Лекция 2 - Конспекты (1095368), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Таким образом, разрядное напряжение ХИТ всегда меньше, чем егоЭДС.Рисунок 2.2 – Подключение гальванического элемента (аккумулятора)к нагрузкеПоляризация элемента ∆ может состоять в общем случае из электрохимической, химической и концентрационной составляющих. Электрохимическаяполяризация обусловлена замедленностью собственно электрохимической ре7Электропитание РЭАГлава 2акции. Концентрационная поляризация вызывается замедленностью стадийподвода реагентов к электродам и отвода продуктов реакции. Химическая поляризация возникает, если электродный процесс сложный и включает химические стадии. Общий путь снижения всех составляющих поляризации и повышения таким образом напряжения ХИТ – увеличение удельной поверхностиэлектродов, увеличение температуры и концентрации реагентов, применениекаталитически активных электродов.Графическое изображение зависимости напряжения ХИТ от силы токаназывается вольтамперной характеристикой (ВАХ).

Кривая ВАХ обычно имеет три участка: I и III – участки резкого изменения напряжения, II – участокпримерно линейного изменения напряжения (рисунок 2.3). Аналитическиеформулы, описывающие ВАХ, весьма сложны.Рисунок 2.3 – Типичная ВАХ ХИТ (схематично)В процессе работы ХИТ, т.е. в процессе его разряда, возрастает поляризация элемента и снижается, как правило, ЭДС из-за уменьшения концентрацииисходных веществ и увеличения концентрации продуктов реакции. Обычнотакже растёт и внутреннее сопротивление. По этим причинам наблюдается неуклонное падение напряжения ХИТ во времени по мере разряда.

Это наиболеетипичное поведение, хотя бывают и исключения: начальный этап разряда может сопровождаться ростом напряжения ХИТ в основном из-за перераспреде-8Электропитание РЭАГлава 2ления составляющих поляризации и/или нагрева. Кривая изменения напряжения во времени называется разрядной кривой.Разрядные кривые имеют разнообразный вид. Их характерные формы показаны на рисунке 2.4, в том числе I – плоская, II – пологая, III – линейная разрядная характеристики. Идеальная разрядная характеристика имеет формупрямоугольника, т.е. весь разряд происходит строго при одном постоянном напряжении (рабочем напряжении), и резко заканчивается при 100%-ном исчерпании активных веществ в электродах.

Рабочее напряжение всегда меньше ЭДСи может быть неопределённым (когда разрядная характеристика близка к линейной).Рисунок 2.4 – Типичные формы разрядной характеристики ХИТ (схематично)Конечным разрядным напряжением называют напряжение, при достижении которого разряд следует прекратить.

Продолжение разряда приведёт к резкому снижению напряжения из-за практически полного исчерпания активныхмасс. Кроме того, разряд ниже конечного разрядного напряжения может привести к необратимой деградации ХИТ.Также для характеристики конкретных типов ХИТ используют следующие параметры: мощность P, удельная мощность Pуд, ёмкость Q, удельная ёмкость Qуд, энергия W и удельная энергия Wуд.Мощность равна произведению силы тока на напряжение и измеряется вваттах.

Для измерения Q и W обычно применяют внесистемные единицы:9Электропитание РЭАГлава 2- ёмкость измеряют в ампер-часах: 1 А·ч = 1 А · 3600 сек = 3600 Кл;- энергию измеряют в ватт-часах: 1 Вт·ч = 1 Вт · 3600 сек = 3600 Дж.Удельную мощность определяют какРуд UIUI[Вт/кг] или Руд [Вт/л],mV(2.2)где m – масса ХИТ; V – объём ХИТ.Ёмкость ХИТ – наиболее широко используемая характеристика. Ёмкостью называют количество электричества (заряд), которое ХИТ способен выработать при разряде. Теоретическая ёмкость определяется по закону ФарадеяQтеор nFm[Кл] или [А·ч],M(2.3)где F – постоянная Фарадея (26,8 A·ч/моль); n – стехиометрическое число электронов, принимающих участие в электрохимическом превращении; M – массамоля вещества.Фактическая ёмкость равна теоретической или ниже из-за неполного использования активных веществ и расхода их на побочные процессы.

