Kimyasal akım kaynakları (HIT olarak kıs altılır), redoks reaksiyonunun enerjisinin elektrik enerjisine dönüştürüldüğü cihazlardır. Diğer isimleri elektrokimyasal hücre, galvanik hücre, elektrokimyasal hücredir. Çalışmalarının prensibi aşağıdaki gibidir: iki reaktifin etkileşiminin bir sonucu olarak, doğrudan bir elektrik akımından enerjinin salınmasıyla kimyasal bir reaksiyon meydana gelir. Diğer akım kaynaklarında, elektrik üretme süreci çok aşamalı bir şemaya göre gerçekleşir. Önce termal enerji açığa çıkar, sonra mekanik enerjiye ve ancak o zaman elektrik enerjisine dönüştürülür. HIT'in avantajı, tek aşamalı işlemdir, yani, termal ve mekanik enerji elde etme aşamalarını atlayarak elektrik hemen elde edilir.
Tarih
İlk güncel kaynaklar nasıl ortaya çıktı? Kimyasal kaynaklara, on sekizinci yüzyılın İtalyan bilim adamı Luigi Galvani'nin onuruna galvanik hücreler denir. Doktor, anatomist, fizyolog ve fizikçiydi. yönlerinden biriaraştırma, çeşitli dış etkilere karşı hayvan tepkilerinin incelenmesiydi. Elektrik üretmenin kimyasal yöntemi, Galvani tarafından kurbağalar üzerinde yapılan deneylerden biri sırasında tesadüfen keşfedildi. Kurbağanın bacağındaki açıkta kalan sinire iki metal plaka bağladı. Bu kas kasılmasıyla sonuçlandı. Galvani'nin bu fenomenle ilgili kendi açıklaması yanlıştı. Ancak deneylerinin ve gözlemlerinin sonuçları, sonraki çalışmalarda hemşehrisi Alessandro Volta'ya yardımcı oldu.
Volta yazılarında, bir kurbağanın kas dokusuyla temas halindeki iki metal arasındaki kimyasal reaksiyonun bir sonucu olarak bir elektrik akımının meydana geldiği teorisini özetledi. İlk kimyasal akım kaynağı, içine daldırılmış çinko ve bakır levhalarla dolu bir tuzlu su kabına benziyordu.
HIT, kendi adını taşıyan tuz elektrolitli birincil manganez-çinko hücresini icat eden Fransız Leclanche sayesinde on dokuzuncu yüzyılın ikinci yarısında endüstriyel ölçekte üretilmeye başlandı. Birkaç yıl sonra, bu elektrokimyasal hücre başka bir bilim adamı tarafından geliştirildi ve 1940'a kadar tek birincil kimyasal akım kaynağıydı.
Tasarım ve çalışma prensibi HIT
Kimyasal akım kaynaklarının cihazı, iki elektrot (birinci tür iletkenler) ve bunların arasına yerleştirilmiş bir elektrolit (ikinci tür iletken veya iyonik iletken) içerir. Aralarındaki sınırda bir elektronik potansiyel ortaya çıkar. İndirgeyici maddenin oksitlendiği elektrotanot, üzerinde oksitleyici maddenin indirgendiği ise katot olarak adlandırılır. Elektrolit ile birlikte elektrokimyasal sistemi oluştururlar.
Elektrotlar arasındaki redoks reaksiyonunun bir yan ürünü, elektrik akımının üretilmesidir. Böyle bir reaksiyon sırasında, indirgeyici madde oksitlenir ve elektronları oksitleyici maddeye verir, bu da onları kabul eder ve böylece indirgenir. Katot ve anot arasında bir elektrolitin bulunması, reaksiyon için gerekli bir koşuldur. İki farklı metalden elde edilen tozları basitçe karıştırırsanız, elektrik açığa çıkmaz, tüm enerji ısı şeklinde salınır. Elektron transfer sürecini düzene sokmak için bir elektrolit gereklidir. Çoğu zaman, bir tuz çözeltisi veya bir eriyiktir.
Elektrotlar metal plakalara veya ızgaralara benziyor. Bir elektrolite daldırıldıklarında, aralarında bir elektrik potansiyeli farkı ortaya çıkar - bir açık devre voltajı. Anot elektron verme eğilimindeyken, katot onları kabul etme eğilimindedir. Kimyasal reaksiyonlar yüzeylerinde başlar. Devre açıldığında ve ayrıca reaktiflerden biri bittiğinde dururlar. Devrenin açılması, elektrotlardan veya elektrolitlerden biri çıkarıldığında gerçekleşir.
Elektrokimyasal sistemlerin bileşimi
Kimyasal akım kaynakları oksitleyici ajan olarak oksijen içeren asitler ve tuzlar, oksijen, halojenürler, yüksek metal oksitler, nitroorganik bileşikler vb.ve hidrokarbon bileşikleri. Elektrolitler nasıl kullanılır:
- Asitlerin, alkalilerin, tuzlu suların vb. sulu çözeltileri.
