Vyanzo vya sasa vya kemikali (vifupisho kama HIT) ni vifaa ambavyo nishati ya mmenyuko wa redoksi hubadilishwa kuwa nishati ya umeme. Majina yao mengine ni kiini cha electrochemical, kiini cha galvanic, kiini cha electrochemical. Kanuni ya operesheni yao ni kama ifuatavyo: kama matokeo ya mwingiliano wa vitendanishi viwili, mmenyuko wa kemikali hufanyika na kutolewa kwa nishati kutoka kwa umeme wa moja kwa moja. Katika vyanzo vingine vya sasa, mchakato wa kuzalisha umeme hutokea kulingana na mpango wa hatua mbalimbali. Kwanza, nishati ya joto hutolewa, kisha inabadilishwa kuwa nishati ya mitambo, na kisha tu katika nishati ya umeme. Faida ya HIT ni mchakato wa hatua moja, yaani, umeme hupatikana mara moja, kupita hatua za kupata nishati ya joto na mitambo.
Historia
Vyanzo vya sasa vya kwanza vilionekanaje? Vyanzo vya kemikali huitwa seli za galvanic kwa heshima ya mwanasayansi wa Italia wa karne ya kumi na nane - Luigi Galvani. Alikuwa daktari, anatomist, fiziolojia na mwanafizikia. Moja ya maelekezo yakeutafiti ulikuwa utafiti wa athari za wanyama kwa mvuto mbalimbali wa nje. Njia ya kemikali ya kuzalisha umeme iligunduliwa na Galvani kwa bahati, wakati wa majaribio ya vyura. Aliunganisha sahani mbili za chuma kwenye ujasiri ulio wazi kwenye mguu wa chura. Hii ilisababisha contraction ya misuli. Maelezo ya Galvani mwenyewe ya jambo hili hayakuwa sahihi. Lakini matokeo ya majaribio na uchunguzi wake yalimsaidia mshirika wake Alessandro Volta katika tafiti zilizofuata.
Volta alielezea katika maandishi yake nadharia ya kutokea kwa mkondo wa umeme kama matokeo ya mmenyuko wa kemikali kati ya metali mbili zinazogusana na tishu za misuli ya chura. Chanzo cha kwanza cha kemikali cha sasa kilionekana kama chombo cha chumvi, kilicho na sahani za zinki na shaba zilizowekwa ndani yake.
HIT ilianza kuzalishwa kwa kiwango cha viwanda katika nusu ya pili ya karne ya kumi na tisa, shukrani kwa Mfaransa Leclanche, ambaye alivumbua seli ya msingi ya manganese-zinki na elektroliti ya chumvi, iliyopewa jina lake. Miaka michache baadaye, seli hii ya kielektroniki iliboreshwa na mwanasayansi mwingine na ikawa chanzo pekee cha msingi cha kemikali hadi 1940.
Muundo na kanuni ya uendeshaji HIT
Kifaa cha vyanzo vya sasa vya kemikali ni pamoja na elektrodi mbili (kondakta za aina ya kwanza) na elektroliti iliyo kati yao (kondakta wa aina ya pili, au kondakta ioni). Uwezo wa kielektroniki unatokea kwenye mpaka kati yao. Electrode ambayo wakala wa kupunguza ni oxidizedinayoitwa anode, na moja ambayo wakala wa oxidizing hupunguzwa inaitwa cathode. Pamoja na elektroliti, huunda mfumo wa kielektroniki.
Bidhaa ndogo ya mmenyuko wa redoksi kati ya elektrodi ni utengenezaji wa mkondo wa umeme. Wakati wa majibu hayo, wakala wa kupunguza hutiwa oksidi na hutoa elektroni kwa wakala wa oksidi, ambayo huwakubali na hivyo hupunguzwa. Uwepo wa electrolyte kati ya cathode na anode ni hali ya lazima kwa majibu. Ikiwa unachanganya tu poda kutoka kwa metali mbili tofauti pamoja, hakuna umeme utakaotolewa, nishati yote itatolewa kwa namna ya joto. Electroliti inahitajika ili kurahisisha mchakato wa uhamishaji wa elektroni. Mara nyingi, ni myeyusho wa chumvi au kuyeyuka.
