Электрохимические батареи и топливные элементы. Электрохимические аккумуляторы


Электрохимический аккумулятор - Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Электрохимический аккумулятор

Cтраница 1

Электрохимические аккумуляторы обладают рядом достоинств, открывающих им перспективу крупномасштабного аккумулирования энергии.  [1]

Электрохимические аккумуляторы, или просто аккумуляторы, как их обычно называют, могут не только преобразовывать химическую энергию в электрическую, но и обратно - электрическую энергию в химическую. При преобразовании электрической энергии в аккумуляторе накапливается химическая энергия активных компонентов, которую затем можно снова превратить в электрическую энергию.  [2]

Электрохимические аккумуляторы ( ЭА) характеризуются взаимосвязанными параметрами разряда и заряда.  [3]

Электрическая энергия может служить лишь переносчиком энергии на расстояние; в электрохимических аккумуляторах накапливается химическая энергия, в конденсаторах - электростатическая, и только в процессе использования этих ИЭ происходит превращение их энергии в электрическую. Заметим, что все накопители энергии ( НЭ) являются практически и переносчиками ее, но не наоборот.  [4]

В различных странах были проведены исследования и созданы схемы и конструкции машин, осуществляющих контактную сварку энергией, запасенной в электрохимических аккумуляторах, вращающихся массах, сердечниках трансформаторов и электрических конденсаторах.  [5]

Устройство, в котором происходит как процесс преобразования химической энергии в электрическую, так и обратный процесс преобразования электрической энергии в химическую, получил название электрохимического аккумулятора ( ЭА) или просто аккумулятора. Из определения следует, что ЭА сочетает в себе как ГЭ, так и электролизную ячейку. Процесс преобразования электрической энергии в химическую называется зарядом ЭА, в этом режиме ЭА работает как электролизная ячейка. В процессе заряда происходит накопление энергии в виде химической энергии окислителя и восстановителя.  [6]

Электрохимические аккумулирующие станции также имеют высокий КПД ( 65 - 80 %), высокую маневренность, но они не требуют больших площадей земли, Поэтому в отличие от ГАЭС электрохимические аккумуляторы могут быть установлены в любом месте непосредственно околс потребителя, и это открывает перспективу их широкого исполь зования.  [8]

Для использования рассеянной энергии беспорядочных движений вод - волнений, а также морских поверхностных и подводных течений, предложены [ 94, 95 и др. ] гидравлические двигатели, с помощью которых можно накопить энергию, например, в электрохимическом аккумуляторе. При любых движениях воды создается неравномерность давления, которая и приводит ротор во вращение независимо от направления движения. В отличие от подобных ПЭ с неподвижными лопастями роторы с движущимися лопастями можно объединять не только устанавливая их один на другой, но и располагая горизонтально длинной батареей.  [9]

Для получения многих органических соединений используют процессы электрохимического окисления, восстановления и димерет-зации. Химические источники тока и электрохимические аккумуляторы широко применяют в радиотехнике, средствах связи, автоматизации, в различного вида транспортных устройствах.  [10]

Из сказанного выше следует, что вряд ли можно ожидать существенных перемен в типах ЭУ каких-либо классов ТА, за исключением автомобилей и тракторов. Здесь же повышенное внимание привлекают в последнее время электромобили, ИЭ на которых служат электрохимические аккумуляторы, а ПЭ - электродвигатели.  [11]

Специфической проблемой транспортных ЯЭУ является отвод тепла, выделяющегося при выключении реактора - расхолаживание. Представляется, что с этой целью можно использовать тепловую машину Стирлинга, а в некоторых случаях и различные виды ТЭГ с электрохимическими аккумуляторами.  [12]

Изобретение на применение состоит в нахождении нового отношения известного предмета к другим предметам, что позволяет использовать его по новому, нетрадиционному для данного предмета назначению. Известно, что каждый из объектов материального мира, охватываемый понятием устройство либо вещество, имеет строго определенные, традиционные качества, которые и используются человеком в его целенаправленной деятельности: например авторучкой пишут, а электрохимические аккумуляторы используются как источники электроэнергии. То же относится к способам - здесь известная совокупность приемов используется в другой, нетрадиционной области.  [13]

Изобретение на применение характеризуется нахождением нового отношения известного предмета к другим предметам, что позволяет использовать его по новому, нетрадиционному для данного предмета назначению. Дело в том, что каждый из объектов материального мира, охватываемый понятием устройство либо способ, либо вещество, имеет строго определенные, традиционные качества, которые и используются человеком в его целенаправленной деятельности: например, авторучкой пишут, а электрохимические аккумуляторы используются как источник и электроэнергии.  [14]

Применение электрохимических источников тока непрерывно расширяется. Они необходимы для новой техники, для некоторых видов транспорта и связи. Важной задачей электрохимии является создание дешевых и легких электрохимических аккумуляторов для городского автотранспорта.  [15]

Страницы:      1    2

www.ngpedia.ru

Электрохимические батареи и топливные элементы — КиберПедия

Электрохимические аккумуляторы

Принцип действия аккумулятора основан на обратимости химической реакции. Электрохимические аккумуляторы (ЭХА) в процессе заряда преобразуют электрическую энергию в химическую, а в процессе разряда - химическую энергию в электрическую.

Основу электрохимических источников тока составляют два электрода (анод, содержащий окислитель и катод, содержащий восстановитель), контактирующих с электролитом. Между электродами устанавливается разность потенциалов — электродвижущая сила, соответствующая свободной энергии окислительно-восстановительной реакции (Рис. 4.8), Действие химических источников тока основано на протекании при замкнутой внешней цепи пространственно разделённых процессов: на катоде восстановитель окисляется, образующиеся свободные электроны переходят, создавая разрядный ток, по внешней цепи к аноду, где они участвуют в реакции восстановления окислителя.

Электрические и эксплуатационные характеристики аккумулятора зависят от материала электродов и состава электролита.

Наиболее перспективными для энергетики являются натриевые, литиевые, и воздушноцинковые аккумуляторы.

Натрий-серные аккумуляторы имеют высокую удельная энергию, а их недостатки состоят в повышенной температуре (325...350°С), относительно высокой стоимости и наличии расплавленных компонентов. Более безопасны ЭХА, в которых расплавленная сера заменена на твердый хлорид никеля (NiCl2-Na). Удельная энергия этого аккумулятора достаточно высока. Однако он также работает при повышенной температуре (300°С).

 

Воздушно-цинковые ЭХА обладают высокой удельной энергией, имеют достаточно низкую стоимость и не оказывают вредного воздействия на окружающую среду. Созданные в последние годы бифункциональные катализаторы способны активировать прямой и обратный процессы на воздушном электроде. Это позволило создать небольшой аккумулятор с ресурсом 400 циклов и удельной энергией 100... 120 Вт-ч/кг. Однако требуется повышение КПД и удельной мощности этих химических источников тока.

Более высокую удельную энергию (200 Втч/кг) и ресурс имеют механически перезаряжаемые воздушно-цинковые аккумуляторы, в которых электролиты регенерируют в отдельных электролизерах, а использованные аноды заменяются новыми. Основной их недостаток заключается в необходимости создания сложной системы обслуживания.

