מקורות זרם כימיים (בקיצור HIT) הם מכשירים שבהם האנרגיה של תגובת חיזור מומרת לאנרגיה חשמלית. השמות האחרים שלהם הם תא אלקטרוכימי, תא גלווני, תא אלקטרוכימי. עקרון הפעולה שלהם הוא כדלקמן: כתוצאה מאינטראקציה של שני ריאגנטים, מתרחשת תגובה כימית עם שחרור אנרגיה מזרם חשמלי ישר. במקורות זרם אחרים, תהליך הפקת החשמל מתרחש על פי תכנית רב-שלבית. ראשית, אנרגיה תרמית משתחררת, לאחר מכן היא מומרת לאנרגיה מכנית, ורק לאחר מכן לאנרגיה חשמלית. היתרון של HIT הוא התהליך החד-שלבי, כלומר, חשמל מתקבל באופן מיידי, תוך עקיפת שלבי השגת אנרגיה תרמית ומכאנית.
היסטוריה
איך הופיעו המקורות הנוכחיים הראשונים? מקורות כימיים נקראים תאים גלווניים לכבודו של המדען האיטלקי של המאה השמונה עשרה - לואיג'י גלווני. הוא היה רופא, אנטומיסט, פיזיולוג ופיזיקאי. אחד הכיוונים שלוהמחקר היה חקר תגובות בעלי חיים להשפעות חיצוניות שונות. השיטה הכימית לייצור חשמל התגלתה על ידי גלווני במקרה, במהלך אחד הניסויים בצפרדעים. הוא חיבר שתי לוחות מתכת לעצב החשוף ברגל הצפרדע. זה גרם להתכווצות השרירים. ההסבר של גלווני עצמו לתופעה זו היה שגוי. אבל תוצאות הניסויים והתצפיות שלו עזרו לבן ארצו אלסנדרו וולטה במחקרים הבאים.
וולטה התווה בכתביו את התיאוריה של התרחשות זרם חשמלי כתוצאה מתגובה כימית בין שתי מתכות במגע עם רקמת השריר של צפרדע. מקור הזרם הכימי הראשון נראה כמו מיכל של מלח, עם לוחות אבץ ונחושת טבולים בו.
HIT החל להיות מיוצר בקנה מידה תעשייתי במחצית השנייה של המאה התשע-עשרה, הודות ל-Leclanche הצרפתי, שהמציא את תא המנגן-אבץ הראשוני עם אלקטרוליט מלח, הקרוי על שמו. כמה שנים מאוחר יותר, התא האלקטרוכימי הזה שופר על ידי מדען אחר והיה מקור הזרם הכימי העיקרי היחיד עד 1940.
עיצוב ועיקרון הפעולה HIT
המכשיר של מקורות זרם כימיים כולל שתי אלקטרודות (מוליכים מהסוג הראשון) ואלקטרוליט הממוקם ביניהן (מוליך מהסוג השני, או מוליך יוני). פוטנציאל אלקטרוני נוצר בגבול ביניהם. האלקטרודה שבה מתחמצן החומר המצמצםנקראת האנודה, וזו שעליה מופחת חומר החמצון נקראת הקתודה. יחד עם האלקטרוליט, הם מרכיבים את המערכת האלקטרוכימית.
תוצר לוואי של תגובת החיזור בין אלקטרודות הוא יצירת זרם חשמלי. במהלך תגובה כזו, הגורם המחמצן מתחמצן ותורם אלקטרונים לחומר המחמצן, שמקבל אותם ובכך מצטמצם. נוכחות של אלקטרוליט בין הקתודה לאנודה היא תנאי הכרחי לתגובה. אם פשוט מערבבים אבקות משתי מתכות שונות יחד, לא ישתחרר חשמל, כל האנרגיה תשתחרר בצורת חום. יש צורך באלקטרוליט כדי לייעל את תהליך העברת האלקטרונים. לרוב, מדובר בתמיסת מלח או בהמסה.
אלקטרודות נראות כמו לוחות מתכת או רשתות. כאשר הם טובלים באלקטרוליט נוצר ביניהם הפרש פוטנציאל חשמלי - מתח מעגל פתוח. האנודה נוטה לתרום אלקטרונים, בעוד שהקתודה נוטה לקבל אותם. תגובות כימיות מתחילות על פני השטח שלהם. הם מפסיקים כאשר המעגל נפתח, וגם כאשר אחד מהריאגנטים נגמר. פתיחת המעגל מתרחשת כאשר מסירים אחת מהאלקטרודות או האלקטרוליט.
הרכב של מערכות אלקטרוכימיות
מקורות זרם כימיים משתמשים בחומצות ומלחים המכילים חמצן, חמצן, הלידים, תחמוצות מתכות גבוהות יותר, תרכובות ניטרו-אורגניות וכו' כחומרי חמצון. מתכות והתחמוצות הנמוכות שלהן, מימן הם חומרים מפחיתים בהםותרכובות פחמימנים. אופן השימוש באלקטרוליטים:
- תמיסות מימיות של חומצות, אלקליות, מי מלח וכו'.
