лекция 5 6
-
Upload
olegkozaderov -
Category
Education
-
view
774 -
download
1
Transcript of лекция 5 6
![Page 1: лекция 5 6](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022042715/558d17acd8b42a07418b4694/html5/thumbnails/1.jpg)
Экологически чистые источники энергии
Лекция 5-6
![Page 2: лекция 5 6](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022042715/558d17acd8b42a07418b4694/html5/thumbnails/2.jpg)
Тема 3. Электрохимическая энергетика
Лекция 5. Химические источники тока
![Page 3: лекция 5 6](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022042715/558d17acd8b42a07418b4694/html5/thumbnails/3.jpg)
Многоступенчатый и прямой способы преобразования химической энергии
![Page 4: лекция 5 6](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022042715/558d17acd8b42a07418b4694/html5/thumbnails/4.jpg)
ХИМИЧЕСКИЙ ИСТОЧНИК ТОКА (ХИТ)
устройство, в котором химическая энергия пространственно разделенного взаимодействия окислителя и восстановителя напрямую превращается в электрическую энергию
![Page 5: лекция 5 6](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022042715/558d17acd8b42a07418b4694/html5/thumbnails/5.jpg)
Простейшая схема ХИТ
(-) восстановитель| электролит | окислитель (+)
Электрод - проводник первого рода, находящийся в контакте с ионным проводником
Анод - электрод, на котором протекает окисление восстановителя
Катод - электрод, на котором протекает восстановление окислителя
Совокупность окислителя, восстановителя и ионного проводника называется электрохимической системой.
![Page 6: лекция 5 6](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022042715/558d17acd8b42a07418b4694/html5/thumbnails/6.jpg)
Классификация ХИТ
1. Первичные (гальванические элементы)
– содержат ограниченный запас активных веществ (окислителя и восстановителя), входящих в состав расходуемых электродов
– после полного расходования активных веществ становятся неработоспособными и требуют замены новыми
– одноразового использования
![Page 7: лекция 5 6](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022042715/558d17acd8b42a07418b4694/html5/thumbnails/7.jpg)
Классификация ХИТ
2. Вторичные (аккумуляторы)
– после израсходования активных масс могут быть приведены в рабочее состояние пропусканием электрического тока через элемент в обратном направлении
– многоразового использования
![Page 8: лекция 5 6](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022042715/558d17acd8b42a07418b4694/html5/thumbnails/8.jpg)
Классификация ХИТ
3. Топливные элементы– электроды являются
нерасходуемыми и не изменяются при работе
– активные вещества хранятся вне элемента и подаются в него в процессе работы
– работает, пока к электродам подаются активные вещества
![Page 9: лекция 5 6](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022042715/558d17acd8b42a07418b4694/html5/thumbnails/9.jpg)
Первичные ХИТ
![Page 10: лекция 5 6](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022042715/558d17acd8b42a07418b4694/html5/thumbnails/10.jpg)
Открытие ХИТ: опыты Луиджи Гальвани
![Page 11: лекция 5 6](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022042715/558d17acd8b42a07418b4694/html5/thumbnails/11.jpg)
Открытие ХИТ: гальваническая батарея Алессандро Вольта
![Page 12: лекция 5 6](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022042715/558d17acd8b42a07418b4694/html5/thumbnails/12.jpg)
Принцип работы медно-цинкового гальванического элемента Вольта
на цинковом аноде протекает реакция окисления цинка: Zn – 2e– Zn2+
на медном катоде протекает реакция восстановления ионов водорода:
2H+ + 2e– H2
суммарная реакция в элементе:
Zn + 2H+ Zn2+ + H2.
