Upload
olegkozaderov
View
181
Download
1
Embed Size (px)
Citation preview
Современные химические источники тока
Лекция 1. Теоретические основы электрохимической энергоконверсии
Химический источник тока
устройство, в котором химическая энергия окислителя и восстановителя напрямую превращается в электрическую энергию
основа любого химического источника тока - это электрохимическая ячейка (элемент)
Классификация химических источников тока
первичные элементы (или гальванические элементы)
вторичные элементы (или аккумуляторы)
топливные элементы
Классификация ХИТ
1. ПЕРВИЧНЫЕ (ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ) ЭЛЕМЕНТЫ
одноразового использования содержат ограниченный запас
окислителя и восстановителя после полного израсходования
активных веществ становятся неработоспособными и требуют замены новыми
Классификация ХИТ
2. ВТОРИЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ (АККУМУЛЯТОРЫ)
многоразового использования содержат ограниченный запас
окислителя и восстановителя после полного израсходования
активных веществ масс могут быть приведены в рабочее состояние под действием электрического тока
Классификация ХИТ
3. ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
работают, пока подаются окислитель и восстановитель, которые хранятся вне элемента
Типичная схема электрохимического элемента
восстановитель | электролит | окислитель
электроотрицательный металл А
электролит
электроположительный металл В
Простейший электрохимический элемент
A → A+ + e−
полуреакция окисления
B+ + e− → Bполуреакция
восстановления
A + B+ → B + A+
окислительно-восстановительный брутто-процесс
(-) АНОД КАТОД (+)
Химический источник тока
устройство, в котором химическая энергия пространственно разделенного взаимодействия окислителя и восстановителя напрямую превращается в электрическую энергию
восстановител
ьна аноде
электролит окислительна катоде +
Реакции в элементе. Разряд
Анодная реакция (окисление): Red1 – ne– → Ox1
Катодная реакция (восстановление):Ox2 + ne– → Red2
Брутто-реакция в ячейке:Red1 + Ox2 → Ox1 + Red2
Ox – окислительRed – восстановитель
Разряд и заряд
РАЗРЯД(–) анод (Red1) | электролит | катод (Ox2)
(+)
ЗАРЯД(–) катод (Ox1) | электролит | анод (Red2)
(+)
Равновесное напряжение элемента на границах раздела фаз (электрод / электролит)
установилось электрохимическое равновесие
электрический ток во внешней цепи отсутствует
электродный потенциал анода отрицательнее, чем потенциал катода
Еa < Ек
равновесное напряжение Е = Ек - Еа > 0
Термодинамический расчет равновесного напряжения элемента
1Red1 + 2 Ox2 → ’1 Ox1 + ’2 Red2 , G0
E0 = –ΔG0/nF
1 Red1 – ne– → ’1 Ox12 Ox2 + ne– → ’2 Red2
Козадеров О.А. 2015 г.
Нарушение равновесия: появление электрического тока во внешней цепи
I – сила электрического токаi = I / S плотность токаS – площадь электрода
равновесие: Iа = Iкiа = iк = i0
равновесие отсутствует:iа iк
Козадеров О.А. 2015 г.
Реальное напряжение элемента
η = E(i) – E(0)
E(i) = E(0) – η
Если Е(0) – равновесное напряжение,то поляризация = перенапряжение
Козадеров О.А. 2015 г.
Электрохимический процесс –гетерогенный и многостадийный
подвод ne отводобъем поверхность поверхность объемк электроду перенос заряда от электродаэлектролита электрода электрода электролита
Ox Ox Red Red
Козадеров О.А. 2015 г.
Причины электродной поляризации
омическая поляризация причина – электрическое сопротивление
элемента
Козадеров О.А. 2015 г.
Причины электродной поляризации
кинетическая (активационная) поляризация причина – заторможенность переноса заряда
на межфазной границе электрод/раствор
Козадеров О.А. 2015 г.
Причины электродной поляризации
транспортная (концентрационная) поляризация причина – заторможенность доставки
реагентов к электроду и/или удаления продуктов от электрода
Козадеров О.А. 2015 г.
Причины электродной поляризации омическая поляризация
причина – электрическое сопротивление элемента кинетическая (активационная) поляризация
причина – заторможенность переноса заряда на межфазной границе электрод/раствор
транспортная (концентрационная) поляризация причина – заторможенность доставки реагентов к
электроду и/или удаления продуктов от электрода
ДОПОЛНИТЕЛЬНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ - ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЕ - КОМПЕНСИРУЕТ
ЗАТОРМОЖЕННОСТЬ ПРОЦЕССА