Химический источник тока непосредственно преобразующий химическую энергию в электрическую энергию

Обновлено: 28.04.2024

Химический источник тока сокр., ХИТ (англ. chemical current source или electrochemical cell) — устройство для прямого преобразования химической энергии окислительно-восстановительной реакции в электрическую энергию.

Описание

В зависимости от эксплуатационных особенностей и от используемой электрохимической системы (совокупности электродов и электролита), химические источники тока делятся на первичные (не перезаряжаемые; гальванические элементы; «батарейки»), которые, как правило, после полного разряда становятся неработоспособными, и вторичные (перезаряжаемые; аккумуляторы), в которых реагенты регенерируются при зарядке — пропускании тока от внешнего источника. Такое деление достаточно условно, так как некоторые гальванические элементы могут быть частично заряжены.

Химические источники тока состоят из двух электродов: катода, содержащего окислитель, и анода, содержащего восстановитель, которые контактируют с электролитом. Между электродами устанавливается разность потенциалов — электродвижущая сила, соответствующая свободной энергии окислительно-восстановительной реакции. Действие химических источников тока основано на протекании при замкнутой внешней цепи пространственно разделенных процессов: на катоде восстановитель окисляется, а образующиеся свободные электроны переходят, создавая разрядный ток, по внешней цепи к аноду, где они участвуют в реакции восстановления окислителя.

В настоящее время существует большое количество типов аккумуляторов: литий-ионные (Li-ion), литий-полимерные (Li-pol), никель-металлогидридные (Ni-MH), никель-кадмиевые (Ni-Cd), свинцово-кислотные, металловоздушные и т. д., — а также первичных источников тока — «батареек», наиболее популярными среди которых являются солевые, щелочные и литиевые. К важным и перспективным химическим источникам тока относятся топливные элементы (электрохимические генераторы), способные к длительному непрерывному функционированию при постоянном подводе к электродам новых порций реагентов и удалении продуктов реакции.

Иллюстрации

Схема литий-ионного химического источника тока, в котором в качестве материала положительного электрода выступает LiMO₂ (M = Co, Ni, Mn), а в качестве материала отрицательного электрода — графит. Во время процесса заряда ионы лития извлекаются из структуры LiMO₂ и, проходя через электролит, внедряются в межслоевое пространство графита; в процессе разряда перенос ионов лития идет в обратном направлении. Количество сохраняемой энергии ограничено в основном свойствами материала положительного электрода. Так, например, для LiCoO₂ характерны величины удельной электроемкости 130-150 мАч/г.

ИСТО́ЧНИКИ ТО́КА, уст­рой­ст­ва, пре­об­ра­зую­щие разл. ви­ды энер­гии в элек­три­че­скую энер­гию. По ви­ду пре­об­ра­зуе­мой энер­гии И. т. ус­лов­но раз­де­ля­ют на хи­ми­че­ские и фи­зи­че­ские. Пер­вые све­де­ния о хи­мич. И. т. (галь­ва­нич. эле­мен­тах и ак­ку­му­ля­то­рах) от­но­сят­ся к 19 в. (напр., воль­тов столб, 1800; эле­мент Да­ние­ля - Яко­би, 1836; свин­цо­вый ак­ку­му­ля­тор, 1859). До 1940-х гг. в ми­ре раз­ра­бо­та­но и реа­ли­зо­ва­но на прак­ти­ке лишь неск. ти­пов галь­ва­нич. эле­мен­тов и ак­ку­му­ля­то­ров; в даль­ней­шем в свя­зи с раз­ви­тием ра­дио­элек­тро­ни­ки и ши­ро­ким ис­поль­зо­ва­ни­ем ав­то­ном­ных ис­точ­ни­ков элек­тро­пи­та­ния их про­из-во не­пре­рыв­но рас­ши­ря­лось. Пе­ре­нос­ные ос­ве­тит. при­бо­ры, маг­ни­то­фо­ны и ра­дио­при­ём­ни­ки, те­ле­ви­зо­ры и пе­ре­нос­ная мед. ап­па­ра­ту­ра, транс­порт­ные сред­ст­ва, ле­та­тель­ные и кос­мич. ап­па­ра­ты и мно­гое дру­гое ос­на­ще­ны ма­ло­га­ба­рит­ны­ми И. т. Пер­вый элек­тро­ма­шин­ный ге­не­ра­тор по­сто­ян­ного то­ка соз­дан Б. С. Яко­би в 1842. С 1920-х гг. в ка­че­ст­ве пром. ис­точ­ни­ков элек­тро­энер­гии ста­ли при­ме­нять­ся тур­бо­ге­не­ра­то­ры и гид­ро­ге­не­ра­то­ры . Фи­зич. И. т., ос­но­ван­ные на др. прин­ци­пах (тер­мо­элек­трич. ге­не­ра­то­ры, тер­мо­эмис­си­он­ные пре­об­ра­зо­ва­те­ли, сол­неч­ные ба­та­реи и т. д.), раз­ра­бо­та­ны и по­лу­чи­ли раз­ви­тие во 2-й пол. 20 в., что обу­слов­ле­но воз­рос­ши­ми тре­бо­ва­ния­ми совр. тех­ни­ки.

