Le sorgenti di corrente chimica (abbreviate in HIT) sono dispositivi in cui l'energia di una reazione redox viene convertita in energia elettrica. I loro altri nomi sono cella elettrochimica, cella galvanica, cella elettrochimica. Il principio del loro funzionamento è il seguente: come risultato dell'interazione di due reagenti, si verifica una reazione chimica con il rilascio di energia da una corrente elettrica continua. In altre fonti di corrente, il processo di generazione dell'elettricità avviene secondo uno schema a più stadi. In primo luogo, l'energia termica viene rilasciata, quindi viene convertita in energia meccanica e solo successivamente in energia elettrica. Il vantaggio di HIT è il processo a stadio singolo, ovvero l'elettricità si ottiene immediatamente, bypassando le fasi di ottenimento dell'energia termica e meccanica.
Cronologia
Come sono apparse le prime sorgenti attuali? Le fonti chimiche sono chiamate cellule galvaniche in onore dello scienziato italiano del XVIII secolo - Luigi Galvani. Fu medico, anatomista, fisiologo e fisico. Una delle sue direzionila ricerca era lo studio delle reazioni degli animali a varie influenze esterne. Il metodo chimico per generare elettricità è stato scoperto da Galvani per caso, durante uno degli esperimenti sulle rane. Ha collegato due piastre di metallo al nervo esposto sulla zampa della rana. Ciò ha provocato la contrazione muscolare. La stessa spiegazione di Galvani di questo fenomeno non era corretta. Ma i risultati dei suoi esperimenti e delle sue osservazioni aiutarono il suo connazionale Alessandro Volta negli studi successivi.
Volta ha delineato nei suoi scritti la teoria del verificarsi di una corrente elettrica come risultato di una reazione chimica tra due metalli a contatto con il tessuto muscolare di una rana. La prima fonte di corrente chimica sembrava un contenitore di soluzione salina, con lastre di zinco e rame immerse al suo interno.
HIT iniziò ad essere prodotto su scala industriale nella seconda metà del XIX secolo, grazie al francese Leclanche, che inventò la cella primaria manganese-zinco con elettrolita salino, a lui intitolata. Alcuni anni dopo, questa cella elettrochimica fu migliorata da un altro scienziato e fu l'unica fonte di corrente chimica primaria fino al 1940.
Progettazione e principio di funzionamento HIT
Il dispositivo delle sorgenti chimiche di corrente comprende due elettrodi (conduttori del primo tipo) e un elettrolita posto tra di loro (conduttore del secondo tipo, o conduttore ionico). Un potenziale elettronico sorge al confine tra di loro. L'elettrodo in cui viene ossidato l'agente riducentechiamato anodo, e quello su cui si riduce l'agente ossidante è chiamato catodo. Insieme all'elettrolita, costituiscono il sistema elettrochimico.
Un sottoprodotto della reazione redox tra gli elettrodi è la generazione di corrente elettrica. Durante tale reazione, l'agente riducente si ossida e dona elettroni all'agente ossidante, che li accetta e quindi si riduce. La presenza di un elettrolita tra il catodo e l'anodo è una condizione necessaria per la reazione. Se mescoli semplicemente insieme polveri di due metalli diversi, non verrà rilasciata elettricità, tutta l'energia verrà rilasciata sotto forma di calore. Un elettrolita è necessario per snellire il processo di trasferimento degli elettroni. Molto spesso è una soluzione salina o una fusione.
Gli elettrodi sembrano piastre o griglie di metallo. Quando sono immersi in un elettrolita, si verifica una differenza di potenziale elettrico tra di loro: una tensione a circuito aperto. L'anodo tende a donare elettroni, mentre il catodo tende ad accettarli. Le reazioni chimiche iniziano sulla loro superficie. Si fermano all'apertura del circuito e anche quando uno dei reagenti è esaurito. L'apertura del circuito si verifica quando uno degli elettrodi o dell'elettrolita viene rimosso.
Composizione di sistemi elettrochimici
Le fonti di corrente chimiche utilizzano acidi e sali contenenti ossigeno, ossigeno, alogenuri, ossidi metallici superiori, composti nitroorganici, ecc. come agenti ossidanti. I metalli e i loro ossidi inferiori, l'idrogeno sono agenti riducenti in essie composti di idrocarburi. Come vengono utilizzati gli elettroliti:
- Soluzioni acquose di acidi, alcali, soluzioni saline, ecc.
