Hemijski izvori struje (skraćeno HIT) su uređaji u kojima se energija redoks reakcije pretvara u električnu energiju. Njihova druga imena su elektrohemijska ćelija, galvanska ćelija, elektrohemijska ćelija. Princip njihovog rada je sljedeći: kao rezultat interakcije dva reagensa dolazi do kemijske reakcije s oslobađanjem energije iz istosmjerne električne struje. U drugim izvorima struje, proces proizvodnje električne energije odvija se prema višestepenoj shemi. Prvo se oslobađa toplinska energija, zatim se pretvara u mehaničku, a tek onda u električnu energiju. Prednost HIT-a je jednostepeni proces, odnosno električna energija se dobija odmah, zaobilazeći faze dobijanja toplotne i mehaničke energije.
Historija
Kako su se pojavili prvi trenutni izvori? Hemijski izvori se nazivaju galvanske ćelije u čast italijanskog naučnika iz osamnaestog veka - Luigija Galvanija. Bio je ljekar, anatom, fiziolog i fizičar. Jedan od njegovih pravacaistraživanje je bilo proučavanje reakcija životinja na različite vanjske utjecaje. Hemijski metod generisanja električne energije Galvani je otkrio slučajno, tokom jednog od eksperimenata na žabama. Spojio je dvije metalne ploče na otkriveni nerv na žabljem kraku. To je rezultiralo kontrakcijom mišića. Galvanijevo sopstveno objašnjenje ovog fenomena bilo je netačno. Ali rezultati njegovih eksperimenata i zapažanja pomogli su njegovom sunarodnjaku Alessandru Volti u kasnijim studijama.
Volta je u svojim spisima izložio teoriju o pojavi električne struje kao rezultat hemijske reakcije između dva metala u kontaktu sa mišićnim tkivom žabe. Prvi hemijski izvor struje izgledao je kao posuda sa slanim rastvorom, sa pločama cinka i bakra uronjene u njega.
HIT je počeo da se proizvodi u industrijskim razmerama u drugoj polovini devetnaestog veka, zahvaljujući Francuzu Leclancheu, koji je izumeo primarnu mangan-cink ćeliju sa slanim elektrolitom, nazvanu po njemu. Nekoliko godina kasnije, ovu elektrohemijsku ćeliju je poboljšao drugi naučnik i bila je jedini primarni hemijski izvor struje do 1940.
Dizajn i princip rada HIT
Uređaj hemijskih izvora struje uključuje dve elektrode (provodnici prve vrste) i elektrolit koji se nalazi između njih (provodnik druge vrste, ili jonski provodnik). Na granici između njih nastaje elektronski potencijal. Elektroda na kojoj se redukciono sredstvo oksidiranaziva se anoda, a ona na kojoj se redukuje oksidant naziva se katoda. Zajedno sa elektrolitom, oni čine elektrohemijski sistem.
Nusproizvod redoks reakcije između elektroda je stvaranje električne struje. Tokom takve reakcije, redukcijski agens se oksidira i donira elektrone oksidacionom sredstvu, koje ih prihvata i time se redukuje. Prisustvo elektrolita između katode i anode je neophodan uslov za reakciju. Ako jednostavno pomiješate prah iz dva različita metala zajedno, neće se osloboditi električna energija, sva energija će se osloboditi u obliku topline. Elektrolit je potreban da bi se pojednostavio proces prijenosa elektrona. Najčešće je to otopina soli ili rastopljena.
Elektrode izgledaju kao metalne ploče ili rešetke. Kada su uronjeni u elektrolit, između njih nastaje razlika električnog potencijala - napon otvorenog kruga. Anoda teži da donira elektrone, dok katoda teži da ih prihvati. Na njihovoj površini počinju kemijske reakcije. Prestaju kada se krug otvori, a takođe i kada se potroši jedan od reagensa. Otvaranje kola se dešava kada se jedna od elektroda ili elektrolit ukloni.
Sastav elektrohemijskih sistema
Hemijski izvori struje kao oksidirajuće agense koriste kiseline i soli koje sadrže kisik, kisik, halogenide, okside viših metala, azotna jedinjenja, itd. Metali i njihovi niži oksidi, vodonik su redukcioni agensi u njimai jedinjenja ugljovodonika. Kako se koriste elektroliti:
- Vodeni rastvori kiselina, lužina, fizioloških rastvora, itd.