Elektroni zinaonekana kama sahani za chuma au gridi. Wakati wanaingizwa kwenye electrolyte, tofauti ya uwezo wa umeme hutokea kati yao - voltage ya mzunguko wa wazi. Anode huwa na kutoa elektroni, wakati cathode huwa inakubali. Athari za kemikali huanza kwenye uso wao. Wanaacha wakati mzunguko unafunguliwa, na pia wakati moja ya reagents inatumiwa. Ufunguzi wa saketi hutokea wakati moja ya elektroli au elektroliti inapotolewa.
Muundo wa mifumo ya elektrokemia
Vyanzo vya sasa vya kemikali hutumia asidi na chumvi zenye oksijeni, oksijeni, halidi, oksidi za juu zaidi za metali, misombo ya nitroorganic n.k. kama vioksidishaji. Vyuma na oksidi zake za chini, hidrojeni ni vinakisishaji ndani yake.na misombo ya hidrokaboni. Jinsi elektroliti hutumika:
- Miyeyusho yenye maji ya asidi, alkali, salini, n.k.
- Miyeyusho isiyo na maji yenye upitishaji wa ioni, inayopatikana kwa kuyeyusha chumvi katika viyeyusho vya kikaboni au isokaboni.
- Chumvi iliyoyeyushwa.
- Michanganyiko madhubuti yenye kimiani ya ayoni ambayo moja ya ayoni inatembea.
- Elektroliti za Matrix. Hizi ni miyeyusho ya kimiminika au miyeyusho iliyo katika tundu la chombo kigumu kisichopitisha hewa - kibeba elektroni.
- Elektroliti za kubadilishana ion. Hizi ni misombo imara na makundi ya ionogenic ya kudumu ya ishara sawa. Ioni za ishara nyingine ni za rununu. Kipengele hiki hufanya upitishaji wa elektroliti kama unipolar.
betri za galvani
Vyanzo vya sasa vya kemikali vinajumuisha seli za galvanic - seli. Voltage katika moja ya seli hizi ni ndogo - kutoka 0.5 hadi 4V. Kulingana na hitaji, betri ya galvanic hutumiwa katika HIT, inayojumuisha seli kadhaa zilizounganishwa mfululizo. Wakati mwingine uunganisho wa sambamba au mfululizo-sambamba wa vipengele kadhaa hutumiwa. Seli za msingi au betri zinazofanana pekee ndizo zinazojumuishwa katika mzunguko wa mfululizo. Wanapaswa kuwa na vigezo sawa: mfumo wa electrochemical, kubuni, chaguo la teknolojia na ukubwa wa kawaida. Kwa muunganisho sambamba, inakubalika kutumia vipengele vya ukubwa tofauti.
HIT Ainisho
Vyanzo vya sasa vya kemikali vinatofautiana katika:
- ukubwa;
- miundo;
- vitendanishi;
- asili ya mmenyuko wa kutengeneza nishati.
Vigezo hivi huamua sifa za utendaji za HIT zinazofaa kwa programu mahususi.
Uainishaji wa vipengele vya elektrokemikali unatokana na tofauti katika kanuni ya uendeshaji wa kifaa. Kulingana na sifa hizi, wanatofautisha:
- Vyanzo vya msingi vya sasa vya kemikali ni vipengele vinavyoweza kutumika. Wana ugavi fulani wa reagents, ambayo hutumiwa wakati wa majibu. Baada ya kutokwa kamili, seli kama hiyo inapoteza utendaji wake. Kwa njia nyingine, HIT za msingi huitwa seli za galvanic. Itakuwa sahihi kuwaita kwa urahisi - kipengele. Mifano rahisi zaidi ya chanzo msingi cha nishati ni "betri" A-A.
