Ang
Chemical current sources (dinaglat bilang HIT) ay mga device kung saan ang enerhiya ng redox reaction ay na-convert sa electrical energy. Ang kanilang iba pang mga pangalan ay electrochemical cell, galvanic cell, electrochemical cell. Ang prinsipyo ng kanilang operasyon ay ang mga sumusunod: bilang isang resulta ng pakikipag-ugnayan ng dalawang reagents, ang isang kemikal na reaksyon ay nangyayari sa pagpapalabas ng enerhiya mula sa isang direktang electric current. Sa iba pang kasalukuyang mga mapagkukunan, ang proseso ng pagbuo ng kuryente ay nangyayari ayon sa isang multi-stage scheme. Una, ang thermal energy ay inilabas, pagkatapos ito ay na-convert sa mekanikal na enerhiya, at pagkatapos lamang sa elektrikal na enerhiya. Ang bentahe ng HIT ay ang single-stage na proseso, iyon ay, ang kuryente ay agad na nakukuha, na lumalampas sa mga yugto ng pagkuha ng thermal at mechanical energy.
Kasaysayan
Paano lumitaw ang mga unang kasalukuyang pinagmumulan? Ang mga mapagkukunan ng kemikal ay tinatawag na mga galvanic cell bilang parangal sa siyentipikong Italyano noong ikalabing walong siglo - si Luigi Galvani. Siya ay isang manggagamot, anatomist, physiologist at physicist. Isa sa mga direksyon nitoang pananaliksik ay ang pag-aaral ng mga reaksyon ng hayop sa iba't ibang impluwensyang panlabas. Ang kemikal na paraan ng pagbuo ng kuryente ay natuklasan ni Galvani sa pamamagitan ng pagkakataon, sa panahon ng isa sa mga eksperimento sa mga palaka. Ikinabit niya ang dalawang metal plate sa nakalantad na ugat sa binti ng palaka. Nagresulta ito sa pag-urong ng kalamnan. Ang sariling paliwanag ni Galvani sa hindi pangkaraniwang bagay na ito ay mali. Ngunit ang mga resulta ng kanyang mga eksperimento at obserbasyon ay nakatulong sa kanyang kababayang si Alessandro Volta sa mga sumunod na pag-aaral.
Binalangkas ni Volta sa kanyang mga akda ang teorya ng paglitaw ng isang electric current bilang resulta ng isang kemikal na reaksyon sa pagitan ng dalawang metal na nakikipag-ugnayan sa tissue ng kalamnan ng isang palaka. Ang unang pinagmumulan ng kasalukuyang kemikal ay mukhang isang lalagyan ng asin, na may mga plato ng zinc at tanso na nakalubog dito.
Ang
HIT ay nagsimulang gawin sa isang pang-industriya na sukat noong ikalawang kalahati ng ikalabinsiyam na siglo, salamat sa Frenchman na si Leclanche, na nag-imbento ng pangunahing manganese-zinc cell na may s alt electrolyte, na ipinangalan sa kanya. Pagkalipas ng ilang taon, ang electrochemical cell na ito ay napabuti ng isa pang siyentipiko at ang tanging pangunahing pinagmumulan ng kasalukuyang kemikal hanggang 1940.
Disenyo at prinsipyo ng pagpapatakbo HIT
Kasama sa device ng mga kasalukuyang pinagmumulan ng kemikal ang dalawang electrodes (conductor ng unang uri) at isang electrolyte na matatagpuan sa pagitan ng mga ito (conductor ng pangalawang uri, o ionic conductor). Ang isang elektronikong potensyal ay lumitaw sa hangganan sa pagitan nila. Ang elektrod kung saan na-oxidized ang reducing agenttinatawag na anode, at ang isa kung saan nababawasan ang oxidizing agent ay tinatawag na katod. Kasama ng electrolyte, bumubuo sila ng electrochemical system.
