منابع جریان شیمیایی (به اختصار HIT) وسایلی هستند که در آنها انرژی یک واکنش ردوکس به انرژی الکتریکی تبدیل می شود. نام های دیگر آنها سلول الکتروشیمیایی، سلول گالوانیکی، سلول الکتروشیمیایی است. اصل عملکرد آنها به شرح زیر است: در نتیجه تعامل دو معرف، یک واکنش شیمیایی با آزاد شدن انرژی از جریان الکتریکی مستقیم رخ می دهد. در سایر منابع فعلی، فرآیند تولید برق طبق یک طرح چند مرحله ای اتفاق می افتد. ابتدا انرژی حرارتی آزاد می شود، سپس به انرژی مکانیکی و تنها پس از آن به انرژی الکتریکی تبدیل می شود. مزیت HIT فرآیند تک مرحله ای است، یعنی برق بلافاصله با دور زدن مراحل بدست آوردن انرژی حرارتی و مکانیکی به دست می آید.
تاریخ
نخستین منابع فعلی چگونه ظاهر شدند؟ منابع شیمیایی به افتخار دانشمند ایتالیایی قرن هجدهم - لوئیجی گالوانی - سلول های گالوانیکی نامیده می شوند. او پزشک، آناتومیست، فیزیولوژیست و فیزیکدان بود. یکی از جهت های آنتحقیق، مطالعه واکنش حیوانات به تأثیرات مختلف خارجی بود. روش شیمیایی تولید الکتریسیته توسط گالوانی به طور تصادفی و در یکی از آزمایشات روی قورباغه ها کشف شد. او دو صفحه فلزی را به عصب آشکار شده روی پای قورباغه متصل کرد. این منجر به انقباض عضلانی شد. توضیح خود گالوانی از این پدیده نادرست بود. اما نتایج آزمایشات و مشاهدات او به هموطنش الساندرو ولتا در مطالعات بعدی کمک کرد.
ولتا در نوشته های خود نظریه وقوع جریان الکتریکی را در نتیجه واکنش شیمیایی بین دو فلز در تماس با بافت ماهیچه ای قورباغه بیان کرد. اولین منبع جریان شیمیایی شبیه ظرفی از نمک بود که صفحات روی و مس در آن غوطه ور شده بود.
HIT در نیمه دوم قرن نوزدهم شروع به تولید در مقیاس صنعتی کرد، به لطف فرانسوی Leclanche که سلول اولیه منگنز-روی را با الکترولیت نمک به نام او اختراع کرد. چند سال بعد، این سلول الکتروشیمیایی توسط دانشمند دیگری بهبود یافت و تا سال 1940 تنها منبع اصلی جریان شیمیایی بود.
طراحی و اصل عملکرد HIT
دستگاه منابع جریان شیمیایی شامل دو الکترود (رسانای نوع اول) و یک الکترولیت واقع در بین آنها (رسانای نوع دوم یا هادی یونی) است. یک پتانسیل الکترونیکی در مرز بین آنها بوجود می آید. الکترودی که در آن عامل کاهنده اکسید می شودآند نامیده می شود و آند که عامل اکسید کننده در آن احیا می شود کاتد نامیده می شود. آنها همراه با الکترولیت، سیستم الکتروشیمیایی را تشکیل می دهند.
یک محصول جانبی واکنش ردوکس بین الکترودها تولید جریان الکتریکی است. در طی چنین واکنشی، عامل احیا کننده اکسید می شود و الکترون ها را به عامل اکسید کننده اهدا می کند که آنها را می پذیرد و در نتیجه کاهش می یابد. وجود یک الکترولیت بین کاتد و آند شرط لازم برای واکنش است. اگر به سادگی پودرهای دو فلز مختلف را با هم مخلوط کنید، هیچ الکتریسیته ای آزاد نمی شود، تمام انرژی به صورت گرما آزاد می شود. یک الکترولیت برای ساده کردن فرآیند انتقال الکترون مورد نیاز است. اغلب، محلول نمک یا مذاب است.
الکترودها شبیه صفحات یا شبکه های فلزی هستند. هنگامی که آنها در یک الکترولیت غوطه ور می شوند، اختلاف پتانسیل الکتریکی بین آنها ایجاد می شود - ولتاژ مدار باز. آند تمایل به اهدای الکترون دارد، در حالی که کاتد تمایل به پذیرش آنها دارد. واکنش های شیمیایی در سطح آنها شروع می شود. هنگامی که مدار باز می شود و همچنین زمانی که یکی از معرف ها تمام می شود، متوقف می شوند. باز شدن مدار زمانی اتفاق می افتد که یکی از الکترودها یا الکترولیت برداشته شود.
ترکیب سیستم های الکتروشیمیایی
منابع جریان شیمیایی از اسیدها و نمک های حاوی اکسیژن، اکسیژن، هالیدها، اکسیدهای فلزات بالاتر، ترکیبات نیترآلی و غیره به عنوان عوامل اکسید کننده استفاده می کنند. فلزات و اکسیدهای پایین تر آنها، هیدروژن عوامل کاهنده در آنها هستند.و ترکیبات هیدروکربنی نحوه استفاده از الکترولیت ها:
- محلول های آبی اسیدها، قلیاها، نمکی ها و غیره.
