Что такое химический источник тока
Особенности химических источников
Химические источники тока сегодня актуальны, хотя и были изобретены более 2 веков назад. В настоящее время более современные варианты устройств практически вытеснили свинцовые аккумуляторы. Наука пытается создать менее опасные типы химических источников тока для окружающей среды, но с большей эффективностью работы, которая будет еще и долгосрочной. Ведется поиск путей достижения данной цели, которые еще и будут менее затратными, чтобы сделать устройство максимально доступным.
Что такое химические источники тока
Химический источник электрического тока — это устройство, благодаря конструкции которого в результате протекания окислительно-восстановительной реакции происходят выработка и подача постоянного электрического тока.
Литий-ионные источники тока — прогресс современности среди химических источников тока
К сведению! Чисто внешне устройства могут быть разными. Первые представляли собой две емкости, между которыми формировали металлический мостик. Теперь это достаточно портативные конструкции, которые могут иметь самые маленькие размеры и формы.
Зачем нужны
Химические источники электрической энергии нужны, чтобы приводить в действие портативные приборы, которые могут работать не от сети. Некоторые типы источников могут длительное время подпитывать весь механизм, приводя его в действие.
Благодаря открытию данных элементов стало возможным развитие таких отраслей, как автомобилестроение, космонавтика, а также сферы приборов бытового использования. Возможности человечества значительно расширились. Теперь не обязательно подключаться к электросети при необходимости использования некоторого устройства, которое требует наличия электрического тока.
Любой ученый знает, что химические источники тока очень важны для человечества. Но и простой пользователь сразу же оценит важность таких приспособлений, если лишится возможности пользоваться, например, телефоном, плеером. Кроме этого, такие варианты относительно портативные и могут обеспечить небольшой объект электрическим током.
Классификация
Самые распространенные виды — гальванические элементы и аккумуляторы. С ними знаком практически каждый. Но классификация таких приспособлений более широкая и предполагает еще и существование топливных элементов.
Схема классификации источников тока
Гальванические элементы
Гальванический элемент получил свое название в честь ученого Гальвано, который и открыл чудесную возможность получения электрического тока посредством создания простой конструкции из электролита и электродов. Они считаются первыми прототипами современных устройств для получения электроэнергии благодаря химическим реакциям.
Обратите внимание! В настоящее время это приспособление имеет более компактный и безопасный для использования вид, это обычная батарейка. Особенность работы такого устройства заключается в том, что использование его одноразовое. После окончательного разложения электролита на вещества, повторно зарядить их для следующих реакций невозможно.
Электрические аккумуляторы
Электрический аккумулятор — это более универсальный вариант устройства, который можно заряжать несколько раз после потери заряда электролита. Такая особенность объясняется регенерацией веществ, которые образуют электролит.
Устройство аккумулятора
В данном случае зарядка производится от постороннего (внешнего) источника тока. Часто с такой потребностью в восстановлении реагента в аккумуляторах сталкиваются автомобилисты, производя зарядку аккумулятора.
Топливные элементы
Электрохимический топливный элемент является перспективным источником, который достаточно важен для создания комфортных и в некоторых ситуациях жизненно необходимых условий существования.
Тепловой химический источник
Особенность работы такого элемента заключается в следующем. К электродам каждый раз поступает определенная порция электролита, которая после разрядки выводится из конструкции. Например, резервный генератор тока благодаря такому принципу работы может производить электроэнергию в течение 10-15 лет.
Обратите внимание! После истечения срока эксплуатацию можно продлить, если восстановить питание.
Принцип работы
Химический источник, который вырабатывает постоянный ток, имеет определенный принцип работы. Алгоритм выработки электроэнергии посредством протекания химических реакций между некоторыми веществами достаточно прост для понимания, разобраться с этим сможет человек, далекий от химии или физики.
Важно! Из-за использования достаточно агрессивных типов веществ, которые входят в состав таких источников, самостоятельно вскрывать конструкции запрещено. Это может нанести вред здоровью и жизни. Дополнительно требуется определенная утилизация.
