bugorwiki.info
на главную

Электрохимическая ячейка

Демонстрационная установка электрохимической ячейки, напоминающая ячейку Даниэля. Две полуэлемента соединены солевым мостиком, который переносит ионы между ними. Электроны текут во внешней цепи.

Электрохимическая ячейка - это устройство, способное либо генерировать электрическую энергию в результате химических реакций, либо использовать электрическую энергию для возникновения химических реакций. Электрохимические элементы, которые генерируют электрический ток, называются гальваническими или гальваническими элементами, а те, которые вызывают химические реакции, например, посредством электролиза, называются электролитическими элементами. Типичным примером гальванической ячейки является стандартная 1,5-вольтная ячейка, предназначенная для потребительского использования. Батарея состоит из одного или нескольких элементов, соединенных параллельно, последовательно или последовательно-параллельно. Ячейка - это устройство, которое может преобразовывать химическую энергию в электрическую. Простая ячейка делает это, используя комбинацию двух металлов (электродов) и раствора электролита (который может быть раствором кислоты / щелочи / соли). Металлы могут проводить электричество из-за металлической связи. Металлические связи представляют собой электростатическую силу притяжения между отрицательно заряженными делокализованными электронами и положительно заряженными ионами металлов. Атомы металла окружены «морем» делокализованных электронов. Это означает, что они могут свободно перемещаться внутри структуры - это дает металлам его проводящие способности, поскольку электрический ток может протекать через него. Реакция между металлами, в которой получены электроны, является восстановлением, тогда как реакция, в которой электроны теряются, является окислением. Реакция, в которой происходит восстановление и окисление, является окислительно-восстановительной реакцией. Окислительно-восстановительная реакция происходит, когда электроны переносятся из вещества, которое окисляется, в вещество, которое восстанавливается.

Электролитическая ячейка

Основная статья: электролизер
Электролизер девятнадцатого века для производства кислородного водорода.

Электролитическая ячейка - это электрохимическая ячейка, которая управляет не спонтанной окислительно-восстановительной реакцией посредством приложения электрической энергии. Они часто используются для разложения химических соединений в процессе, называемом электролизом - греческое слово «лизис» означает распад .

Важными примерами электролиза являются разложение воды на водород и кислород, а бокситов на алюминий и другие химические вещества. Гальваника (например, из меди, серебра, никеля или хрома) осуществляется с помощью электролизера. Электролиз - это метод, в котором используется постоянный электрический ток (DC).

Электролизер состоит из трех составных частей: электролита и двух электродов (катод и анод). Электролит обычно представляет собой раствор воды или других растворителей, в которых растворены ионы. Расплавленные соли, такие как хлорид натрия, также являются электролитами. При воздействии внешнего напряжения, приложенного к электродам, ионы в электролите притягиваются к электроду с противоположным зарядом, где могут происходить реакции переноса заряда (также называемые фарадеевскими или окислительно-восстановительными). Только при наличии внешнего электрического потенциала (то есть напряжения) правильной полярности и достаточной величины электролитическая ячейка может разлагать в растворе обычно стабильное или инертное химическое соединение. Предоставленная электрическая энергия может вызвать химическую реакцию, которая в противном случае не произошла бы самопроизвольно.

Гальваническая ячейка или гальваническая ячейка

Гальваническая ячейка без катионного потока
Основная статья: Гальваническая ячейка

Гальванический элемент, или гальванический элемент, названный в честь Луиджи Гальвани или Алессандро Вольта, соответственно, является электрохимическим элементом, который получает электрическую энергию от спонтанных окислительно-восстановительных реакций, происходящих внутри элемента. Обычно он состоит из двух разных металлов, соединенных солевым мостиком, или отдельных полуклеток, разделенных пористой мембраной.

Вольта был изобретателем вольтовой кучи, первой электрической батареи. В обычном использовании слово «батарея» включает один гальванический элемент, но аккумулятор правильно состоит из нескольких элементов.

