Курс общей химии. Мингулина, Масленникова, Коровин_1990 -446с (Учебник по химии), страница 103

Никель-железные аккумуляторы дешевле никель-кадмиевых, но имеют несколько худшие показатели на единицу массы. Они применяются для питания электрокар, погрузчиков и рудничных электровозов. Никель-кадмиевые аккумуляторы используются для питания аппаратуры связи, радиоприемников, магнитофонов и различной электронной аппаратуры. В последние годы разработаны никель-водородные аккумуляторы, в которых отрицательным электродом является водо- родный, аналогичный электроду топливного элемента. При заряде аккумулятора водород собирается в баллон, при разряде расходуется из этого баллона.

Такие аккумуляторы имеют достаточно высокую удельную энергию (50 — 70 Вт ч/кг). Промышленность выпускает также щелочные серебряно-цинковые аккумуляторы, у которых окислителем служит оксид серебра, а восстановителем — цинк. Удельная энергия этого аккумулятора относительно велика (60 †1 Вт ч/кг); однако он дорог и имеет малый срок службы, поэтому применяется ограниченно. Проводятся исследования по совершенствованию существующих и созданию новых аккумуляторов. Это в значительной степени обусловлено необходимостью еоздания электромобилей, не дающих вредных выбросов в окружающую среду. В настоящее время в Советском Союзе и других странах уже создано несколько моделей электромобилей со свинцовыми аккумуляторами.

Однако эти электромобили имеют малый пробег между зарядами аккумулятора (до 60 км) из-за невысокого значения его удельной энергии. Такие электромобили могут использоваться, если пробег за день невелик (грузовые фургоны, машины коммунального хозяйства). Необходимо создать недорогой аккумулятор, удельная энергия которого значительно превышала бы удельную энергию свинцового аккумулятора.

Разработаны никель-цинковые аккумуляторы, в которых отрицательным электродом служит цинк, а положительным электродом — гидроксид никеля. Удельная энергия около 50 Вт ч/кг, что обеспечивает пробег электромобиля без заряда 100 — 150 км, Ведется разработка серно-натриевого аккумулятора с твердым электролитом.

Отрицательным электродом служит натрий, положительным — сера в смеси с графитом, электролитом — соединение МаэО !1А!эОз, обладающее ионной (по Ма" ) проводимостью. Удельная энергия аккумулятора достигает !00— 200 Вт.ч/кг. ! ХУ!ДЬ ЗЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ 1хемОтРОиы) Электрохимическими преобразователями, или хемотронами, называют приборы и отдельные элементы устройств, принцип действия которых основан на законах электрохимии. Электрохнмические системы такого рода выполняют роль диодов, датчиков, интеграторов, запоминающих устройств и соответственно выполняют функции выпрямления, усиления и генерирования электрических сигналов, измерения неэлектрических величин и др. В хемотронах происходят процессы преобразования электрической энергии в химическую, а также механической энергии в электрическую н др. В отличие от электронных устройств (ламповых и полупроводниковых), в которых перенос электричества осуществляется электронами, в электрохимических преобразователях заряды переносятся ионами.

Согласно закону Фарадея, количество вещества, претерпевшего изменение на электроде, пропорционально количеству прошедшего электричества. Поэтому измеряя тем или иным способом количественное изменение вещества, можно определить количество электричества, т. е. интегрировать электрические сигналы. Для этого электро- химическая реакция должна быть: а) обратимой, т. е. реакция на аноде должна быть обратной реакции на катоде. Например, на аноде Сц — 2е — Сц'; на катоде Сц'+ + 2е — Сп; б) реакция должна быть единственной, иначе точное интегрирование тока затруднено; в) электролиты н электроды должны быть устойчивыми во времени; г) реакции на электродах должны протекать с достаточно высокими скоростями.

Таким требованиям могут удовлетворять некоторые электрохимические реакции, характеризующиеся потенциалами, лежащими между потенциалами водородного и кислородного электродов (см, рнс. П!.4). При отсутствии в системе газообразных водорода и кислорода и при малой электрохимической поляризации электродов на них будут протекать лишь основные реакции.

Системой, удовлетворяющей указанным требованиям, может быть !д+ 2е . 2! Е' = 0,53 В. Потенциал ее положительнее потенциала водородного электрода и при рН ( 11 отрицательнее потенциала кислородного электрода, поэтому в водных растворах в присутствии иода и ионов ! кислород и водород выделяться не будут. Эта реакция в прямом и обратном направлениях протекает с небольшой электрохимической поляризацией, следовательно, на электродах можно получить высокие скорости при малой затрате энергии. Аналогичными свойствами обладают некоторые другие системы, например: Сн-'е + 2е Св. Е" = О 34 В !Ге(С)ч),1' -)- е —.= !Ге)СИ)е)"; Е" = 0,36 В Рассмотрим принцип устройства и работу счетчика (интегра- тора) количества электричества, в котором используется реак- 417 рараемаа аерегерааеа ция системы иод — иодид.

