Akumuliatoriai Galvaniniai elementai yra pirminiai elektros srovės šaltiniai jie gali būti panaudoti tik vieną kartą (nepakraunami). Akumuliatoriai kilnojami įrengimai, kuriuose cheminė energija saugojama tolimesniam elektros srovės gavimui. Tai daugkartinio naudojimo antriniai srovės šaltiniai (pakraunami). Juose vykstančios o-r reakcijos yra grįžtamos. Energijos virsmų akumuliatoriuje schema Elektros energija Cheminė energija Dažniausiai naudojami akumuliatoriai : 1. rūgštinis švino; 2. šarminiai geležies ir nikelio; 3. šarminiai kadmio ir nikelio; 4. šarminiai cinko ir sidabro; 5. ličio jonų. Praktikoje naudojami trijų tipų rūgštiniai švino akumuliatoriai: starteriniai, įvairiems varikliams paleisti bei transporto priemonėms apšviesti (talpa 6 215 Ah, įtampa 6, 12, 24 V); jėgos, pakrovimo ir iškrovimo įrenginiuose, elektrokeltuvuose, elektrovežiuose ir pan. (talpa 4 12 Ah). stacionarieji, elektros stotyse ir pastotėse, pastoviai elektros srovės įtampai palaikyti didelių apkrovimų metu; kaip atsarginiai elektros šaltiniai elektros tinklų gedimo atveju; telefonų stotyse (4 5 Ah talpos) Rūgštinių švino akumuliatorių baterija (1859 m., Plante) Jis susideda iš šių pagrindinių dalių: teigiamojo elektrodo (keletas Pb ir Sb lydinio rėmelių su įpresuotu aktyviu PbO 2 ), neigiamojo elektrodo (keletas rėmelių su įpresuotu aktyviu Pb), separatorių, naudojamų elektrodams izoliuoti, neigiamojo elektrodo aktyviai masei ir pastoviam atstumui tarp elektrodų palaikyti. Vartojami sintetiniai separatoriai: polichlorvinilo ir kitų plastmasių plokštelės, plastmasių plėvele dengto asbesto, stiklo plokštelės ir pan. Korpusas pagamintas iš rūgštims atsparių medžiagų Elektrodai su separatoriais įstatomi į rūgščiai atsparų indą ir užpilami elektrolitu - 25-41 % (d = 1,18-1,32 g/cm 3 ) H 2 SO 4 tirpalu. Elektrolito koncentracija šiltomis sąlygomis 25-3 %, o ypač šaltomis sąlygomis iki 41 %. Naujas akumuliatorius pripildomas sieros rūgšties tirpalo ir palaikomas 4-6 val., kad elektrodų ir separatorių plokštelės įsigertų. Švino ir švino dioksido plokštelės sieros rūgšties tirpale pasidengia PbSO 4 sluoksniu. Po to akumuliatorius įkraunamas, leidžiant elektros srovę iš pastovios elektros srovės šaltinio. 1
Įkrovimo metu vyksta elektrolizės procesui būdingos reakcijos: Ant neigiamo elektrodo (katodo): PbSO 4 2e - Pb SO 4 Ant teigiamo elektrodo (anodo): PbSO 4 2 O - 2e - PbO 2 4H SO 4 Bendroji akumuliatoriaus įkrovimo lygtis: Įkrovus akumuliatorių gaunamas GE: (-) Pb H 2 SO 4 PbO 2 () A(-): Pb SO 4-2e - PbSO 4 ϕ =-.356 V K(): PbO 2 4H SO 4 2e - PbSO 4 2 O ϕ =1.685 V Akumuliatoriaus iškrovimo reakcija: Pb PbO 2 2 SO 4 2PbSO 4 2 O E = ϕ ϕ PbO2/PbSO /PbSO4 PbSO4/Pb = 1,68 (,36) = 2,4V 2PbSO 4 2 O Pb PbO 2 2 SO 4 Švino akumuliatorių darbo įtampa 2,1 V, o akumuliatoriui išsikrovus, ji nukrenta iki 1,7-1,8 V. Pasiekus šią įtampą, akumuliatorių reikia įkrauti. Švino akumuliatorių eksploatavimo laikas sutrumpėja dėl šių priežasčių: savaiminio išsikrovimo, teigiamojo elektrodo rėmelio korozijos, elektrodų trumpojo jungimo, negrįžtamos aktyvios elektrodų