Ang isang by-product ng redox reaction sa pagitan ng mga electrodes ay ang pagbuo ng electric current. Sa panahon ng naturang reaksyon, ang reducing agent ay na-oxidized at nag-donate ng mga electron sa oxidizing agent, na tumatanggap sa kanila at sa gayon ay nababawasan. Ang pagkakaroon ng isang electrolyte sa pagitan ng cathode at anode ay isang kinakailangang kondisyon para sa reaksyon. Kung paghaluin mo lang ang mga pulbos mula sa dalawang magkaibang metal, walang ilalabas na kuryente, lahat ng enerhiya ay ilalabas sa anyo ng init. Ang isang electrolyte ay kinakailangan upang i-streamline ang proseso ng paglipat ng elektron. Kadalasan, ito ay isang solusyon sa asin o isang tunaw.
Ang mga electrodes ay mukhang mga metal plate o grids. Kapag sila ay nahuhulog sa isang electrolyte, isang electric potensyal na pagkakaiba arises sa pagitan ng mga ito - isang bukas na circuit boltahe. Ang anode ay may posibilidad na mag-abuloy ng mga electron, habang ang katod ay may posibilidad na tanggapin ang mga ito. Nagsisimula ang mga reaksiyong kemikal sa kanilang ibabaw. Humihinto sila kapag binuksan ang circuit, at kapag naubos na ang isa sa mga reagents. Ang pagbubukas ng circuit ay nangyayari kapag ang isa sa mga electrodes o electrolyte ay tinanggal.
Komposisyon ng mga electrochemical system
Ang kasalukuyang mga mapagkukunan ng kemikal ay gumagamit ng mga acid at s alt na naglalaman ng oxygen, oxygen, halides, mas mataas na metal oxide, nitroorganic compound, atbp. bilang mga oxidizing agent. Ang mga metal at ang kanilang mas mababang mga oxide, hydrogen ay mga reducing agent sa mga itoat mga hydrocarbon compound. Paano ginagamit ang mga electrolyte:
- Mga may tubig na solusyon ng mga acid, alkalis, saline, atbp.
- Mga non-aqueous solution na may ionic conductivity, na nakuha sa pamamagitan ng pagtunaw ng mga s alts sa mga organic o inorganic na solvent.
- Mga tinunaw na asin.
- Mga solidong compound na may ionic na sala-sala kung saan mobile ang isa sa mga ion.
- Matrix electrolytes. Ito ay mga likidong solusyon o natutunaw na matatagpuan sa mga pores ng isang solidong non-conductive body - isang electron carrier.
- Ion-exchange electrolytes. Ito ay mga solidong compound na may mga nakapirming ionogenic na grupo ng parehong tanda. Ang mga ion ng kabilang sign ay mobile. Ginagawa ng property na ito na unipolar ang conductivity ng naturang electrolyte.
Mga galvanic na baterya
Ang kasalukuyang pinagmumulan ng kemikal ay binubuo ng mga galvanic cell - mga cell. Ang boltahe sa isa sa mga cell na ito ay maliit - mula 0.5 hanggang 4V. Depende sa pangangailangan, ang isang galvanic na baterya ay ginagamit sa HIT, na binubuo ng ilang mga cell na konektado sa serye. Minsan ang isang parallel o series-parallel na koneksyon ng ilang mga elemento ay ginagamit. Magkaparehong pangunahing mga cell o baterya lamang ang palaging kasama sa isang serye ng circuit. Dapat silang magkaroon ng parehong mga parameter: electrochemical system, disenyo, teknolohikal na opsyon at karaniwang sukat. Para sa parallel na koneksyon, katanggap-tanggap na gumamit ng mga elemento ng iba't ibang laki.
HIT Classification
Ang mga kasalukuyang mapagkukunan ng kemikal ay nagkakaiba sa:
- laki;
- designs;
- reagents;
- ang likas na katangian ng reaksyong bumubuo ng enerhiya.
Tinutukoy ng mga parameter na ito ang mga katangian ng pagganap ng HIT na angkop para sa isang partikular na application.
Ang pag-uuri ng mga electrochemical na elemento ay batay sa pagkakaiba sa prinsipyo ng pagpapatakbo ng device. Depende sa mga katangiang ito, nakikilala nila ang:
- Ang pangunahing pinagmumulan ng kasalukuyang kemikal ay mga disposable na elemento. Mayroon silang isang tiyak na supply ng mga reagents, na natupok sa panahon ng reaksyon. Pagkatapos ng buong discharge, nawawalan ng functionality ang naturang cell. Sa ibang paraan, ang mga pangunahing HIT ay tinatawag na galvanic cells. Tamang tawagan sila nang simple - elemento. Ang pinakasimpleng mga halimbawa ng pangunahing pinagmumulan ng kuryente ay "mga baterya" A-A.
