Химические источники тока и их применения
Виды
Первичные – одноразовые, неработоспособны после израсходования активных веществ
Вторичные (аккумуляторы)
Топливные элементы
Применения аккумуляторов
Энергетика
Автомобильная техника
имеет два электрода (отрицательно заряженный анод, содержащий восстановитель, и положительно заряженный катод, содержащий окислитель), контактирующие с электролитом
Принцип действия - окислительно-восстановительные реакции и окислительный потенциал
Основные типы аккумуляторов
Свинцово-кислотные
энергоемкие приложения, где вопрос веса большого значения не имеет
автомобильная техника, электропогрузчики, источники бесперебойного питания и аварийного освещения
Никель-кадмиевые и никель-металлогидридные
большой срок службы и высокий выходной ток
Радиостанции, бортовая и медицинская аппаратура, электроинструмент
Литий-ионные и литий-полимерные
высокая энергетическая плотность, малый вес
Мобильная электроника, электромобили
Серно-натриевые
высокая удельная энергия
Стационарные аккумуляторы для энегетики (выравнивание энергопотребления)
Проточные редокс-аккумуляторы
высокая мощность, простота перезарядки
Энергетика, электромобили (в перспективе)
Суперконденсаторы (ионисторы)
Окислительно-восстановительные реакции (ОВР) - протекают с изменением степени окисления элементов
Восстановитель – атом, молекула или ион, отдающий электроны
Окислительный потенциал - при соприкосновении химически или физически разнородных проводников между ними возникает разность потенциалов
Свинцово-кислотные аккумуляторы
Батареи первого поколения — батареи с жидким электролитом открытого или закрытого типа
Батареи второго поколения, которыми являются герметизированные гелевые батареи
Батареи третьего поколения —герметизированные батареи с абсорбированным сепараторами электролитом
Недостатки
Не допускается хранение в разряженном состоянии
Низкая энергетическая плотность
Допустимо лишь ограниченное количество циклов полного разряда
Кислотный электролит и свинец оказывают вредное воздействие на окружающую среду
При неправильном заряде возможен перегрев
Окислитель – атом, молекула или ион, принимающий электроны
Изобретены в 1859 г. французским ученым Гастоном Планте
Преимущества
Дешевизна и простота производства
Эффективность – более 70%
Длительный срок службы – 3-12 лет
Низкие требования по обслуживанию
Отработанная, надежная и хорошо понятная технология обслуживания
Допустимы высокие токи разряда
Малый саморазряд
Никель-кадмиевые аккумуляторы
представляет собой пасту гидроксида никеля, смешанную с проводящим материалом и нанесенную на стальную сетку
Преимущества
возможность быстрого и простого заряда
большое число циклов заряд/разряд
хорошая нагрузочная способность и возможность работы при низких температурах
длительные сроки хранения при любой степени заряда
сохранение высокой емкости при низких температурах
наибольшая приспособленность для работы в жестких условиях эксплуатации;
низкая цена
широкий выбор батарей различного конструктивного исполнения и емкости
Недостатки
относительно низкая по сравнению с новыми типами аккумуляторных батарей энергетическая плотность
присущий этим батареям эффект памяти и необходимость проведения периодических работ по его устранению
токсичность применяемых материалов
относительно высокий саморазряд — после хранения обязателен цикл заряда.
Никель-металлгидридные АКБ
способ сохранения водорода в никель-водородных батареях, которые использовались в космических аппаратах
Главным материалом, определяющим характеристики Ni-MH аккумулятора, является водород-абсорбирующий сплав
Преимущества
имеется потенциал для увеличения их энергетической плотности
Меньшая подверженность «эффекту памяти»
экологически чистые
Недостатки
ограниченный срок службы, особенно при высоких токах нагрузки
ограниченный ток разряда
необходимость более сложного алгоритма заряда
высокий саморазряд
при хранении при повышенных температурах емкость батарей снижается
необходимость ухода
Заряд NiMH аккумуляторов
Быстрая зарядка
Фаза предзарядки
Фаза перехода к быстрой зарядке
Фаза быстрой зарядки
Фаза дозарядки
Фаза поддерживающей зарядки
Капельная зарядка
Литий-ионные аккумуляторы
Литий — самый легкий из металлов. Он имеет превосходный электрохимический потенциал и обеспечивает наилучшую энергетическую плотность на единицу массы.
Преимущества
высокая энергетическая плотность
низкий саморазряд
отсутствует «эффект памяти»;
простота обслуживания
Недостатки
необходимость схемы защиты по току и напряжению
относительно быстрое старение
высокая цена
Серно-натриевые аккумуляторы
Преимущества
Высокая удельная энергия
Доступность исходных материалов
Длительный срок службы
Недостатки
опасность возгорания при контакте натрия и серы
Проточные редокс-аккумуляторы
Конверсия химической энергии в электрическую происходит при прокачке электролитов через электроды
Проблема ванадиевого аккумулятора – низкая плотность энергии из-за ограниченной растворимости ванадия
предназначены для использования в стационарных системах мощностью 10 кВт-10 МВт, а также в электромобилях
Металло-воздушные аккумуляторы
Важным элементом является воздушный катод
Проблемы – малая степень использования анода из-за осаждения продуктов и низкая скорость реакций на катоде
При разряде происходит окисление металла анода и восстановление кислорода на катоде с образованием кислородсодержащих частиц
Ионисторы (суперконденсаторы)
Быстрый заряд и разряд, большой пиковый ток
Отсутствие необходимости в специальных зарядных устройствах
Энергия запасается при заряде т.н. двойного электрического слоя
Емкость – до десятков-сотен фарад
Топливные элементы
Устройства для прямого преобразования химической энергии в электрическую, минуя малоэффективные процессы горения
Конструкция
Электроды состоят из пористого углерода с добавками наночастиц платины (катализатор)
Электроды разделены мембраной из полимерного электролита
Падение напряжения на элементе оставляет порядка 0.7 В
Удерживающие слои – выполнены их пористого материала для подвода топлива к электродам
Топливный элемент не требует зарядки, электричество производится, пока на электроды поступает топливо
Эффективность современных топливных элементов составляет 40-55%.
Накопители энергии
Инерционные кинетические накопители
Высокая эффективность – до 90-95%
Кратковременное хранение энергии - десятки секунд
Электрохимические накопители
Гальванические элементы
Топливные элементы
Суперконденсаторы (ионисторы)
Статические системы
гидроаккумулирующие установки
системы со сжатым газом
Электромобили
Mitsubishi i MiEV
Мощность двигателя – 47 кВт (63 л.с.)
Li-Ion батарея
Максимальный пробег -120 км, максимальная скорость – 130 км/ч
При торможении энергия запасается в аккумуляторе благодаря рекуперативному торможению
Как правило, используются никель-металлгидридные батареи
Nissan Leaf
Мощность двигателя 80 кВт (108 л.с.)
Li-Ion батарея собрана из 192 ячеек. Состав: манганат лития(+),графит (-)
Полный цикла заряда 220В/30А – 8 часов, 80% емкости восполняются за 30 минут