Kemialliset virtalähteet (lyhennetty HIT) ovat laitteita, joissa redox-reaktion energia muunnetaan sähköenergiaksi. Niiden muut nimet ovat sähkökemiallinen kenno, galvaaninen kenno, sähkökemiallinen kenno. Niiden toimintaperiaate on seuraava: kahden reagenssin vuorovaikutuksen seurauksena tapahtuu kemiallinen reaktio energian vapautuessa tasavirrasta. Muissa virtalähteissä sähkön tuotantoprosessi tapahtuu monivaiheisen järjestelmän mukaisesti. Ensin vapautuu lämpöenergiaa, sitten se muunnetaan mekaaniseksi energiaksi ja vasta sitten sähköenergiaksi. HIT:n etuna on yksivaiheinen prosessi, eli sähkö saadaan välittömästi, ohittaen lämpö- ja mekaanisen energian saantivaiheet.
Historia
Kuinka ensimmäiset nykyiset lähteet ilmestyivät? Kemiallisia lähteitä kutsutaan galvaanisoluiksi 1700-luvun italialaisen tiedemiehen Luigi Galvanin kunniaksi. Hän oli lääkäri, anatomi, fysiologi ja fyysikko. Yksi sen suunnistatutkimus oli eläinten reaktioita erilaisiin ulkoisiin vaikutuksiin. Galvani löysi kemiallisen menetelmän sähkön tuottamiseksi sattum alta yhdessä sammakoiden kokeesta. Hän liitti kaksi metallilevyä sammakon jalan esillä olevaan hermoon. Tämä johti lihasten supistumiseen. Galvanin oma selitys ilmiöstä oli väärä. Mutta hänen kokeidensa ja havaintojensa tulokset auttoivat hänen maanmiestään Alessandro Voltaa myöhemmissä tutkimuksissa.
Volta hahmotteli kirjoituksissaan teoriaa sähkövirran esiintymisestä kahden sammakon lihaskudoksen kanssa kosketuksissa olevan metallin välisen kemiallisen reaktion seurauksena. Ensimmäinen kemiallinen virtalähde näytti suolaliuosta sisältävältä säiliöltä, johon oli upotettu sinkki- ja kuparilevyjä.
HITiä alettiin valmistaa teollisessa mittakaavassa 1800-luvun toisella puoliskolla ranskalaisen Leclanchen ansiosta, joka keksi hänen mukaansa nimetyn ensisijaisen mangaani-sinkkikennon suolaelektrolyytillä. Muutamaa vuotta myöhemmin toinen tiedemies paransi tätä sähkökemiallista kennoa, ja se oli ainoa ensisijainen kemiallinen virranlähde vuoteen 1940 asti.
Suunnittelu ja toimintaperiaate HIT
Kemiallisten virtalähteiden laite sisältää kaksi elektrodia (ensimmäisen tyypin johtimia) ja niiden välissä sijaitsevan elektrolyytin (toisen tyypin johdin tai ionijohdin). Niiden välisellä rajalla syntyy elektroninen potentiaali. Elektrodi, jossa pelkistävä aine hapetetaankutsutaan anodiksi, ja sitä, jolla hapettava aine pelkistetään, kutsutaan katodiks. Yhdessä elektrolyytin kanssa ne muodostavat sähkökemiallisen järjestelmän.
Elektrodien välisen redox-reaktion sivutuote on sähkövirran muodostuminen. Tällaisen reaktion aikana pelkistävä aine hapettuu ja luovuttaa elektroneja hapettavalle aineelle, joka hyväksyy ne ja siten pelkistyy. Elektrolyytin läsnäolo katodin ja anodin välillä on välttämätön ehto reaktiolle. Jos vain sekoitat jauheita kahdesta eri metallista keskenään, sähköä ei vapaudu, vaan kaikki energia vapautuu lämmön muodossa. Elektrolyyttiä tarvitaan virtaviivaistamaan elektroninsiirtoprosessia. Useimmiten se on suolaliuos tai sulate.
Elektrodit näyttävät metallilevyiltä tai ristikoilta. Kun ne upotetaan elektrolyyttiin, niiden välille syntyy sähköinen potentiaaliero - avoimen piirin jännite. Anodilla on taipumus luovuttaa elektroneja, kun taas katodilla on taipumus ottaa ne vastaan. Niiden pinnalla alkavat kemialliset reaktiot. Ne pysähtyvät, kun piiri avataan, ja myös kun jokin reagensseista on käytetty loppuun. Piiri avautuu, kun jokin elektrodeista tai elektrolyytti poistetaan.
Sähkökemiallisten järjestelmien koostumus
Kemialliset virtalähteet käyttävät hapettimina happea sisältäviä happoja ja suoloja, happea, halogenideja, korkeampia metallioksideja, orgaanisia nitroyhdisteitä jne. Metallit ja niiden alemmat oksidit, vety ovat niissä pelkistäviä aineitaja hiilivetyyhdisteet. Kuinka elektrolyyttejä käytetään:
- Happojen, emästen, suolaliuoksen jne. vesiliuokset
- Vedettömät liuokset, joilla on ionijohtavuus, saatu liuottamalla suoloja orgaanisiin tai epäorgaanisiin liuottimiin.