Фактическая ёмкость Qфакт может быть измерена путём полного разряда ХИТ постоянным током I в течение времени t и рассчитана какQфакт  It [А·ч].(2.4)Удельную ёмкость измеряют в А·ч/г или в А·ч/л.При разряде ХИТ на постоянную нагрузку (на постоянное внешнее сопротивление Rвнеш) ток непрерывно меняется во времени.

В этом случае ёмкость(заряд) определяется интегрированием произведения I·t и представляет собойплощадь под разрядной кривойtQ   Idt 01Rвнешt Udt 010U cpRвнешt [Кл] или [А·ч],(2.5)Электропитание РЭАГлава 2где Ucp – среднее разрядное напряжение, определяемое усреднением всех точекразрядной кривой. Обычно на гальваническом элементе или аккумуляторе указывается его рабочее напряжение (иногда также ёмкость).Энергия W, которую вырабатывает ХИТ (т.е.

энергия, которую он передаёт во внешнюю нагрузку Rвнеш), равна произведению ёмкости на напряжение.Если бы электрохимические реакции в ХИТ протекали термодинамически обратимо, то теоретическая энергия была бы точно равна полезной работе ΔG.Фактически количество вырабатываемой энергии, конечно, меньше ΔG. Энергия определяется площадью под разрядной кривой. При разряде постояннымтоком ItW  I  Udt  U cp It U cpQ [Дж] или [Вт·ч].(2.6)0При разряде на постоянную внешнюю нагрузку Rвнеш ток непрерывно меняется во времени.

Преобразуем (2.6), используя закон Ома, какtW   IUdt 01RвнешtU2dt 0U cp2 tRвнеш U cpQ [Дж] или [Вт·ч].(2.7)Необходимо чётко понимать, что напряжение и ЭДС – всё, что измеряется в вольтах, – являются интенсивными характеристиками, зависящими отвнутренних свойств веществ, от их природы, но не от их количества. ПоэтомуХИТ одной и той же электрохимической системы будут иметь одно и то же напряжение, независимо от массы и геометрических размеров ХИТ.

Напротив, P,W и Q – экстенсивные характеристики, пропорциональные количеству заложенных реагентов, следовательно, примерно пропорциональные массе или объёму ХИТ.Для сравнения различных электрохимических систем используют удельную ёмкостьQуд QQ[А·ч/кг] или Qуд [А·ч/л]mV11(2.8)Электропитание РЭАГлава 2и удельную энергиюWуд WW[Вт·ч/кг] или Wуд [Вт·ч/л].mV(2.9)Разрядную кривую можно представить как зависимость напряжения U отвремени разряда t, обязательно указывая ток разряда I, или в координатах U-Q.В этом случае кривая будет более универсальна, т.к. по идее одна и та же кривая должна получаться при разных токах.

На самом деле вырабатываемая ёмкость тоже зависит от тока. Обычно чем ближе режим разряда к равновесному,чем меньше ток и чем длительнее разряд, тем выше ёмкость и особенно энергия.Таким образом, по мере увеличения силы разрядного тока снижаются напряжение ХИТ и его фактическая ёмкость.

Поэтому ёмкость, указанная в документах на ХИТ (или в маркировке на его корпусе), – это номинальная ёмкостьС или С° (в А·ч), относящаяся к номинальному режиму разряда, т.е. рекомендованному режиму разряда. С практической точки зрения идеально было бы,чтобы ёмкость вообще не зависела от тока.Саморазрядом ХИТ называют потерю его ёмкости при разомкнутойвнешней цепи. Саморазряд вызывается в основном взаимодействием активныхвеществ с компонентами электролита или с веществами окружающей среды.Важной характеристикой любого ХИТ является максимально допустимый ток разряда и связанные с ним максимально допустимая мощность икритическое напряжение.