- Soluzioni non acquose a conducibilità ionica, ottenute sciogliendo i sali in solventi organici o inorganici.
- Sali fusi.
- Composti solidi con un reticolo ionico in cui uno degli ioni è mobile.
- Elettroliti a matrice. Si tratta di soluzioni liquide o fusi che si trovano nei pori di un corpo solido non conduttivo - un vettore di elettroni.
- Elettroliti a scambio ionico. Questi sono composti solidi con gruppi ionogenici fissi dello stesso segno. Gli ioni dell' altro segno sono mobili. Questa proprietà rende la conduttività di un tale elettrolita unipolare.
Batterie galvaniche
Le sorgenti di corrente chimica sono costituite da cellule galvaniche - cellule. La tensione in una di queste celle è piccola, da 0,5 a 4 V. A seconda delle necessità, in HIT viene utilizzata una batteria galvanica, composta da più celle collegate in serie. A volte viene utilizzata una connessione parallela o serie-parallela di più elementi. Solo celle primarie o batterie identiche sono sempre incluse in un circuito in serie. Devono avere gli stessi parametri: sistema elettrochimico, design, opzione tecnologica e dimensioni standard. Per il collegamento in parallelo è consentito utilizzare elementi di dimensioni diverse.
Classificazione HIT
Le sorgenti di corrente chimica differiscono in:
- dimensione;
- design;
- reagenti;
- la natura della reazione di formazione dell'energia.
Questi parametri determinano le proprietà delle prestazioni HIT adatte per una particolare applicazione.
La classificazione degli elementi elettrochimici si basa sulla differenza nel principio di funzionamento del dispositivo. A seconda di queste caratteristiche si distinguono:
- Le sorgenti di corrente chimica primaria sono elementi usa e getta. Hanno una certa scorta di reagenti, che viene consumata durante la reazione. Dopo una scarica completa, una tale cellula perde la sua funzionalità. In un altro modo, gli HIT primari sono chiamati cellule galvaniche. Sarà corretto chiamarli semplicemente - element. Gli esempi più semplici di una fonte di alimentazione primaria sono le "batterie" A-A.
- Fonti di corrente chimica ricaricabili: le batterie (chiamate anche HIT secondarie e reversibili) sono celle riutilizzabili. Facendo passare corrente da un circuito esterno nella direzione opposta attraverso la batteria, dopo una scarica completa, i reagenti esauriti vengono rigenerati, accumulando nuovamente energia chimica (ricarica). Grazie alla possibilità di ricaricare da una sorgente esterna a corrente costante, questo dispositivo viene utilizzato a lungo, con pause per la ricarica. Il processo di generazione di energia elettrica è chiamato scarica della batteria. Tali HIT includono batterie per molti dispositivi elettronici (laptop, telefoni cellulari, ecc.).
- Fonti di corrente chimica termica - dispositivi continui. Anel processo del loro lavoro, c'è un flusso continuo di nuove porzioni di reagenti e la rimozione dei prodotti di reazione.
- Le celle galvaniche combinate (a semicombustibile) hanno una scorta di uno dei reagenti. Il secondo viene inserito nel dispositivo dall'esterno. La vita del dispositivo dipende dalla fornitura del primo reagente. Come batterie vengono utilizzate fonti chimiche combinate di corrente elettrica, se è possibile ripristinarne la carica facendo passare corrente da una fonte esterna.
- HIT rinnovabile ricaricabile meccanicamente o chimicamente. Per loro, è possibile sostituire i reagenti esauriti con nuove porzioni dopo una scarica completa. Cioè, non sono dispositivi continui, ma, come le batterie, vengono periodicamente ricaricati.
Caratteristiche HIT
Le caratteristiche principali delle fonti di energia chimica includono:
- Tensione a circuito aperto (ORC o tensione di scarica). Questo indicatore, prima di tutto, dipende dal sistema elettrochimico scelto (combinazione di agente riducente, agente ossidante ed elettrolita). Inoltre, l'NRC è influenzato dalla concentrazione dell'elettrolita, dal grado di scarica, dalla temperatura e altro. L'NRC dipende dal valore della corrente che passa attraverso l'HIT.
- Potenza.