masės sulfatacijos. Šarminiai akumuliatoriai Dažniausiai naudojami: Fe-Ni, Cd-Ni, Zn- Ag. Juose elektrolitu vartojamas 23% konc. KOH tirpalas su nedideliu LiOH priedu (didina akumuliatoriaus patvarumą). Tirpalas sandariai izoliuojamas nuo oro, kad šarmai neadsorbuotų iš oro anglies dioksido ir nevirstų karbonatais. Kadmio-nikelio akumuliatorius Anodas yra metalinis Cd, katodas - nikelio(iii) oksihidroksidas NiO(OH) supresuotas ant metalinio Ni. Vieno Cd-Ni galvaninio elemento (akumuliatoriaus) elektrovara yra 1.3 V. Didesnė įtampa gaunama formuojant bateriją. Iškrovimas (GE reakcijos): (-) Cd KOH NiO(OH) () A(-): Cd 2OH - - 2e - Cd(OH) 2 K(): 2NiO(OH) 2 O 2e - 2Ni(OH) 2 2OH - Elemento reakcija: Cd 2NiO(OH) 2 O Cd(OH) 2 2Ni(OH) 2 2
Įkrovimo metu vyksta elektrolizės procesui būdingos reakcijos: Ant neigiamo elektrodo (katodo): Cd(OH) 2 2e - Cd 2OH - Ant teigiamo elektrodo (anodo): 2 Ni(OH) 2 2OH - - 2 e - 2NiO(OH) 2 O Elemento reakcija: Cd(OH) 2 2Ni(OH) 2 Cd 2NiO(OH) 2 O Šarminiai akumuliatoriai naudojami: transporto priemonėms apšviesti, jų varikliams paleisti, traukiniuose, telefonų ir telegrafų stotyse. Šarminiai akumuliatoriai mechaniškai stipresni už rūgštinius; gali būti laikomi ilgiau neįkrauti, tačiau blogiau veikia žemoje temperatūroje. Šarminis cinko-sidabro akumuliatorius Akumuliatoriaus privalumai: daug mažesnis ir lengvesnis už kitų tipų akumuliatorius; palyginti su švino bei kadmio ir nikelio akumuliatoriais, jo naudingumo koeficientas daug didesnis; labai mažas savaiminis išsikrovimas išlaikytas 6 mėnesius, netenka tiktai iki 3 % talpos Teigiamasis elektrodas gaminamas sidabro oksido Ag 2 O miltelius įpresuojant į sidabro Ag tinklelį. Neigiamasis elektrodas gaminamas, supresuojant cinko Zn ir cinko oksido ZnO miltelių mišinį Elektrolitas - 1,4 g/cm 3 tankio KOH tirpalas Įkrautas cinko-sidabro akumuliatorius veikia kaip galvaninis elementas: (-) Zn KOH Ag 2 O () Enom. 1,5 V (-): Zn 3OH - 2e [Zn(OH) 3 ] (): Ag 2 O H 2 O 2e 2Ag 2OH Bendroji iškrovimo/įkrovimo lygtis Ag 2 O Zn KOH H 2 O 2Ag K[Zn(OH) 3 ] Ličio jonų akumuliatoriai Neigiamu elektrodu ( ) yra anglis C (grafitas), kuri savyje sorbuoja Li jonus, kurie įkrovimo metu redukuojami iki Li atomų. Teigiamu elektrodu () būna tokie junginiai: LiCoO 2 ; LiNiO 2 ; LiMn 2 O 4 naudojami kompiuterių, ryšių ir elektronikos srityse. Trūkumai brangūs, toksiški. LiFePO 4 pigesni, netoksiški, draugiški aplinkai. Trūkumas mažas laidumas, didelė masė. Naudojami elektriniuose dviračiuose, dujų-elektros hibridinėse transporto ir automatikos priemonėse, elektromobiliuose. 3
Ličio-geležies fosfato akumuliatoriai ( ) Li LiClO 4 (1 M) LiFePO 4 () Enom. 3,3 V (-): Li(k) e Li (aq) () 3 2 (): FePO 4 (k) Li (aq) e LiFePO 4 (k) Drezdeno Fraunhoferio instituto (Vokietija) mokslininkai sukūrė naują akumuliatorių baterijų konstrukciją, kuri leis ličio sieros akumuliatoriaus įkrovos periodiškumą pailginti net 7 kartus. Nedidelė energijos įkrovos talpa ir aukštos kainos kol kas tebėra pagrindiniai trūkumai, keliantys nemažai problemų daugeliui elektra varomų transporto priemonių. Gerokai