- محلول های غیر آبی با رسانایی یونی که از حل کردن نمک ها در حلال های آلی یا معدنی به دست می آیند.
- نمک های مذاب.
- ترکیبات جامد با شبکه یونی که در آن یکی از یونها متحرک است.
- الکترولیت های ماتریکس. این ها محلول ها یا مذاب های مایع هستند که در منافذ یک جسم جامد غیر رسانا - یک حامل الکترون قرار دارند.
- الکترولیت های تبادل یونی. اینها ترکیبات جامد با گروههای یونوژنیک ثابت با همان علامت هستند. یون های علامت دیگر متحرک هستند. این خاصیت رسانایی چنین الکترولیتی را تک قطبی می کند.
باتری گالوانیکی
منابع جریان شیمیایی از سلول‌های گالوانیکی تشکیل شده‌اند. ولتاژ در یکی از این سلول ها کوچک است - از 0.5 تا 4 ولت. بسته به نیاز، یک باتری گالوانیکی در HIT استفاده می شود که از چندین سلول متصل به سری تشکیل شده است. گاهی اوقات از اتصال موازی یا سری موازی چندین عنصر استفاده می شود. فقط سلول های اولیه یا باتری های یکسان همیشه در یک مدار سری گنجانده می شوند. آنها باید پارامترهای یکسانی داشته باشند: سیستم الکتروشیمیایی، طراحی، گزینه تکنولوژیکی و اندازه استاندارد. برای اتصال موازی، استفاده از عناصر با اندازه های مختلف قابل قبول است.
طبقه بندی HIT
منابع جریان شیمیایی در:
متفاوت است
- size;
- طرحها;
- reagents;
- ماهیت واکنش تولید انرژی.
این پارامترها ویژگی های عملکرد HIT مناسب برای یک برنامه خاص را تعیین می کنند.
طبقه بندی عناصر الکتروشیمیایی بر اساس تفاوت در اصل عملکرد دستگاه است. بسته به این ویژگی ها، آنها متمایز می شوند:
- منابع جریان شیمیایی اولیه عناصر یکبار مصرف هستند. آنها منبع خاصی از معرف ها دارند که در طی واکنش مصرف می شود. پس از تخلیه کامل، چنین سلولی عملکرد خود را از دست می دهد. به روشی دیگر، HIT های اولیه سلول های گالوانیکی نامیده می شوند. درست است که آنها را به سادگی - عنصر صدا کنیم. ساده‌ترین نمونه‌های منبع تغذیه اولیه «باتری‌های» A-A هستند.
- منابع جریان شیمیایی قابل شارژ - باتری ها (به آنها HIT ثانویه و برگشت پذیر نیز گفته می شود) سلول های قابل استفاده مجدد هستند. با عبور جریان از یک مدار خارجی در جهت مخالف از باتری، پس از تخلیه کامل، معرف های مصرف شده مجدداً تولید می شوند و دوباره انرژی شیمیایی (شارژ) انباشته می شوند. به دلیل قابلیت شارژ مجدد از منبع جریان ثابت خارجی، این دستگاه برای مدت طولانی با وقفه برای شارژ مجدد استفاده می شود. فرآیند تولید انرژی الکتریکی را تخلیه باتری می نامند. چنین HIT هایی شامل باتری برای بسیاری از دستگاه های الکترونیکی (لپ تاپ، تلفن همراه و غیره) می شود.
- منابع جریان شیمیایی حرارتی - دستگاه های پیوسته. ATدر روند کار آنها، جریان مداوم بخش های جدید معرف ها و حذف محصولات واکنش وجود دارد.
- سلول های گالوانیکی ترکیبی (نیمه سوختی) دارای انبار یکی از معرف ها هستند. دومی از بیرون به دستگاه وارد می شود. عمر دستگاه بستگی به تامین اولین معرف دارد. منابع شیمیایی ترکیبی جریان الکتریکی به عنوان باتری استفاده می شوند، در صورتی که امکان بازیابی شارژ آنها با عبور جریان از یک منبع خارجی وجود داشته باشد.
- HIT قابل شارژ مجدد مکانیکی یا شیمیایی. برای آنها امکان تعویض معرف های مصرف شده با قطعات جدید پس از تخلیه کامل وجود دارد. یعنی دستگاه‌های پیوسته نیستند، اما مانند باتری‌ها به صورت دوره‌ای شارژ می‌شوند.
ویژگی های HIT
ویژگی های اصلی منابع انرژی شیمیایی عبارتند از:
- ولتاژ مدار باز (ORC یا ولتاژ تخلیه). این شاخص، اول از همه، به سیستم الکتروشیمیایی انتخاب شده (ترکیبی از عامل کاهنده، عامل اکسید کننده و الکترولیت) بستگی دارد. همچنین NRC تحت تأثیر غلظت الکترولیت، درجه تخلیه، دما و موارد دیگر قرار می گیرد. NRC به مقدار جریان عبوری از HIT بستگی دارد.