- Tuzların organik veya inorganik çözücülerde çözülmesiyle elde edilen iyonik iletkenliğe sahip susuz çözeltiler.
- Erimiş tuzlar.
- İyonlardan birinin hareketli olduğu bir iyonik kafese sahip katı bileşikler.
- Matriks elektrolitleri. Bunlar, iletken olmayan katı bir cismin - bir elektron taşıyıcısının - gözeneklerinde bulunan sıvı çözeltiler veya eriyiklerdir.
- İyon değiştirici elektrolitler. Bunlar, aynı işarete sahip sabit iyonojenik gruplara sahip katı bileşiklerdir. Diğer burcun iyonları hareketlidir. Bu özellik, böyle bir elektrolitin iletkenliğini tek kutuplu yapar.
Galvanik piller
Kimyasal akım kaynakları galvanik hücrelerden oluşur - hücreler. Bu hücrelerden birindeki voltaj küçüktür - 0,5 ila 4V. İhtiyaca bağlı olarak, HIT'de seri bağlı birkaç hücreden oluşan bir galvanik pil kullanılır. Bazen birkaç elemanın paralel veya seri paralel bağlantısı kullanılır. Bir seri devrede her zaman yalnızca aynı birincil hücreler veya piller bulunur. Aynı parametrelere sahip olmalıdırlar: elektrokimyasal sistem, tasarım, teknolojik seçenek ve standart boyut. Paralel bağlantı için farklı boyutlardaki elemanların kullanılması kabul edilebilir.
HIT Sınıflandırması
Kimyasal akım kaynakları farklıdır:
- boyut;
- tasarımlar;
- reaktifler;
- enerji oluşturan reaksiyonun doğası.
Bu parametreler, belirli bir uygulama için uygun HIT performans özelliklerini belirler.
Elektrokimyasal elementlerin sınıflandırılması, cihazın çalışma prensibindeki farklılığa dayanmaktadır. Bu özelliklere bağlı olarak şunları ayırt ederler:
- Birincil kimyasal akım kaynakları tek kullanımlık elementlerdir. Reaksiyon sırasında tüketilen belirli bir reaktif kaynağına sahiptirler. Tam deşarjdan sonra, böyle bir hücre işlevselliğini kaybeder. Başka bir şekilde, birincil HIT'lere galvanik hücreler denir. Bunları basitçe - element olarak adlandırmak doğru olacaktır. Birincil güç kaynağının en basit örnekleri "piller" A-A'dır.
- Şarj edilebilir kimyasal akım kaynakları - piller (ikincil, tersinir HIT olarak da adlandırılırlar) yeniden kullanılabilir hücrelerdir. Batarya üzerinden harici bir devreden ters yönde akım geçirilerek, tamamen deşarj olduktan sonra, harcanan reaktifler yeniden üretilerek tekrar kimyasal enerji biriktirilir (şarj edilir). Harici bir sabit akım kaynağından şarj etme yeteneği sayesinde, bu cihaz uzun süre şarj için ara vererek kullanılır. Elektrik enerjisi üretme sürecine pil deşarjı denir. Bu tür HIT'ler, birçok elektronik cihazın (dizüstü bilgisayarlar, cep telefonları vb.) pillerini içerir.
- Termal kimyasal akım kaynakları - sürekli cihazlar. ATçalışmalarının sürecinde, reaktiflerin yeni bölümlerinin sürekli akışı ve reaksiyon ürünlerinin uzaklaştırılması vardır.
- Kombine (yarı yakıt) galvanik hücreler, reaktiflerden birinin stoğuna sahiptir. İkincisi, cihaza dışarıdan beslenir. Cihazın ömrü, ilk reaktifin tedarikine bağlıdır. Kombine kimyasal elektrik akımı kaynakları, eğer harici bir kaynaktan akım geçirerek şarjlarını geri yüklemek mümkünse, piller olarak kullanılır.
- HIT yenilenebilir, mekanik veya kimyasal olarak şarj edilebilir. Onlar için, tamamen deşarj olduktan sonra kullanılmış reaktifleri yeni kısımlarla değiştirmek mümkündür. Yani sürekli cihazlar değillerdir, ancak piller gibi periyodik olarak şarj edilirler.
HIT Özellikleri
Kimyasal güç kaynaklarının temel özellikleri şunları içerir:
- Açık devre voltajı (ORC veya deşarj voltajı). Bu gösterge, her şeyden önce, seçilen elektrokimyasal sisteme bağlıdır (indirgeyici madde, oksitleyici madde ve elektrolit kombinasyonu). Ayrıca NRC, elektrolit konsantrasyonundan, deşarj derecesinden, sıcaklıktan ve daha fazlasından etkilenir. NRC, HIT'den geçen akımın değerine bağlıdır.