pranašesnė šiuo atžvilgiu gali būti naujos kartos ličio sieros baterijų pritaikymo galimybė, pakeičiant dabar naudojamas ličio jonų baterijas. Jos automobiliuose kol kas negalėjo būti pritaikomos masiškai dėl trumpo jų techninės eksploatacijos termino. Tačiau atsirado galimybė jau netolimoje ateityje šią situaciją pakeisti. Be to, pasak Fraunhoferio mokslininkų, efektyvesnių ličio sieros baterijų gamyba ir eksploatavimas turėtų būti pigesni, nei ankstesnės konstrukcijos jų pirmtakių. Naujai sukurto akumuliatoriaus katodai susideda iš neorganinės sieros, naudojamos vietoje kobalto, ličio jonų baterijose. Be to, naujos sudėties akumuliatoriaus anodams dabar naudojamas nebe ličio metalas, o silicio angliavandenilio junginys. Pasak Fraunhoferio instituto Chemijos technologijos laboratorijos vadovo daktaro Holger io Althues, pakeista anodų ir katodų sudėties kombinacija leidžia ženkliai padidinti baterijos įkrovų ciklų skaičių. Silicio angliavandenilių junginys yra stabilesnis, kadangi kiekvieno įkrovos proceso metu jis menkiau deformuojasi nei ličio metalas ir silpniau maišosi su skystu elektrolitu, kuris palaiko srovę tarp anodų ir katodų. Tokiu būdu mažiau skysčio suyra į dujas ir kietąsias daleles, baterijų ilgiau nereikia įkrauti. Mokslininkai tuo tikslu panaudojo akytus junginius, kurių akutėse gali nusėsti siera, ilgiau nesimaišydama su elektrolitu. Ličio sieros baterijos užtikrina iki 6 vatvalandžių energiją, skaičiuojant jos kiekį vienam kilogramui akumuliatoriaus masės. Populiarūs ličio jonų baterijų akumuliatoriai dabar maksimaliai gali pasiekti iki 25 vatvalandžių 1 kg svorio. Taigi to paties svorio naujos sudėties akumuliatorius gali tiekti beveik 2,5 karto daugiau energijos arba toks pat jos kiekis gali būti gaunamas iš du kartus lengvesnio svorio baterijų. Didesnė energijos koncentracija: mažesnis svoris, didesnė talpa Kuro elementai Kuro elementai - tai prietaisai, kuriuose kuro oksidacijos reakcijos cheminė energija tiesiog verčiama elektros energija. Skirstomi: žemos temperatūros; vidutinės temperatūros; aukštos temperatūros Elektrolitai: rūgščių arba šarmų tirpalai druskų lydalai Kuro elementui reagentai pastoviai tiekiami iš išorinių rezervuarų. 4
Šarminis vandenilio-deguonies kuro elementas Elektrolitas 27-3% KOH arba NaOH tirpalas Katodas poringas anglies ar grafito elektrodas su įpresuotu Pt arba Pd katalizatoriumi; Anodas poringas anglies arba grafito elektrodas su įpresuotu Pt ar Ag katalizatoriumi. Anodas (-): 2 4OH - - 4e - 4H 2 O Katodas (): O 2 2 O 4e - 4OH - Elemento reakcija: 2 O 2 2 O E = 1.23 V, E.86 1.12 V. Metanolio kuro elementas Kuro elementai yra ekologiški elektros srovės šaltiniai, tačiau jie yra gerokai brangesni nei įprasti rūgštiniai švino akumuliatoriai. Anodas (-): CH 3 OH H 2 O 6e CO 2 6H Katodas (): O 2 4H 4e 2 O Bendroji elemento reakcijos lygtis: 2CH 3 OH 3O 2 2CO 2 4H 2 O E nom.,5,7 V Didesnė įtampa gaunama sudarant bateriją. Rūgštinis deguonies - vandenilio kuro elementas Elektrolitas H PO ( ) 2e 3 PO 4 ( )O 4H 4e O 2 2 bendroji reakcijos lygtis 2 O2 2O E =,86 1,12V 5