- Corrente di scarica - dipende dalla resistenza del circuito esterno.
- Capacità - la quantità massima di elettricità che l'HIT emette quando è completamente scarica.
- Riserva di carica: l'energia massima ricevuta quando il dispositivo è completamente scarico.
- Caratteristiche energetiche. Per le batterie si tratta, innanzitutto, di un numero garantito di cicli di carica-scarica senza ridurre la capacità o la tensione di carica (risorsa).
- Intervallo di funzionamento della temperatura.
- La durata di conservazione è il tempo massimo consentito tra la produzione e la prima scarica del dispositivo.
- Vita utile: il periodo totale massimo consentito di conservazione e funzionamento. Per le celle a combustibile, la durata di servizio continua e intermittente è importante.
- Energia totale dissipata nel corso della vita.
- Resistenza meccanica contro vibrazioni, urti, ecc.
- Capacità di lavorare in qualsiasi posizione.
- Affidabilità.
- Facile manutenzione.
Requisiti HIT
Il design delle celle elettrochimiche deve fornire condizioni favorevoli alla reazione più efficiente. Queste condizioni includono:
- impedire la dispersione di corrente;
- lavoro anche;
- resistenza meccanica (compresa la tenuta);
- separazione dei reagenti;
- buon contatto tra elettrodi ed elettrolita;
- Dissipazione di corrente dalla zona di reazione al terminale esterno con perdite minime.
Le sorgenti di corrente chimica devono soddisfare i seguenti requisiti generali:
- valori massimi di parametri specifici;
- intervallo massimo di temperatura di esercizio;
- la più grande tensione;
- costo minimounità di energia;
- stabilità della tensione;
- carica sicurezza;
- sicurezza;
- facilità di manutenzione e, idealmente, nessuna necessità;
- lunga durata.
Sfruttamento HIT
Il vantaggio principale delle celle galvaniche primarie è che non richiedono alcuna manutenzione. Prima di iniziare a usarli, è sufficiente controllarne l'aspetto, la data di scadenza. Durante il collegamento, è importante osservare la polarità e verificare l'integrità dei contatti del dispositivo. Fonti di corrente chimica più complesse - batterie, richiedono cure più serie. Lo scopo della loro manutenzione è massimizzare la loro durata. Prendersi cura della batteria è:
- mantieni pulito;
- monitoraggio della tensione a circuito aperto;
- mantenere il livello dell'elettrolito (per il rabbocco è possibile utilizzare solo acqua distillata);
- controllo della concentrazione di elettroliti (usando un idrometro, un semplice dispositivo per misurare la densità dei liquidi).
Quando si utilizzano le celle galvaniche, devono essere osservati tutti i requisiti relativi all'uso sicuro degli apparecchi elettrici.
Classificazione di HIT per sistemi elettrochimici
Tipi di sorgenti di corrente chimica, a seconda del sistema:
- piombo (acido);
- nichel-cadmio, nichel-ferro, nichel-zinco;
- manganese-zinco, rame-zinco, mercurio-zinco, cloruro di zinco;
- argento-zinco, argento-cadmio;
- aria-metallo;
- nichel-idrogeno e argento-idrogeno;
- manganese-magnesio;
- litio ecc.
Applicazione moderna di HIT
Le sorgenti di corrente chimica sono attualmente utilizzate in:
- veicoli;
- elettrodomestici portatili;
- tecnologia militare e spaziale;
- attrezzatura scientifica;
- medicina (pacemaker).
Esempi abituali di HIT nella vita di tutti i giorni:
- batterie (batterie a secco);
- batterie per elettrodomestici ed elettronica portatili;
- gruppi di continuità;
- batterie per auto.
Le sorgenti di corrente chimica al litio sono particolarmente ampiamente utilizzate. Questo perché il litio (Li) ha l'energia specifica più alta. Il fatto è che ha il potenziale dell'elettrodo più negativo tra tutti gli altri metalli. Le batterie agli ioni di litio (LIA) sono in vantaggio rispetto a tutti gli altri CPS in termini di energia specifica e tensione di esercizio. Ora stanno gradualmente dominando una nuova area: il trasporto su strada. In futuro, lo sviluppo degli scienziati relativi al miglioramento delle batterie al litio si sposterà verso design ultrasottili e batterie di grandi dimensioni per impieghi gravosi.
