Акумулятори

Акумулятор або гальванічний елемент другого роду – це пристрій, який може функціонувати у двох взаємно обернених режимах – відбирання струму та заряджання. Акумулятори використовуються як накопичувачі енергії, вони віддають її у разі необхідності, чи зберігають у вигляді хімічної енергії. Електроди зарядженого акумулятора мають різні хімічні склади, які у процесі експлуатації поступово вирівнюються.

При заряджанні й розряджанні хімічні процеси на електродах акумулятора проходять у протилежних напрямках. Необхідна умова зворотності процесу полягає у тому, що речовини, утворені впродовж експлуатації елемента, повинні залишатися поблизу поверхні електрода. Лише за такої умови можна гарантувати, що під час заряджання ці речовини перейдуть у первинний стан і відкладуться на електроді таким самим способом, як і до розряджання. Якби продукт, що виникає у процесі генерування струму, інтенсивно розчинявся в електроліті, то він дифундував би далеко від свого електрода у вигляді іонів і не зміг би при заряджанні повернутись у повному обсязі до первинного стану.

Найбільш поширеними є свинцевий (кислотний), залізо-нікелевий (лужний), срібно-цинковий (теж лужний) акумулятори. Розглянемо будову та роботу свинцевого акумулятора. Тільки що виготовлений

електрод акумулятора являє собою свинцеву решітку, яка слугує як арматура. В комірках решітки

знаходиться паста

PbO

на воді. Електроди вміщують у

30 %

розчин сірчаної кислоти, внаслідок чого

відбувається реакція

PbO 2 + H 2SO 4 → PbSO 4 + H 2O. (10.10.7)

На обох електродах відкладається слабо розчинна у воді сіль

PbSO 4. При заряджанні до електродів

акумулятора під'єднується зовнішнє джерело постійного струму. На електроді, до якого приєднано негативний полюс джерела, відбувається реакція відновлення

+

PbSO4 + 2H

+ 2e−

→ Pb + H 2SO4. (10.10.8)

Іони водню утворюються внаслідок дисоціації кислоти, а негативний заряд поступає із зовнішнього

джерела. На іншому електроді іони SO2 −

реагують із його матеріалом, утворюючи сіль чотиривалентного

свинцю, а надлишковий негативний заряд нейтралізується зовнішнім джерелом за реакцією

PbSO 4

+ SO 2 − → Pb(SO

4)2

+ 2 e −. (10.10.9)

Новий продукт одразу вступає у електрохімічну реакцію з водою за схемою

Pb(SO4)2+H2O ↔ 2PbO2 +2H2SO4. (10.10.10)

Обіручна стрілка вказує, що реакція проходить в обох напрямках. Негативний електрод зарядженого акумулятора перетворюється в масу губчастого свинцю, розміщеного в комірках. Позитивний електрод являє собою дисперсний перекис свинцю. Отже, структурна формула зарядженого свинцевого акумулятора має такий вигляд:

(−)Pb| розчин H 2SO4 | PbO 2 | Pb(+). (10.10.11)

Одразу по заряджанню ЕРС свинцевого акумулятора сягає

2, 7 B. У процесі розряджання вона

швидко зменшується до

2, 2 B

і далі повільно спадає до величини 1, 85 B. По досягненні цього значення

подальшу експлуатацію акумулятора проводити не можна, оскільки його електроди вкриються надто

товстим шаром нерозчинного PbSO 4

і він необоротно вийде з ладу.

У процесі заряджання акумулятора частина води витрачається у хімічній реакції (10.10.10), тому

концентрація розчину H2SO4

зростає. Під час експлуатації хімічні процеси йдуть у зворотному напрямку

і концентрація розчину спадає. Отже, ступінь зарядженості акумулятора можна визначати, контролюючи концентрацію електроліту. На практиці вимірюється не сама концентрація, а питома густина розчину за допомогою ареометра. На кінцевому етапі заряджання посилюється реакція електролізу води, тому виникнення бульбашок також є критерієм його зарядженості.