Между окислителем и восстановителем (электролитом) протекает окислительно-восстановительная реакция. В результате выделяются электроны, которые начинают последовательно двигаться в определенном направлении. Именно благодаря выделенной в результате химреакции энергии и происходит движение элементарных заряженных частиц.
Так и получается электрический ток, который нужно уметь еще и добыть. Если не создать нужные условия для выхода электронов на внешнюю цепь, то вещество будет выделять только тепло. Чтобы это сделать, нужно подготовить два электрода: анод (где происходит окисление) и катод (восстанавливает вещество).
Величина электроэнергии, которая получается в результате протекания окислительно-восстановительной реакции, зависит от таких факторов:
Есть несколько вариантов наиболее эффективных и применяемых электролитов с определенной концентрацией и массой.
Где применяются
Кажется, что вырабатываемый ток в результате химической энергии имеет минимальные показатели и может применяться только для изготовления обычных батареек в плеер или часы. Но это не так. Электроэнергия, полученная таким образом, используется в таких сферах:
Благодаря своей конструкции и принципу работы подобные устройства являются универсальными и могут применяться во многих сферах и отраслях.
Обратите внимание! Самой популярной в настоящее время является химическая батарея, которая используется в быту и производствах, подпитывая разнообразные приборы и устройства. Также в повседневной жизни используются аккумуляторы для электроники и автомобилей.
Электроэнергия — это жизненно необходимый ресурс для современного человечества. Получить электричество можно благодаря определенным источникам тока, но самыми популярными и удобными являются именно химические. Дополнительно они считаются весьма безопасными в экологическом плане для использования, если правильно их утилизировать.
Химические источники тока. Виды и особенности. Устройство и работа
Химические источники тока (ХИТ) — эта тема имеет высокое практическое значение. Это кардиостимуляторы, электромобили, которые пытаются сохранить экологию, портативные устройства, включая фото и видеотехнику, компьютерную технику, навигаторы. За последние годы прогресс химических источников тока произошел большой, от известных свинцовых аккумуляторов, которые постепенно вытесняются литий-ионными, литий-полимерными и другими аккумуляторами.
В этой области борьба идет за мощность, емкость, которая позволяет максимально долго использовать источники тока. Дополнительным стимулом к их развитию является создание гибких источников тока. Научная составляющая в этой области лежит в плане разработки материалов для таких химических элементов.
Устройство и работа
Химические источники тока состоят из электродов и электролита, который находится в емкости. Электрод, на котором окисляется восстановитель, называется анодом. Электрод, на котором восстанавливается окислитель, называется катодом. В общем получается электрохимическая система.
Попутным результатом такой реакции стало возникновение тока. Восстановитель передает электроны на окислитель, который восстанавливается. Электролит, который находится между электродами, нужен для прохождения реакции. Если перемешать порошки различных двух металлов, то электричество не возникнет, энергия появится в виде теплоты. Электролит необходим для упорядочения процесса движения электронов. Электролит состоит обычно из раствора соли или расплавленного вещества.
Электроды имеют вид решеток или пластин из металла. При помещении их в раствор электролита получается разность потенциалов пластин. Анод отдает электроны, а катод их принимает. На поверхности возникают химические реакции. Когда цепь размыкается, то реакции прекращаются. Если реагенты закончились, то реакция также больше не идет. Если удалить один из электродов, то цепь размыкается.
Из чего состоят химические источники тока
В качестве окислителей применяются соли и кислородосодержащие кислоты, а также нитроорганические вещества, кислород. В качестве восстановителей применяются металлы, оксиды, углеводороды.
Электролит может состоять из:
Гальванические элементы
Напряжение на ячейке составляет 0,5-4 вольта. В химических образцах источника применяют гальваническую батарею, которая состоит из элементов. Может использоваться параллельная схема нескольких элементов. При последовательной схеме в цепь включены одинаковые батареи. Они должны обладать одинаковыми свойствами, с одной конструкцией, технологией, типоразмером. Для схемы параллельного соединения подойдут элементы с различными свойствами.
Классы
Химические источники тока делятся по следующим свойствам:
Эти свойства создают эксплуатационные параметры источников, которые подходят для определенной области использования.