Первичная клетка

Основная статья: первичная ячейка

Первичный элемент - это гальваническая батарея, которая предназначена для однократного использования и утилизируется, а не заряжается электричеством и используется повторно, как вторичный элемент (аккумуляторная батарея). В общем, электрохимическая реакция, происходящая в элементе, необратима, что делает элемент аккумуляторным. Поскольку первичный элемент используется, химические реакции в батарее расходуют химические вещества, которые генерируют энергию; когда они ушли, батарея перестает производить электричество и становится бесполезной. Напротив, во вторичной ячейке реакция может быть обращена вспять путем подачи тока в ячейку с помощью зарядного устройства для ее зарядки, регенерируя химические реагенты. Первичные ячейки производятся в диапазоне стандартных размеров для питания небольших бытовых приборов, таких как фонарики и портативные радиоприемники.

Первичные батареи составляют около 90% рынка аккумуляторов за 50 миллиардов долларов, но вторичные батареи завоевывают долю рынка. Ежегодно во всем мире выбрасывается около 15 миллиардов первичных батарей, практически все они попадают на свалки. Из-за токсичных тяжелых металлов и сильных кислот или щелочей, которые они содержат, батареи являются опасными отходами. Большинство муниципалитетов классифицируют их как таковые и требуют отдельного удаления. Энергия, необходимая для производства батареи, примерно в 50 раз превышает энергию, которую она содержит. Из-за высокого содержания загрязняющих веществ по сравнению с небольшим энергопотреблением, основной аккумулятор считается расточительной, экологически вредной технологией. В основном из-за увеличения продаж беспроводных устройств и беспроводных инструментов, которые не могут экономно питаться от первичных батарей и поставляются со встроенными перезаряжаемыми батареями, промышленность вторичных батарей имеет высокий рост и медленно заменяет основную батарею в продуктах высокого класса.

Разнообразие типоразмеров первичных клеток. Слева: многоэлементная батарея 4.5 В, D, C, AA, AAA, AAAA, A23, многоэлементная батарея 9 В, (вверху) LR44, (внизу) CR2032

Вторичная ячейка

Основная статья: аккумулятор

Вторичный элемент, обычно называемый перезаряжаемым аккумулятором, представляет собой электрохимический элемент, который может работать как в качестве гальванического элемента, так и в качестве электролитического элемента. Это используется в качестве удобного способа хранения электричества, когда ток течет в одном направлении, когда уровни одного или нескольких химикатов накапливаются (заряжаются), в то время как при разряде они снижаются, и возникающая электродвижущая сила может работать.

Топливная ячейка

Схема протонопроводящего топливного элемента
Основная статья: Топливный элемент

Топливный элемент - это электрохимический элемент, который преобразует химическую энергию топлива в электричество посредством электрохимической реакции водородного топлива с кислородом или другим окислителем. Топливные элементы отличаются от батарей тем, что для поддержания химической реакции требуется постоянный источник топлива и кислорода (обычно из воздуха), тогда как в батарее химическая энергия исходит от химикатов, уже присутствующих в батарее. Топливные элементы могут производить электричество непрерывно, пока топливо и кислород поставляются.

Первые топливные элементы были изобретены в 1838 году. Первое коммерческое использование топливных элементов появилось более века спустя в космических программах НАСА для выработки энергии для спутников и космических капсул. С тех пор топливные элементы используются во многих других областях. Топливные элементы используются в качестве основного и резервного источника питания для коммерческих, промышленных и жилых зданий, а также в удаленных или недоступных местах. Они также используются для питания транспортных средств на топливных элементах, включая вилочные погрузчики, автомобили, автобусы, лодки, мотоциклы и подводные лодки.

Существует много типов топливных элементов, но все они состоят из анода, катода и электролита, который позволяет положительно заряженным ионам водорода (протонам) перемещаться между двумя сторонами топливного элемента. На аноде катализатор вызывает реакцию окисления топлива, которая генерирует протоны (положительно заряженные ионы водорода) и электроны. Протоны протекают от анода к катоду через электролит после реакции. В то же время электроны притягиваются от анода к катоду через внешнюю цепь, производя электричество постоянного тока. На катоде другой катализатор вызывает реакцию ионов водорода, электронов и кислорода с образованием воды. Топливные элементы классифицируются по типу электролита, который они используют, и по разнице во времени запуска в диапазоне от 1 секунды для топливных элементов с протонообменной мембраной (топливные элементы PEM или PEMFC) до 10 минут для твердооксидных топливных элементов (SOFC). Связанной технологией являются проточные аккумуляторы, в которых топливо можно регенерировать путем подзарядки. Отдельные топливные элементы вырабатывают относительно небольшие электрические потенциалы, около 0,7 В, поэтому элементы «сложены» или расположены последовательно, чтобы создать достаточное напряжение для удовлетворения требований приложения. В дополнение к электричеству топливные элементы производят воду, тепло и, в зависимости от источника топлива, очень небольшие количества диоксида азота и другие выбросы. Энергоэффективность топливного элемента обычно составляет от 40 до 60%; однако, если отработанное тепло улавливается в схеме когенерации, эффективность может достигать 85%.

