Хімічні джерела струму

Хімічні джерела струму

Елемент Вольта (1800)

Алессандро Вольта 1745 - 1827

Папір, просочений розчином NaCl

Cu

Zn

Zn → Zn2+ + 2e-

2H+ + 2e- → H2

Хімічний лінцюг без переносу; 1,0183 В при 20 оС

Нормальний елемент Вестона

Pt | Cd(Hg) | CdSO4 (насич. розчин), Hg2SO4 | Hg2SO4, Hg | Pt

1 – насичений розчин CdSO4·8/3H2O

2 – кристали CdSO4·8/3H2O

3 – амальгама кадмію

4 – кристали Hg2SO4

5 – ртуть

6 – бульбашки повітря

7 – платинові електроди, впаянні в судину

Cd (тв) Cd2+(aq) + 2e-Анод: Катод: Hg2

2+(aq) + 2e- 2Hg(р)

Cd(тв) + Hg22 +(aq) Cd2+(aq) + 2Hg(р)

Типи електрохімічних систем для виробництва електроенергії

Первинні елементи

Енергія

Паливні елементи

Продукти реакції

Відновник (паливо)

Окисник

Енергія

Вторинні елементи

Енергія

Енергія

Перезарядка

Основні характеристики хімічних джерел струму

Номінальна напруга В

Максимальний струм розряду А

Питома електрична енергія Вт·год/кг

Вт·год/л

Питома ємність А·год/кг

Саморозряд %/доба

Робоча температура оC

Термін експлуатації роки

цикли

Анод: Zn Zn2+ + 2e-

Катод: 2MnO2 + 2H2O +2e- 2MnOOH + 2OH-

Електроліт: Zn2++2NH4Cl+2OH- Zn(NH3)Cl2 + 2H2O

Zn + 2MnO2 + 2NH4Cl 2MnOOH + Zn(NH3)Cl2

Жорж Лекланше (1839-1882)

Первинні хімічні джерела струму (батареї)

Елемент Лекланше (суха

батарея) (1866)

Пломба

Zn-контейнер (анод)

Паста MnO2 (катод)

Вугільний дріт

Електроліт (волога паста ZnCl2 + NH4Cl)

Zn | ZnCl2, NH4Cl | MnO2 | C

Zn+2MnO2+2NH4Cl→ Zn(NH3)2Cl2 + Mn2O3 +H2O

ЕРС 1,5 ВПитома ел. енергія 80 Вт·год/кг

Первинні хімічні джерела струму (батареї)

Газовий відсік

Вугільний дріт (катод)

Гелевий електроліт

Паста MnO2

Сучасний цинково-марганцевий елемент

Zn контейнер (анод)

Zn (тв) + 2NH4+(aq) + 2MnO2 (тв) Zn2+ (aq) + 2NH3 (aq) + H2O (р) + Mn2O3 (тв)

Zn (тв) Zn2+(aq) + 2e-Анод: Катод: 2NH4

+(aq) + 2MnO2(тв) + 2e- Mn2O3(тв) + 2NH3(aq) + H2O(р)

АнодКатод

Сталева покришка

Кожух

Zn кожух (анод)

NH4Cl, ZnCl2, MnO2 паста

Вугільний дріт (катод)

Поруватий сепаратор

Воскова пломба

Піщана подушка

Ізолююча шайба

Zn(Hg) + 2OH- (aq) ZnO(тв) + H2O(р) + 2e-Анод:

Катод: HgO (тв) + H2O (р) + 2e- Hg (р) + 2OH- (aq)

Zn(Hg) + HgO (тв) ZnO (тв) + Hg (р)

ЕРС = 1,36 В Може працювати як акумулятор

Первинні хімічні джерела струму (батареї)

Ртутно-цинковий елемент Катод (сталь)

Розчин електроліту, що містить 40% КОН та пасту із суміші Zn(OH)2 та HgO

Анод (Zn кожух)Ізолятор

Майже такі самі реакції, як у сухих елементахМайже такі самі реакції, як у сухих елементах,, але у але у лужномулужному середовищі. середовищі.