- Vyanzo vya sasa vya kemikali vinavyoweza kuchajiwa tena - betri (pia huitwa HIT ya pili, inayoweza kutenduliwa) ni seli zinazoweza kutumika tena. Kwa kupitisha sasa kutoka kwa mzunguko wa nje kwa mwelekeo kinyume kwa njia ya betri, baada ya kutokwa kamili, reagents zilizotumiwa zinafanywa upya, tena kukusanya nishati ya kemikali (kumshutumu). Shukrani kwa uwezo wa kurejesha kutoka kwa chanzo cha sasa cha mara kwa mara cha nje, kifaa hiki kinatumika kwa muda mrefu, na mapumziko ya kurejesha tena. Mchakato wa kuzalisha nishati ya umeme huitwa kutokwa kwa betri. HIT kama hizo ni pamoja na betri za vifaa vingi vya kielektroniki (laptop, simu za rununu, n.k.).
- Vyanzo vya sasa vya kemikali ya joto - vifaa vinavyoendelea. KATIKAkatika mchakato wa kazi yao, kuna mtiririko unaoendelea wa sehemu mpya za vitendanishi na uondoaji wa bidhaa za athari.
- Seli za galvani zilizochanganywa (nusu-mafuta) zina hisa ya mojawapo ya vitendanishi. Ya pili inalishwa ndani ya kifaa kutoka nje. Uhai wa kifaa hutegemea ugavi wa reagent ya kwanza. Vyanzo vya kemikali vilivyochanganywa vya mkondo wa umeme hutumika kama betri, ikiwezekana kurejesha chaji yao kwa kupitisha mkondo kutoka kwa chanzo cha nje.
- HIT inayoweza kuchajiwa upya kwa mitambo au kemikali. Kwao, inawezekana kuchukua nafasi ya reagents zilizotumiwa na sehemu mpya baada ya kutokwa kamili. Hiyo ni, si vifaa vinavyoendelea, lakini, kama vile betri, huchajiwa mara kwa mara.
Vipengele VYA HIT
Sifa kuu za vyanzo vya nishati ya kemikali ni pamoja na:
- Vola voltage ya mzunguko (ORC au volteji ya kutolea uchafu). Kiashiria hiki, kwanza kabisa, kinategemea mfumo wa electrochemical uliochaguliwa (mchanganyiko wa wakala wa kupunguza, wakala wa oxidizing na electrolyte). Pia, NRC inathiriwa na mkusanyiko wa electrolyte, kiwango cha kutokwa, joto, na zaidi. NRC inategemea thamani ya sasa inayopita kwenye HIT.
- Nguvu.
- Mkondo wa kutoa chaji - inategemea ukinzani wa saketi ya nje.
- Uwezo - kiwango cha juu cha umeme ambacho HIT hutoa inapowashwa kabisa.
- Hifadhi ya nishati - kiwango cha juu cha nishati inayopokelewa wakati kifaa kimewashwa kabisa.
- Sifa za Nishati. Kwa betri, hii ni, kwanza kabisa, idadi iliyohakikishwa ya mizunguko ya kutokwa kwa chaji bila kupunguza uwezo au voltage ya chaji (rasilimali).
- Aina ya halijoto ya uendeshaji.
- Maisha ya rafu ndio muda wa juu unaoruhusiwa kati ya utengenezaji na uondoaji wa kwanza wa kifaa.
- Maisha ya manufaa - kiwango cha juu kinachoruhusiwa cha jumla cha muda wa hifadhi na uendeshaji. Kwa seli za mafuta, maisha ya huduma endelevu na ya mara kwa mara ni muhimu.
- Jumla ya nishati ilipotea maishani.
- Nguvu za mitambo dhidi ya mtetemo, mshtuko, n.k.
- Uwezo wa kufanya kazi katika nafasi yoyote.
- Kutegemewa.
- Matengenezo rahisi.
