Химиялық ток көздері (қысқартылған HIT) - тотығу-тотықсыздану реакциясының энергиясы электр энергиясына айналатын құрылғылар. Олардың басқа атаулары - электрохимиялық элемент, гальваникалық элемент, электрохимиялық элемент. Олардың жұмыс істеу принципі келесідей: екі реагенттің әрекеттесуі нәтижесінде тұрақты электр тогынан энергияның бөлінуімен химиялық реакция жүреді. Басқа ток көздерінде электр энергиясын өндіру процесі көп сатылы схема бойынша жүреді. Алдымен жылу энергиясы бөлінеді, содан кейін ол механикалық энергияға, содан кейін ғана электр энергиясына айналады. HIT артықшылығы - бір сатылы процесс, яғни электр энергиясы жылу және механикалық энергияны алу кезеңдерін айналып өтіп, бірден алынады.
Тарих
Алғашқы ағымдағы дереккөздер қалай пайда болды? Химиялық көздер XVIII ғасырдағы итальяндық ғалым - Луиджи Гальванидің құрметіне гальваникалық элементтер деп аталады. Ол дәрігер, анатом, физиолог және физик болды. Оның бір бағытызерттеулер жануарлардың әртүрлі сыртқы әсерлерге реакциясын зерттеу болды. Электр энергиясын өндірудің химиялық әдісін Гальвани бақаларға жасалған тәжірибелердің бірінде кездейсоқ ашты. Ол бақаның аяғындағы ашылған жүйкеге екі металл пластинаны жалғады. Бұл бұлшықеттің жиырылуына әкелді. Гальванидің бұл құбылысты өз түсіндірмесі дұрыс болмады. Бірақ оның эксперименттері мен бақылауларының нәтижелері отандасы Алессандро Вольтаға кейінгі зерттеулерінде көмектесті.
Вольта өз еңбектерінде бақаның бұлшықет тінімен жанасатын екі металдың химиялық реакциясы нәтижесінде электр тогының пайда болу теориясын атап көрсетті. Алғашқы химиялық ток көзі құрамында мырыш пен мыс табақшалары батырылған тұзды ерітіндісі бар ыдысқа ұқсады.
ХИТ өнеркәсіптік ауқымда он тоғызыншы ғасырдың екінші жартысында француз Лекланштың арқасында шығарыла бастады, ол оның атымен аталатын тұз электролиті бар бастапқы марганец-мырыш жасушасын ойлап тапты. Бірнеше жылдан кейін бұл электрохимиялық ұяшықты басқа ғалым жетілдірді және 1940 жылға дейін жалғыз негізгі химиялық ток көзі болды.
Дизайн және жұмыс принципі HIT
Химиялық ток көздерінің құрылғысына екі электрод (бірінші түрдегі өткізгіштер) және олардың арасында орналасқан электролит (екінші түрдегі өткізгіш немесе иондық өткізгіш) кіреді. Олардың арасындағы шекарада электрондық потенциал пайда болады. Тотықсыздандырғыш тотықтырылатын электроданод деп, ал тотықсыздандырғыш тотықсыздандыратын затты катод деп атайды. Олар электролитпен бірге электрохимиялық жүйені құрайды.
Электродтар арасындағы тотығу-тотықсыздану реакциясының жанама өнімі электр тогының пайда болуы болып табылады. Мұндай реакция кезінде тотықсыздандырғыш тотығады және тотықтырғышқа электрондарды береді, ол оларды қабылдайды және сол арқылы тотықсызданады. Катод пен анод арасында электролиттің болуы реакцияның қажетті шарты болып табылады. Екі түрлі металдан жасалған ұнтақтарды жай ғана араластырсаңыз, электр тогы шықпайды, барлық энергия жылу түрінде бөлінеді. Электролит электронды тасымалдау процесін жеңілдету үшін қажет. Көбінесе бұл тұз ерітіндісі немесе балқыма.
Электродтар металл пластиналарға немесе торларға ұқсайды. Оларды электролитке батырған кезде олардың арасында электрлік потенциалдар айырмасы пайда болады - ашық тізбектегі кернеу. Анод электрондарды беруге бейім, ал катод оларды қабылдауға бейім. Олардың бетінде химиялық реакциялар басталады. Олар контур ашылғанда, сондай-ақ реагенттердің бірі таусылғанда тоқтайды. Электр тізбегінің ашылуы электродтардың немесе электролиттердің бірін алып тастағанда орын алады.
Электрохимиялық жүйелердің құрамы
Химиялық ток көздері тотықтырғыш ретінде құрамында оттегі бар қышқылдар мен тұздар, оттегі, галогенидтер, жоғары металл оксидтері, азоторганикалық қосылыстар және т.б. пайдаланады. Металдар және олардың төменгі оксидтері, сутегі олардағы тотықсыздандырғыштар болып табылады.және көмірсутекті қосылыстар. Электролиттер қалай қолданылады:
- Қышқылдардың, сілтілердің, физиологиялық ерітінділердің және т.б. судағы ерітінділері
- Тұздарды органикалық немесе бейорганикалық еріткіштерде еріту арқылы алынған иондық өткізгіштігі бар сусыз ерітінділер.