Наиболее высокую удельную энергию из электрически перезаряжаемых ЭХА имеют литиевые аккумуляторы (Литий- фторный, литий-хлоридный). Они имеют высокую удельную энергию (2520-6270 Втч/кг) и приемлемый ресурс. В будущем их удельные энергия и мощность, а также ресурс будут увеличены, а стоимость снижена.

К настоящему времени в широких масштабах производятся свинцово- кислотные, щелочные никелыкадмиевые и никель- железные аккумуляторы. За последние годы традиционные ЭХА существенно усовершенствованы. Так, созданы малообслуживаемые и герметизированные свинцовые аккумуляторы, увеличены удельные энергия и мощность щелочных ЭХА за счет применения высокопористых электродов, оптимизации структуры и состава активных масс.

Широкое применение химических аккумуляторных батарей в энергосистемах ограничивается их малой емкостью, низким КПД и высокими удельными затратами на 1 кВтч. Расширение сферы использования химического накопления энергии возможно за счет новых типов аккумуляторов, таких, как натрий-серных, цинкохлористых и литий-серных. Они обладают большой емкостью на единицу веса и более длительным сроком эксплуатации по сравнению с традиционными кислотными и щелочными элементами.

Регенеративные топливные батареи (РТБ)

Действие регенеративных топливных батарей основано на обратимой электрохимической реакции между двумя электролитами, разделенными полупроницаемой мембраной, через которую могут передвигаться ионы (Рис. 4.9). Переход от зарядки к разрядке батареи может происходить за 0,02 секунды. Когда энергия не требуется, электролиты выкачивают из батарей и хранят в отдельных резервуарах, причем разрядки не происходит.

Чтобы перекачать электролиты обратно в батареи, требуется несколько минут. КПД современных регенеративных топливных элементов ~ 77%. Удельная энергоемкость 35-70 Вт/л.

АС на РТБ пока находятся в стадии разработки и тестирования и о внедрении в энергетику пока говорить рано, тем не менее существует несколько демонстрационных проектов мощностью 200- 800 кВт при времени работы под нагрузкой до 4 часов.

 

Главным преимуществом РТБ является его масштабируемость путем изменения емкости баков с электролитами и придание АС практически любой формы в плане. В остальном характеристики схожи со средними характеристиками ЭХА.

Недостатком является токсичность электролитов, и потенциальная опасность их утечки.

 

 

cyberpedia.su

Характеристики перспективных аккумуляторов

Аккумулятор

ЭДС, В

Удельная энергия,

Вт·ч/кг

Удельная мощность,

Вт/кг

Срок службы,

число циклов

Pb-кислотный

1,9 – 2,0

35 – 50

50 – 100

250 – 700

Ni-Fe

1,1 – 1,3

40 – 80

40 – 140

до 2000

Ni-Zn

1,5 – 1,7

60 – 70

130

200 – 500

Ni-Cd

1,1 – 1,3

15 – 35

100 – 300

500 – 2000

Fe-воздушный

1,1

30 – 40

80

200

Zn-воздушный

1,6

300 – 1000

-

500 – 600

Zn-хлоридный

1,9 – 2,1

80 – 150

120

400 – 800

Na-сульфидный

1,8

40 – 150

-

1000

Li-сульфидный

1,4

40 - 150

-

300

 

Свинцовый аккумулятор

Самое большое распространение пока получил свинцово-кислотный аккумулятор. Он служит источником тока для стартеров двигателей внутреннего сгорания, для аварийного освещения, радио- и телефонной аппаратуры, используется на подводных аппаратах и станциях и других целей.

Pb-кислотный аккумулятор состоит из свинцового анода и катода в виде свинцовой решетки, набитой оксидом свинца (IV). Электролитом служит серная кислота. При работе ЭА на одном электроде (аноде) протекают реакции, при которых степень окисления свинца меняется от 0 до +2 (разряд) и от +2 до 0 (заряд), а на другом электроде (катоде) степень окисления свинца меняется от +4 до +2 (разряд) и наоборот (заряд).

На аноде:   

На катоде:

Суммарная токообразующая реакция описывается уравнением:

Ток, получаемый от свинцового аккумулятора, может быть усилен, если сконструировать катод в виде ряда пластин, которые чередуются с несколькими анодными пластинами (рис.9.4). Каждый такой ЭА дает напряжение, приблизительно равное 2 В. Батареи, используемые в автомобилях, обычно состоят из шести таких аккумуляторов, соединенных последовательно и дающих напряжение около 12 В.

Электролиз.

В растворах и расплавах электролитов имеются разноименные по знаку ионы (катионы и анионы), которые подобно всем частицам жидкости находятся в хаотическом движении. Если в такой расплав электролита, например расплав NaCl () погрузить электроды и пропустить постоянный электрический ток, то ионы будут двигаться к электродам: катионы

Na++=Na0 (катод)

2Cl- - 2e=Cl2 (анод)

Эта реакция является ОВР на аноде протекает процесс окисления, на катоде- процесс восстановления.

Электролиз – это окислительно - восстановительный процесс, протекающий на электродах при прохождении электрического тока через раствор или расплав электролита.

Суть электролиза состоит в осуществлении за счет электрической энергии химических реакций – восстановления на катоде и окисления на аноде. При этом катод отдает электроны катионам, а анод принимает электроны от анионов.

Процесс электролиза наглядно изображают схемой, которая показывает диссоциацию электролита, направления движения ионов, процессы их электродах и выделяющихся веществ. Схема электролиза NaCl:

Катод Анод

2Cl-- 2e=

Для проведения электролиза электроды погружают в раствор или расплав электролита и соединят их с источником тока. Прибор, на котором проводят электролиз называют электролизером или электролитической ванной.

Электролиз водных растворов электролитов .

При электролизе растворов электролитов в процессах могут участвовать молекулы воды. Для восстановления к катоду надо приложить потенциал равныйВ, а для восстановления молекул водыВ.

Поэтому на катоде будут восстанавливаться катионы воды:

катод

а на аноде будут окисляться хлорид ионы:

Анод: 2

Ионы накапливаются около катода и совместно с ионамиобразуют гидроксид натрия.

Катодные и анодные процессы

  1. Катионы металлов, имеющих стандартный потенциал больший, чем у

водорода (от довключительно), при электролизе плотность восстанавливаются на катоде.

  1. Катионы металлов, имеющих малую величину стандартного

электродного потенциала (от довключительно), не восстанавливаются на катоде, а вместо них восстанавливаются молекулы воды.

  1. Катионы металлов, имеющих стандартный потенциал меньший чем у водорода, но больше, чем у (отдо 2H+) при электролизе на катоде восстанавливаются одновременно с молекулами .

Если же водный раствор содержит катионы различных металлов, то при электролизе выделяющие их на катоде протекают в порядке уменьшения стандартного электродного потенциала соответствующего металла.

сначала .

Характер реакций протекающих на аноде зависит от присутствия молекул так и от вещества, из которого сделан анод. обычно аноды подразделяются на растворимые(Cu, Ag, Zn, Cd, Ni) и нерастворимые(уголь, графит, Pt, ).

На растворимом аноде в процессе электролиза происходит окисление анионов (если кислоты безкислородные –) если же раствор содержит анионы кислородосодержащих кислот () то на аноде окисляются не эти ионы, а молекулы воды:

e

Растворимы анод при электролизе окисляется, т.е. посылает во внешнюю цепь.

и анод растворяется.