Хими́ческие исто́чники то́ка (аббр. ХИТ) — устройства, в которых энергия протекающих в них химических реакций непосредственно превращается в электрическую энергию.

Содержание

История создания

Первый химический источник тока был изобретён итальянским учёным Алессандро Вольта в 1800 году. Это был элемент Вольта — сосуд с солёной водой с опущенными в него цинковой и медной пластинками, соединенными проволокой. Затем учёный собрал батарею из этих элементов, которая впоследствии была названа Вольтовым столбом. Это изобретение впоследствии использовали другие учёные в своих исследованиях. Так, например, в 1802 году русский академик В. В. Петров сконструировал Вольтов столб из 2100 элементов для получения электрической дуги. В 1836 году английский химик Джон Дэниель усовершенствовал элемент Вольта, поместив цинковый и медный электроды в раствор серной кислоты. Эта конструкция стала называться «элементом Даниэля».

В 1859 году французский физик Гастон Плантэ изобрёл свинцово-кислотный аккумулятор. Этот тип элемента и по сей день используется в автомобильных аккумуляторах.

В 1865 году французский химик Ж. Лекланше предложил свой гальванический элемент (элемент Лекланше), состоявший из цинкового стаканчика, заполненного водным раствором хлористого аммония или другой хлористой соли, в который был помещён агломерат из оксида марганца(IV) MnO₂ с угольным токоотводом. Модификация этой конструкции используется до сих пор в солевых батарейках для различных бытовых устройств.

В 1890 году в Нью-Йорке Конрад Губерт, иммигрант из России, создаёт первый карманный электрический фонарик. А уже в 1896 году компания National Carbon приступает к массовому производству первых в мире сухих элементов Лекланше «Columbia».

Принцип действия

Основу химических источников тока составляют два электрода (катод, содержащий окислитель и анод, содержащий восстановитель), контактирующих с электролитом. Между электродами устанавливается разность потенциалов — электродвижущая сила, соответствующая свободной энергии окислительно-восстановительной реакции. Действие химических источников тока основано на протекании при замкнутой внешней цепи пространственно разделённых процессов: на катоде восстановитель окисляется, образующиеся свободные электроны переходят, создавая разрядный ток, по внешней цепи к аноду, где они участвуют в реакции восстановления окислителя.

В современных химических источниках тока используются:

• в качестве восстановителя (на аноде) — свинец Pb, кадмий Cd, цинк Zn и другие металлы;
• в качестве окислителя (на катоде) — оксид свинца(IV) PbO₂, гидроксооксид никеля NiOOH, оксид марганца(IV) MnO₂ и другие;
• в качестве электролита — растворы щелочей, кислот или солей.

Классификация

По возможности или невозможности повторного использования химические источники тока делятся на:

(первичные ХИТ), которые из-за необратимости протекающих в них реакций, невозможно перезарядить; (вторичные ХИТ) — перезаряжаемые гальванические элементы, которые с помощью внешнего источника тока (зарядного устройства) можно перезарядить; (электрохимические генераторы) — устройства, подобные гальваническому элементу, но отличающееся от него тем, что вещества для электрохимической реакции подаются в него извне, а продукты реакций удаляются из него, что позволяет ему функционировать непрерывно.