- תמיסות לא מימיות עם מוליכות יונית, המתקבלות על ידי המסת מלחים בממסים אורגניים או אנאורגניים.
- מלחים מותכים.
- תרכובות מוצקות עם סריג יוני שבו אחד היונים נייד.
- אלקטרוליטים מטריקס. אלו הן תמיסות נוזליות או נמסות הממוקמות בנקבוביות של גוף מוצק לא מוליך - נושא אלקטרונים.
- אלקטרוליטים מחליפי יונים. אלו הן תרכובות מוצקות עם קבוצות יונוגניות קבועות מאותו סימן. יונים של השלט השני הם ניידים. תכונה זו הופכת את המוליכות של אלקטרוליט כזה לחד-קוטבי.
סוללות גלווניות
מקורות זרם כימיים מורכבים מתאי גלווני - תאים. המתח באחד מהתאים הללו קטן - מ-0.5 עד 4V. בהתאם לצורך, נעשה שימוש בסוללה גלוונית ב-HIT, המורכבת ממספר תאים המחוברים בסדרה. לפעמים נעשה שימוש בחיבור מקביל או סדרתי-מקביל של מספר אלמנטים. רק תאים ראשיים זהים או סוללות תמיד כלולים במעגל סדרתי. הם חייבים להיות בעלי אותם פרמטרים: מערכת אלקטרוכימית, עיצוב, אפשרות טכנולוגית וגודל סטנדרטי. לחיבור מקביל, מקובל להשתמש באלמנטים בגדלים שונים.
HIT Classification
מקורות זרם כימיים שונים ב:
- size;
- designs;
- reagents;
- טבעה של התגובה יוצרת האנרגיה.
פרמטרים אלה קובעים את מאפייני הביצועים של HIT המתאימים ליישום מסוים.
סיווג יסודות אלקטרוכימיים מבוסס על ההבדל בעקרון הפעולה של המכשיר. בהתאם למאפיינים אלה, הם מבחינים:
- מקורות זרם כימיים ראשוניים הם יסודות חד-פעמיים. יש להם אספקה מסוימת של ריאגנטים, אשר נצרך במהלך התגובה. לאחר פריקה מלאה, תא כזה מאבד את הפונקציונליות שלו. בדרך אחרת, HITs ראשוניים נקראים תאים גלווניים. נכון יהיה לקרוא להם בפשטות - אלמנט. הדוגמאות הפשוטות ביותר למקור כוח ראשי הן "סוללות" A-A.
- מקורות זרם כימיים נטענים - סוללות (הן נקראות גם HIT שניוני, הפיך) הן תאים לשימוש חוזר. על ידי העברת זרם ממעגל חיצוני בכיוון ההפוך דרך הסוללה, לאחר פריקה מלאה, מתחדשים הריאגנטים המושקעים, ושוב צוברים אנרגיה כימית (טעינה). הודות ליכולת הטעינה ממקור זרם קבוע חיצוני, נעשה שימוש במכשיר זה לאורך זמן, עם הפסקות לטעינה. תהליך הפקת אנרגיה חשמלית נקרא פריקת סוללה. HITs כאלה כוללים סוללות עבור מכשירים אלקטרוניים רבים (מחשבים ניידים, טלפונים ניידים וכו').
- מקורות זרם כימי תרמי - מכשירים רציפים. בְּבתהליך העבודה שלהם, יש זרימה מתמשכת של מנות חדשות של ריאגנטים והסרה של תוצרי תגובה.
- לתאים גלווניים משולבים (חצי דלק) יש מלאי של אחד מהריאגנטים. השני מוזן למכשיר מבחוץ. חיי המכשיר תלויים באספקת המגיב הראשון. מקורות כימיים משולבים של זרם חשמלי משמשים כסוללות, אם ניתן להחזיר את הטעינה שלהם על ידי העברת זרם ממקור חיצוני.
- HIT מתחדש הניתן לטעינה מכנית או כימית. עבורם, ניתן להחליף את הריאגנטים המושקעים במנות חדשות לאחר פריקה מלאה. כלומר, הם אינם מכשירים רציפים, אבל, כמו סוללות, הם נטענים מדי פעם מחדש.
HIT Features
המאפיינים העיקריים של מקורות כוח כימיים כוללים:
- מתח מעגל פתוח (ORC או מתח פריקה). אינדיקטור זה, קודם כל, תלוי במערכת האלקטרוכימית שנבחרה (שילוב של חומר מפחית, חומר מחמצן ואלקטרוליט). כמו כן, ה-NRC מושפע מריכוז האלקטרוליט, מידת הפריקה, הטמפרטורה ועוד. ה-NRC תלוי בערך הזרם העובר דרך ה-HIT.
- Power.