Поряд із кислотними, широко застосовуються лужні залізно-нікелеві акумулятори. Заряджений

лужний акумулятор має негативний електрод із губчастого заліза, а позитивний з нікелю, вкритого

окислом

Ni2O3. Електролітом слугує

20 %

розчин їдкого калі

KOH. Структурна формула зарядженого

лужного акумулятора має вигляд

(−)Fe| розчин КОН | Ni 2 O3 | Ni(+). (10.10.12)

У процесі розряджання на негативному електроді відбуваються реакції

Fe →Fe2 + +2e−;

Fe2 +

+ 2OH−

→ Fe(OH)2.

На позитивному електроді реакції проходять у такій послідовності:

Ni2O3

+ 3H O → 2Ni3++ 6OH −;

2Ni3++2e−→2Ni2 +;

2Ni2 +

+ 4OH −

→ 2Ni(OH)2.

При заряджанні ці процеси проходять у зворотному напрямку. ЕРС лужного акумулятора складає

1, 3 B. Він значно краще ніж свинцевий переносить електричні та механічні перевантаження, не чутливий до надлишкового заряджання та значного розряджання і розвиває більшу потужність на одиницю ваги акумулятора.

Для спеціальних застосувань використовують малогабаритні срібно-цинкові акумулятори. Формула

зарядженого акумулятора

(−)Zn| розчн КОН | Ag 2O | Ag(+).

Перевагою срібно-цинкових акумуляторів є їх значна питома потужність.

Паливні елементи

Паливний елемент – це гальванічний елемент, у якому електрохімічно активними речовинами є звичайні горючі речовини та кисень, а струм генерується внаслідок окислення цих речовин. Як паливо використовується водень, вуглеводні (наприклад, метан), спирти, вугілля, тощо. Реакції окислення та відновлення у паливному елементі, як і в будь-якому гальванічному елементі, просторово розділені, тобто

відбуваються кожна на своєму електроді. Електролітом слугує водний розчин лугу. У

високотемпературних паливних елементах як електроліт використовуються розплави солей.

Розглянемо роботу воднево-кисневого паливного елементу. Його можна отримати, зануривши два

пористі платинові електроди в

30K 40 %

розчин

KOH. Один електрод омивається проточним воднем,

інший киснем, рис. 10.10.3. На водневому електроді проходить реакція окислення. Адсорбовані молекули водню внаслідок теплових процесів розпадаються на атоми, які згодом, утрачаючи електрони, переходять

в електроліт

H → 2H → 2H++ 2e−.

Приєднуючись до молекул води, іони водню утворюють іони H OH+.

Рис. 10.10.3. Схема воднево-кисневого паливного елементу.

На іншому електроді кисень дисоціює на атоми, які відбирають від електрода електрони. Іони

O-,O2- переходять у розчин і взаємодіють із молекулами води, утворюючи молекули гідроксилу, тобто

O +H O +4e−→4OH−.

В результаті на кисневому електроді накопичується позитивний заряд. Іони

H OH+

та OH −

взаємно

нейтралізуються з утворенням молекул води, що призводить до зменшення концентраційної поляризації. Однак, основним типом поляризації паливного елемента є активаційна поляризація. Вона спричинена надто малою швидкістю проходження хімічних процесів на електродах. Швидкість реакцій можна прискорити такими самими способами, як і швидкість інших хімічних реакцій, тобто, збільшуючи температуру та тиск, а також, використовуючи відповідні каталізатори.

В інших конструкціях паливних елементів замість лужного розчину в якості електроліту застосовується іонообмінна смола. Використання твердого електроліту дозволяє зменшити габарити елемента. Крім того, внаслідок відсутності рідини такий елемент може працювати в будь-якому

положенні. ККД воднево-кисневого елемента досить високий (~ 80 %). Паливні елементи застосовуються

у спеціальних випадках, наприклад, як автономні джерела живлення в космічних апаратах.