Счетчик (интегратор) предназначен для определения количества прошедшего электричества и представляет собой закрытую ячейку (рис. Ххг(.2), состоящую из платиновых анода и катода и раствора электролита Рис. хт!зь схема хечо- между ними. В качестве электролита истронного интегратора пользуется водный раствор К1+ 1ь Ка- тодное пространство отделяется от анод- ного пористой диафрагмой, затрудняющей перемешивание растворов. При пропускании тока через ячейку на электродах протекают электрохимические реакции по уравнениям: на катоде ( — ) !х+ 2е — 21 на аноде (+) 21 — 2е — 11 В результате этого увеличивается концентрация иода в анодном пространстве и ионов ! в катодном. По изменению концентрации веществ можно определить количество прошедшего электричества. Изменение концентрации иода и ионов ! можно определять различными способами.

Чаще используются фотоколометрический способ и способ измерения ЭДС. Первый способ основан на измерении интенсивности окраски раствора в одном из отделений ячейки с помощью фотоколориметра (иод — окрашенное вещество, К! не имеет окраски). Измеряя разность потенциалов в анодном и катодном отделениях ячейки, по уравнению Нернста можно рассчитать изменение активностей иода и ионов 1 . При необходимости систему можно регенерировать пропусканием тока в обратном направлении при переключении полюсов ячейки.

В качестве интегратора может служить также электролизная ячейка, в которой на аноде происходит окисление меди: Сц — 2е -г- Сц , а на катоде — восстановление ионов а+ меди: Си~а + 2е -г- Сц. Ионным проводником служить раствор Сц50о Для повышения электрической проводимости раствора к нему добавляют Н1$0ь Количество прошедшего электричества можно определить по изменению массы медного катода. Такие электрохимические ячейки, называемые кулонометрами, применяются для определения количества прошедшего электричества. Интеграторы могут использоваться также в качестве счетчиков времени. На рис.

ХИ,З представлен счетчик времени, который состоит из двух ртутных электродов и раствора электролита между ними. При протекании тока один электрод 3 растворяется, на другом электроде ! выделяется металлическая отуть, поэтому происходит перемещение границы электродов и пузырька раствора электролита 2 между ними. Последний и указывает время, прошедшее после начала включения интегратора. Электрохимические ячейки, в которых происходит анодное растворение меди и катодное восстановление ионов Сц'+, ис- г 4к пользуют также в качестве управляемых сопротивлений.

Собственно управляемым со- (+) противлением служит слой меди, являющийся катодом рис, ХЧ! 3 Схема счетчика времени: или анодом в электролитиче- ! — катод; х — раствор электролита, 3 ской ячейке, содержащей ра- виол; 4 — корпус створ Сп504 и Нх504 (рис. ХЧ1.4). Если управляемое Сп сопротивление служит анодом, происходит окисление 2Н +ЯОтг меди по уравнению Сп — си — 2е — Сц'э. Толщина слоя меди уменьшается и Рис. ХЧ!.4.

Схема хсмотрониого управ- сопротивление слоя меди ляемого сопротивления растет. Если управляемое сопротивление подключается к отрицательному полюсу внешнего источника тока, происходит разряд ионов Сов+: Сптг + 2е Сп /г ветле ипру тала Толщина слоя меди растет, и сопротивление слоя меди падает. Таким образом, слой меди (управляемое сопротивление) выполняет две функции. Как управляемое сопротивление, слой меди включается в электрическую схему, чаще всего в цепь переменного тока.

Изменение сопротивления осуществляется пропусканием постоянного тока от другого источника через пленку меди. Одновременно слой меди является электродом электролизной ячейки. Управляемое сопротивление может быть также ячейкой памяти (мемистором), в которой хранится информация (количество прошедшего электричества). При создании электрохимических преобразователей используют также законы кинетики электрохимических реакций. Согласно уравнению (ЧП.!9), максимальная скорость реакции (предельная плотность тока т'.,) растет с увеличением концентрации реагентов в объеме раствора Ск и уменьшением толщины диффузионного слоя 6: (ХЧ1.б) ь„= пгтуС,/о. Соответственно максимальный (предельный) ток пропорционален произведению плотности тока на поверхность электрода 5: !.г = 1чД = пггУСтоуо.