Электрохимическая энергетика

Лекция 1. Теоретические основы электрохимической энергоконверсии

Электрохимическая энергоконверсия энергетическая технология, использующая

электрохимические методы прямого преобразования химической энергии в электрический ток

Химический источник тока

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

Вольтов столб

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)

(+)

Напряжение элемента

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

Уравнение Нернста

i

i

νреагентов0νпродуктов

∏ aRTE =E + lnnF ∏ a

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.

Электродная поляризация

η = E(i) – E(0)

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

Козадеров О.А. 2015 г.

Рабочее напряжение элемента U = E(i)

U = E – ηом – |ηакт| – |ηконц|

Козадеров О.А. 2015 г.

Омическая поляризация ηом

Закон Омаηом = I∙Rэлемента = i/æэлемента

Козадеров О.А. 2015 г.

Удельная электропроводность электролитов

Козадеров О.А. 2015 г.

Активационная поляризация ηакт

Уравнение Батлера-Фольмера

Козадеров О.А. 2015 г.

Активационная поляризация ηакт

Уравнение Батлера-Фольмера

Козадеров О.А. 2015 г.

Активационная поляризация ηакт Уравнение Батлера-Фольмера

Козадеров О.А. 2015 г.

Концентрационная поляризация

ln 1n

концпред

RT iη = F i

Козадеров О.А. 2015 г.

Поляризационная кривая элемента

Козадеров О.А. 2015 г.

Мощность элемента P = i∙U

Козадеров О.А. 2015 г.

Кривая разрядапервичного и вторичного элемента

Козадеров О.А. 2015 г.

Энергоемкость и энергия элемента

энергоемкость (Кл, А∙ч) - количество электричества, которое заряженный элемент может предоставить внешней нагрузке до момента истощения (отсечки)

энергия (Дж, Вт∙ч) = энергоемкость∙время