Nguồn dòng điện hóa học (viết tắt là HIT) là thiết bị trong đó năng lượng của phản ứng oxy hóa khử được chuyển hóa thành năng lượng điện. Tên gọi khác của chúng là tế bào điện hóa, tế bào galvanic, tế bào điện hóa. Nguyên tắc hoạt động của chúng như sau: là kết quả của sự tương tác của hai thuốc thử, một phản ứng hóa học xảy ra với sự giải phóng năng lượng từ một dòng điện một chiều. Trong các nguồn dòng điện khác, quá trình tạo ra điện năng xảy ra theo một sơ đồ nhiều giai đoạn. Đầu tiên, nhiệt năng được giải phóng, sau đó nó được chuyển đổi thành năng lượng cơ học và chỉ sau đó thành năng lượng điện. Ưu điểm của HIT là quy trình một giai đoạn, tức là thu được điện ngay lập tức, bỏ qua các giai đoạn thu năng lượng nhiệt và cơ học.
Lịch sử
Các nguồn hiện tại đầu tiên xuất hiện như thế nào? Nguồn hóa chất được gọi là tế bào mạ để vinh danh nhà khoa học người Ý ở thế kỷ thứ mười tám - Luigi Galvani. Ông là một bác sĩ, nhà giải phẫu học, nhà sinh lý học và nhà vật lý học. Một trong những hướng đi của nónghiên cứu là nghiên cứu các phản ứng của động vật đối với các tác động bên ngoài khác nhau. Phương pháp hóa học tạo ra điện được Galvani tình cờ khám phá ra trong một lần thí nghiệm trên ếch. Ông kết nối hai tấm kim loại với dây thần kinh tiếp xúc trên chân của con ếch. Điều này dẫn đến co cơ. Giải thích của riêng Galvani về hiện tượng này là không chính xác. Nhưng kết quả của các thí nghiệm và quan sát của anh ấy đã giúp ích cho người đồng hương của anh ấy là Alessandro Volta trong các nghiên cứu tiếp theo.
Volta đã nêu trong các bài viết của mình lý thuyết về sự xuất hiện của dòng điện là kết quả của phản ứng hóa học giữa hai kim loại tiếp xúc với mô cơ của ếch. Nguồn dòng điện hóa học đầu tiên trông giống như một thùng chứa nước muối, với các tấm kẽm và đồng được nhúng trong đó.
HIT bắt đầu được sản xuất trên quy mô công nghiệp vào nửa sau của thế kỷ 19, nhờ người Pháp Leclanche, người đã phát minh ra tế bào mangan-kẽm sơ cấp với chất điện phân muối, mang tên ông. Vài năm sau, tế bào điện hóa này được một nhà khoa học khác cải tiến và là nguồn dòng điện hóa học chính duy nhất cho đến năm 1940.
Thiết kế và nguyên lý hoạt động HIT
Thiết bị của nguồn dòng điện hóa học bao gồm hai điện cực (vật dẫn loại thứ nhất) và chất điện phân nằm giữa chúng (vật dẫn điện loại thứ hai, hoặc vật dẫn điện ion). Một tiềm năng điện tử phát sinh ở ranh giới giữa chúng. Điện cực mà chất khử bị oxi hóađược gọi là cực dương, và cái mà chất oxi hóa bị khử được gọi là cực âm. Cùng với chất điện phân, chúng tạo nên hệ thống điện hóa.
Sản phẩm phụ của phản ứng oxi hóa khử giữa các điện cực là sự tạo ra dòng điện. Trong một phản ứng như vậy, chất khử bị oxi hóa và nhường electron cho chất oxi hóa, chất này nhận chúng và do đó bị khử. Giữa catot và anot có chất điện phân là điều kiện cần để xảy ra phản ứng. Nếu bạn chỉ trộn bột từ hai kim loại khác nhau với nhau, không có điện sẽ được giải phóng, tất cả năng lượng sẽ được giải phóng dưới dạng nhiệt. Một chất điện phân là cần thiết để hợp lý hóa quá trình chuyển điện tử. Thông thường, nó là một dung dịch muối hoặc một chất nóng chảy.
Điện cực trông giống như tấm kim loại hoặc lưới. Khi chúng được nhúng trong chất điện phân, giữa chúng sẽ xuất hiện hiệu điện thế - hiệu điện thế mạch hở. Cực dương có xu hướng tặng các electron, trong khi cực âm có xu hướng nhận chúng. Các phản ứng hóa học bắt đầu trên bề mặt của chúng. Chúng dừng lại khi mạch được mở và cũng như khi một trong các thuốc thử được sử dụng hết. Hiện tượng hở mạch xảy ra khi một trong các điện cực hoặc chất điện phân bị tháo ra.
Thành phần của hệ thống điện hóa
Các nguồn dòng điện hóa học sử dụng axit và muối có chứa oxy, oxy, halogenua, oxit kim loại cao hơn, hợp chất nitroorganic, v.v. làm chất oxy hóa. Kim loại và các oxit thấp hơn của chúng, hydro là chất khử trong chúngvà các hợp chất hydrocacbon. Cách sử dụng chất điện giải:
- Dung dịch nước của axit, kiềm, muối, v.v.