Как протекает электролиз с нерастворимым (угольными) электродами?

Пример 2. с нерастворимым электродом.

Катод Анод

e

если катодное и анодное пространство не разделены перегородкой, то:

Пример 4. Электролиз раствора

Электроды из меди

Катод (Cu) Анод: e

e

5) Электролиз c электродами

Закон Фарадея

Это количественный закон электролиза

m- масса вещества. которые выделяются на электродах (г)

n- число электронов, которыми обмениваются окислитель и восстановитель

I - сила тока (А)

М- молярная масса вещества, которая выделяется на электроде

F- постоянная Фарадея 96485

t- время (сек)

Причиной возникновения и протекания электрического тока в гальваническом элементе является разность электродных потенциалов.

Стандартный потенциал восстановления - количественная мера способности вещества (молекулы или иона) вступать в окислительно-восстановительные реакции в водном растворе.

Окислительно-восстановительная реакция возможна, если

где

- стандартный потенциал восстановления окислителя.

- стандартный потенциал восстановления восстановителя.

Уравнение Нернста:

где - электродный потенциал металла, В;

- стандартный электродный потенциал металла, В;

- универсальная газовая постоянная (8,31 Дж/моль;

- абсолютная температура, К;

- число электронов, участвующих в реакции;

- постоянная Фарадея (96 500 Кл/моль).

ЭДС любого гальванического элемента можно вычислить по разности стандартных электронных потенциалов Ео. При этом следует иметь в виду, что ЭДС всегда положительная величина. Поэтому надо из потенциала электрода, имеющего большую алгебраическую величину, вычислить потенциал, алгебраическая величина которого меньше.

Е= Еоси - Еоzn= (+ 0,34) - (-0,76) = 1,10 В

Е= Еоок-ль - Еовос-ль

Еоок-ль – потенциал электрода с большей алгебраической величиной.

Еовос-ль – потенциал электрода с меньшей алгебраической величиной.

Некоторые стандартные электродные потенциалы приведены в приложении 4.

Количественная характеристика процессов электролиза определяется законом Фарадея:

Масса электролита, подвергшегося превращению при электролизе, а также масса образующихся на электродах веществ прямо пропорциональны количеству электричества, прошедшего через раствор или расплав электролита, и эквивалентным массам соответствующих веществ.

Закон Фарадея выражается следующим уравнением:

Где - масса образовавшегося или подвергшегося превращению вещества;

Э – его эквивалентная масса, г экв;

I – сила тока, А;

t – время, сек;

F – число Фарадея (96 500 Кл/моль), т.е. количество электричества, необходимое для осуществления электрохимического превращения одного эквивалента вещества.

Пример 1: Сколько граммов меди выделится на катоде при электролизе раствора CuSO4 в течение 1 ч при силе тока 4 А.

Решение: Эквивалентная масса меди в CuSO4 равна =, подставляя в уравнение Фарадея значения Э = 32,I = 4 А, t = 6060 = 3600 с, получим

= 4,77 г.

Пример 2: Вычислите эквивалент металла, зная, что при электролизе раствора хлорида этого металла затрачено 3880 Кл электричества и на катоде выделяется 11, 74 г металла.

Решение: Из уравнения Фарадея выводим Э = , гдеm= 11,742 г; F = 96 500 Кл/моль; It = Q = 3880 Кл.

Э = = 29,35

Пример 3: Сколько граммов гидроксида калия образовалось у катода при электролизе раствора K2SO4, если на аноде выделилось 11,2 л кислорода (н.у.)?

Решение: Эквивалентный объем кислорода (н.у.) 22,4/4 = 5,6 л. Следовательно, 11,2 л содержат 2 эквивалентные массы кислорода. Столько же эквивалентных масс КОН образовалось у катода. Или 56 2 = 112, 7 ( 56 г/моль – мольная и эквивалентная масса КОН).

studfiles.net

Лекция по теме «Химические источники тока»

Учебные вопросы

  1. Виды химических источников тока

  2. Классификация гальванических элементов

  3. Принцип действия аккумулятора

  4. Топливные элементы

  1. Виды химических источников тока

Химическими источниками тока (ХИТ) называются электрохимические устройства, в результате работы которых химическая энергия окислительно-восстановительных процессов превращается в электрическую энергию постоянного тока. К ним относятся гальванические элементы, аккумуляторы, топливные элементы. Во всех видах химических источниках тока используются электролиты – водные, неводные, твердые. К достоинствам современных ХИТ относятся относительно высокие КПД (до 0,8) и высокая удельная мощность (количество энергии, отдаваемое в единицу времени единицей массы ХИТ), что позволяет им конкурировать с другими источниками тока. Основным их недостатком является ограниченный срок службы.

  1. Классификация гальванических элементов

Среди большого разнообразия гальванических элементов можно выделить три основных типа.

Первый тип . Пластины из двух различных металлов находятся в растворах солей, содержащих собственные ионы. К этому типу относится медно-цинковый гальванический элемент (элемент Даниэля – Якоби ).

Второй тип. Пластины из двух различных металлов находятся в растворе одного электролита. Примером может служить элемент Вольта, состоящий из двух пластин (Zn и Cu), погруженных в раствор серной кислоты. При его работе происходят следующие процессы:

(-) А: Zn  Zn2+ + 2- окисление (анодный процесс)

(+) К: 2Н+ + 2 Н2 - восстановление (катодный процесс)

Выделяющийся водород насыщает поверхность катода (меди), в результате чего получается электрод другого состава (не медный, а водородный).

Схема гальванического элемента Вольта:

2

(-) Zn / Zn2+ h3SO4  2H+ / h3 (Cu) (+)

В скобках справа указывается (Сu) - место выделения водорода.

Третий тип. Гальванические элементы составлены из двух совершенно одинаковых по природе электродов (например, медных), погруженных в растворы одного и того же электролита, но различной концентрации. Такие элементы называются концентрационными.

Схема медного концентрационного гальванического элемента:

2

(-) Cu / CuSO4  CuSO4 / Cu (+) ,

C1 < С2

где C1 и С2 - концентрация раствора электролита, моль/л.

Роль анода выполняет электрод, находящийся в более разбавленном растворе, так как его электродный потенциал имеет более низкое значение по сравнению со вторым электродом. ЭДС такого гальванического элемента зависит только от соотношения концентраций потенциалопределяющих ионов (в данном случае от концентрации CuSO4).

Практического значения как источники электрической энергии концентрационные гальванические элементы не имеют.

  1. Принцип действия аккумулятора

    Аккумуляторы – гальванические элементы, которые на основе обратимых электрохимических реакций могут многократно накапливать химическую энергию и отдавать ее для потребления в виде электрической энергии постоянного тока.

Аккумуляторы - устройства многоразового действия, сочетающие в себе гальванический элемент и электролизер. Под воздействием внешнего постоянного тока в них аккумулируется (накапливается) химическая энергия, которая затем превращается в электрическую в результате окислительно-восстановительной реакции. Процесс накопления химической энергии называют зарядом аккумулятора, процесс ее превращения в электрическую - разрядом аккумулятора. В первом случае аккумулятор работает как электролизер, во втором – как гальванический элемент.

Устройство и принцип действия всех аккумуляторов одинаков. Основное отличие состоит в материале электродов и типе электролита. На аноде как при разряде, так и при заряде протекает процесс окисления, на катоде – процесс восстановления.