АнодАнод (-): (-): Zn + 2 OHZn + 2 OH-- ZnO + H ZnO + H22O + 2eO + 2e--

КатодКатод (+): 2 MnO (+): 2 MnO22 + H + H22O + 2eO + 2e-- MnMn22OO33 + 2 OH + 2 OH--

Лужні (алкалінові) батареї

Первинні хімічні джерела струму (батареї)

MnO2+H2O+Zn→ Mn2O3+ZnO

ЕРС 1,4 - 1,5 ВПитома ел. енергія 120 Вт·год/кг

Літієві батареї

КатодАнод

Твердий електроліт

44Li + 2SOClLi + 2SOCl22 4LiCl + SO 4LiCl + SO22 + S (3 + S (3 B іB і більше!) більше!) EEoo = 3, = 3,05 В05 В

Первинні хімічні джерела струму (батареї)

Питома ел. енергія 330 Вт·год/кг

АнодАнод (-): (-): КатодКатод (+): (+): 2 SO2 SO22 + 2e + 2e-- SS22OO442-2-

Анод:

Катод:

Свинцевий акумулятор

PbO2 (тв) + 4H+ (aq) + SO2- (aq) + 2e- PbSO4(тв) + 2H2O(р)4

Pb (тв) + SO2- (aq) PbSO4 (тв) + 2e-4

Pb(тв) + PbO2(тв) + 4H+(aq) + 2SO2-(aq) 2PbSO4 (тв) + 2H2O (р) 4

Вторинні хімічні джерела струму (акумулятори)

КатодАнодКришка

H2SO4 електроліт

Негативні платівки

Позитивні платівки

Lead-acid batteryСвинцевий акумулятор

Pb паста в Pb сітці (анод)

PbO2 паста в Pb сітці (катод)

Поруватий сепаратор

Pb PbO2

E=2,04 В

36% H2SO4

PbSO4 PbSO4

розряд

зарядPbSO4+H2O

PbO2+(2H++SO42-)+2H++2e-

розряд

PbSO4+ 2H+

Pb+(2H++SO42-)-2e-

заряд

PbO2 + Pb + H2SO4 2PbSO4 + 2H2Oрозряд

Вторинні хімічні джерела струму (акумулятори)

АнодАнод (-) (-) EEoo = = --00,,36 36 ВВ

PbSOPbSO44 + H + H++ + 2e + 2e-- Pb + HSOPb + HSO44--

КатодКатод (+) (+) EEoo = +1 = +1,,68 68 ВВ

PbOPbO22 + HSO + HSO44-- + 3 H + 3 H++ + 2e + 2e-- PbSOPbSO44 + 2 H + 2 H22OO

Свинцевий акумулятор

Вторинні хімічні джерела струму (акумулятори)

ЕРС = 1,68 – (-0,36) = 2,04 В

Pb + PbOPb + PbO22 + + 22HH22SOSO44 2 2PbSOPbSO44 + 2 H + 2 H22O O

Pb(тв) | PbSO4(тв) | H2SO4(р)| PbO2(тв) | Pb(тв)

ЗАРЯД

ЗАРЯД

ЗАРЯД

РОЗРЯД

РОЗРЯД

РОЗРЯД

Питома ємність 120 А·год/кгПитома ел. енергія 30 Вт·год/кг

АнодАнод (-) (-) EEoo = = -0,44 В-0,44 ВFe(OH)Fe(OH)22 + 2e + 2e-- Fe + 2OHFe + 2OH--

КатодКатод (+) (+) EEoo = = +0,40 В+0,40 В2NiOOH + 2H2NiOOH + 2H22O + 2eO + 2e-- 2Ni(OH)2Ni(OH)22 + 2OH + 2OH--

Лужний (залізо-нікелевий) акумулятор

Fe(тв) | Fe(OH)2(тв) | K+, OH- | NiOOH(тв) | Ni(тв)

Fe + 2NiOOH + 2HFe + 2NiOOH + 2H22O O Fe(OH)Fe(OH)22 + 2Ni(OH) + 2Ni(OH)22

Вторинні хімічні джерела струму (акумулятори)

ЕРС = 0,40 - (-0,44) = 0,88 В

ЗАРЯД

ЗАРЯД

ЗАРЯД

РОЗРЯД

РОЗРЯД

РОЗРЯД

АнодАнод (-) Cd + 2 OH (-) Cd + 2 OH-- Cd(OH)Cd(OH)22 + 2e + 2e--

КатодКатод (+) NiO(OH) + H (+) NiO(OH) + H22O + eO + e-- Ni(OH)Ni(OH)22 + OH + OH--

Нікель-кадмієві акумулятори

Cd + 2NiO(OH) Cd + 2NiO(OH) + 2+ 2HH22OO Cd(OH)Cd(OH)22 + 2Ni(OH) + 2Ni(OH)22

Позитивний термінал

Порошкуватий кадмієвий електрод (анод)

