Основные определения. Принцип действия электрохимической ячейки

Здравствуйте, уважаемые читатели нашего уютненького. В последнее время всё больше Заказчиков, с которыми работает наша мегакорпрорация, интересуются вопросами бесперебойного питания и военного импортозамещенного и гражданского. Всем нам хорошо известно, что сердцем любого источника бесперебойного питания (далее ИБП) является аккумуляторная батарея (далее АБ). Однако, не все Заказчики понимают целесообразность использования того или иного типа АБ для решения своих задач. К тому же батареи проникли во все сферы жизнедеятельности человека и от их мощности зависит как важнейшая способность человека залипать в инстаграмм, так и другие важные характеристики приборов, например, живучесть вашего секс-робота. Поэтому мы попробуем разобраться со всеми преимуществами и недостатками наиболее распространённых типов АБ, и выделим возможные сферы их применения. В интернетах понаписано всякого без разбору и противоречащего и нам стало жаль тех, кто хочет получить информацию по АБ. Надеемся получится исчерпывающий источник информации по актуальнейщей на наш взгляд теме.

Встречайте продолжение рубрики Наши научные труды первой частью трудов по АБ.

Прежде чем перейти к описанию принципа действия аккумуляторной батареи, нужно разобраться с основными понятиями и определениями.

Согласно ГОСТ Р МЭК 60050-482-2011 [1], пришедшему на смену действовавшему ранее ГОСТ 15596-82 [2], определение АБ в явном виде упразднено, но имеются ряд определений из которых можно косвенно его вывести.

Аккумулятор — химический источник тока, способный восстанавливать электрический заряд после разряда.

Примечание — Восстановление заряда осуществляется посредством обратимой химической реакции.

Химический источник тока (далее ХИТ) — основное функциональное устройство, состоящее из блока электродов, электролита, бака, выводов и сепараторов, в котором электрическая энергия получена путём прямого преобразования химической энергии.

Батарея ХИТ — несколько химических источников тока электрически соединённых между собой и снабжённых необходимыми для работы устройствами.

Примечание — К устройствам относятся бак, выводы, маркировочные и защитные устройства.

Таким образом, можно дать следующее определение АБ:

Аккумуляторная батарея (АБ) – несколько химических источников тока, электрически соединённых между собой и способных после разряда восстанавливать электрический заряд посредством обратимой химической реакции.

И ещё несколько определений из того же ГОСТа, которые помогут нам разобраться в процессах, проходящих в АБ:

Пластина ХИТ — электрод химического источника тока, состоящий из токоотвода и активного материала.

Примечание — Токоотвод может быть в виде ленты, решётки, ячейки сетки, стержня, волокна или металокерамического пористого материала и т.п.

Отрицательная пластина — часть химического источника тока, содержащая активный материал, в котором во время разряда протекает реакция окисления.

Положительная пластина — часть химического источника тока, содержащая активный материал, в котором во время разряда протекает реакция восстановления.

Сепаратор ХИТ — составная часть химического источника тока, изготовленная из ионопроницаемого материала и предотвращающая электрический контакт между пластинами противоположной полярности.

Электрод ХИТ — токоведущая составная часть, электрически соединённая с выводом ХИТ, на которой при контакте с электролитом происходит электродная реакция.

Примечание — Активный материал может быть частью электрода.

Вывод — токоведущая часть в электрической цепи, обеспечивающая электрическую связь с одним или несколькими внешними проводниками.

Активная поверхность электрода ХИТ — поверхность между электролитом и электродом ХИТ, на которой происходит электродная реакция.

Анод ХИТ — электрод ХИТ, на котором обычно происходит реакция окисления.

Примечание — Анод — отрицательный электрод во время разряда и положительный во время заряда.

Катод ХИТ — электрод ХИТ, на котором обычно происходит реакция восстановления.

Примечание — Катод — положительный электрод во время разряда и отрицательный во время заряда.

Электролит — жидкая или твёрдая субстанция, содержащая подвижные ионы, которые обеспечивают ионную проводимость.

Примечание — Электролит может быть жидким, твердым или в виде геля.

Активный материал — материал, вступающий в химическую реакцию для производства электрической энергии в химическом источнике тока при разряде.

Примечание — Во время заряда аккумулятора активный материал возвращается в свое исходное состояние.

Электрохимическая реакция — химическая реакция, заключающаяся в окислении или в восстановлении химических компонентов с передачей электронов к или от активных материалов.

Примечание — Реакция на электроде может также включать в себя другие химические реакции, являющиеся побочными для этого электрода.

Электродная поляризация — разница между потенциалом электрода ХИТ при протекании тока и потенциалом электрода ХИТ без протекания тока.

Ёмкость аккумулятора — электрический заряд, который аккумулятор [элемент, батарея ХИТ] может отдать в установленном режиме разряда.

Примечание — В Международной системе СИ обозначение электрического заряда или количество электричества установлено в кулонах (1 К= 1 А ч), но на практике ёмкость обозначают главным образом в ампер-часах (А ч).

Разряд батареи ХИТ — процесс, при котором электрическая энергия батареи ХИТ при определенных условиях поставляется во внешнюю электрическую цепь.

Ток разряда — Электрический ток, отдаваемый батареей ХИТ в процессе ее разряда.

Внутреннее сопротивление батареи ХИТ — Изменение значения напряжения батареи ХИТ в зависимости от изменения соответствующего тока разряда в установленных условиях.