Рынок топливных элементов растет, и в 2013 году Pike Research подсчитала, что к 2020 году рынок стационарных топливных элементов достигнет 50 ГВт.

Половина клеток

Основная статья: полуклетка
Ячейка Бунзена, изобретенная Робертом Бунзеном.

Электрохимическая ячейка состоит из двух полуэлементов. Каждая полуэлемент состоит из электрода и электролита. Два полуэлемента могут использовать один и тот же электролит или использовать разные электролиты. Химические реакции в элементе могут включать электролит, электроды или внешнее вещество (как в топливных элементах, которые могут использовать газообразный водород в качестве реагента). В полностью электрохимической ячейке частицы из одной полуэлемента теряют электроны (окисление) на своем электроде, в то время как частицы из другой полуэлемента получают электроны (восстановление) от своего электрода.

Солевой мостик (например, фильтровальная бумага, пропитанная KNO3, NaCl или некоторым другим электролитом) часто используется для обеспечения ионного контакта между двумя полуэлементами с различными электролитами, но при этом предотвращает смешивание растворов и вызывает нежелательные побочные реакции. Альтернативой солевому мостику является обеспечение прямого контакта (и смешивания) между двумя полуэлементами, например, при простом электролизе воды.

Когда электроны текут из одной полуэлемента в другую через внешнюю цепь, устанавливается разница в заряде. Если бы ионный контакт не был обеспечен, эта разность зарядов быстро предотвратила бы дальнейший поток электронов. Солевой мостик позволяет потоку отрицательных или положительных ионов поддерживать устойчивое распределение заряда между сосудами окисления и восстановления, сохраняя при этом содержимое отдельно. Другими устройствами для достижения разделения растворов являются пористые горшки и гелеобразные растворы. В ячейке Бунзена (справа) используется пористый горшок.

Равновесная реакция

Каждая полуэлемент имеет характерное напряжение. Различный выбор веществ для каждой полуэлемента дает разные потенциальные различия. Каждая реакция проходит равновесную реакцию между различными состояниями окисления ионов: когда равновесие достигнуто, элемент не может обеспечить дополнительное напряжение. В полуэлементе, который подвергается окислению, чем ближе равновесие к иону / атому с более положительным состоянием окисления, тем больший потенциал эта реакция обеспечит. Аналогично, в реакции восстановления, чем ближе равновесие к иону / атому, тем более отрицательное состояние окисления выше, чем выше потенциал.

Сотовый потенциал

Потенциал ячейки может быть предсказан с помощью потенциалов электрода (напряжения каждой полуэлемента). Эти полуэлементные потенциалы определяются относительно назначения 0 вольт на стандартный водородный электрод (SHE). (См. Таблицу стандартных электродных потенциалов). Разница в напряжении между потенциалами электродов дает прогноз для измеренного потенциала. При расчете разницы в напряжении необходимо сначала переписать уравнения реакции на половинную ячейку, чтобы получить сбалансированное уравнение окисления-восстановления.

  1. Обратная реакция восстановления с наименьшим потенциалом (для создания реакции окисления / общего положительного клеточного потенциала)
  2. Полуреакции должны быть умножены на целые числа для достижения электронного баланса.

Ячейки потенциалов имеют возможный диапазон примерно от 0 до 6 вольт. Ячейки, использующие электролиты на водной основе, обычно ограничены потенциалом ячейки менее чем около 2,5 вольт из-за высокой реакционной способности мощных окислителей и восстановителей с водой, необходимой для получения более высокого напряжения. Более высокие клеточные потенциалы возможны с клетками, использующими другие растворители вместо воды. Например, литиевые элементы с напряжением 3 вольт обычно доступны.

Потенциал клетки зависит от концентрации реагентов, а также от их типа. Когда элемент разряжается, концентрация реагентов уменьшается, и потенциал элемента также уменьшается.


просмотров: 101