Следует заметить, что деление элементов на гальванические и аккумуляторы до некоторой степени условное, так как некоторые гальванические элементы, например щелочные батарейки, поддаются подзарядке, но эффективность этого процесса крайне низка.

Некоторые виды химических источников тока

Гальванические элементы

Смотри также Категория:Гальванические элементы.

Тип	Катод	Электролит	Анод	Напряжение, В
Марганцево-цинковый элемент	MnO2	KOH	Zn	1.56
Марганцево-оловянный элемент	MnO2	KOH	Sn	1.65
Марганцево-магниевый элемент	MnO2	MgBr	Mg	2.00
Свинцово-цинковый элемент	PbO2	H2SO4	Zn	2.55
Свинцово-кадмиевый элемент	PbO2	H2SO4	Cd	2.42
Свинцово-хлорный элемент	PbO2	HClO4	Pb	1.92
Ртутно-цинковый элемент	HgO	KOH	Zn	1.36
Ртутно-кадмиевый элемент	HgO2	KOH	Cd	1.92
Окисно-ртутно-оловянный элемент	HgO2	KOH	Sn	1.30
Хром-цинковый элемент	K2Cr2O7	H2SO4	Zn	1.8—1.9

Аккумуляторы

Топливные элементы

Ссылки

Wikimedia Foundation . 2010 .

Полезное

Смотреть что такое "Химические источники тока" в других словарях:

Химические источники тока — устройства, вырабатывающие электрическую энергию за счёт прямого преобразования химической энергии окислительно восстановительных реакций. Первые Х. и. т. созданы в 19 в. (Вольтов столб, 1800; элемент Даниела Якоби, 1836; Лекланше элемент … Большая советская энциклопедия

химические источники тока — устройства, вырабатывающие электрический ток за счёт энергии окислительно восстановительных реакций химических реагентов. Химические источники тока обычно подразделяют на первичные, вторичные и резервные, а также электрохимические генераторы… … Энциклопедия техники

химические источники тока — устройства, вырабатывающие электрическую энергию за счёт окислительно восстановительной реакции, протекающей на электродах. Различают химические источники тока однократного действия гальванические элементы, многократного аккумуляторы и с… … Энциклопедический словарь

Химические источники тока — 5) химические источники тока устройства, вырабатывающие электрическую энергию за счет прямого преобразования энергии химической реакции в электрическую энергию. Источник: Федеральный закон от 27.12.2009 N 347 ФЗ (с изм. от 28.12.2010)… … Официальная терминология

ХИМИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА — устройства, в к рых электрич. энергия вырабатывается в результате прямого преобразования энергии окислительно восстановит. реакции. Основу X. и. т. составляет ячейка с двумя разнородными электродами (один содержащий окислитель, другой… … Естествознание. Энциклопедический словарь

ИСТОЧНИКИ ТОКА — устройства, преобразующие различные виды энергии в электрическую. Условно различают химические источники тока, в которых электроэнергия вырабатывается в результате окислительно восстановительной реакции (гальванические элементы), и физические… … Большой Энциклопедический словарь

источники тока — устройства, преобразующие различные виды энергии в электрическую. Условно различают химические источники тока, в которых электроэнергия вырабатывается в результате окислительно восстановительной реакции (гальванические элементы), и физические… … Энциклопедический словарь

Источники тока — устройства, преобразующие различные виды энергии в электрическую. По виду преобразуемой энергии И. т. условно можно разделить на химические и физические. Сведения о первых химических И. т. (гальванических элементах и аккумуляторах)… … Большая советская энциклопедия

источники тока — см. Химические источники тока, Физические источники тока. Энциклопедия «Техника». М.: Росмэн. 2006 … Энциклопедия техники

Расплавные источники тока — Химические источники тока резервного типа, у которых электролит при температуре хранения находится в твёрдом неэлектропроводящем состоянии и переводится в жидкое ионопроводящее состояние только в процессе активации, осуществляемой… … Большая советская энциклопедия

Читайте также:

  
• Заправка холодильника фреоном: пошаговое руководство по заправке своими руками в домашних условиях
  
• Вентиляция помещения с газоиспользующим оборудованием: нормы, требования и правила обустройства
  
• Подключение проходного выключателя - 2 ошибки и недостатки. Схема подключения с двух и 3-х мест.