Наиболее распространенными являются кислотные и щелочные аккумуляторы.

Кислотный аккумулятор (свинцовый аккумулятор) представляет собой пластины в виде отливок из хартблея (твердого свинца с примесью сурьмы) ячеистой структуры, собранные в батареи и помещенные в баки из эбонита или полипропилена с электролитом. В ячейки пластин предварительно запрессовывается смесь оксида свинца (PbO) с глицерином, обладающая способностью затвердевать в виде глицерата свинца. Электролитом служит раствор серной кислоты (35 - 40 % раствор h3SO4). При взаимодействии оксида свинца с h3SO4 образуется PbSO4.

PbOтв. + h3SO4(р-р)PbSO4тв. + h3O

При первичной и последующих зарядах аккумулятора, когда он работает как электрохимическая ячейка, PbSO4 на катоде превращается в свинец (Pb), а аноде - в диоксид свинца (PbO2), которые и являются электродами:

(-) К : PbSO4(тв) + 2Pb(тв) + SO(р-р)

(+) А : PbSO4(тв) +2 Н2О PbО2(тв) + 2+ 4 Н+ + SO(р-р)

2PbSO4(тв) + 2h3O Pb(тв) + PbO2(тв) + 2 h3SO4(р-р)

ЭДС заряженного аккумулятора приблизительно равна 2 В (если 6 таких аккумуляторов последовательно соединить, получается обычный автомобильный аккумулятор с ЭДС = 12В).

При работе аккумулятора – его разрядке, когда он работает как химический источник тока, на электродах протекают электродные процессы в обратном направлении.

По мере его разрядки расходуются материалы катода (PbО2) , анода (Pb) и электролит - серная кислота. Напряжение на зажимах аккумулятора падает и его необходимо заряжать. Для зарядки аккумулятор подключают к внешнему источнику тока, направление тока противоположно разрядному.

Токообразующие и электродные реакции в свинцовом аккумуляторе можно представить в виде:

Pb(тв) + SO(р-р)  PbSO4(тв) + 2

PbО2(тв) + 2+ 4 Н+(р-р)+ SO(р-р)  PbSO4(тв) + 2 Н2О

«разрядка»

Pb(тв) + PbO2(тв) + 2 h3SO4 (р-р)  2 PbSO 4(тв) + 2h3O

«зарядка»

Cхема кислотного аккумулятора:

( - ) Pb / Pb2+ │h3SO4 │Pb2+ / PbO2 ( + )

Стандартные величины потенциалов для электродов свинцового аккумулятора имеют следующие значения: ,.

ЭДС аккумулятора, как химического источника тока, рассчитывается по уравнению:

- +

Из данного уравнения видно, что ЭДС аккумулятора зависит от концентрации (активности) серной кислоты, которая возрастает при заряде аккумулятора и уменьшается при его разояде. О степени разряда аккумулятора судят по концентрации электролита, т.е. концентрации h3SO4. Используя концентрированные растворы h3SO4, можно было бы увеличить ЭДС аккумулятора, однако при концентрации h3SO4 больше 39% резко уменьшается электропроводность растворов и увеличивается растворимость свинца, поэтому оптимальными являются 32 - 39 % - ные растворы h3SO4.

Во время заряда аккумулятора растет напряжение на его полюсах. В конце оно достигает такого значения, что начинается электролиз воды, сопровождающийся выделением водорода на катоде и кислорода – на аноде:

(-) К : 2 Н2О + 2  Н2+2 ОН-

(+) А : 4 ОН-  О2+ 2 Н2О + 4

2 Н2О  2 Н2+ О2

Так называемое «кипение» электролита является признаком окончания заряда свинцового аккумулятора. Заряженный аккумулятор может быть сразу использован по назначению. При хранении же из него выливают электролит и промывают водой. В таком виде он может находиться до 2 лет и для его использования достаточно лишь залить электролит. При хранении незаряженного аккумулятора с раствором серной кислоты происходит его «сульфатирование» – образование на пластинках большого количества PSO4. Когда кислотный аккумулятор работает, давая ток, PSO4 осаждается в очень мелкозернистой форме на поверхности электродов. Когда же аккумулятор выключен, мелкозернистый слой рекристаллизуется и образуются более крупные кристаллы, которые могут закупорить поры электрода, уменьшая его поверхность или отрываться от электрода и оседать на дно аккумулятора. Процесс сульфатации является основной причиной выхода аккумулятора из строя, поэтому нужно следить, чтобы аккумулятор не простаивал частично в разряженном состоянии.

Преимущества свинцового аккумулятора – высокий КПД (около 80 %), высокая ЭДС и относительно малое ее изменение при разряде, большая электрическая емкость, устойчивость в работе. Недостатки – большая масса и, следовательно, малая удельная емкость, саморазряд аккумулятора при хранении, малый срок службы (2 – 5 лет), а также токсичность свинца и сильные окислительные свойства h3SO4.

Щелочные аккумуляторы различаются по материалу пластин отрицательно заряженного электрода. Наиболее распространенные из них кадмий - никелевые (Cd - Ni) и железо - никелевые ( Fe – Ni ) аккумуляторы. Активная масса положительных пластин состоит, в основном, из гидратированного оксида никеля (III), кроме того в ней содержится графит, добавляемый для увеличения электропроводности. Электролитом служит раствор КОН (20 %), содержащий небольшое количество LiOH. ЭДС заряженного аккумулятора (Cd - Ni) приблизительно равна 1,3 В.

studfiles.net

Электрохимические процессы в свинцовых аккумуляторах

Аккумулятор накапливает и хранит в себе химическую энергию активных материалов и преобразует накопленную химическую энергию в электрическую.

Активными веществами заряженной аккумуляторной батареи являются двуокись свинца PbO2 (положительный электрод), губчатый свинец Pb (отрицательный электрод) и электролит – водный раствор серной кислоты (h3SO4 + h3O).

 

Разряд аккумулятора.

На отрицательном электроде:

На положительном электроде:

Суммарная реакция:

 

Заряд аккумулятора.

На отрицательном электроде:

На положительном электроде:

Суммарная реакция:

 

В конце заряда аккумулятора плотность электролита перестает изменяться, т.к. процессы преобразования веществ на электродах заканчиваются. При продолжении заряда происходит интенсивное разложение воды на кислород и водород, что создает эффект кипения электролита. Неизменность плотности электролита или его кипение служат признаком окончания зарядного процесса.

 

ЛЕКЦИЯ 2

Устройство аккумуляторов и батарей

Аккумуляторные батареи можно разделить на три группы:

1) традиционные;

2) малообслуживаемые;

3) необслуживаемые.

Традиционные батареи

Традиционные батареи собираются в корпусах с отдельными крышками и в корпусах с общей крышкой.

 

Батареи с отдельными крышками.

Батареи собираются в одном эбонитовом или пластмассовом сосуде – моноблоке, разделенном перегородками на отдельные камеры по числу аккумуляторов (в просторечии – банок) в батарее. В каждой камере помещен электродный блок, состоящий из чередующихся положительных и отрицательных электродов, разделенных сепараторами. Сепараторы служат для предотвращения замыкания электродов, но при этом за счет своей пористости способны пропускать через себя электролит. Электроды устанавливаются на опорные призмы, что предотвращает замыкание разноименных электродов через шлам, накапливающийся в процессе эксплуатации на дне моноблока.

