1598085291-e9a6c4eef7863c3d04894ea4da133f9d (805567), страница 16

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

Текст из файла (страница 16)

с увеличением ↑I падает U , то W и w ↓уменьшаются.Более высокую w можно получить в элементах с малой Мэ ,большой ЭДС ивысокой степенью превращения реагентов.Мощность элемента P(Вт) – энергия, отдаваемая за единицу времени.Р = U.IР = UI =( ЕЭ – ΔE – IR).IВсе факторы, повышающие напряжение элемента, увеличивают егомощность.

Зависимость мощности от тока проходит через максимум.Удельная мощность (Вт/кг или м3) – мощность, отнесенная к массе илиобъему элемента.Сохраняемость – срок хранения ХИТ,характеристики остаются в заданных пределах.втечениекоторогоегоТребования к современным ХИТ :Возможно большая величина ЭДС;Возможно меньшее отклонение напряжения от ЭДС при разряде;Большая удельная емкость ;Максимально высокая удельная энергия;Максимально высокая удельная мощность;Максимально низкий саморазряд (потеря емкости ХИТ приразомкнутой цепи за счет протекания побочных реакций); Хорошая сохраняемость (для гальванических элементов) идлительный ресурс (для топливных элементов и аккумуляторов).Гальванические элементы - первичные элементы.Реагенты (окислитель и восстановитель) входят непосредственно всостав гальванического элемента и расходуются в процессе его работы.Может работать непрерывно или с перерывами.

После расхода реагентовэлемент не может больше работать. Таким образом, это источник токаодноразового действия.Пример:«Сухой» марганцево-цинковый элемент- широко применяется для питания радиоаппаратуры, аппаратуры связи,магнитофонов, карманных фонарей и др.Анод - цинковый электрод (1),катод - электрод из смеси диоксида марганца с графитом (МnО2+С) (3),токоотвод - графит (4);электролит - паста из раствора хлорида аммония NH4Cl с загустителем илибумага, пропитанная раствором NH4Cl (2).Рис. 7.12Устройство первичного элемента МnО2 - Zn с солевым электролитом:1 - цинковый анод; 2 - электролит; 3 – катод (МnО2+С); 4 – графитовыйтокоотвод катода; 5 - пространство для сбора газов; 6 - крышка; 7 уплотнение; 8 - стойка; 9 - футляр; 10 - дноСхема элемента:(-) Zn | NH4Cl| MnO2 , С (+)На аноде - окисление цинка: Zn + 2NH4 +-2e→Zn(NH3)22++2H+,на катоде - Мn(IV) восстанавливается до Мn(III):2MnO2 + 2H+ + 2e → 2MnOOHСуммарное уравнение токообразующей реакции:Zn + 2NH4Cl + 2MnO2 = Zn(NH3)2Cl2 + 2MnOOHЩелочной марганцево-цинковый элемент - такой же элемент, но с щелочным электролитом.

Его характеристикилучше.(-) Zn | КОН | MnO2 , С (+)На аноде - окисление цинка: Zn + 2OH --2e→ Zn(OH)2 =ZnO+H2O,на катоде - Мn(IV) восстанавливается до Мn(III):MnO2 + H2O + e → MnOOH+ OH-Элементы с литиевыми анодами– разработаны в последние десятилетия. Большой прогресс, так какимеют существенно более высокие характеристики, особенно при низкихтемпературах.Электролиты – обязательно неводные (пропиленкарбонат ПК,тионилхлорид и др.), так как в присутствии воды или кислорода литийбыстро окисляется.