- قدرت.
- جریان تخلیه - به مقاومت مدار خارجی بستگی دارد.
- ظرفیت - حداکثر مقدار الکتریسیته ای که HIT پس از تخلیه کامل می دهد.
- ذخیره نیرو - حداکثر انرژی دریافتی هنگام تخلیه کامل دستگاه.
- ویژگی های انرژی. برای باتری ها، اول از همه، این تعداد تضمینی چرخه شارژ-تخلیه بدون کاهش ظرفیت یا ولتاژ شارژ (منبع) است.
- محدوده عملکرد دما.
- ماندگاری حداکثر زمان مجاز بین ساخت و اولین تخلیه دستگاه است.
- عمر مفید - حداکثر دوره مجاز کل ذخیره سازی و بهره برداری. برای پیل‌های سوختی، عمر سرویس مداوم و متناوب اهمیت دارد.
- کل انرژی تلف شده در طول عمر.
- استحکام مکانیکی در برابر لرزش، ضربه و غیره
- توانایی کار در هر موقعیتی.
- قابلیت اطمینان.
- نگهداری آسان.
نیازهای HIT
طراحی سلول های الکتروشیمیایی باید شرایطی را فراهم کند که کارآمدترین واکنش را داشته باشد. این شرایط عبارتند از:
- جلوگیری از نشت جریان؛
- حتی کار؛
- استحکام مکانیکی (از جمله سفتی)؛
- جداسازی معرفها;
- تماس خوب بین الکترودها و الکترولیت؛
- اتلاف جریان از ناحیه واکنش به پایانه خارجی با حداقل تلفات.
منابع جریان شیمیایی باید شرایط کلی زیر را برآورده کنند:
- بالاترین مقادیر پارامترهای خاص؛
- حداکثر دمای عملیاتی؛
- بزرگترین تنش؛
- حداقل هزینهواحد انرژی؛
- پایداری ولتاژ؛
- ایمنی شارژ؛
- امنیت؛
- سهولت نگهداری، و در حالت ایده آل بدون نیاز به آن؛
- عمر طولانی.
Exploitation HIT
مزیت اصلی سلول های گالوانیکی اولیه این است که نیازی به نگهداری ندارند. قبل از شروع استفاده از آنها، کافی است ظاهر، تاریخ انقضا را بررسی کنید. هنگام اتصال، رعایت قطبیت و بررسی یکپارچگی کنتاکت های دستگاه مهم است. منابع جریان شیمیایی پیچیده تر - باتری ها نیاز به مراقبت جدی تری دارند. هدف از نگهداری آنها به حداکثر رساندن عمر مفید آنها است. مراقبت از باتری:
- تمیز نگه داشتن؛
- نظارت بر ولتاژ مدار باز؛
- حفظ سطح الکترولیت (فقط از آب مقطر می توان برای پر کردن استفاده کرد)؛
- کنترل غلظت الکترولیت (با استفاده از هیدرومتر - وسیله ای ساده برای اندازه گیری چگالی مایعات).
هنگام کار با سلول های گالوانیکی، همه الزامات مربوط به استفاده ایمن از وسایل الکتریکی باید رعایت شود.
طبقه بندی HIT بر اساس سیستم های الکتروشیمیایی
انواع منابع جریان شیمیایی، بسته به سیستم:
- سرب (اسید)؛
- نیکل-کادمیم، نیکل-آهن، نیکل-روی؛
- منگنز-روی، مس-روی، جیوه-روی، کلرید روی؛
- نقره-روی،نقره-کادمیم؛
- هوا-فلز؛
- نیکل-هیدروژن و نقره-هیدروژن؛
- منگنز-منیزیم؛
- لیتیوم و غیره.
کاربرد مدرن HIT
منابع جریان شیمیایی در حال حاضر در:
استفاده می شود
- وسایل نقلیه;
- لوازم قابل حمل؛
- فناوری نظامی و فضایی؛
- تجهیزات علمی؛
- دارو (پیس میکر).
نمونه های معمول HIT در زندگی روزمره:
- باتری (باتری خشک)؛
- باتری برای لوازم خانگی قابل حمل و لوازم الکترونیکی؛
- منابع تغذیه بدون وقفه؛
- باطری خودرو.
منابع جریان شیمیایی لیتیوم به طور گسترده ای مورد استفاده قرار می گیرند. این به این دلیل است که لیتیوم (Li) دارای بالاترین انرژی ویژه است. واقعیت این است که دارای بیشترین پتانسیل الکترود منفی در بین تمام فلزات دیگر است. باتری‌های لیتیوم یونی (LIA) از نظر انرژی ویژه و ولتاژ کاری از سایر CPS جلوتر هستند. اکنون آنها به تدریج در حال تسلط بر یک منطقه جدید - حمل و نقل جاده ای هستند. در آینده، توسعه دانشمندان مرتبط با بهبود باتری‌های لیتیومی به سمت طراحی‌های بسیار نازک و باتری‌های سنگین بزرگ خواهد رفت.