- זרם פריקה - תלוי בהתנגדות של המעגל החיצוני.
- Capacity - כמות החשמל המקסימלית שה-HIT נותן כשהוא פרוק במלואו.
- עתודת חשמל - האנרגיה המקסימלית המתקבלת כשהמכשיר פרוק במלואו.
- מאפייני אנרגיה. עבור סוללות, זהו, קודם כל, מספר מובטח של מחזורי טעינה-פריקה מבלי להפחית את הקיבולת או את מתח הטעינה (משאב).
- טווח הפעלה של טמפרטורה.
- חיי מדף הם הזמן המרבי המותר בין הייצור לפריקה הראשונה של המכשיר.
- חיים שימושיים - התקופה הכוללת המקסימלית המותרת של אחסון ותפעול. עבור תאי דלק, חיי שירות רציפים ולסירוגין חשובים.
- סך האנרגיה שהתפזרה לאורך החיים.
- חוזק מכני נגד רעידות, זעזועים וכו'.
- יכולת עבודה בכל תפקיד.
- Reliability.
- תחזוקה קלה.
HIT Requirements
העיצוב של תאים אלקטרוכימיים חייב לספק תנאים המתאימים לתגובה היעילה ביותר. תנאים אלה כוללים:
- מניעת זליגת זרם;
- אפילו עבודה;
- חוזק מכני (כולל אטימות);
- הפרדת ריאגנטים;
- מגע טוב בין אלקטרודות לאלקטרוליט;
- פיזור הזרם מאזור התגובה למסוף החיצוני עם הפסדים מינימליים.
מקורות זרם כימיים חייבים לעמוד בדרישות הכלליות הבאות:
- הערכים הגבוהים ביותר של פרמטרים ספציפיים;
- טווח טמפרטורת עבודה מקסימלית;
- המתח הגדול ביותר;
- עלות מינימליתיחידות אנרגיה;
- יציבות מתח;
- בטיחות טעינה;
- security;
- קלות תחזוקה, ובאופן אידיאלי אין צורך בכך;
- חיי שירות ארוכים.
HIT
ניצול
היתרון העיקרי של תאים גלווניים ראשוניים הוא שהם אינם דורשים תחזוקה. לפני שתתחיל להשתמש בהם, זה מספיק כדי לבדוק את המראה, תאריך התפוגה. בעת החיבור, חשוב להקפיד על הקוטביות ולבדוק את תקינות המגעים של המכשיר. מקורות זרם כימיים מורכבים יותר - סוללות, דורשים טיפול רציני יותר. מטרת התחזוקה שלהם היא למקסם את חיי השירות שלהם. הטיפול בסוללה הוא:
- קיפ נקי;
- ניטור מתח במעגל פתוח;
- שמירה על מפלס האלקטרוליט (ניתן להשתמש רק במים מזוקקים לטעינה);
- שליטה בריכוז האלקטרוליטים (באמצעות הידרומטר - מכשיר פשוט למדידת צפיפות הנוזלים).
בהפעלת תאים גלווניים, יש להקפיד על כל הדרישות הנוגעות לשימוש בטוח במכשירים חשמליים.
סיווג של HIT לפי מערכות אלקטרוכימיות
סוגי מקורות זרם כימיים, בהתאם למערכת:
- עופרת (חומצה);
- ניקל-קדמיום, ניקל-ברזל, ניקל-אבץ;
- מנגן-אבץ, נחושת-אבץ, כספית-אבץ, אבץ כלוריד;
- כסף-אבץ, כסף-קדמיום;
- אוויר-מתכת;
- ניקל-מימן וכסף-מימן;
- מנגן-מגנזיום;
- ליתיום וכו'
יישום מודרני של HIT
מקורות זרם כימיים נמצאים כעת בשימוש ב:
- רכבים;
- מכשירים ניידים;
- טכנולוגיה צבאית וחלל;
- ציוד מדעי;
- רפואה (קוצבי לב).
דוגמאות רגילות של HIT בחיי היומיום:
- סוללות (סוללות יבשות);
- סוללות למכשירי חשמל ביתיים ניידים ואלקטרוניקה;
- אל-פסק;
- סוללות לרכב.
מקורות זרם כימיים של ליתיום נמצאים בשימוש נרחב במיוחד. הסיבה לכך היא שלליתיום (Li) יש את האנרגיה הספציפית הגבוהה ביותר. העובדה היא שיש לו את פוטנציאל האלקטרודה השלילי ביותר מבין כל שאר המתכות. סוללות ליתיום-יון (LIA) מקדימות את כל ה-CPS האחרות מבחינת אנרגיה ומתח פעולה ספציפיים. כעת הם שולטים בהדרגה בתחום חדש - תחבורה בכבישים. בעתיד, הפיתוח של מדענים הקשורים לשיפור סוללות הליתיום ינוע לעבר עיצובים דקים במיוחד וסוללות כבדות גדולות.