- Sulatut suolat.
- Kiinteät yhdisteet, joissa on ionihila, jossa yksi ioneista on liikkuva.
- Matriisielektrolyytit. Nämä ovat nestemäisiä liuoksia tai sulatteita, jotka sijaitsevat kiinteän johtamattoman kappaleen - elektronin kantajan - huokosissa.
- Ioninvaihtoelektrolyytit. Nämä ovat kiinteitä yhdisteitä, joissa on saman merkin kiinteät ionogeeniset ryhmät. Toisen merkin ionit ovat liikkuvia. Tämä ominaisuus tekee tällaisen elektrolyytin johtavuudesta yksinapaisen.
Galvaaniset paristot
Kemialliset virtalähteet koostuvat galvaanisista kennoista. Jännite yhdessä näistä kennoista on pieni - 0,5 - 4 V. HIT:ssä käytetään tarpeesta riippuen galvaanista akkua, joka koostuu useista sarjaan kytketyistä kennoista. Joskus käytetään useiden elementtien rinnakkaista tai sarja-rinnakkaisliitäntää. Vain identtiset paristot tai paristot sisältyvät aina sarjavirtapiiriin. Niillä on oltava samat parametrit: sähkökemiallinen järjestelmä, suunnittelu, tekninen vaihtoehto ja vakiokoko. Rinnakkaisliitännässä on hyväksyttävää käyttää erikokoisia elementtejä.
HIT-luokitus
Kemialliset virtalähteet eroavat toisistaan:
- koko;
- design;
- reagenssit;
- energiaa muodostavan reaktion luonne.
Nämä parametrit määrittävät tiettyyn sovellukseen sopivat HIT-suorituskykyominaisuudet.
Sähkökemiallisten elementtien luokittelu perustuu laitteen toimintaperiaatteen eroon. Näistä ominaisuuksista riippuen ne erottavat:
- Ensisijaiset kemialliset virtalähteet ovat kertakäyttöisiä elementtejä. Heillä on tietty määrä reagensseja, jotka kulutetaan reaktion aikana. Täydellisen purkauksen jälkeen tällainen kenno menettää toimintakykynsä. Toisella tavalla primaarisia osumia kutsutaan galvaanikennoiksi. On oikein kutsua niitä yksinkertaisesti - elementiksi. Yksinkertaisimpia esimerkkejä ensisijaisesta virtalähteestä ovat "paristot" A-A.
- Ladattavat kemialliset virtalähteet - akut (niitä kutsutaan myös toissijaisiksi, käännettäviksi HIT:iksi) ovat uudelleenkäytettäviä kennoja. Ohjaamalla virtaa ulkoisesta piiristä vastakkaiseen suuntaan akun läpi täydellisen purkauksen jälkeen käytetyt reagenssit regeneroidaan, mikä taas kerää kemiallista energiaa (lataus). Ulkoisesta vakiovirtalähteestä latautumiskyvyn ansiosta tätä laitetta käytetään pitkään, ja lataustaukoilla. Sähköenergian tuottoprosessia kutsutaan akun purkamiseksi. Tällaisia osumia ovat muun muassa akut monille elektronisille laitteille (kannettavat tietokoneet, matkapuhelimet jne.).
- Lämpökemialliset virtalähteet - jatkuvatoimiset laitteet. ATHeidän työnsä aikana tapahtuu jatkuva uusien reagenssiannosten virtaus ja reaktiotuotteiden poisto.
- Yhdistetyissä (puolipolttoaine) galvaanisissa kennoissa on varastossa yhtä reagenssia. Toinen syötetään laitteeseen ulkopuolelta. Laitteen käyttöikä riippuu ensimmäisen reagenssin toimituksesta. Akkuina käytetään yhdistettyjä kemiallisia sähkövirran lähteitä, jos niiden varaus on mahdollista palauttaa johtamalla virtaa ulkoisesta lähteestä.
- HIT uusiutuva ladattava mekaanisesti tai kemiallisesti. Heille on mahdollista korvata käytetyt reagenssit uusilla annoksilla täydellisen purkamisen jälkeen. Eli ne eivät ole jatkuvia laitteita, vaan akkujen tapaan niitä ladataan säännöllisesti.
HIT-ominaisuudet
Kemiallisten voimanlähteiden tärkeimmät ominaisuudet ovat:
- Avoimen piirin jännite (ORC tai purkausjännite). Tämä indikaattori riippuu ensinnäkin valitusta sähkökemiallisesta järjestelmästä (pelkistimen, hapettimen ja elektrolyytin yhdistelmä). NRC:hen vaikuttavat myös elektrolyytin pitoisuus, purkausaste, lämpötila ja paljon muuta. NRC riippuu HIT:n läpi kulkevan virran arvosta.