Эксплуатация ХИТ при бо́ льших токах невозможнаили нецелесообразна (например, из-за сильного снижения напряжения или изза сильного разогрева). Кроме того, используют понятие тока короткого замыкания IКЗ. Это наибольший ток, который способен генерировать ХИТ, когдавнешнее сопротивление равно нулю.

Поскольку току короткого замыкания соответствует нулевое напряжение U = 0, следовательно, ему соответствует такженулевая отдаваемая мощность P = 0. В этом режиме вся химическая энергия токообразующей реакции превращается в тепло внутри ХИТ.12Электропитание РЭАГлава 2Для перезаряжаемых ХИТ (аккумуляторов) важными электрическими характеристиками, кроме рассмотренных выше, являются также номинальноечисло зарядно-разрядных циклов и отдача по ёмкости МQ:MQ C 1.Q(2.10)Так как часть сообщенного заряда Q тратится на побочные процессы, отдача по ёмкости обычно меньше единицы.

Используют также отдачу по энергии MW.Если напряжение или ёмкость одного гальванического элемента недостаточны, несколько элементов соединяют в батарею (гальваническую батарею).Чаще всего используют последовательное соединение, при котором соединяютразноимённые полюса (минус к плюсу), как это показано на рисунке 2.5. Приэтом напряжение и ЭДС суммируются. Количество элементов не ограничено.Например, в 1803 г. был изготовлен Вольтов столб из 2100 элементов.Рисунок 2.5 – Последовательное соединение гальванических элементовОбщая ёмкость батареи из n элементов равна ёмкости одного элемента:Qобщ  Q .U бат  nU э ,(2.11)Энергия же возрастает в n раз:W  U батQбат  nUQ  nW .(2.12)Параллельное соединение применяют для увеличения силы тока, что требуется реже, поскольку этого можно добиться, используя более крупные ХИТ.При параллельном соединении допустимо соединять вместе только одинаковыеполюса (плюс к плюсу, минус к минусу), как это показано на рисунке 2.6.

Всеэлементы должны быть одинаковыми для выравнивания токов через них.13Электропитание РЭАГлава 2Рисунок 2.6 – Параллельное соединение гальванических элементовПри этом суммируются ёмкость и энергия, а общее напряжение равно напряжению единичного элементаU бат  U э , Qобщ  nQ , Wобщ  nW .(2.13)Наконец, возможна комбинированная коммутация, пример которой показан на рисунке 2.7.Рисунок 2.7 – Комбинированная коммутация гальванических элементовПри выборе ХИТ для электропитания конкретной РЭА, прежде всего, обращают внимание на его цену, энергоёмкость, долговечность при хранении, постоянство напряжения в течение разряда, внутреннее сопротивление, максимальное значение отдаваемого тока, диапазон рабочих температур и массогабаритные показатели.В общем случае требования к ХИТ выглядят следующим образом.

Онидолжны иметь или обеспечивать:- как можно более высокие значения удельных параметров;- как можно более широкий температурный интервал работоспособности;- как можно более высокое напряжение;14Электропитание РЭАГлава 2- по возможности невысокую стоимость единицы энергии;- для аккумуляторов – также высокий ресурс (большое число циклов);- стабильность напряжения;- сохранность заряда;- безопасность;- необслуживаемость или простоту обслуживания.Точная оценка современных объёмов производства различных ХИТ затруднена. Многие данные о выпуске ХИТ за рубежом закрыты, так как они составляют секреты отдельных фирм и военных организаций. По очень грубойоценке, общий выпуск ХИТ во всём мире в настоящее время соответствуетэнергозапасу более 150 млн кВт·ч в год.2.2.2 Первичные химические источники токаТеоретически ХИТ можно построить на основе любой окислительновосстановительной реакции.

Характеристики

Список файлов лекций