- Dung dịch không chứa nước có tính dẫn điện ion, thu được bằng cách hòa tan muối trong dung môi hữu cơ hoặc vô cơ.
- Muối nóng chảy.
- Hợp chất rắn có mạng tinh thể ion, trong đó một trong các ion có thể di động.
- Máy điện giải ma trận. Đây là các dung dịch lỏng hoặc chất nóng chảy nằm trong các lỗ của vật thể rắn không dẫn điện - chất mang điện tử.
- Chất điện giải trao đổi ion. Đây là những hợp chất rắn với các nhóm sinh điện tử cố định cùng dấu. Các dấu hiệu khác là di động. Tính chất này làm cho độ dẫn điện của một chất điện phân như vậy là đơn cực.
Pin Galvanic
Nguồn dòng điện hóa học bao gồm các tế bào galvanic - tế bào. Điện áp ở một trong những ô này nhỏ - từ 0,5 đến 4V. Tùy thuộc vào nhu cầu, pin galvanic được sử dụng trong HIT, bao gồm một số tế bào nối tiếp với nhau. Đôi khi kết nối song song hoặc nối tiếp song song của một số phần tử được sử dụng. Chỉ các tế bào hoặc pin sơ cấp giống hệt nhau luôn được bao gồm trong mạch nối tiếp. Chúng phải có cùng các thông số: hệ thống điện hóa, thiết kế, phương án công nghệ và kích thước tiêu chuẩn. Đối với kết nối song song, có thể chấp nhận sử dụng các phần tử có kích thước khác nhau.
HIT Phân loại
Nguồn dòng điện hóa học khác nhau ở điểm:
- kích thước;
- thiết kế;
- thuốc thử;
- bản chất của phản ứng tạo năng lượng.
Các thông số này xác định các thuộc tính hiệu suất HIT phù hợp với một ứng dụng cụ thể.
Phân loại nguyên tố điện hóa dựa trên sự khác nhau về nguyên lý hoạt động của thiết bị. Tùy thuộc vào các đặc điểm này, họ phân biệt:
- Nguồn dòng điện hóa học chính là các nguyên tố dùng một lần. Họ có một nguồn cung cấp thuốc thử nhất định, được tiêu thụ trong quá trình phản ứng. Sau khi phóng điện đầy đủ, một tế bào như vậy sẽ mất chức năng của nó. Theo một cách khác, HIT sơ cấp được gọi là tế bào galvanic. Sẽ đúng nếu gọi chúng một cách đơn giản - phần tử. Ví dụ đơn giản nhất về nguồn điện sơ cấp là "pin" A-A.
- Nguồn dòng điện hóa học có thể sạc lại - pin (chúng còn được gọi là HIT thứ cấp, có thể đảo ngược) là các tế bào có thể tái sử dụng. Bằng cách cho dòng điện từ mạch ngoài đi theo chiều ngược lại qua pin, sau khi xả hoàn toàn, các thuốc thử đã qua sử dụng sẽ được tái sinh, một lần nữa tích lũy năng lượng hóa học (sạc). Nhờ khả năng sạc lại từ nguồn điện liên tục bên ngoài, thiết bị này được sử dụng trong thời gian dài, có thời gian nghỉ ngơi để sạc lại. Quá trình tạo ra năng lượng điện được gọi là quá trình phóng điện của pin. Những HIT như vậy bao gồm pin cho nhiều thiết bị điện tử (máy tính xách tay, điện thoại di động, v.v.).
- Nguồn dòng hóa nhiệt - thiết bị liên tục. TẠItrong quá trình làm việc của họ, liên tục có dòng thuốc thử mới và loại bỏ các sản phẩm phản ứng.
- Tế bào mạ kết hợp (bán nhiên liệu) có một lượng thuốc thử. Thứ hai được đưa vào thiết bị từ bên ngoài. Tuổi thọ của thiết bị phụ thuộc vào việc cung cấp thuốc thử đầu tiên. Các nguồn hóa học kết hợp của dòng điện được sử dụng làm pin, nếu có thể khôi phục điện tích của chúng bằng cách cho dòng điện từ nguồn bên ngoài đi qua.
- HIT tái tạo có thể sạc lại về mặt cơ học hoặc hóa học. Đối với họ, có thể thay thế các thuốc thử đã sử dụng bằng các phần mới sau khi xả hoàn toàn. Có nghĩa là, chúng không phải là thiết bị hoạt động liên tục, nhưng cũng giống như pin, chúng được sạc lại định kỳ.
Tính năng
HIT
Các đặc điểm chính của nguồn điện hóa học bao gồm:
- Điện áp hở mạch (ORC hoặc điện áp phóng điện). Chỉ số này, trước hết, phụ thuộc vào hệ thống điện hóa đã chọn (sự kết hợp của chất khử, chất oxi hóa và chất điện ly). Ngoài ra, NRC bị ảnh hưởng bởi nồng độ của chất điện phân, mức độ phóng điện, nhiệt độ và hơn thế nữa. NRC phụ thuộc vào giá trị của dòng điện đi qua HIT.