![Page 13: лекция 5 6](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022042715/558d17acd8b42a07418b4694/html5/thumbnails/13.jpg)
Элемент Даниеля-Якоби
ДжонФредерикДаниель
БорисСеменовичЯкоби
Анод:Zn – 2e– Zn2+
Катод:Cu2+ + 2e– Cu Zn + Cu2+ Zn2+ + Cu
![Page 14: лекция 5 6](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022042715/558d17acd8b42a07418b4694/html5/thumbnails/14.jpg)
"Рецепт" изготовления гальванического элемента из лимона (видео)
"Разрежьте лимон острым ножом поперек. Воткните в мякоть по кусочку медной и цинковой проволоки. У вас получится маленькая гальваническая батарея, дающая хотя очень слабый, но оказывающий некоторое физиологическое действие электрический ток
(ж. "Природа и люди", 1909 г.)
![Page 15: лекция 5 6](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022042715/558d17acd8b42a07418b4694/html5/thumbnails/15.jpg)
МЦ-элементы с солевым электролитом – основной тип первичных ХИТ
Ежегодно производится более 10 млрд. МЦ-элементов
Удачное сочетание качеств:
– Дешевизна– Хорошие электрические
показатели– Приемлемая
сохраняемость– Удобство в эксплуатации
![Page 16: лекция 5 6](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022042715/558d17acd8b42a07418b4694/html5/thumbnails/16.jpg)
Активные вещества МЦ-элементов
Катод:– Двуокись марганца
MnO2
Анод:– Цинк Zn
Электролит– Загущенный водный
раствор NH4Cl + ZnCl2
![Page 17: лекция 5 6](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022042715/558d17acd8b42a07418b4694/html5/thumbnails/17.jpg)
Процессы на КАТОДЕ
Электрохимическое восстановление MnO2
MnO2 + H+ + e MnOOH
лимитируется диффузией электронов и протонов с поверхности вглубь зерна MnO2.
В результате образуется гомогенная фаза переменного состава yMnOOH(1-y)MnO2.
![Page 18: лекция 5 6](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022042715/558d17acd8b42a07418b4694/html5/thumbnails/18.jpg)
Процессы на АНОДЕ
1. Окисление цинка с образованием ионов Zn2+
2. По мере увеличения вблизи анода концентрации ионов цинка усиливается их гидролиз, вследствие чего снижается рН:
Zn2+ + H2O Zn(OH)+ + H+
3. Ионы цинка диффундируют в зоны с большим рН, выпадая в виде гидроксида Zn(OH)2 или комплексов ZnCl2xZn(OH)2
![Page 19: лекция 5 6](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022042715/558d17acd8b42a07418b4694/html5/thumbnails/19.jpg)
Процессы на АНОДЕ
4. Ионы аммония (из NH4Cl) частично разлагаются с образованием свободного аммиака
5. Образуется осадок [Zn(NH3)2]Cl, увеличивается внутреннее сопротивление элемента
![Page 20: лекция 5 6](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022042715/558d17acd8b42a07418b4694/html5/thumbnails/20.jpg)
Токообразующие реакции (в грубом приближении)
Вариант 1
Zn + 2MnO2 + 2H2O 2MnOOH + Zn(OH)2
Вариант 2
Zn + 2MnO2 + 2NH4Cl [Zn(NH3)2]Cl + 2MnOOH
![Page 21: лекция 5 6](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022042715/558d17acd8b42a07418b4694/html5/thumbnails/21.jpg)
Напряжение разомкнутой цепи МЦ-элементов
От 1,55 до 1,85 В При длительном
хранении постепенно снижается из-за явлений саморазряда
![Page 22: лекция 5 6](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022042715/558d17acd8b42a07418b4694/html5/thumbnails/22.jpg)
Саморазряд МЦ-элементов
! Оба электрода термодинамически неустойчивы и могут взаимодействовать с водными растворами с выделением водорода (Zn) и кислорода (MnO2)
! Коррозия цинка приводит к образованию осадков, увеличивающих сопротивление элемента, рабочее напряжение снижается
! MnO2 может взаимодействовать с загустителями электролита и окислять их, при этом снижается емкость катода
! Причиной снижения емкости может быть высыхание электролитной пасты