- Rechargeable chemical current sources - ang mga baterya (tinatawag din silang pangalawang, reversible HIT) ay mga cell na magagamit muli. Sa pamamagitan ng pagpasa ng kasalukuyang mula sa isang panlabas na circuit sa kabaligtaran na direksyon sa pamamagitan ng baterya, pagkatapos ng isang kumpletong paglabas, ang mga ginugol na reagents ay muling nabuo, muling nag-iipon ng enerhiya ng kemikal (nagcha-charge). Salamat sa kakayahang mag-recharge mula sa isang panlabas na patuloy na kasalukuyang mapagkukunan, ang aparatong ito ay ginagamit nang mahabang panahon, na may mga pahinga para sa muling pagkarga. Ang proseso ng pagbuo ng elektrikal na enerhiya ay tinatawag na paglabas ng baterya. Kasama sa mga naturang HIT ang mga baterya para sa maraming electronic device (laptop, mobile phone, atbp.).
- Mga kasalukuyang pinagmumulan ng thermal chemical - tuloy-tuloy na mga device. ATsa proseso ng kanilang trabaho, may tuluy-tuloy na daloy ng mga bagong bahagi ng reagents at ang pag-alis ng mga produkto ng reaksyon.
- Combined (semi-fuel) galvanic cells ay may stock ng isa sa mga reagents. Ang pangalawa ay pinapakain sa aparato mula sa labas. Ang buhay ng aparato ay nakasalalay sa supply ng unang reagent. Ang pinagsama-samang kemikal na pinagmumulan ng electric current ay ginagamit bilang mga baterya, kung posible na ibalik ang singil ng mga ito sa pamamagitan ng pagpasa ng kasalukuyang mula sa isang panlabas na pinagmulan.
- HIT renewable rechargeable mechanically o chemically. Para sa kanila, posibleng palitan ang mga ginugol na reagents ng mga bagong bahagi pagkatapos ng kumpletong paglabas. Ibig sabihin, hindi sila tuluy-tuloy na device, ngunit, tulad ng mga baterya, pana-panahong nire-recharge ang mga ito.
HIT Features
Ang mga pangunahing katangian ng mga pinagmumulan ng kemikal na kapangyarihan ay kinabibilangan ng:
- Open circuit voltage (ORC o discharge voltage). Ang tagapagpahiwatig na ito, una sa lahat, ay nakasalalay sa napiling electrochemical system (kumbinasyon ng pagbabawas ng ahente, oxidizing agent at electrolyte). Gayundin, ang NRC ay apektado ng konsentrasyon ng electrolyte, ang antas ng paglabas, temperatura, at higit pa. Nakadepende ang NRC sa halaga ng kasalukuyang dumadaan sa HIT.
- Power.
- Discharge current - depende sa resistensya ng external circuit.
- Capacity - ang maximum na dami ng kuryente na ibinibigay ng HIT kapag ganap na itong na-discharge.
- Power reserve - ang maximum na enerhiya na natatanggap kapag ang device ay ganap na na-discharge.
- Mga katangian ng enerhiya. Para sa mga baterya, ito ay, una sa lahat, isang garantisadong bilang ng mga cycle ng pag-charge-discharge nang hindi binabawasan ang kapasidad o boltahe ng pag-charge (resource).
- Temperature operating range.
- Ang shelf life ay ang maximum na pinapayagang oras sa pagitan ng paggawa at ang unang paglabas ng device.
- Kapaki-pakinabang na buhay - ang maximum na pinapayagang kabuuang panahon ng pag-iimbak at pagpapatakbo. Para sa mga fuel cell, mahalaga ang tuluy-tuloy at pasulput-sulpot na buhay ng serbisyo.
- Kabuuang enerhiya na nawala sa buong buhay.
- Mechanical strength laban sa vibration, shock, atbp.
- Kakayahang magtrabaho sa anumang posisyon.
- Pagiging maaasahan.
- Madaling maintenance.