Mahitaji ya KUHIT
Muundo wa seli za kielektroniki lazima utoe hali zinazofaa kwa athari bora zaidi. Masharti haya ni pamoja na:
- zuia uvujaji wa sasa;
- hata kazi;
- nguvu ya mitambo (ikiwa ni pamoja na kubana);
- mgawanyo wa vitendanishi;
- mgusano mzuri kati ya elektrodi na elektroliti;
- kupoteza mkondo wa umeme kutoka eneo la athari hadi terminal ya nje na hasara ndogo.
vyanzo vya sasa vya kemikali lazima vikidhi mahitaji ya jumla yafuatayo:
- thamani za juu zaidi za vigezo maalum;
- kiwango cha juu zaidi cha halijoto ya kufanya kazi;
- mvuto mkubwa zaidi;
- gharama ya chinivitengo vya nishati;
- uthabiti wa voltage;
- usalama wa malipo;
- usalama;
- urahisi wa matengenezo, na bila shaka hakuna haja yake;
- maisha marefu ya huduma.
Unyonyaji HIT
Faida kuu ya seli za msingi za galvanic ni kwamba hazihitaji matengenezo yoyote. Kabla ya kuanza kuzitumia, inatosha kuangalia kuonekana, tarehe ya kumalizika muda wake. Wakati wa kuunganisha, ni muhimu kuchunguza polarity na kuangalia uaminifu wa mawasiliano ya kifaa. Vyanzo vya sasa vya kemikali ngumu zaidi - betri, zinahitaji huduma kubwa zaidi. Madhumuni ya matengenezo yao ni kuongeza maisha yao ya huduma. Kutunza betri ni:
- kuwa safi;
- wazi ufuatiliaji wa voltage ya mzunguko;
- kudumisha kiwango cha elektroliti (maji yaliyosafishwa pekee yanaweza kutumika kuongezea);
- udhibiti wa ukolezi wa elektroliti (kwa kutumia hidromita - kifaa rahisi cha kupima msongamano wa vimiminiko).
Unapotumia seli za galvanic, mahitaji yote yanayohusiana na matumizi salama ya vifaa vya umeme lazima izingatiwe.
Uainishaji wa HIT kulingana na mifumo ya kielektroniki
Aina za vyanzo vya sasa vya kemikali, kulingana na mfumo:
- lead (asidi);
- nikeli-cadmium, nikeli-chuma, nikeli-zinki;
- manganese-zinki, shaba-zinki, zebaki-zinki, kloridi ya zinki;
- silver-zinki, silver-cadmium;
- hewa-chuma;
- nikeli-hidrojeni na fedha-hidrojeni;
- manganese-magnesium;
- lithium n.k.
Utumiaji wa kisasa wa HIT
Vyanzo vya sasa vya kemikali vinatumika katika:
- magari;
- vifaa vinavyobebeka;
- teknolojia ya kijeshi na anga;
- vifaa vya kisayansi;
- dawa (pacemakers).
Mifano ya kawaida ya HIT katika maisha ya kila siku:
- betri (betri kavu);
- betri za vyombo vya nyumbani vinavyobebeka na umeme;
- vituo vya umeme visivyokatika;
- betri za gari.
Vyanzo vya sasa vya kemikali ya lithiamu hutumika sana. Hii ni kwa sababu lithiamu (Li) ina nishati maalum ya juu zaidi. Ukweli ni kwamba ina uwezo mbaya zaidi wa electrode kati ya metali nyingine zote. Betri za Lithium-ion (LIA) ziko mbele ya CPS nyingine zote kwa suala la nishati maalum na voltage ya uendeshaji. Sasa wanajifunza hatua kwa hatua eneo jipya - usafiri wa barabara. Katika siku zijazo, maendeleo ya wanasayansi kuhusiana na uboreshaji wa betri za lithiamu yataelekea kwenye miundo nyembamba zaidi na betri kubwa za uwajibikaji mzito.