- Nevodeni rastvori jonske provodljivosti, dobijeni otapanjem soli u organskim ili neorganskim rastvaračima.
- Ratopljene soli.
- Čvrsta jedinjenja sa jonskom rešetkom u kojoj je jedan od jona pokretljiv.
- Matrični elektroliti. To su tečne otopine ili taline smještene u porama čvrstog neprovodnog tijela - nosioca elektrona.
- Ion-izmjenjivački elektroliti. To su čvrsta jedinjenja sa fiksnim ionogenim grupama istog predznaka. Joni drugog znaka su pokretni. Ovo svojstvo čini provodljivost takvog elektrolita unipolarnom.
Galvanske baterije
Hemijski izvori struje sastoje se od galvanskih ćelija - ćelija. Napon u jednoj od ovih ćelija je mali - od 0,5 do 4V. U zavisnosti od potrebe, u HIT-u se koristi galvanska baterija koja se sastoji od nekoliko serijski povezanih ćelija. Ponekad se koristi paralelna ili serijsko-paralelna veza više elemenata. Samo identične primarne ćelije ili baterije su uvijek uključene u serijski krug. Moraju imati iste parametre: elektrohemijski sistem, dizajn, tehnološku opciju i standardnu veličinu. Za paralelno povezivanje, prihvatljivo je koristiti elemente različitih veličina.
HIT klasifikacija
Hemijski izvori struje razlikuju se u:
- veličina;
- designs;
- reagensi;
- priroda reakcije stvaranja energije.
Ovi parametri određuju svojstva performansi HIT-a prikladna za određenu aplikaciju.
Klasifikacija elektrohemijskih elemenata zasniva se na razlici u principu rada uređaja. U zavisnosti od ovih karakteristika razlikuju se:
- Primarni hemijski izvori struje su elementi za jednokratnu upotrebu. Imaju određenu zalihu reagenasa, koji se troše tokom reakcije. Nakon potpunog pražnjenja, takva ćelija gubi svoju funkcionalnost. Na drugi način, primarni HIT se nazivaju galvanske ćelije. Bilo bi ispravno nazvati ih jednostavno - element. Najjednostavniji primjeri primarnog izvora napajanja su "baterije" A-A.
- Punjivi hemijski izvori struje - baterije (oni se nazivaju i sekundarni, reverzibilni HIT) su ćelije za višekratnu upotrebu. Propuštanjem struje iz vanjskog kola u suprotnom smjeru kroz bateriju, nakon potpunog pražnjenja, istrošeni reagensi se regenerišu, ponovo akumulirajući hemijsku energiju (punjenje). Zahvaljujući mogućnosti punjenja iz vanjskog izvora konstantne struje, ovaj uređaj se koristi dugo vremena, sa pauzama za punjenje. Proces stvaranja električne energije naziva se pražnjenje baterije. Takvi HIT-ovi uključuju baterije za mnoge elektronske uređaje (laptopove, mobilne telefone, itd.).
- Termički hemijski izvori struje - kontinualni uređaji. ATu procesu njihovog rada dolazi do kontinuiranog protoka novih porcija reagensa i uklanjanja produkta reakcije.
- Kombinovane (polu-gorivo) galvanske ćelije imaju zalihu jednog od reagensa. Drugi se u uređaj dovodi izvana. Vijek trajanja uređaja ovisi o opskrbi prvog reagensa. Kombinovani hemijski izvori električne struje koriste se kao baterije, ako je moguće povratiti njihov naboj propuštanjem struje iz spoljašnjeg izvora.
- HIT obnovljivi punjivi mehanički ili hemijski. Za njih je moguće zamijeniti istrošene reagense novim porcijama nakon potpunog pražnjenja. Odnosno, oni nisu kontinuirani uređaji, već se, kao i baterije, periodično pune.
HIT karakteristike
Glavne karakteristike hemijskih izvora energije uključuju:
- Napon otvorenog kola (ORC ili napon pražnjenja). Ovaj pokazatelj, prije svega, ovisi o odabranom elektrohemijskom sistemu (kombinacija redukcionog sredstva, oksidansa i elektrolita). Također, na NRC utječe koncentracija elektrolita, stepen pražnjenja, temperatura i drugo. NRC zavisi od vrijednosti struje koja prolazi kroz HIT.
- Power.