Необходима полная герметичность при изготовлении ииспользовании.Катодные материалы – на основе MnO2, FeS2, CFx, SOCl2Преимущества: стабильное напряжение, высокая удельная энергия,длительная сохраняемость, способность работать при отрицательных Т (до 50оС).Применение: электронная аппаратура, часы, портативные ЭВМ,кинокамеры, медицинские приборы, военная техника.ПРИМЕР:(-) Li | LiAlCl4 ,SOCl2 | SOCl2 (+)Токообразующая реакция:2SOCl2 + 4Li → S + SO2 + 4LiClНа аноде - окисление лития:Li –e → Li+,на катоде - восстановление тионилхлорида SOCl2 :2SOCl2 +4е→S + SO2 + 4Cl-Параметры первичных элементовЭлектрохимическая системаZn|NH4Cl|MnO2Zn|KOH|MnO2Zn|KOH|O2,CZn|KOH|AgOLi|LiClO4|MnO2Li|LiAlCl4|SOCl2РаствориСрднее,ВтельнапряжениеВода1,3-1,1Вода1,3-1,1Вода1,25-1,1Вода1,6-1,5Пропилен3,0-2,8КарбонатSOCl23,5-3,0УдельнаяВт.ч/кг45 – 6065-90100-200110-130150-300энергияВт.ч/м3100 -130150-210300-500200-300300-600Сохраняемость,годы0,5-2,01.5-3.02-32-35-10300-600500-11005-10Аккумуляторы – вторичные ХИТВ аккумуляторах под воздействием внешнего источника токанакапливается (аккумулируется) химическая энергия (заряд аккумулятора),которая затем самопроизвольно переходит в электрическую (разрядаккумулятора).При заряде аккумулятор работает как электролизер,при разряде - как гальванический элемент.Процессы заряда-разряда аккумуляторов осуществляются многократно.Свинцовые кислотные аккумуляторы.Наиболее распространены в настоящее время: стартерные, стационарные.Электролит - раствор Н2SО4 (поэтому «кислотный»).Электроды - свинцовые решетки с активной массой из РbSО4, разделеныраствором Н2SО4 и пористыми сепараторами.(Решетки вначале заполняются оксидом свинца, который привзаимодействии с Н2SО4 превращается в РbSО4).Аккумуляторы соединяют в батарею, которую помещают в баки из эбонитаили полипропилена.Процессы на электродах.При работе аккумулятора на отрицательном электроде протекают реакции,при которых степень окисления свинца меняется от +2 до 0 и обратно:заряд+2РbSO4 + 2eразряд0Pb + SО42; Е0Рb/PbSО4 = - 0,36 В,Отрицательный электрод: при заряде –катод;при разряде – анод.На положительном электроде степень окисления свинца меняется от +2 до +4и обратно:+2заряд +4РbSO4 + Н2ОразрядPbО2 + SО42 + 4Н++ 2e;ЕРbО2/PbSО4 = 1,68 В.Положительный электрод: при заряде – анод;при разряде – катод.Суммарная реакция в аккумуляторе:зарядРb + PbО2 + 4Н+ + 2SО42 ;2РbSO4 + 2Н2ОразрядЭДС аккумулятора= разности потенциалов электродов, может быть рассчитана по уравнениюEЭ  EPbO2/PbSO 4  EPbSO 4/Pb  EЭ0 RTln2Fa 4  a 2 2H SO24aH 2Oгде Е0э = Е0РbО2/РbSО4 – Е0РbSО4/Рb = 1,68 В - (- 0,36) В = 2,04 В.Еэ – зависит от концентрации H2SO4, оптимум -32-39%При заряде Uзаряда=ЕЭ + ∆E + I(R1+R2) Uзаряда >ЕЭПри разряде Uразряда=ЕЭ - ∆E - I(R1+R2) Uразряда< ЕЭДостоинства свинцового аккумулятора:высокий КПД (около 80 %), высокая ЭДС, относительно малое ееизменение при разряде, простота и невысокая цена.Недостатки свинцовых аккумуляторов:небольшая удельная энергия, саморазряд аккумулятора при хранении ималый срок службы (2 - 5 лет).Используются стартерные и стационарные свинцовые аккумуляторы.Щелочные никель-кадмиевые и никель-железные аккумуляторы.Положительный электрод содержит гидроксид никеля, отрицательныйэлектрод - соответственно кадмий или железо.

Ионный проводник – 20-23%раствор КОН.Суммарные реакции (в упрощенном виде):→ разряд2NiOOH + Cd + 2H2О↔ 2Ni(OH)2 + Cd(OH)2 E0= 1,45 В← заряд→ разряд2NiOOH + Fe + 2H2O ↔ 2Ni(OH)2 + Fe(OH)2 E0= 1,48 В← зарядДостоинства: большой срок службы, высокая механич.прочность.Недостатки: невысокие КПД, невысокое напряжение, токсичность Cd.Литий-ионные аккумуляторы– разработаны в последнее время.Отрицательный электрод – литий.Положительный электрод – на базе оксидов ванадия, никеля,кобальта, марганца.Неводный раствор электролита: пропиленкарбонат,этиленкарбонат, диэтилкарбонатНа электродах происходит интеркалация (внедрение вкристаллическую решетку) ионов лития (соответственно в оксиды играфит):→разрядна отрицат.