- Балқытылған тұздар.
- Иондардың бірі қозғалмалы болатын иондық торы бар қатты қосылыстар.
- Матрицалық электролиттер. Бұл электр өткізбейтін қатты дененің – электрон тасымалдаушысының кеуектерінде орналасқан сұйық ерітінділер немесе балқымалар.
- Ион алмастырғыш электролиттер. Бұл бір белгідегі бекітілген ионогендік топтары бар қатты қосылыстар. Басқа белгінің иондары қозғалмалы. Бұл қасиет мұндай электролиттің өткізгіштігін бірполярлы етеді.
Гальваникалық батареялар
Химиялық ток көздері гальваникалық элементтерден – ұяшықтардан тұрады. Бұл ұяшықтардың біріндегі кернеу аз - 0,5-тен 4В-қа дейін. Қажеттілікке байланысты HIT-те бірнеше сериялы қосылған ұяшықтардан тұратын гальваникалық батарея қолданылады. Кейде бірнеше элементтердің параллельді немесе тізбекті-параллельді қосылуы қолданылады. Тек бірдей бастапқы ұяшықтар немесе батареялар әрқашан тізбекті тізбекке қосылады. Олардың параметрлері бірдей болуы керек: электрохимиялық жүйе, дизайн, технологиялық опция және стандартты өлшем. Параллель қосылым үшін әртүрлі өлшемдегі элементтерді қолдануға болады.
HIT классификациясы
Химиялық ток көздерінің айырмашылығы:
- өлшем;
- дизайндар;
- реагенттер;
- энергия түзетін реакцияның табиғаты.
Бұл параметрлер белгілі бір қолданбаға сәйкес келетін HIT өнімділік сипаттарын анықтайды.
Электрохимиялық элементтердің классификациясы құрылғының жұмыс істеу принципінің айырмашылығына негізделген. Осы сипаттамаларға байланысты олар мыналарды ажыратады:
- Негізгі химиялық ток көздері бір реттік элементтер болып табылады. Оларда реакция кезінде тұтынылатын реагенттердің белгілі қоры бар. Толық разрядтан кейін мұндай жасуша өзінің функционалдығын жоғалтады. Басқа жолмен, бастапқы HIT гальваникалық элементтер деп аталады. Оларды қарапайым - элемент деп атаған дұрыс болады. Негізгі қуат көзінің қарапайым мысалдары "батареялар" A-A болып табылады.
- Қайта зарядталатын химиялық ток көздері - батареялар (оларды қайталама, қайтымды HIT деп те атайды) қайта пайдалануға болатын ұяшықтар болып табылады. Сыртқы контурдан токты қарама-қарсы бағытта аккумулятор арқылы өткізу арқылы толық зарядсызданғаннан кейін жұмсалған реагенттер қайта қалпына келтіріліп, қайтадан химиялық энергия жинақталады (зарядтау). Сыртқы тұрақты ток көзінен қайта зарядтау мүмкіндігінің арқасында бұл құрылғы ұзақ уақыт бойы зарядтауға арналған үзілістермен пайдаланылады. Электр энергиясын өндіру процесі батареяның зарядсыздануы деп аталады. Мұндай HIT-терге көптеген электрондық құрылғыларға (ноутбуктар, ұялы телефондар, т.б.) арналған батареялар кіреді.
- Термиялық химиялық ток көздері - үздіксіз құрылғылар. ATолардың жұмыс процесінде реагенттердің жаңа бөліктерінің үздіксіз ағыны және реакция өнімдерінің жойылуы орын алады.
- Біріктірілген (жартылай отын) гальваникалық элементтерде реагенттердің бірінің қоры болады. Екіншісі құрылғыға сырттан беріледі. Құрылғының қызмет ету мерзімі бірінші реагенттің жеткізілуіне байланысты. Электр тогының аралас химиялық көздері, егер олардың зарядын сыртқы көзден ток өткізу арқылы қалпына келтіру мүмкін болса, батареялар ретінде пайдаланылады.
- HIT қайта зарядталатын, механикалық немесе химиялық жолмен зарядталады. Олар үшін пайдаланылған реагенттерді толық ағызудан кейін жаңа бөліктерге ауыстыруға болады. Яғни, олар үздіксіз құрылғылар емес, бірақ батареялар сияқты мерзімді түрде қайта зарядталады.
HIT мүмкіндіктері
Химиялық қуат көздерінің негізгі сипаттамаларына мыналар жатады:
- Ашық тізбектегі кернеу (ORC немесе разряд кернеуі). Бұл көрсеткіш, ең алдымен, таңдалған электрохимиялық жүйеге (тотықсыздандырғыштың, тотықтырғыштың және электролиттің комбинациясы) байланысты. Сондай-ақ, NRC электролит концентрациясы, разряд дәрежесі, температура және т.б. әсер етеді. NRC HIT арқылы өтетін токтың мәніне байланысты.