Сверху электродного блока устанавливается перфорированный предохранительный щиток, защищающий верхние кромки сепараторов от механических повреждений при замерах температуры, уровня и плотности электролита.

Каждый аккумулятор батареи закрывается отдельной крышкой из эбонита или пластмассы. В крышке имеется два отверстия для вывода борнов электродного блока и одно резьбовое – для заливки электролита. Резьбовое отверстие закрывается резьбовой пробкой из полиэтилена, имеющей небольшое вентиляционное отверстие, предназначенное для выхода газов во время эксплуатации.

В новых сухозаряженных батареях вентиляционное отверстие закрыто приливом. После заливки электролита этот прилив следует срезать.

Соединение аккумуляторов в батарею осуществляется с помощью перемычек. К выводным борнам крайних аккумуляторов приваривают полюсные выводы для соединения батареи с внешней электрической цепью. Диаметр положительного вывода больше, чем отрицательного. Это исключает неправильное подключение батареи. В некоторых случаях полюсные выводы имеют отверстия под болт.

Герметизация батареи в местах сопряжения крышек со стенками и перегородками моноблока обеспечивается обратимой битумной заливочной мастикой.

 

Батареи с общей крышкой.

Все батареи с общей крышкой изготавливают в пластмассовых моноблоках. Эластичность пластмассы позволяет соединять аккумуляторы в батарею сквозь отверстия в перегородках моноблока. Это делает возможным на 0,1...0,3 В повысить напряжение батареи при стартерном разряде и уменьшить расход свинца в батарее на 0,5...3 кг. Применение термопластичных пластмасс позволило значительно снизить массу корпуса батареи.

Использование пластмассового моноблока и общей крышки позволило применить герметизацию батареи методом контактно-тепловой сварки, что обеспечивает надежную герметичность при температурах от -500 до +700С.

 

Малообслуживаемые батареи

В малообслуживаемых батареях содержание сурьмы в сплаве токоотводов снижено в 2-3 раза по сравнению с традиционными батареями. Ряд производителей к малосурьмяниистому свинцу добавляет различные лигирующие вещества, в частности, серебро и селен. Это обеспечивает подзаряд батареи в интервале регулируемого напряжения практически без газовыделения. В традиционных батареях заметное газовыделение начинается при напряжении 14,4 В. Вместе с тем скорость саморазряда малообслуживаемой батареи снижена примерно в 5-6 раз.

Малообслуживаемая батарея имеет улучшенную конструкцию. Один из аккумуляторных электродов в ней помещен в сепаратор-конверт, опорные призмы удалены, электроды установлены на дно моноблока. В результате этого электролит, который в традиционных батареях был под электродами, в малообслуживаемых батареях находится над электродами. Поэтому доливка воды в такую батарею необходима не чаще, чем 1 раз в 1,5...2 года. В традиционных батареях доливка необходима 1–2 раза в месяц.

Необслуживаемые батареи

Необслуживаемые батареи отличаются малым расходом воды и не требуют ее долива в течение всего срока службы. Вместо сурьмы в сплаве решеток аккумуляторов используется другой элемент (обычно кальций). Применение кальция позволило уменьшить газовыделение более чем в десять раз. Столь медленное «выкипание» большого объема воды можно «растянуть» на весь срок службы аккумулятора, вообще отказавшись от заливных отверстий. Такой аккумулятор получается действительно необслуживаемым, т.к. заливать воду в него невозможно.

Необслуживаемые батареи другого типа вместо электродных пластин включают в свой состав электроды, скрученные в плотные рулоны. Между электродами проложен тонкий сепаратор, пропитанный электролитом. При плотной упаковке электроды не требуют упрочнения сурьмой. Электролит в таких батареях связан губчатой прокладкой и не вытекает даже при повреждении корпуса батареи. При непродолжительном перезаряде газы, проходя по каналам сепаратора, вступают в реакцию и превращаются в воду. При длительном перезаряде газы, не успев прореагировать друг с другом, выходят через предохранительный клапан. Количество электролита будет в этом случае уменьшаться. Для своевременного предотвращения перезаряда в автомобиле необходимо устанавливать сигнализатор аварийного напряжения. Аккумуляторы, изготавливаемые по данной технологии, получили название «спиральные элементы» (Spiral Cell). Преимуществами этих аккумуляторов являются 1) большой ток холодной прокрутки, 2) стойкость к вибрациям и ударам, 3) большое число циклов пуска двигателя (в три раза больше, чем у традиционных батарей), 4) малый саморазряд (срок хранения без подзарядки – более года).

Однозначно ответить на вопрос «Какие аккумуляторы лучше?» достаточно затруднительно. Батареи с решетками из кальциевого свинца отличаются малым потреблением воды, высокой коррозионной стойкостью решеток из сплава мелкозернистой структуры и способностью «самовыключаться», то есть переставать принимать ток в заряженном состоянии. Кроме того, кальциевые аккумуляторы отличаются малым саморазрядом. Но при глубоких разрядах на положительных решетках таких аккумуляторов может происходить образование сульфата кальция, и это, в отличие от образования сульфата свинца, необратимо. Поэтому некоторые модели необслуживаемых батарей изготавливают по технологии «Кальций плюс» (Са+): отрицательные решетки выполняются из кальциевого свинца, а положительные – из малосурьмянистого.

Перспективным представляется комбинированное использование на автомобиле разных типов батарей — одни работают при быстрых разрядах, другие обеспечивают большой запас энергии.

 

lektsia.com

Типы аккумуляторов

  • Никель-солевой аккумулятор

  • Железо-воздушный аккумулятор

  • Железо-никелевый аккумулятор

  • Лантан-фторидный аккумулятор

  • Литий-железно-сульфидный аккумулятор

  • Литий-железно-фосфатный аккумулятор

  • Литий-ионный аккумулятор (Li-Ion)

  • Литий-полимерный аккумулятор

  • Литий-фторный аккумулятор

  • Литий-хлорный аккумулятор

  • Литий-серный аккумулятор

  • Натрий-никель-хлоридный аккумулятор

  • Натрий-серный аккумулятор

  • Никель-кадмиевый аккумулятор (NiCd)

  • Никель-металл-гидридный аккумулятор (NiMH)

  • Никель-цинковый аккумулятор

  • Свинцово-водородный аккумулятор

  • Свинцово-кислотный аккумулятор

  • Серебряно-кадмиевый аккумулятор

  • Серебряно-цинковый аккумулятор

  • Цинк-бромный аккумулятор

  • Цинк-воздушный аккумулятор

  • Цинк-хлорный аккумулятор

  • Никель-водородный аккумулятор

Свинцово-кислотные аккумуляторы.

Свинцово-кислотный аккумулятор — наиболее распространенный на сегодняшний день тип аккумуляторов, изобретен в1859 годуфранцузским физикомГастоном Планте. В 1878 году Камилл Фор усовершенствовал его конструкцию, покрыв пластины аккумуляторасвинцовым суриком. Основные области применения:аккумуляторные батареив автомобильном транспорте,аварийные источники электроэнергии.

Электрохимическая схема свинцового аккумулятора:

Pb |h3SO4 | PbO2

Электроды (отрицательный – свинец и положительный – диоксид свинца) погружены в раствор h3SO4 плотностью 1,25−1,30 г/см³.

