Курсовая работа: Хімічні джерела струму
Всі хімічні джерела струму (ХДС) поділяються на три групи: джерела струму одноразової дії (гальванічні елементи), джерела струму багаторазової дії (акумулятори), паливні елементи.
У первинних ХДС електродні матеріали завантажуються в елемент при виготовленні, і елемент експлуатується, поки його напруга не впаде до деякого критичного значення. Електродні матеріали ХДС, що відпрацювали, йдуть у відходи або частково переробляються для регенерації компонентів.
В акумуляторах електроактивні речовини у ході попереднього електролізу (заряд акумулятора). У процесі експлуатації вони витрачаються (розряд акумулятора), а напруга акумулятора знижується до деякої гранично допустимої величини, після чого знову проводять заряд. Процеси заряду і розряду утворюють цикл роботи акумулятора. Максимальне число циклів (звичайно декілька сотень) залежить від типу акумулятора і умов його експлуатації.
Робота ХДС характеризується рядом параметрів, від яких залежить можливість використання ХДС для тих або інших потреб.
Електрорушійна сила (ЕРС) хімічного джерела струму, як і будь-якого електрохімічного кола, визначається різницею потенціалів електродів (анода і катода) при розімкненому зовнішньому колі.
Повним внутрішнім опором r ХДС називається опір, що чиниться ним при проходженні всередині нього постійного струму:
де ЕП - ЕРС поляризації: І - сила струму.
Перша з цих складових r0 називається омічним опором і являє собою суму опорів електродів і електроліту. Друга складова rП - зумовлена зміною потенціалів електродів при проходженні струму і називається опором поляризації, або фіктивним опором, його величина залежить від величини струму. У процесі розряду ХДС повний внутрішній опір збільшується через зміну складу електроліту і електродів. Наявністю внутрішнього опору зумовлене те, що розрядна напруга Up (тобто напруга при замкненому зовнішньому колі) завжди менша за ЕРС джерела струму:
(нижній індекс "р" означає розряд).
При постійній величині струму та постійній температурі електроліту розрядна напруга зменшується у часі.
Зарядна напруга Uз оборотних систем виражається рівнянням:
При постійній величині зарядного струму зарядна напруга збільшується у часі внаслідок збільшення ЕП. У кінці заряду, коли відбувається в основному процес електролізу води, значення Uз стабілізується.
Розрядною ємністю (ємністю за струмом) Qр називається та кількість електрики, яка може бути отримана від ХДС при даних умовах роботи, тобто при заданих температурі, величині розрядного струму і кінцевому значенні розрядної напруги.
2.2 ПЕРВИННІ ДЖЕРЕЛА СТРУМУ
Одними з найбільш поширених первинних ХДС є мангано-цинкові елементи, виробництво яких становить близько 3 млрд. одиниць на рік. Це сольові елементи (система Лекланше):
(-) Zn | 20% - ний розчин NH4Cl | MnO2 | C (+)
та лужні
(-) Zn | KOH | MnO2 | C (+)
Негативним електродом елемента Лекланше є цинковий стакан, електроліт - розчин хлориду амонію із загусником (борошном або крохмалем). Позитивний електрод являє собою вугільний стрижень, оточений піролюзитом MnO2. До розчину хлориду амонію додається невелика кількість хлориду цинку, хлориду кальцію і хлориду ртуті. Перші дві солі гігроскопічні і перешкоджають пересиханню елемента та збільшують в’язкість розчину. Хлорид ртуті виконує подвійну функцію: з одного боку, ртуть із хлориду частково осідає на цинку (Zn + HgCl2 = ZnCl2 + Hg), поверхня якого внаслідок цього амальгамується і стає більш однорідною, що зменшує саморозряд. З іншого боку хлорид ртуті знищує мікроорганізми і запобігає бродінню крохмалю. Останнім часом виготовляють елементи без домішок сполук ртуті, які замінюють органічними інгібіторами. Порошок піролюзиту для збільшення електричної провідності змішується з сажею або графітовим порошком.
За конструкцією сучасні елементи розділяються на циліндричні, прямокутні, чашкові та галетні.
Хімічним процесом, що перебігає в елементі, є окислення цинку діоксином марганцю:
Zn + 2NH4Cl + 2MnO2 = [Zn(NH3) 2] Cl2 + Mn2O3 + H2O
ЕРС елемента типу Лекланше досягає 1,5 В, його внутрішній опір дорівнює 0,05 - 1 Ом, потужність 20-25 Вт/кг. Існують різні варіанти елементу Лекланше. У деяких із них замість хлориду амонію застосовується, наприклад, хлорид (або бромід) магнію, який сприяє зменшенню саморозряду внаслідок захисної дії Mg(OH) 2, що утворюється, але цей елемент має більш низьку напругу. У тих випадках, коли від елемента потрібна висока питома потужність, замість цинку застосовують більш легкі метали - магній або алюміній, наприклад мангано-магнієвий елемент:
Mg | MgBr2 | MnO2 | C,
в якому відбувається реакція
MnO2 + Mg + H2O = MnO + Mg(OH) 2
 |
??????? 1.1 ????? ????????????? ????????????? ????????
Малюнок 1.2 Схема мангано-цинкового елементу (батарейки)