электроде: LixC↔ xLi+ + C + xe← зарядразрядна положит. электроде: xLi+ + MOn+ xe ↔ LixMOnзарядСуммарно: LixC + MOn↔ C + LixMOnДостоинства: высокая удельная энергия.Недостаток: работают пока на малых токах (электронная, слаботочнаяаппаратура).Параметры аккумуляторовЭлектрохимическая системаPb|H2SO4|PbO2Cd|KOH|NiOOHFe|KOH|NiOOHZn|KOH|NiOOHMHx|KOH|NiOOHLixC|LiAsF6,ЭК+ДЭК|LixCoO2Срднее,Внапряжение2,0-1,81,24-1,21,3-1,21,6-1,51,26-1,2УдельнаяВт.ч/кг10 –3510-3820-3550-7040-70энергияВт.ч/м320-7540-8040-75100-15060-120КПД,%70-8055-6550-5570-7560-70Наработка,циклы300-1000500-2500500-2500200-300до 5003,0-2,580-120160-20060-70до 500ЭК –этиленкарбонат; ДЭК – диэтилкарбонатТопливные элементыВ топливных элементах (ТЭ) окислитель и восстановитель хранятся внеэлемента, в процессе работы подаются к электродам.→ элемент может работать длительное время.На электродах химическая энергия восстановителя (топлива) и окислителя непосредственно превращается в электрическую энергию.Восстановители (топливо), жидкие или газообразные, - водород, метанол,метан, в последние годы некоторые другие восстановители, напримерборгидрид натрия.Окислители - обычно кислород воздуха.ТЭ состоит из двух электродов с электродными камерами и ионногопроводника (электролита) между ними.Схема кислородно-водородного топливного элемента:1 - анод;- электролит;3 - катодРис.7.13.

2Схемакислородно-водородного топливногоэлемента:1 - анод; 2 - электролит; 3 -ПРИМЕР Кислородно-водородный щелочной топливный элементСхема кислородно-водородного ТЭН2, МКОНМ, О2М - проводник 1-го рода - катализатор процесса и токоотвод (Pt,Pd).Каждый электрод - сложная многокомпонентная система.К аноду подводится топливо – водород и протекает его окислениеН2 + 2ОН - 2е = 2Н2Ок катоду подводится окислитель - чистый кислород или кислородвоздуха, идет его восстановление1/2О2+Н2О+2е=2ОНТокообразующая реакция:Н2 + 1/2О2 = Н2О(ж) илиН2 + 1/2О2 = Н2О(г)Во внешней цепи - движение электронов от анода к катоду,в растворе - движение ОН от катода к аноду.Еэ = ΔG/nFЕэ0 = ΔG0/nF.Классификация ТЭ по типу ионного проводника (электролита):с щелочным (95-100 С),фосфорнокислым (200 С),протонпроводящим или твердополимерным (95-100 С),расплавленным карбонатным (высокотемпературный 700 С),твердооксидным (1000 С0).Стандартная ЭДС зависит от температуры в соответствие с уравнениемЕэ0 = ΔН0/nF + TΔS0/nF,где ΔН0 изменение стандартной энтальпии,ΔS0 – изменение стандартной энтропии токообразующей реакции.Стандартные термодинамические характеристики токообразующих реакцийпри 298 КРеакцииЕ0 э, ВΔН0,кДж/моль ΔS0 , Дж/Кмоль2H2 + O2 = 2Н2О(ж)1,23-285,84-163,52H2 + O2 = 2Н2О(г)1,19-241,8-45,4Электрохимическая энергоустановка:- состоит из батареи ТЭ, систем хранения, обработки и подвода топлива иокислителя, отвода продуктов реакции, поддержания и регулированиятемпературы в элементах, а также систем преобразования тока и напряжения.Достоинства:Электрохимические энергоустановки имеют более высокий КПД (в 1,5 - 2,0раза) по сравнению с тепловыми машинами;существенно меньше загрязняют окружающую среду.Выводы:- разработаны и широко используются в технике различные химическиеисточники тока;- в последние годы созданы новые более эффективные первичные хит иаккумуляторы на основе лития и экологически чистые энергоустановки наоснове топливных элементов.Лекция 20Электрохимическая термодинамика и кинетикаПлан лекции1.

Характеристики

Список файлов лекций