- Quyền lực.
- Dòng phóng điện - phụ thuộc vào điện trở của mạch bên ngoài.
- Công suất - lượng điện tối đa mà HIT phát ra khi nó được xả hết.
- Dự trữ năng lượng - năng lượng tối đa nhận được khi thiết bị được xả hết.
- Đặc điểmNăng lượng. Đối với pin, trước hết, đây là số chu kỳ sạc-xả đảm bảo mà không làm giảm dung lượng hoặc điện áp sạc (tài nguyên).
- Phạm vi hoạt động của nhiệt độ.
- Hạn sử dụng là thời gian tối đa cho phép từ khi sản xuất đến lần xuất xưởng đầu tiên của thiết bị.
- Tuổi thọ hữu ích - tổng thời gian lưu trữ và vận hành tối đa cho phép. Đối với pin nhiên liệu, tuổi thọ sử dụng liên tục và không liên tục là vấn đề quan trọng.
- Tổng năng lượng tiêu hao trong suốt cuộc đời.
- Độ bền cơ học chống rung, chống va đập, …
- Khả năng làm việc ở mọi vị trí.
- Độ tin cậy.
- Bảo trì dễ dàng.
HIT Yêu cầu
Việc thiết kế các tế bào điện hóa phải cung cấp các điều kiện có lợi cho phản ứng hiệu quả nhất. Các điều kiện này bao gồm:
- chống rò rỉ dòng điện;
- thậm chí còn làm việc;
- độ bền cơ học (bao gồm cả độ kín);
- tách thuốc thử;
- tiếp xúc tốt giữa các điện cực và chất điện phân;
- tiêu tán dòng điện từ vùng phản ứng đến thiết bị đầu cuối bên ngoài với tổn thất tối thiểu.
Nguồn dòng điện hóa chất phải đáp ứng các yêu cầu chung sau:
- giá trị cao nhất của các thông số cụ thể;
- phạm vi nhiệt độ hoạt động tối đa;
- căng thẳng lớn nhất;
- chi phí tối thiểuđơn vị năng lượng;
- ổn định điện áp;
- phí an toàn;
- bảo mật;
- dễ bảo trì và lý tưởng là không cần nó;
- tuổi thọ lâu dài.
Khai thác HIT
Ưu điểm chính của tế bào galvanic sơ cấp là chúng không cần bảo dưỡng. Trước khi bạn bắt đầu sử dụng chúng, chỉ cần kiểm tra sự xuất hiện, ngày hết hạn là đủ. Khi kết nối, điều quan trọng là phải quan sát các cực và kiểm tra tính toàn vẹn của các tiếp điểm của thiết bị. Các nguồn dòng điện hóa học phức tạp hơn - pin, đòi hỏi sự chăm sóc nghiêm túc hơn. Mục đích của việc bảo trì là để tối đa hóa tuổi thọ sử dụng của chúng. Chăm sóc pin là:
- giữ sạch;
- giám sát điện áp mạch hở;
- duy trì mức điện giải (chỉ có thể sử dụng nước cất để đổ thêm);
- kiểm soát nồng độ chất điện ly (sử dụng tỷ trọng kế - một thiết bị đơn giản để đo tỷ trọng của chất lỏng).
Khi vận hành tế bào điện, tất cả các yêu cầu liên quan đến việc sử dụng an toàn các thiết bị điện phải được tuân thủ.
Phân loại HIT theo hệ thống điện hóa
Các loại nguồn dòng điện hóa học, tùy theo hệ thống:
- chì (axit);
- niken-cadmium, niken-sắt, niken-kẽm;
- mangan-kẽm, đồng-kẽm, thủy ngân-kẽm, kẽm clorua;
- bạc-kẽm, bạc-cadmium;
- air-kim loại;
- niken-hydro và bạc-hydro;
- mangan-magiê;
- liti, v.v.
Ứng dụng hiện đại của HIT
Các nguồn hiện tại hóa học hiện đang được sử dụng trong:
- phương tiện;
- đồ dùng di động;
- công nghệ quân sự và vũ trụ;
- thiết bị khoa học;
- thuốc (máy tạo nhịp tim).
Ví dụ thông thường về HIT trong cuộc sống hàng ngày:
- pin (pin khô);
- pin cho các thiết bị gia dụng và điện tử cầm tay;
- nguồn điện liên tục;
- ắc quy ô tô.
Nguồn điện hóa học Lithium đặc biệt được sử dụng rộng rãi. Điều này là do liti (Li) có năng lượng riêng cao nhất. Thực tế là nó có thế điện cực âm nhất trong số tất cả các kim loại khác. Pin Lithium-ion (LIA) đi trước tất cả các CPS khác về năng lượng cụ thể và điện áp hoạt động. Giờ đây, họ đang từng bước làm chủ một lĩnh vực mới - vận tải đường bộ. Trong tương lai, sự phát triển của các nhà khoa học liên quan đến việc cải tiến pin lithium sẽ hướng tới các thiết kế siêu mỏng và pin có trọng lượng lớn.