Сепаратори

Негативний термінал

Нікелевий електрод (катод)

Серцевина

ЕРС = 0,40 - (-0,81) = 1,21 В

Cd(тв) | Cd(OH)2(тв) | K+, OH- | NiOOH(тв) | Ni(тв)

ЗАРЯД ЗАРЯД

ЗАРЯД

РОЗРЯД

РОЗРЯД

РОЗРЯД

Питома ємність 180 А·год/кгПитома ел. енергія 35 Вт·год/кг

Нікель-кадмієві акумулятори

Розрядні характеристики никель-кадмієвого акумулятора при різних струмах розряду

Розрядні характеристики никель-кадмієвого акумулятора при різних температурах

Саморозряд герметичного никель-кадмієвого акумулятора при різних температурах зберігання

Ефект пам'яті Робоча речовина в акумуляторах присутня у вигляді кристалічних формацій. Кристали в новій комірці малі та їх структура неоднорідна. Пам'яттю називається формування крупних кристалічних неоднорідностей. Певна область комірки стає непридатною для використання, тому її ємність зменшується (зменшення площі поверхні активної речовини).

Нова NiCd коміркаКомірка з крупними

кристалічними утвореннями

Вторинні хімічні джерела струму (акумулятори)

Нікель-метал гідридні (NiMH) батареї ЗАРЯД

ЗАРЯД

РОЗРЯД

РОЗРЯД

M = AB5 (A = La, Ce, Nd, Pr; B = Ni, Co, Mn, Al)

M = AB2 (A = Ti, V; B = Zr, Ni)

Електроліт – розчин КОН

АнодАнод (-) M + H (-) M + H22O + eO + e-- MH + OH MH + OH--

КатодКатод (+) Ni(OH) (+) Ni(OH)22 + OH + OH-- NiO(OH) + H NiO(OH) + H22O + eO + e--

M + Ni(OH)M + Ni(OH)22 MH + NiO(OH)MH + NiO(OH)

EPC = 1,2 B

LaNiLaNi55 + 6H + 6H+ + + 6e+ 6e-- LaNiLaNi55HH66

Вторинні хімічні джерела струму (акумулятори)

ЗАРЯД

РОЗРЯД

Інтеркалація атомів воднюПитома ел. енергія 60-72 Вт·год/кг

Літій-іонні батареї

Розряд

Заряд

Катод (LiMexOy)

LiCoO2 – використовується у комерційних батарейках

LiNiO2, LiMn2O4 – перспективні матеріали

LiFePO4

Анод (CLix)

Катод:

LiMeO2 - xe- Li1-xMeO2 + xLi+

Анод:

C + xLi+ + xe- CLix

Сепаратор

Al кожух

Позитивний термінал

Негативний термінал

Вторинні хімічні джерела струму (акумулятори)

ЗАРЯД

ЗАРЯД

РОЗРЯД

РОЗРЯД

Електроліти – розчини солей літію (LiClO4) у

неводних розчинниках або твердих полімерах

Потенціали літієвих інтеркалятів

Металічний літій

Стабільні на повітрі

Літій-іонні батареї

Вторинні хімічні джерела струму (акумулятори)

ЕРС 4,0 ВПитома ємність 140 А·год/кгПитома ел. енергія 110-230 Вт·год/кг

Сер Уїльям Гров 1811–1896

Паливні елементи

O2 H2

4H+ + 4e- 2H2

2H2O - 4e- O2 + 4H+Катод:

Анод:

Паливний елемент Грова (1839)

Паливні елементи – це електрохімічні комірки, для функціонування яких необхідна безперервна подача реагентів

Анод:

Катод: O2 (г) + 2H2O (р) + 4e- 4OH- (aq)

2H2 (г) + 4OH- (aq) 4H2O (р) + 4e-

2H2 (г) + O2 (г) 2H2O (р)

Паливні елементи

ВідновленняОкиснення

КатодАнод

Поруватий вугільний

електрод, що містить Ni

Поруватий вугільний

електрод, що містить Ni та

NiO

Розчин КОН (to)

- +

CH3OH + H2O

CH3OH + H2O + CO2

Повітря (O2)

H2O + повітря (O2)

H+

Колектор струму /

дистрибутор палива Нанесений каталізатор

(вугілля)

Протонообміннамембрана

CH3OH перехід

Прямий метанольний паливний елемент

Прямий метанольний паливний елемент