![Page 23: лекция 5 6](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022042715/558d17acd8b42a07418b4694/html5/thumbnails/23.jpg)
Возможность многократного использования МЦ-элементов
МЦ-элементы допускают некоторое количество зарядно-разрядных циклов при условии, что во время разряда используется не более 25% емкости
Заряд должен начинаться сразу после разряда При циклировании МЦ-элементов резко
снижается срок их службы Возможен разрыв МЦ-элемента при заряде
![Page 24: лекция 5 6](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022042715/558d17acd8b42a07418b4694/html5/thumbnails/24.jpg)
Конструкция МЦ-элементов
1 – изолирующая прокладка; 2 – бесшовный цинковый стаканчик (отрицательный электрод); 3 – изолированная металлическая оболочка; 4 – пористый разделительный стаканчик; 5 – графитовый стержень (положительный электрод); 6 – деполяризующая смесь; 7 – пастообразный электролит; 8 – пространство для расширения; 9 – запрессованные прокладки; 10 – полимерный герметик; 11 – металлическая крышка; 12 – изолирующая прокладка; 13 – металлический колпачок.
![Page 25: лекция 5 6](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022042715/558d17acd8b42a07418b4694/html5/thumbnails/25.jpg)
Катод
Пиролюзит -MnO2 (наиболее дешевая модификация; почти не подвергается самопроизвольному разложению)
Активированный высокопористый пиролюзит -MnO2 (повышает напряжение МЦ-элемента)
Электролитический -MnO2 (отличается высокой степенью чистоты и высокой активностью)
Искусственный -MnO2 (получают химическим путем; повышает стабильность напряжения МЦ-элемента)
![Page 26: лекция 5 6](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022042715/558d17acd8b42a07418b4694/html5/thumbnails/26.jpg)
Анод
Цинк с чистотой не менее 99,94%, обладающий относительно высокой коррозионной стойкостью
Допускаются примеси металлов, на которых низка скорость выделения водорода (Cd, Pb)
![Page 27: лекция 5 6](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022042715/558d17acd8b42a07418b4694/html5/thumbnails/27.jpg)
Электролит
NH4Cl– Повышение концентрации увеличивает
электропроводность, но одновременно снижает рН, что ускоряет коррозию цинка
ZnCl2– В присутствии хлорида цинка электролит загустевает
быстрее– Обладает буферными свойствами
Загустители, крахмал В МЦ-элементы, предназначенные для работы
при низких температурах, добавляют CaCl2 или LiCl
![Page 28: лекция 5 6](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022042715/558d17acd8b42a07418b4694/html5/thumbnails/28.jpg)
Марганцево-воздушно-цинковые (МВЦ) элементы
MnOOH, образующийся при разряде MnO2 в МЦ-элементе, может вновь окисляться кислородом воздуха до смешанной фазы, богатой MnO2
Сажа и графит способны адсорбировать кислород и работать как кислородные электроды
Катодный процесс сводится одновременно к восстановлению MnO2 и кислорода воздуха
![Page 29: лекция 5 6](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022042715/558d17acd8b42a07418b4694/html5/thumbnails/29.jpg)
Конструкционные особенности МВЦ-элементов
В состав катода вводят повышенное содержание углеродных добавок (активированный уголь, графит, сажа)
Предусматривают специальные каналы для лучшей подачи воздуха к активной массе катода
![Page 30: лекция 5 6](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022042715/558d17acd8b42a07418b4694/html5/thumbnails/30.jpg)
Характеристики МЦ-элементов
Начальное напряжение 1,3 – 1,6 В Конечное напряжение 0,7 – 1,0 В При прерывистом разряде средними и
большими токами емкость МЦ-элементов увеличивается
Сохраняемость от 3 мес. до нескольких лет– Большое значение имеют тщательность
герметизации и температура хранения