichkeit, von einer externen Konstantstromquelle aufzuladen, wird dieses Gerät lange verwendet, mit Unterbrechungen zum Aufladen. Der Prozess der Erzeugung elektrischer Energie wird als Batterieentladung bezeichnet. Zu diesen HITs gehören Batterien für viele elektronische Geräte (Laptops, Mobiltelefone usw.).
- Thermisch-chemische Stromquellen - kontinuierliche Geräte. BEIMim Verlauf ihrer Arbeit gibt es einen kontinuierlichen Fluss neuer Reagenzienportionen und die Entfernung von Reaktionsprodukten.
- Kombinierte (semi-fuel) galvanische Zellen haben einen Vorrat an einem der Reagenzien. Der zweite wird von außen in das Gerät eingespeist. Die Lebensdauer des Geräts hängt von der Versorgung mit dem ersten Reagenz ab. Kombinierte chemische Stromquellen werden als Batterien verwendet, wenn es möglich ist, ihre Ladung durch Strom aus einer externen Quelle wiederherzustellen.
- HIT erneuerbar wiederaufladbar mechanisch oder chemisch. Für sie ist es möglich, die verbrauchten Reagenzien nach vollständiger Entladung durch neue Portionen zu ersetzen. Das heißt, sie sind keine Dauergeräte, sondern werden wie Batterien regelmäßig aufgeladen.
HIT-Funktionen
Zu den Hauptmerkmalen chemischer Energiequellen gehören:
- Leerlaufspannung (ORC oder Entladespannung). Dieser Indikator ist zunächst abhängig vom gewählten elektrochemischen System (Kombination aus Reduktionsmittel, Oxidationsmittel und Elektrolyt). Außerdem wird der NRC durch die Konzentration des Elektrolyten, den Entladungsgrad, die Temperatur und mehr beeinflusst. Der NRC hängt vom Wert des Stroms ab, der durch den HIT fließt.
- Leistung.
- Entladestrom - hängt vom Widerstand des äußeren Stromkreises ab.
- Kapazität - die maximale Strommenge, die der HIT abgibt, wenn er vollständig entladen ist.
- Gangreserve - die maximal erh altene Energie, wenn das Gerät vollständig entladen ist.
- Energieeigenschaften. Bei Batterien ist dies zunächst einmal eine garantierte Anzahl von Lade-Entlade-Zyklen ohne Verringerung der Kapazität oder Ladespannung (Ressource).
- Temperaturbereich.
- Die H altbarkeit ist die maximal zulässige Zeit zwischen der Herstellung und der ersten Entladung des Geräts.
- Nutzungsdauer - die maximal zulässige Gesamtdauer der Lagerung und des Betriebs. Bei Brennstoffzellen kommt es auf kontinuierliche und intermittierende Lebensdauer an.
- Gesamtenergieverbrauch über die Lebensdauer.
- Mechanische Festigkeit gegen Vibration, Schock etc.
- Fähigkeit, in jeder Position zu arbeiten.
- Zuverlässigkeit.
- Einfache Wartung.
HIT-Anforderungen
Das Design elektrochemischer Zellen muss Bedingungen bieten, die der effizientesten Reaktion förderlich sind. Diese Bedingungen beinh alten:
- Leckstrom verhindern;
- sogar Arbeit;
- mechanische Festigkeit (einschließlich Dichtigkeit);
- Trennung von Reagenzien;
- guter Kontakt zwischen Elektroden und Elektrolyt;
- Ableitung des Stroms von der Reaktionszone zum äußeren Anschluss mit minimalen Verlusten.
Chemische Stromquellen müssen die folgenden allgemeinen Anforderungen erfüllen:
- höchste Werte bestimmter Parameter;
- maximaler Betriebstemperaturbereich;
- die größte Spannung;
- MindestkostenEnergieeinheiten;
- Spannungsstabilität;
- Ladesicherheit;
- Sicherheit;
- wartungsfreundlich und im Idealfall nicht nötig;
- lange Lebensdauer.
Ausbeutung HIT
Der Hauptvorteil primärer galvanischer Zellen besteht darin, dass sie wartungsfrei sind. Bevor Sie mit der Verwendung beginnen, reicht es aus, das Aussehen und das Ablaufdatum zu überprüfen. Beim Anschließen ist es wichtig, die Polarität zu beachten und die Unversehrtheit der Kontakte des Geräts zu überprüfen. Komplexere chemische Stromquellen - Batterien - erfordern eine sorgfältigere Pflege. Der Zweck ihrer Wartung ist es, ihre Lebensdauer zu maximieren. Akkupflege ist:
- sauber bleiben;
- Leerlaufspannungsüberwachung;
- Aufrechterh alten des Elektrolytstandes (zum Nachfüllen darf nur destilliertes Wasser verwendet werden);
- Kontrolle der Elektrolytkonzentration (mit einem Aräometer - ein einfaches Gerät zur Messung der Dichte von Flüssigkeiten).
Beim Betrieb von galvanischen Zellen sind alle Vorschriften zum sicheren Umgang mit Elektrogeräten zu beachten.
Klassifizierung von HIT nach elektrochemischen Systemen
Typen chemischer Stromquellen, je nach System:
- Blei (Säure);
- Nickel-Cadmium, Nickel-Eisen, Nickel-Zink;
- Mangan-Zink, Kupfer-Zink, Quecksilber-Zink, Zinkchlorid;
- Silber-Zink, Silber-Cadmium;
- air-Metall;
- Nickel-Wasserstoff und Silber-Wasserstoff;
- Mangan-Magnesium;
- Lithium usw.
Moderne Anwendung von HIT
Chemische Stromquellen werden derzeit verwendet in:
- Fahrzeuge;
- tragbare Geräte;
- Militär- und Raumfahrttechnik;
- wissenschaftliche Ausrüstung;
- Medizin (Herzschrittmacher).
Gängige Beispiele für HIT im Alltag:
- Batterien (Trockenbatterien);
- Batterien für tragbare Haush altsgeräte und Elektronik;
- unterbrechungsfreie Stromversorgungen;
- Autobatterien.
Lithium-chemische Stromquellen sind besonders weit verbreitet. Dies liegt daran, dass Lithium (Li) die höchste spezifische Energie hat. Tatsache ist, dass es unter allen anderen Metallen das negativste Elektrodenpotential hat. Lithium-Ionen-Batterien (LIA) sind allen anderen CPS in Bezug auf spezifische Energie und Betriebsspannung voraus. Jetzt erobern sie nach und nach ein neues Gebiet – den Straßenverkehr. In Zukunft wird sich die Entwicklung von Wissenschaftlern im Zusammenhang mit der Verbesserung von Lithiumbatterien in Richtung ultradünner Designs und großer Hochleistungsbatterien bewegen.