- Қуат.
- Разряд тогы - сыртқы тізбектің кедергісіне байланысты.
- Сыйымдылық - толық зарядсызданған кезде HIT беретін электр энергиясының максималды мөлшері.
- Қуат қоры - құрылғы толығымен зарядсызданған кезде алынатын максималды қуат.
- Энергия сипаттамалары. Батареялар үшін бұл, ең алдымен, сыйымдылықты немесе зарядтау кернеуін (ресурс) төмендетпей зарядтау-разряд циклдерінің кепілдік берілген саны.
- Температураның жұмыс диапазоны.
- Сақтау мерзімі - өндіру мен құрылғының бірінші разряды арасындағы рұқсат етілген ең ұзақ уақыт.
- Пайдалану мерзімі - сақтау және пайдаланудың рұқсат етілген максималды жалпы мерзімі. Отын элементтері үшін үздіксіз және үзіліссіз қызмет ету мерзімі маңызды.
- Өмір бойы жұмсалатын жалпы энергия.
- Дірілге, соққыға және т.б. қарсы механикалық беріктік
- Кез келген позицияда жұмыс істеу мүмкіндігі.
- Сенімділік.
- Оңай техникалық қызмет көрсету.
HIT талаптары
Электрохимиялық элементтердің конструкциясы ең тиімді реакцияға қолайлы жағдайларды қамтамасыз етуі керек. Бұл шарттарға мыналар жатады:
- тоқтың ағып кетуіне жол бермеу;
- жұмыс;
- механикалық беріктік (соның ішінде тығыздық);
- реагенттерді бөлу;
- электродтар мен электролит арасындағы жақсы байланыс;
- токтың реакция аймағынан сыртқы терминалға аз шығынмен таралуы.
Химиялық ток көздері келесі жалпы талаптарға сай болуы керек:
- нақты параметрлердің ең жоғары мәндері;
- ең жоғары жұмыс температурасы диапазоны;
- ең үлкен шиеленіс;
- ең төменгі құныэнергия бірліктері;
- кернеу тұрақтылығы;
- зарядтау қауіпсіздігі;
- қауіпсіздік;
- техникалық қызмет көрсетудің қарапайымдылығы және оның қажеті жоқ;
- ұзақ қызмет ету мерзімі.
Қолдану HIT
Алғашқы гальваникалық элементтердің басты артықшылығы - олар ешқандай техникалық қызмет көрсетуді қажет етпейді. Оларды қолданар алдында сыртқы түрін, жарамдылық мерзімін тексеру жеткілікті. Қосу кезінде полярлықты сақтау және құрылғының контактілерінің тұтастығын тексеру маңызды. Неғұрлым күрделі химиялық ток көздері - батареялар, мұқият күтімді қажет етеді. Оларға техникалық қызмет көрсетудің мақсаты олардың қызмет ету мерзімін барынша арттыру болып табылады. Батареяға күтім жасау:
- таза ұста;
- ашық тізбектегі кернеуді бақылау;
- электролит деңгейін ұстап тұру (толтыру үшін тек тазартылған суды пайдалануға болады);
- электролит концентрациясын бақылау (ареометрді пайдалану - сұйықтардың тығыздығын өлшеуге арналған қарапайым құрылғы).
Гальваникалық элементтерді пайдалану кезінде электр құрылғыларын қауіпсіз пайдалануға қатысты барлық талаптар сақталуы керек.
Электрохимиялық жүйелер бойынша HIT классификациясы
Жүйеге байланысты химиялық ток көздерінің түрлері:
- қорғасын (қышқыл);
- никель-кадмий, никель-темір, никель-мырыш;
- марганец-мырыш, мыс-мырыш, сынап-мырыш, мырыш хлориді;
- күміс-мырыш, күміс-кадмий;
- ауа-металл;
- никель-сутегі және күміс-сутегі;
- марганец-магний;
- литий т.б.
HIT заманауи қолданбасы
Химиялық ток көздері қазіргі уақытта пайдаланылады:
- көлік;
- портативті құрылғылар;
- әскери және ғарыштық технология;
- ғылыми жабдық;
- дәрі (кардиостимулятор).
Күнделікті өмірдегі ХИТ мысалдары:
- батареялар (құрғақ батареялар);
- портативті тұрмыстық техника мен электроникаға арналған батареялар;
- үзіліссіз қуат көздері;
- көлік батареялары.
Литий химиялық ток көздері әсіресе кеңінен қолданылады. Себебі литий (Li) ең жоғары меншікті энергияға ие. Өйткені, ол барлық басқа металдар арасында ең теріс электродтық потенциалға ие. Литий-ионды аккумуляторлар (LIA) меншікті энергия мен жұмыс кернеуі бойынша барлық басқа CPS-тен алда. Енді бірте-бірте жаңа сала – автомобиль көлігін игеріп жатыр. Болашақта литий батареяларын жетілдіруге байланысты ғалымдардың дамуы ультра жұқа конструкциялар мен үлкен салмақты батареяларға ауысады.