Деление на классы электрохимических источников основывается на отличии в способе действия устройства. По этим свойствам их различают:
Свойства
Основные характеристики ХИТ можно перечислить в таком виде:
Сахарная батарея
Чтобы произвести литий-ионные аккумуляторы в Японии закупают материалы в других странах. Это негативно сказывается на экономическом положении страны. Поэтому ученые ищут способы изготовления аккумуляторов из того сырья, которое имеется в наличии. Таким сырьем в Японии стал сахар. Аккумулятор на сахаре в Японии по свойствам имеет надежность и энергоемкость выше обычных аналогов, и стоимость его ниже.
Большой спрос на литий, который вызван резким распространением переносных аккумуляторов, озаботил производителей аккумуляторов, так как этот элемент добывается только в странах с политической нестабильностью. Это явилось вторым фактором поиска альтернативных материалов для недорогих аккумуляторов с высокой надежностью. Сахароза легко преобразуется в дешевый материал для анодного сырья в литий-ионных батареях.
Сахар нагревают в условиях вакуума под давлением до 1500 градусов. Он превращается в порошок, состоящий из углерода, который может повысить заряд на 20% больше аналогичных изделий. Это явилось первым шагом в разработке дешевых батарей. Пока такие виды батарей не составляют конкуренции современным аккумуляторам. Но ученые предполагают, что в будущем подобные разработки вытеснят дорогие изделия.
Требования
Конструктивные особенности химических источников тока должны создавать условия, которые способствовали бы максимальной эффективности химических реакций.
К таким условиям можно отнести:
К химическим элементам предъявляются требования:
Эксплуатация источников тока
Основное достоинство первичных элементов состоит в отсутствии надобности обслуживания. Перед работой нужно просто осмотреть их, определить срок годности. При включении в цепь нельзя путать полярность и допускать повреждения контактов. Сложные конструкции источников требуют особого ухода. Цель его заключается в удлинении срока службы до максимума.
Уход за аккумуляторами требует выполнения следующих мероприятий:
При использовании батареек (гальванических элементов) нужно выполнять требования, которые относятся к применению электрических приборов.
Сфера использования
В современное время химические источники тока используются в:
Применяются в бытовой сфере:
Большое распространение нашли литиевые химические источники тока. Это обусловлено наличием у лития максимальной удельной энергии. Он отличается наиболее отрицательным потенциалом электрода из металлов. Батареи литий ионного типа опередили все другие источники по размеру значений удельной энергии. В настоящее время ученые разрабатывают различные усовершенствования литиевых аккумуляторов. Разработки ведутся в направлении получения конструкций корпуса сверхмалой толщины, которые будут использоваться для питания смартфонов и подобных им гаджетов, а также создание сверхмощных батарей аккумуляторов.
В последнее время серьезные работы ученых ведутся по изобретению и модернизации топливных батарей – устройств, которые создают электрическую энергию, за счет проведения химических реакций веществ, постоянно подающихся к электродам снаружи. Для окисления берут кислород, а в качестве топлива пытаются использовать водород. На основе таких батарей уже действуют некоторые опытные образцы на электростанциях.
Химические источники тока – где применяются, и каков принцип действия
Химические источники тока (сокращенно ХИТ) – это источники электродвижущей силы (ЭДС), в которых в электрическую энергию превращается энергия протекающих внутри химических реакций. Используют их сегодня повсеместно – это и современные электромобили и портативная радиоэлектроника, и медицинское оборудование, и портативные компьютеры.
Все это делает источники тока электрохимические очень важным изобретением, которым пользуются вот уже 2-ю сотню лет. Именно про ХИТ мы подробно и поговорим в сегодняшней статье.
Классификация химических источников тока
Все ХИТ принято подразделять на три основные категории:
Интересно знать! Напомним, что именно поток электронов и приводит к возникновению электрического тока.
Характеристики гальванических источников тока
Характеристика химических источников тока включает в себя следующие параметры:
Совет! Чем выше температура, тем быстрее сокращается срок хранения.