- Güç.
- Deşarj akımı - harici devrenin direncine bağlıdır.
- Kapasite - HIT tamamen boşaldığında verdiği maksimum elektrik miktarı.
- Güç rezervi - cihaz tamamen boşaldığında alınan maksimum enerji.
- Enerji özellikleri. Piller için bu, her şeyden önce, kapasiteyi veya şarj voltajını (kaynak) düşürmeden garantili bir şarj-deşarj döngüsü sayısıdır.
- Sıcaklık çalışma aralığı.
- Raf ömrü, üretim ile cihazın ilk deşarjı arasında izin verilen maksimum süredir.
- Faydalı ömür - izin verilen maksimum toplam saklama ve çalıştırma süresi. Yakıt hücreleri için sürekli ve aralıklı hizmet ömrü önemlidir.
- Ömür boyu harcanan toplam enerji.
- Titreşim, şok vb. karşı mekanik dayanım.
- Her pozisyonda çalışabilme.
- Güvenilirlik.
- Kolay bakım.
HIT Gereksinimleri
Elektrokimyasal hücrelerin tasarımı, en verimli reaksiyona elverişli koşullar sağlamalıdır. Bu koşullar şunları içerir:
- akım sızıntısını önleyin;
- eşit iş;
- mekanik güç (sıkılık dahil);
- reaktiflerin ayrılması;
- elektrotlar ve elektrolit arasında iyi temas;
- minimum kayıpla akımın reaksiyon bölgesinden dış terminale dağıtılması.
Kimyasal akım kaynakları aşağıdaki genel gereksinimleri karşılamalıdır:
- belirli parametrelerin en yüksek değerleri;
- maksimum çalışma sıcaklığı aralığı;
- en büyük gerilim;
- minimum maliyetenerji birimleri;
- voltaj kararlılığı;
- şarj güvenliği;
- güvenlik;
- bakım kolaylığı ve ideal olarak buna gerek yok;
- uzun hizmet ömrü.
Sömürü HIT
Birincil galvanik hücrelerin ana avantajı, herhangi bir bakım gerektirmemeleridir. Bunları kullanmaya başlamadan önce, görünümü, son kullanma tarihini kontrol etmeniz yeterlidir. Bağlanırken, polariteyi gözlemlemek ve cihazın kontaklarının bütünlüğünü kontrol etmek önemlidir. Daha karmaşık kimyasal akım kaynakları - piller, daha ciddi bakım gerektirir. Bakımlarının amacı, hizmet ömürlerini en üst düzeye çıkarmaktır. Pilin bakımı:
- temiz tut;
- açık devre voltaj izleme;
- elektrolit seviyesinin korunması (doldurmak için sadece damıtılmış su kullanılabilir);
- elektrolit konsantrasyonunun kontrolü (bir hidrometre kullanarak - sıvıların yoğunluğunu ölçmek için basit bir cihaz).
Galvanik hücreleri çalıştırırken, elektrikli cihazların güvenli kullanımına ilişkin tüm gerekliliklere uyulmalıdır.
HIT'in elektrokimyasal sistemlerle sınıflandırılması
Sisteme bağlı olarak kimyasal akım kaynaklarının türleri:
- kurşun (asit);
- nikel-kadmiyum, nikel-demir, nikel-çinko;
- manganez-çinko, bakır-çinko, cıva-çinko, çinko klorür;
- gümüş-çinko, gümüş-kadmiyum;
- hava-metal;
- nikel-hidrojen ve gümüş-hidrojen;
- manganez-magnezyum;
- lityum vb.
HIT
'ın modern uygulaması
Kimyasal akım kaynakları şu anda kullanılmaktadır:
- araçlar;
- taşınabilir cihazlar;
- askeri ve uzay teknolojisi;
- bilimsel ekipman;
- tıp (kalp pilleri).
Günlük hayattaki olağan HIT örnekleri:
- piller (kuru piller);
- taşınabilir ev aletleri ve elektronik cihazlar için piller;
- kesintisiz güç kaynakları;
- araba aküleri.
Lityum kimyasal akım kaynakları özellikle yaygın olarak kullanılmaktadır. Bunun nedeni, lityumun (Li) en yüksek özgül enerjiye sahip olmasıdır. Gerçek şu ki, diğer tüm metaller arasında en negatif elektrot potansiyeline sahip. Lityum iyon piller (LIA), spesifik enerji ve çalışma voltajı açısından diğer tüm CPS'lerin önündedir. Şimdi yavaş yavaş yeni bir alanda ustalaşıyorlar - karayolu taşımacılığı. Gelecekte, bilim adamlarının lityum pillerin iyileştirilmesiyle ilgili gelişimi, ultra ince tasarımlara ve büyük ağır hizmet pillerine doğru ilerleyecektir.