- Voima.
- Pikkuvirta - riippuu ulkoisen piirin resistanssista.
- Kapasiteetti - suurin sähkön määrä, jonka HIT vapauttaa, kun se on täysin tyhjä.
- Tehoreservi - suurin mahdollinen energia, joka vastaanotetaan, kun laite on täysin tyhjä.
- Energiaominaisuudet. Akkujen os alta tämä on ennen kaikkea taattu lataus-purkausjaksojen määrä ilman, että kapasiteetti tai latausjännite (resurssi) vähenevät.
- Lämpötilan käyttöalue.
- Säilyvyysaika on suurin sallittu aika valmistuksen ja laitteen ensimmäisen purkamisen välillä.
- Käyttöikä - suurin sallittu säilytys- ja käyttöaika. Polttokennoissa jatkuva ja ajoittainen käyttöikä on tärkeää.
- Kokonaisenergia haihtunut eliniän aikana.
- Mekaaninen lujuus tärinää, iskuja jne. vastaan
- Kyky työskennellä missä tahansa asennossa.
- Luotettavuus.
- Helppo huolto.
HIT-vaatimukset
Sähkökemiallisten kennojen suunnittelun on tarjottava olosuhteet, jotka edistävät tehokkainta reaktiota. Näitä ehtoja ovat:
- estä virtavuoto;
- jopa työ;
- mekaaninen lujuus (mukaan lukien tiiviys);
- reagenssien erottelu;
- hyvä kontakti elektrodien ja elektrolyytin välillä;
- virran hajoaminen reaktioalueelta ulkoliittimeen minimaalisilla häviöillä.
Kemiallisten virtalähteiden on täytettävä seuraavat yleiset vaatimukset:
- tiettyjen parametrien korkeimmat arvot;
- maksimi käyttölämpötila-alue;
- suurin jännite;
- vähimmäishintaenergiayksikköä;
- jännitteen vakaus;
- latausturvallisuus;
- turvallisuus;
- helppo ylläpito, ja mieluiten sitä ei tarvita;
- pitkä käyttöikä.
Hyödyntämisosuma
Primaarigalvaanikennojen tärkein etu on, että ne eivät vaadi huoltoa. Ennen kuin aloitat niiden käytön, riittää tarkistaa ulkonäkö, viimeinen käyttöpäivä. Kytkemisen yhteydessä on tärkeää tarkkailla napaisuutta ja tarkistaa laitteen koskettimien eheys. Monimutkaisemmat kemialliset virtalähteet - akut - vaativat vakavampaa hoitoa. Niiden huollon tarkoituksena on maksimoida niiden käyttöikä. Akun hoito on:
- pidä puhtaana;
- avopiirin jännitteenvalvonta;
- elektrolyyttitason ylläpitäminen (täyttöön saa käyttää vain tislattua vettä);
- elektrolyyttipitoisuuden hallinta (käyttämällä hydrometriä - yksinkertainen laite nesteiden tiheyden mittaamiseen).
Galaanikennoja käytettäessä on noudatettava kaikkia sähkölaitteiden turvalliseen käyttöön liittyviä vaatimuksia.
HIT:n luokitus sähkökemiallisten järjestelmien mukaan
Kemiallisten virtalähteiden tyypit järjestelmästä riippuen:
- lyijy (happo);
- nikkeli-kadmium, nikkeli-rauta, nikkeli-sinkki;
- mangaani-sinkki, kupari-sinkki, elohopea-sinkki, sinkkikloridi;
- hopea-sinkki, hopea-kadmium;
- ilma-metalli;
- nikkeli-vety ja hopea-vety;
- mangaani-magnesium;
- litium jne.
HITin nykyaikainen sovellus
Kemiallisia virtalähteitä käytetään tällä hetkellä:
- ajoneuvot;
- kannettavat laitteet;
- sotilas- ja avaruustekniikka;
- tieteelliset laitteet;
- lääketiede (tahdistimet).
Tavallisia esimerkkejä HIT:istä jokapäiväisessä elämässä:
- paristot (kuivaparistot);
- akut kannettaviin kodinkoneisiin ja elektroniikkaan;
- keskeytymättömät virtalähteet;
- auton akut.
Litiumkemiallisia virtalähteitä käytetään erityisen laaj alti. Tämä johtuu siitä, että litiumilla (Li) on suurin ominaisenergia. Tosiasia on, että sillä on negatiivisin elektrodipotentiaali kaikista muista metalleista. Litiumioniakut (LIA) ovat edellä muita CPS:itä ominaisenergian ja käyttöjännitteen suhteen. Nyt he hallitsevat vähitellen uutta aluetta - tieliikennettä. Tulevaisuudessa litiumakkujen parantamiseen liittyvä tiedemiesten kehitys siirtyy kohti ultraohuita malleja ja suuria raskaita akkuja.