Интересно знать! Для никель-кадмиевых аккумуляторов, функционирующих исправно, не допускается потеря более 10% от максимального заряда за 1 сутки. Никель-металлгидридные имеют меньший показатель, а у литий-ионных этот эффект практически отсутствует, растягиваясь на месяцы. Герметичные кислотные аккумуляторы потеряют за год всего 40% своего заряда, однако, если температура воздуха будет выше 20 градусов, процесс потечет куда быстрее, и наоборот, приближаясь к нулю – будет замедляться.
Более подробное строение элементов
Мы уже дали определение химических источников тока и назвали их основные типы. Теперь давайте рассмотрим немного глубже, как они устроены, и какие химические реакции внутри протекают.
Про литий-ионные аккумуляторы мы поговорим в отдельной главе, так как эти устройства на сегодня в быту самые часто встречающиеся.
Литий-ионные аккумуляторные батареи
Теперь, как и обещали, давайте подробно обсудим, что такое литий-ионные аккумуляторы, как они устроены и как ими правильно пользоваться. Тема очень интересная, и поможет не только увеличить объем теоретических знаний, но и практических, которые, к примеру, помогут продлить срок службы вашего телефонного или любого другого аккумулятора.
Строение
Принцип работы
Разберем сначала разряд.
Чтобы восполнить запас энергии, процесс нужно обратить вспять. К аккумулятору подключается зарядное устройство, из-за чего электроны устремляются обратно к аноду, пока тот не соберет прежнее количество электронов. Далее цикл может повторяться большое количество раз.
Емкость литий-ионной батареи – это ни что иное, как количество ионов лития, которые могут «прилипнуть» к электродам. Попадают они в кратеры (микроскопические поры на аноде и катоде).
Характеристики аккумуляторов
Изготавливаемые сегодня литий-ионные аккумуляторы бывают двух видов: таблеточные и цилиндрические.
Все они могут иметь следующие рабочие параметры и характеристики:
Для таких аккумуляторов характерны следующие плюсы:
Интересно знать! Эффект памяти – это изменение полезной емкости аккумулятора, из-за нарушения режима зарядки. То есть, если постоянно заряжать не до конца севший аккумулятор, он «запомнит» нижний порог и будет «считать» его нулевым.
Советы по эксплуатации аккумуляторов
А теперь самые простые советы, которые помогут прослужить вашим аккумуляторам максимально долго.
Совет! Прилагаемая к аккумуляторным батареям инструкция обычно содержит рекомендации по режиму зарядки.
На этом закончим наш обзор. Мы разобрали электрохимические источники тока и получили простейшее представление об их работе. Если вы хотите изучить тему глубже, то уже не обойтись без учебных пособий и видео, которые можно легко отыскать в сети.
Основные химические источники электроэнергии
Химические источники тока — это устройства и приборы которые в процессе химической окислительно-восстановительной реакции выделяют напряжение. Также они называются электрохимическими, гальваническими элементами. Основной принцип действия их основан на взаимодействии химических реагентов которые вступая, в реакцию друг с другом вырабатывают электроэнергию, в виде постоянного тока. Этот процесс происходит без механического или теплового воздействия, что является основными факторами играющими превосходящую роль среди других генераторов постоянного напряжения. Химические источники тока, сокращённо ХИТ, уже давно нашли применение не только в быту, но и на производстве.
Немного истории создания ХИТ
Ещё в восемнадцатом веке итальянский учёный Луиджи Гальвани придумал простейший элемент который химическим способом выделял электрический ток. Однако он был не только учёным, но и физиком, врачом, физиологом. Он интересовался и проводил опыты которые были направлены на изучение реакции животных на внешние раздражители. Как и всё гениальное первый химический источник энергии был получен Луиджи абсолютно случайно, во время многочисленных экспериментов над лягушками. После присоединения двух пластин из металла к лягушачьей мышце на лапке, было замечено мускульное сокращение. Гальвани посчитал это нервной реакцией на внешний раздражитель и изложил это в результатах своих исследований, попавших в руки другого великого учёного Алессандро Вольта. Он и выложил свою теорию о возникновении напряжения в результате химической реакции, возникшей между двумя металлическими пластинами в среде мускульной ткани лягушки.