Принцип действия

Принцип работы свинцово-кислотных аккумуляторов основан на электрохимических реакциях свинцаидиоксида свинцав сернокислотной среде.

Электрохимические процессы:

Анодный процесс (разряд ):

Pb + HSO4-  PbSO4 + H+ + 2e ЕО = -0,36В

Катодный процесс (разряд ):

PbO2 + HSO4- + 3Н+ + 2е  PbSO4 + 2Н2О ЕО = 1,69В

Pb + PbO2 + 2h3SO4  2PbSO4 + 2Н2О – суммарное уравнение токообразующей реакции в свинцовом аккумуляторе. В режиме «разряд» свинец и диоксид свинца переходят в нерастворимый в кислоте сульфат свинца. В режиме заряд () под действием внешнего источника тока обеспечивается обратное разряду направление перемещения электронов, что вызывает регенерацию активных масс: свинца и диоксида свинца. В соответствии с потенциалами Э.Д.С. аккумулятора составляет примерно 2В. Следует отметить, что в электрохимических процессах на электродах принимает участие серная кислота, поэтому Э.Д.С. существенно зависит от концентрации серной кислоты в растворе. При разряде имеет место расход серной кислоты, поэтому о степени разряда аккумулятора можно судить по концентрации раствора, измеряя его плотность с помощью специальных приборов – ареометров.

Устройство

Элемент свинцово-кислотного аккумулятора состоит из электродов (положительных и отрицательных) и разделительных изоляторов (сепараторов), которые погружены в электролит. Электроды представляют собой свинцовые решётки. У положительных активным веществом являетсядиоксид свинца(PbO2), у отрицательных активным веществом является губчатый свинец.

На самом деле электроды выполнены не из чистого свинца, а из сплава с добавлением сурьмыв количестве 1-2 % для повышения прочности и примесей. Иногда в качестве легирующего компонента используются соли кальция, в обеих пластинах, или только в положительных. Применение солей кальция вносит не только положительные, но и много отрицательных моментов в эксплуатацию свинцового аккумулятора, например, у такого аккумулятора при глубоких разрядах существенно и необратимо снижается емкость.

Особенности эксплуатации. В конце заряда, при некоторых критических значениях концентрации сульфата свинца у электродов, начинает преобладать процесс электролизаводы. При этом накатодевыделяетсяводород, нааноде—кислород. При заряде не стоит допускать электролиза воды, в противном случае необходимо долить воду для восполнения потерянного в ходе электролиза количества. На рисунке – аккумулятор электромобиля.

Физические характеристики:

-Теоретическая энергоёмкость (Вт·ч/кг): около 133.

-Удельная энергоёмкость (Вт·ч/кг): 30-60.

-Теоретическая удельная энергоплотность (Вт·ч/дм³): 1250.

-ЭДС заряжённого аккумулятора = 2,11 — 2,17 В,

-Рабочее напряжение = 2 В (3 или 6 секций в итоге дают стандартные 6 В или 12 В (12 В)).

-Напряжение полностью разряженного аккумулятора = 1,75 — 1,8 В (из расчета на 1 секцию). Ниже разряжать их нельзя.

-Рабочая температура: от −40 °C до +40 °C.

-КПД: порядка 80-90 %.

Щелочные железо-никелевые и кадмий-никелевые аккумуляторы.

Электрохимические схемы железо-никелевых и кадмий-никелевых аккумуляторов можно представить в виде:

Fe|KOH|NiOOH Сd |KOH|NiOOH

Основной компонент электролита -20…30% раствор КОН. Суммарные токообразующие реакции в аккумуляторах выражаются следующими уравнениями ( разряд,  заряд).

Fe + 2NiOOH + 2Н2О  Fe(OH)2 + 2Ni(OH)2

Cd + 2NiOOH + 2Н2О  Cd(OH)2 + 2Ni(OH)2

На железном и кадмиевом анодах протекают электрохимические реакции окисления железа и кадмия при разряде.

Fe + 2OH-  Fe(OH)2 + 2е

Cd + 2OH-  Cd(OH)2 + 2е

На оксидно-никелевом положительном электроде (катоде) в обоих аккумуляторах в режимах разряд-заряд протекает следующая реакция восстановления метагидроксида никеля:

NiOOH + 2Н2О + е  Ni(OH)2 + ОН-

Э.Д.С. щелочных аккумуляторов равна 1,4…1,3 В и мало зависит от концентрации щелочи. При разряде эта величина уменьшается в зависимости от .степени разряда

Сравнивая характеристики кислотного и щелочного аккумуляторов, можно отметить, что основное преимущество щелочных аккумуляторов состоит в из лучшей сохранности при перерывах в работе и большом сроке службы (более 1000 циклов заряд-разряд, у кислотных – 300-400 циклов). Кадмиево-никелевая система позволяет и изготавливать герметичные аккумуляторы наиболее удобные в эксплуатации. Свинцовые аккумуляторы имеют лучшие удельные характеристики (Э.Д.С. и напряжение при разряде выше, чем у щелочных), а также их можно использовать, когда требуются большие токи, например при запуске двигателя. Главное применение щелочных аккумуляторов – питание электрокаров, погрузчиков, электровозов, средств радиосвязи, светильников и пр.

studfiles.net

Химия и ток

В современной жизни химические источники тока окружают нас повсюду: это батарейки в фонариках, аккумуляторы в мобильных телефонах, водородные топливные элементы, которые уже используются в некоторых автомобилях. Бурное развитие электрохимических технологий может привести к тому, что уже в ближайшее время вместо машин на бензиновых двигателях нас будут окружать только электромобили, телефоны перестанут быстро разряжаться, а в каждом доме будет свой собственный электрогенератор на топливных элементах. Повышению эффективности электрохимических накопителей и генераторов электроэнергии посвящена одна из совместных программ Уральского федерального университета с Институтом высокотемпературной электрохимии УрО РАН, в партнерстве с которыми мы публикуем эту статью.

На сегодняшний день существует множество разных типов батареек, среди которых все сложнее ориентироваться. Далеко не каждому очевидно, чем аккумулятор отличается от суперконденсатора и почему водородный топливный элемент можно использовать, не опасаясь нанести вред окружающей среде. В этой статье мы расскажем о том, как для получения электроэнергии используются химические реакции, в чем разница между основными типами современных химических источников тока и какие перспективы открываются перед электрохимической энергетикой.

Химия как источник электричества

Сначала разберемся, почему химическую энергию вообще можно использовать для получения электричества. Все дело в том, что при окислительно-восстановительных реакциях происходит перенос электронов между двумя разными ионами. Если две половины химической реакции разнести в пространстве, чтобы окисление и восстановление проходили отдельно друг от друга, то можно сделать так, чтобы электрон, который отрывается от одного иона, не сразу попадал на второй, а сначала прошел по заранее заданному для него пути. Такую реакцию можно использовать как источник электрического тока.

Впервые эта концепция была реализована еще в XVIII веке итальянским физиологом Луиджи Гальвани. Действие традиционного гальванического элемента основано на реакциях восстановления и окисления металлов с разной активностью. Например, классической ячейкой является гальванический элемент, в котором происходит окисление цинка и восстановление меди. Реакции восстановления и окисления проходят, соответственно, на катоде и аноде. А чтобы ионы меди и цинка не попадали на «чужую территорию», где они могут прореагировать друг с другом непосредственно, между анодом и катодом обычно помещают специальную мембрану. В результате между электродами возникает разность потенциалов. Если соединить электроды, например, с лампочкой, то в получившейся электрической цепи начинает течь ток и лампочка загорается.