- Struja pražnjenja - zavisi od otpora spoljašnjeg kola.
- Kapacitet - maksimalna količina električne energije koju HIT daje kada se potpuno isprazni.
- Rezerva snage - maksimalna primljena energija kada je uređaj potpuno ispražnjen.
- Energetske karakteristike. Za baterije, ovo je prije svega zagarantovan broj ciklusa punjenja-pražnjenja bez smanjenja kapaciteta ili napona punjenja (resursa).
- Radni opseg temperature.
- Rok trajanja je maksimalno dozvoljeno vrijeme između proizvodnje i prvog pražnjenja uređaja.
- Korisni vek - maksimalno dozvoljeni ukupni period skladištenja i rada. Za gorivne ćelije je važan kontinuirani i povremeni vijek trajanja.
- Ukupna energija raspršena tokom životnog vijeka.
- Mehanička čvrstoća protiv vibracija, udara, itd.
- Mogućnost rada na bilo kojoj poziciji.
- Pouzdanost.
- Lako održavanje.
HIT zahtjevi
Dizajn elektrohemijskih ćelija mora da obezbedi uslove pogodne za najefikasniju reakciju. Ovi uslovi uključuju:
- spriječiti curenje struje;
- ravnomjeran rad;
- mehanička čvrstoća (uključujući nepropusnost);
- razdvajanje reagensa;
- dobar kontakt između elektroda i elektrolita;
- disipacija struje iz zone reakcije do vanjskog terminala uz minimalne gubitke.
Hemijski izvori struje moraju ispunjavati sljedeće opće zahtjeve:
- najveće vrijednosti specifičnih parametara;
- maksimalni raspon radne temperature;
- najveća tenzija;
- minimalni trošakjedinice energije;
- stabilnost napona;
- sigurnost punjenja;
- sigurnost;
- jednostavno održavanje i idealno je da nema potrebe za njim;
- dug vijek trajanja.
HIT eksploatacije
Glavna prednost primarnih galvanskih ćelija je da ne zahtijevaju nikakvo održavanje. Prije nego što ih počnete koristiti, dovoljno je provjeriti izgled, rok trajanja. Prilikom povezivanja važno je paziti na polaritet i provjeriti integritet kontakata uređaja. Složeniji hemijski izvori struje - baterije, zahtijevaju ozbiljniju brigu. Svrha njihovog održavanja je maksimiziranje njihovog vijeka trajanja. Briga o bateriji je:
- održavaj čistoću;
- nadzor napona otvorenog kola;
- održavanje nivoa elektrolita (samo destilovana voda se može koristiti za dopunjavanje);
- kontrola koncentracije elektrolita (pomoću hidrometra - jednostavnog uređaja za mjerenje gustine tečnosti).
Prilikom rada sa galvanskim ćelijama moraju se poštovati svi zahtjevi koji se odnose na sigurnu upotrebu električnih uređaja.
Klasifikacija HIT-a po elektrohemijskim sistemima
Vrste hemijskih izvora struje, u zavisnosti od sistema:
- olovo (kiselina);
- nikl-kadmijum, nikl-gvožđe, nikl-cink;
- mangan-cink, bakar-cink, živa-cink, cink hlorid;
- srebro-cink, srebro-kadmijum;
- air-metal;
- nikl-vodonik i srebro-vodik;
- mangan-magnezijum;
- litijum itd.
Moderna primjena HIT-a
Hemijski izvori struje se trenutno koriste u:
- vozila;
- prijenosni aparati;
- vojna i svemirska tehnologija;
- naučna oprema;
- medicina (pejsmejkeri).
Uobičajeni primjeri HIT-a u svakodnevnom životu:
- baterije (suhe baterije);
- baterije za prijenosne kućne aparate i elektroniku;
- neprekidna napajanja;
- akumulatori.
Litijum hemijski izvori struje se posebno koriste. To je zato što litijum (Li) ima najveću specifičnu energiju. Činjenica je da ima najnegativniji elektrodni potencijal od svih ostalih metala. Litijum-jonske baterije (LIA) su ispred svih ostalih CPS-a po specifičnoj energiji i radnom naponu. Sada postepeno savladavaju novu oblast - drumski saobraćaj. U budućnosti, razvoj naučnika koji se odnosi na poboljšanje litijumskih baterija će se kretati ka ultra tankim dizajnom i velikim baterijama za teške uslove rada.