HIT na Kinakailangan
Ang disenyo ng mga electrochemical cell ay dapat magbigay ng mga kondisyon na kaaya-aya sa pinaka mahusay na reaksyon. Kasama sa mga kundisyong ito ang:
- iwasan ang kasalukuyang pagtagas;
- kahit trabaho;
- lakas ng mekanikal (kabilang ang higpit);
- paghihiwalay ng mga reagents;
- magandang kontak sa pagitan ng mga electrodes at electrolyte;
- pagkawala ng kasalukuyang mula sa reaction zone patungo sa panlabas na terminal na may kaunting pagkalugi.
Dapat matugunan ng kasalukuyang mga mapagkukunan ng kemikal ang mga sumusunod na pangkalahatang kinakailangan:
- pinakamataas na halaga ng mga partikular na parameter;
- maximum operating temperature range;
- ang pinakamalaking tensyon;
- minimum na gastosmga yunit ng enerhiya;
- katatagan ng boltahe;
- kaligtasan sa pagsingil;
- seguridad;
- kadalian ng pagpapanatili, at perpektong hindi ito kailangan;
- mahabang buhay ng serbisyo.
Exploitation HIT
Ang pangunahing bentahe ng pangunahing galvanic cells ay hindi sila nangangailangan ng anumang maintenance. Bago mo simulan ang paggamit ng mga ito, sapat na upang suriin ang hitsura, petsa ng pag-expire. Kapag kumokonekta, mahalagang obserbahan ang polarity at suriin ang integridad ng mga contact ng device. Ang mas kumplikadong mga kasalukuyang mapagkukunan ng kemikal - mga baterya, ay nangangailangan ng mas seryosong pangangalaga. Ang layunin ng kanilang pagpapanatili ay upang mapakinabangan ang kanilang buhay ng serbisyo. Ang pangangalaga sa baterya ay:
- panatilihing malinis;
- pagsubaybay sa boltahe ng bukas na circuit;
- pagpapanatili ng antas ng electrolyte (distilled water lang ang maaaring gamitin para sa topping up);
- pagkontrol sa konsentrasyon ng electrolyte (gamit ang hydrometer - isang simpleng aparato para sa pagsukat ng density ng mga likido).
Kapag nagpapatakbo ng mga galvanic cell, dapat sundin ang lahat ng kinakailangan na nauugnay sa ligtas na paggamit ng mga electrical appliances.
Pag-uuri ng HIT ayon sa mga electrochemical system
Mga uri ng kasalukuyang pinagmumulan ng kemikal, depende sa system:
- lead (acid);
- nickel-cadmium, nickel-iron, nickel-zinc;
- manganese-zinc, copper-zinc, mercury-zinc, zinc chloride;
- silver-zinc, silver-cadmium;
- hangin-metal;
- nickel-hydrogen at silver-hydrogen;
- manganese-magnesium;
- lithium atbp.
Modernong aplikasyon ng HIT
Ang kasalukuyang mga mapagkukunan ng kemikal ay kasalukuyang ginagamit sa:
- sasakyan;
- portable appliances;
- teknolohiyang militar at espasyo;
- pang-agham na kagamitan;
- gamot (mga pacemaker).
Mga karaniwang halimbawa ng HIT sa pang-araw-araw na buhay:
- baterya (mga tuyong baterya);
- baterya para sa mga portable na gamit sa bahay at electronics;
- uninterruptible power supply;
- baterya ng kotse.
Lithium chemical kasalukuyang pinagmumulan ay lalo na malawakang ginagamit. Ito ay dahil ang lithium (Li) ay may pinakamataas na tiyak na enerhiya. Ang katotohanan ay mayroon itong pinaka-negatibong potensyal na elektrod sa lahat ng iba pang mga metal. Ang mga bateryang Lithium-ion (LIA) ay nauuna sa lahat ng iba pang CPS sa mga tuntunin ng partikular na enerhiya at boltahe ng pagpapatakbo. Ngayon ay unti-unti na nilang pinagkadalubhasaan ang isang bagong lugar - transportasyon sa kalsada. Sa hinaharap, ang pagbuo ng mga siyentipiko na nauugnay sa pagpapahusay ng mga baterya ng lithium ay lilipat patungo sa mga ultra-manipis na disenyo at malalaking heavy-duty na baterya.