Схема гальванического элемента

Wikimedia commons

Помимо материалов анода и катода, важной составляющей химического источника тока является электролит, внутри которого движутся ионы и на границе которого с электродами протекают все электрохимические реакции. При этом электролит не обязательно должен быть жидким — это может быть и полимерный, и керамический материал.

Основным недостатком гальванического элемента является ограниченное время его работы. Как только реакция пройдет до конца (то есть будет полностью израсходован весь постепенно растворяющийся анод), такой элемент просто перестанет работать.

Пальчиковые щелочные батарейки

Возможность перезарядки

Первым шагом к расширению возможностей химических источников тока стало создание аккумулятора — источника тока, который можно перезаряжать и поэтому использовать многократно. Для этого ученые просто предложили использовать обратимые химические реакции. Полностью разрядив аккумулятор в первый раз, с помощью внешнего источника тока прошедшую в нем реакцию можно запустить в обратном направлении. Это восстановит исходное состояние, так что после перезарядки батарею можно будет использовать заново.

Автомобильный свинцово-кислотный аккумулятор

На сегодня создано много различных типов аккумуляторов, которые отличаются типом происходящей в них химической реакции. Наиболее распространенными типами аккумуляторов являются свинцово-кислотные (или просто свинцовые) аккумуляторы, в основе которых лежит реакция окисления-восстановления свинца. Такие устройства обладают довольно длительным сроком службы, а их энергоемкость составляет до 60 ватт-часов на килограмм. Еще более популярными в последнее время являются литий-ионные аккумуляторы, основанные на реакции окисления-восстановления лития. Энергоемкость современных литий-ионных аккумуляторов сейчас превышает 250 ватт-часов на килограмм.

Литий-ионный аккумулятор для мобильного телефона

Основными проблемами литий-ионных аккумуляторов являются их небольшая эффективность при отрицательных температурах, быстрое старение и повышенная взрывоопасность. А из-за того, что металлический литий очень активно реагирует с водой с образованием газообразного водорода и при горении аккумулятора выделяется кислород, самовозгорание литий-ионного аккумулятора очень тяжело поддается традиционным способам пожаротушения. Для того чтобы повысить безопасность такого аккумулятора и ускорить время его зарядки, ученые предлагают модифицировать материал катода, воспрепятствовав образованию дендритных литиевых структур, а в электролит добавить вещества, которые блокируют образование взрывоопасных структур, и компоненты, подавляющие возгорание на ранних стадиях.

Твердый электролит

В качестве другого менее очевидного способа повышения эффективности и безопасности батарей, химики предложили не ограничиваться в химических источниках тока жидкими электролитами, а создать полностью твердотельный источник тока. В таких устройствах вообще нет жидких компонентов, а есть слоистая структура из твердого анода, твердого катода и твердого же электролита между ними. Электролит при этом одновременно выполняет и функцию мембраны. Носителями заряда в твердом электролите могут быть различные ионы — в зависимости от его состава и тех реакций, которые проходят на аноде и катоде. Но всегда ими являются достаточно маленькие ионы, которые могут относительно свободно перемещаться по кристаллу, например протоны H+, ионы лития Li+ или ионы кислорода O2-.

Водородные топливные элементы

Возможность перезарядки и специальные меры безопасности делают аккумуляторы значительно более перспективными источниками тока, чем обычные батарейки, но все равно каждый аккумулятор содержит внутри себя ограниченное количество реагентов, а значит, и ограниченный запас энергии, и каждый раз аккумулятор необходимо заново заряжать для возобновления его работоспособности.

Чтобы сделать батарейку «бесконечной», в качестве источника энергии можно использовать не те вещества, которые находятся внутри ячейки, а специально прокачиваемое через нее топливо. Лучше всего в качестве такого топлива подойдет вещество, максимально простое по составу, экологически чистое и имеющееся в достатке на Земле.

Наиболее подходящее вещество такого типа — газообразный водород. Его окисление кислородом воздуха с образованием воды (по реакции 2h3 + O2 → 2h3O) является простой окислительно-восстановительной реакцией, а транспорт электронов между ионами тоже можно использовать в качестве источника тока. Протекающая при этом реакция является своего рода обратной реакцией к реакции электролиза воды (при котором под действием электрического тока вода разлагается на кислород и водород), и впервые такая схема была предложена еще в середине XIX века.

Но несмотря на то, что схема выглядит довольно простой, создать основанное на этом принципе эффективно работающее устройство — совсем не тривиальная задача. Для этого надо развести в пространстве потоки кислорода и водорода, обеспечить транспорт нужных ионов через электролит и снизить возможные потери энергии на всех этапах работы.

Принципиальная схема работы водородного топливного элемента

econet.ru

Схема работающего водородного топливного элемента очень похожа на схему химического источника тока, но содержит в себе дополнительные каналы для подачи топлива и окислителя и отвода продуктов реакции и избытка поданных газов. Электродами в таком элементе являются пористые проводящие катализаторы. К аноду подается газообразное топливо (водород), а к катоду — окислитель (кислород из воздуха), и на границе каждого из электродов с электролитом проходит своя полуреакция (окисление водорода и восстановление кислорода соответственно). При этом, в зависимости от типа топливного элемента и типа электролита, само образование воды может протекать или в анодном, или в катодном пространстве.

Водородный топливный элемент Toyota

Joseph Brent / flickr

Если электролит является протонпроводящей полимерной или керамической мембраной, раствором кислоты или щелочи, то носителем заряда в электролите являются ионы водорода. В таком случае на аноде молекулярный водород окисляется до ионов водорода, которые проходят через электролит и там реагируют с кислородом. Если же носителем заряда является ион кислорода O2–, как в случае твердооксидного электролита, то на катоде происходит восстановление кислорода до иона, этот ион проходит через электролит и окисляет на аноде водород с образованием воды и свободных электронов.

Кроме реакции окисления водорода для топливных элементов предложено использовать и другие типы реакций. Например, вместо водорода восстановительным топливом может быть метанол, который кислородом окисляется до углекислого газа и воды.

Эффективность топливных элементов

Несмотря на все преимущества водородных топливных элементов (такие как экологичность, практически неограниченный КПД, компактность размеров и высокая энергоемкость), они обладают и рядом недостатков. К ним относятся, в первую очередь, постепенное старение компонентов и сложности при хранении водорода. Именно над тем, как устранить эти недостатки, и работают сегодня ученые.

Повысить эффективность топливных элементов в настоящее время предлагается за счет изменения состава электролита, свойств электрода-катализатора, и геометрии системы (которая обеспечивает подачу топливных газов в нужную точку и снижает побочные эффекты). Для решения проблемы хранения газообразного водорода используют материалы, содержащие платину, для насыщения которых предлагают использовать, например, графеновые мембраны.

В результате удается добиться повышения стабильности работы топливного элемента и времени жизни его отдельных компонентов. Сейчас коэффициент преобразования химической энергии в электрическую в таких элементах достигает 80 процентов, а при определенных условиях может быть и еще выше.