Заряд батареи ХИТ — Процесс, во время которого аккумулятор или аккумуляторная батарея получает электрическую энергию от внешней цепи, в результате чего происходят химические изменения внутри аккумулятора, и получаемая электрическая энергия сохраняется в виде химической энергии.

Из всего вышеизложенного понятно, что принцип работы АБ основан на обратимости внутренних химических реакций между электродами и электролитом, в результате которых, происходит преобразование химической энергии в электрическую – при разряде и обратное преобразование – при заряде. Для того чтобы лучше понять суть процесса, рассмотрим электрохимическую цепь [3], или как её ещё называют электрохимическую ячейку.

Гальванический элемент Электролитическая ячейка
а) Гальванический элемент б) Электролитическая ячейка

Рисунок 1. Электрохимическая ячейка

Электрохимическая ячейка в упрощённом виде представляет собой систему, состоящую из двух электродов и электролита, в которой проходят реакции окисления и восстановления химических компонентов с передачей электронов к или от активных материалов. Сами электроды состоят из активных материалов – окислителя, который принимает электроны, и восстановителя, который их отдаёт.

В зависимости от того, куда передаются электроны, электрохимические ячейки делятся на гальванический элемент (смотри рис. 1, а) и электролитическую ячейку (смотри рис. 1, б). В первом — энергия химической реакции самопроизвольно превращается в электрическую, и электроны передаются от восстановителя к окислителю по внешней электрической цепи, во втором — электрическая энергия, передаваемая из внешней электрической цепи, преобразуется в химическую, и на электродах электролитической ячейки происходит принудительная окислительно-восстановительная реакция с затратой внешней электрической энергии.

В общем виде реакцию окисления, происходящую на аноде гальванического элемента, можно записать следующим образом:

Восстановитель – е(электрон) → сопряженный окислитель                            (1)

Реакцию восстановления, происходящую на катоде гальванического элемента, можно записать в следующем виде:

Окислитель + е → сопряженный восстановитель.                                              (2)

Движение электронов от анода к катоду происходит по внешней электрической цепи. Для возникновения этого движения должны быть выполнены два условия:

1. цепь должна быть электрически замкнута;

2. между электродами гальванического элемента должна присутствовать разность потенциалов.

Роль второго проводника в гальваническом элементе выполняет электролит, через который происходит передача заряда между катодом и анодом за счёт обмена положительно и отрицательно заряженными ионами (катионами Kt+ и анионами An).

Откуда же на электродах гальванического элемента возникает разность потенциалов?

При погружении металлического электрода в электролит между ним и электролитом возникает скачок потенциала. Это обусловлено тем, что часть атомов кристаллической решётки металла Me0, находящихся на поверхности электрода, в результате взаимодействия с полярными молекулами электролита переходят в электролит в виде катионов этого металла Me+. Освободившиеся при этом электроны е обеспечивают электроду избыточный отрицательный заряд (смотри рисунок 2). Данный процесс в общем виде можно записать следующим образом:

Me0 + электролит → Me+ + e                                                                                    (3)

К поверхности отрицательно заряженного электрода начинают притягиваться катионы, находящиеся в электролите, в том числе только что перешедшие в раствор катионы металла. Образуется так называемый двойной электрический слой, напоминающий собой обкладки конденсатора, в котором и происходит скачок потенциала.

В результате того, что часть катионов металла взаимодействуют со свободными электронами электрода и снова занимают место в виде нейтральных атомов в кристаллической решётке металла, происходит реакция, обратная уравнению (3).

Образование двойного электрического слоя

Рисунок 2. Образование двойного электрического слоя

Изначальное неравенство скоростей протекания прямой и обратной реакции приводит к возрастанию отрицательного заряда электрода. Но по мере увеличения этого заряда скорости прямой и обратной реакций уравниваются, поскольку переход в электролит каждого последующего катиона металла сопряжён с преодолением всё большего энергетического барьера, вызванного возрастанием заряда электрода. На межфазной границе «металл-электролит» устанавливается электрохимическое равновесие, полученный при этом потенциал электрода называют равновесным электродным потенциалом, который описывается уравнением Нернста.

Возможна и такая ситуация, когда электролит содержит большую концентрацию соли металла, катионы которой при взаимодействии с металлом электрода осаждаются на его поверхности быстрее, чем катионы металла электрода переходят в электролит. В этом случае при наступлении электрохимического равновесия электрод примет избыточный положительный заряд.

Величина равновесного электродного потенциала зависит от стандартного равновесного потенциала E0, абсолютной температуры и числа электронов, принимающих участие в электродной реакции. Стандартные электродные потенциалы E0, для множества окислительно-восстановительных реакций приведены в справочниках. Все эти величины даны относительно нормального водородного электрода, потенциал которого принимается за нулевой.

Разность равновесных потенциалов катода и анода определяет электродвижущую силу (далее ЭДС) гальванического элемента.

АБ в упрощённом виде представляет собой гальванический элемент при разряде и электролитическую ячейку при заряде.

Список литературы

  1. ГОСТ Р МЭК 60050-482-2011 ИСТОЧНИКИ ТОКА ХИМИЧЕСКИЕ. Термины и определения – Москва, Стандартинформ, 2013 г.
  2. ГОСТ 15596-82 ИСТОЧНИКИ ТОКА ХИМИЧЕСКИЕ. Термины и определения – Министерство электрохимической промшленности.
  3. Б.Б. Дамаскин, О.А. Петрий, Г.А. Цирлина «ЭЛЕКТРОХИМИЯ» — Москва, «Химия», «КолосС», 2006 г.

Похожий бред:

  • Этот псто слишком уникален

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Protected by WP Anti Spam