Первый химический источник электрического тока представлял собой емкость с соляным составом, в который было погружено две пластины из разных материалов. Одна из меди, другая из цинка. Именно это устройство в будущем, а конкретнее во второй половине девятнадцатого века, было применено при изобретении и создании марганцево-цинкового элемента внутри которого был тот же солевой электролит.
Принцип действия
Устройства вырабатывающее электрический ток содержит два электрода, которые помещаются между электролитом. Именно на их границе соприкосновения и появляется небольшой потенциал. Один из них называют катодом, а другой анодом. Все эти элементы вместе образуют электрохимическую систему.
Во время возникновения окислительно-восстановительной реакции между электродами один элемент отдаёт мельчайшие частицы электроны другому. Поэтому она и не может происходить вечно, а со временем просто теряются свойства каждого элемента этой цепи.
Электроды могут быть представлены в виде пластин или решёток из металла. После погружения их в среду с электролитом меду их выводами возникает разность потенциалов, которая именуется напряжением разомкнутой цепи. Даже при удалении хотя бы одного из электродов с электролита процесс генерации напряжения прекращается.
Состав электрохимических систем
В качестве электролита используются следующие химические вещества:
Классификация гальванических элементов и их подбор
Генераторы электрического тока получающегося во время химической реакции разделяются по:
Все элементы вырабатывающее ток во время химической реакции делятся на:
Для того чтобы подобрать источник электроэнергии, основанный на химической реакции, нужно понимать его характеристики, к которым относятся:
При выборе нужной батареи или аккумулятора обязательно нужно учесть его электрические номиналы такие как напряжение и ток, а также ёмкость. Именно она является ключевой для сохранения работоспособности, подключаемого к источнику прибора.
Современные химические источники тока и их применение
Современный быт человека тяжело приставить без этих мобильных генераторов энергии, с которыми он сталкивается в течение всей жизни, начиная с детских игрушек и заканчивая, допустим, автомобилем. Сферы применения различных батареек и аккумуляторов настолько разнообразны что перечислить их очень сложно. Работа любого мобильного телефона, компьютера, ноутбука, часов, пульта дистанционного управления была бы невозможна без этого переносного и очень компактного устройства для создания стабильного электрического заряда.
В медицине широко используются источники химической энергии при создании любого аппарата, помогающего человеку полноценно жить. Например, для слуховых аппаратов и электрокардиостимуляторов которые могут работать только от переносных источников напряжения, чтобы не сковывать человека проводами.
В производстве применяются целые системы аккумуляторных батарей для обеспечения напряжением цепей отключения и защит в случае пропадания входящего высокого напряжения на подстанциях. И также широко применяется это питание во всех транспортных средствах, военной и космической технике.
Одним из видов распространённых батарей являются литиевые источники электрического тока, так как именно этот элемент обладает высоким показателем удельной энергии. Дело в том что только этот химический элемент, оказывается, обладает сильным отрицательным потенциалом среди всех известных и изученных человеком веществ. Литий-ионные батареи выделяются среди всех остальных элементов питания по величине вырабатываемой энергии и низким габаритам, что позволяет применять их в самых компактных и мелких электронных устройствах.
Способы утилизации химических источников энергии
Проблема утилизации разных по габаритах химических источников напряжения является экологической проблемой всей планеты. Современные источники содержат в себе до тридцати химических элементов которые могут нанесите ощутимый вред природным ресурсам, поэтому для их утилизации разработаны целые программы и построены специализированные цеха по переработке. Некоторые методы позволяют не только качественно перерабатывать эти вредные вещества, но и возвращать в производство, тем самым защитив окружающую среду. В целях извлечения цветных металлов из батарей и аккумуляторов в настоящий момент разработаны и применены в цивилизованных странах, следящих и заботящихся об окружающей среде, целые пирометаллургические и гидрометаллургические комплексы. Самый же распространённый способ утилизации отработанных химических источников тока является метод, работающий на соединении этих процессов. Главным его достоинством считается высокая степень извлечения с минимальным количеством отходов.
Этот метод пирометаллургической, гидрометаллургической и механической переработки включает в себя восемь основных стадий:
Организация правильного сбора и утилизации ХИТ позволяет максимально уменьшить негативное влияние как на окружающую природу, так и на здоровье самого человека.