Огромные перспективы водородной энергетики связывают с возможностью объединения топливных элементов в целые батареи, превращая их в электрогенераторы с большой мощностью. Уже сейчас электрогенераторы, работающие на водородных топливных элементах, имеют мощность до нескольких сотен киловатт и используются как источники питания транспортных средств.

Альтернативные электрохимические накопители

Помимо классических электрохимических источников тока, в качестве накопителей электроэнергии используют и более необычные системы. Одной из таких систем является суперконденсатор (или ионистор) — устройство, в котором разделение и накопление заряда происходит за счет образования двойного слоя вблизи заряженной поверхности. На границе электрод-электролит в таком устройстве в два слоя выстраиваются ионы разных знаков, так называемый «двойной электрический слой», образуя своеобразный очень тонкий конденсатор. Емкость такого конденсатора, то есть количество накопленного заряда, будет определяться удельной площадью поверхности электродного материала, поэтому в качестве материала для суперконденсаторов выгодно брать пористые материалы с максимальной удельной площадью поверхности.

Ионисторы являются рекордсменами среди зарядно-разрядных химических источников тока по скорости заряда, что является несомненным преимуществом данного типа устройств. К сожалению, они также являются рекордсменами и по скорости разряда. Энергоплотность ионисторов в восемь раз меньше по сравнению со свинцовыми аккумуляторами и в 25 раз меньше по сравнению с литий-ионными. Классические «двойнослойные» ионисторы не используют электрохимическую реакцию в своей основе, и к ним наиболее точно применим термин «конденсатор». Однако в тех вариантах исполнения ионисторов, в основе которых используется электрохимическая реакция и накопление заряда распространяется в глубину электрода, удается достичь более высоких времен разрядки при сохранении быстрой скорости заряда. Усилия разработчиков суперконденсаторов направлены на создание гибридных с аккумуляторами устройств, сочетающих в себе плюсы суперконденсаторов, в первую очередь высокую скорость заряда, и достоинства аккумуляторов — высокую энергоемкость и длительное время разряда. Представьте себе в ближайшем будущем аккумулятор-ионистор, который будет заряжаться за пару минут и обеспечивать работу ноутбука или смартфона в течение суток или более!

Несмотря на то, что сейчас плотность энергии суперконденсаторов пока в несколько раз меньше плотности энергии аккумуляторов, их используют в бытовой электронике и для двигателей различных транспортных средств, в том числе и в самых современных разработках.

* * *

Таким образом, на сегодня существует большое количество электрохимических устройств, каждое из которых перспективно для своих конкретных приложений. Для повышения эффективности работы этих устройств ученым необходимо решить ряд задач как фундаментального, так и технологического характера. Большинством этих задач в рамках одного из прорывных проектов занимаются в Уральском федеральном университете, поэтому о ближайших планах и перспективах по разработке современных топливных элементов мы попросили рассказать директора Института высокотемпературной электрохимии УрО РАН, профессора кафедры технологии электрохимических производств химико-технологического института Уральского федерального университета Максима Ананьева.

N + 1: Ожидается ли в ближайшем будущем какая-то альтернатива наиболее популярным сейчас литий-ионным аккумуляторам?

Максим Ананьев: Современные усилия разработчиков аккумуляторов направлены на замену типа носителя заряда в электролите с лития на натрий, калий, алюминий. В результате замены лития можно будет снизить стоимость аккумулятора, правда при этом пропорционально возрастут массо-габаритные характеристики. Иными словами, при одинаковых электрических характеристиках натрий-ионный аккумулятор будет больше и тяжелее по сравнению с литий-ионным.

Кроме того, одним из перспективных развивающихся направлений совершенствования аккумуляторов является создание гибридных химических источников энергии, основанных на совмещении металл-ионных аккумуляторов с воздушным электродом, как в топливных элементах. В целом, направление создания гибридных систем, как уже было показано на примере суперконденсаторов, по-видимому, в ближайшей перспективе позволит увидеть на рынке химические источники энергии, обладающие высокими потребительскими характеристиками.

Уральский федеральный университет совместно с академическими и индустриальными партнерами России и мира сегодня реализует шесть мегапроектов, которые сфокусированы на прорывных направлениях научных исследований. Один из таких проектов — «Перспективные технологии электрохимической энергетики от химического дизайна новых материалов к электрохимическим устройствам нового поколения для сохранения и преобразования энергии».

Группа ученых стратегической академической единицы (САЕ) Школа естественных наук и математики УрФУ, в которую входит Максим Ананьев, занимается проектированием и разработкой новых материалов и технологий, среди которых — топливные элементы, электролитические ячейки, металлграфеновые аккумуляторы, электрохимические системы аккумулирования электроэнергии и суперконденсаторы.

Исследования и научная работа ведутся в постоянном взаимодействии с Институтом высокотемпературной электрохимии УрО РАН и при поддержке партнеров.

Какие топливные элементы разрабатываются сейчас и имеют наибольший потенциал?

Одними из наиболее перспективных типов топливных элементов являются протонно-керамические элементы. Они обладают преимуществами перед полимерными топливными элементами с протонно-обменной мембраной и твердооксидными элементами, так как могут работать при прямой подаче углеводородного топлива. Это существенно упрощает конструкцию энергоустановки на основе протонно-керамических топливных элементов и систему управления, а следовательно, увеличивает надежность работы. Правда, такой тип топливных элементов на данный момент является исторически менее проработанным, но современные научные исследования позволяют надеяться на высокий потенциал данной технологии в будущем.

Какими проблемами, связанными с топливными элементами, занимаются сейчас в Уральском федеральном университете?

Сейчас ученые УрФУ совместно с Институтом высокотемпературной электрохимии (ИВТЭ) Уральского отделения Российской академии наук работают над созданием высокоэффективных электрохимических устройств и автономных генераторов электроэнергии для применений в распределенной энергетике. Создание энергоустановок для распределенной энергетики изначально подразумевает разработку гибридных систем на основе генератора электроэнергии и накопителя, в качестве которых выступают аккумуляторы. При этом топливный элемент работает постоянно, обеспечивая нагрузку в пиковые часы, а в холостом режиме заряжает аккумулятор, который может сам выступать резервом как в случае высокого энергопотребления, так и в случае внештатных ситуаций.

Наибольших успехов химики УрФУ и ИВТЭ достигли в области разработки твердо-оксидных и протонно-керамических топливных элементов. Начиная с 2016 года на Урале вместе с ГК «Росатом» создается первое в России производство энергоустановок на основе твердо-оксидных топливных элементов. Разработка уральских ученых уже прошла «натурные» испытания на станции катодной защиты газотрубопроводов на экспериментальной площадке ООО «Уралтрансгаз». Энергоустановка с номинальной мощностью 1,5 киловатта отработала более 10 тысяч часов и показала высокий потенциал применения таких устройств.

В рамках совместной лаборатории УрФУ и ИВТЭ ведутся разработки электрохимических устройств на основе протонпроводящей керамической мембраны. Это позволит в ближайшем будущем снизить рабочие температуры для твердо-оксидных топливных элементов с 900 до 500 градусов Цельсия и отказаться от предварительного риформинга углеводородного топлива, создав, таким образом, экономически эффективные электрохимические генераторы, способные работать в условиях развитой в России инфраструктуры газоснабжения.

Александр Дубов

nplus1.ru