Keemilised vooluallikad (lühendatult HIT) on seadmed, milles redoksreaktsiooni energia muundatakse elektrienergiaks. Nende teised nimetused on elektrokeemiline element, galvaaniline element, elektrokeemiline element. Nende tööpõhimõte on järgmine: kahe reaktiivi koostoime tulemusena toimub keemiline reaktsioon energia vabanemisega alalisvoolust. Teistes vooluallikates toimub elektrienergia tootmise protsess mitmeastmelise skeemi järgi. Esiteks vabaneb soojusenergia, seejärel muundatakse see mehaaniliseks energiaks ja alles seejärel elektrienergiaks. HIT-i eeliseks on üheetapiline protsess, st elekter saadakse kohe, möödudes soojus- ja mehaanilise energia saamise etapist.
Ajalugu
Kuidas esimesed praegused allikad ilmusid? Kaheksateistkümnenda sajandi Itaalia teadlase Luigi Galvani auks nimetatakse keemilisi allikaid galvaanilisteks rakkudeks. Ta oli arst, anatoom, füsioloog ja füüsik. Üks selle suundadestuurimistöö oli loomade reaktsioonide uurimine erinevatele välismõjudele. Elektritootmise keemilise meetodi avastas Galvani juhuslikult ühe konnaga tehtud katse käigus. Ta ühendas kaks metallplaati konna jala paljastunud närviga. Selle tulemuseks oli lihaste kokkutõmbumine. Galvani enda seletus sellele nähtusele oli vale. Kuid tema katsete ja vaatluste tulemused aitasid tema kaasmaalast Alessandro Voltat järgmistes uuringutes.
Volta kirjeldas oma kirjutistes elektrivoolu tekkimise teooriat kahe metalli vahelise keemilise reaktsiooni tulemusena, mis puutuvad kokku konna lihaskoega. Esimene keemiline vooluallikas nägi välja nagu soolalahuse anum, millesse olid sukeldatud tsingi- ja vaseplaadid.
HIT-i hakati tööstuslikus mastaabis tootma üheksateistkümnenda sajandi teisel poolel tänu prantslasele Leclanche'ile, kes leiutas tema järgi nimetatud primaarse mangaan-tsinkelemendi soolaelektrolüüdiga. Mõni aasta hiljem täiustas seda elektrokeemilist elementi teine teadlane ja see oli kuni 1940. aastani ainus peamine keemiline vooluallikas.
Disain ja tööpõhimõte HIT
Keemiliste vooluallikate seade sisaldab kahte elektroodi (esimest tüüpi juhte) ja nende vahel asuvat elektrolüüti (teist tüüpi juht või ioonjuht). Nende vahelisel piiril tekib elektrooniline potentsiaal. Elektrood, mille juures redutseerija oksüdeeritaksenimetatakse anoodiks ja seda, millel oksüdeeriv aine redutseeritakse, nimetatakse katoodiks. Koos elektrolüüdiga moodustavad nad elektrokeemilise süsteemi.
Elektroodidevahelise redoksreaktsiooni kõrvalsaadus on elektrivoolu teke. Sellise reaktsiooni käigus redutseerija oksüdeerub ja loovutab elektronid oksüdeerivale ainele, mis võtab need vastu ja seeläbi redutseerub. Elektrolüüdi olemasolu katoodi ja anoodi vahel on reaktsiooni vajalik tingimus. Kui segate lihts alt kokku kahe erineva metalli pulbrid, siis elektrit ei eraldu, kogu energia eraldub soojuse kujul. Elektrolüüti on vaja elektronide ülekande protsessi sujuvamaks muutmiseks. Enamasti on see soolalahus või sulatis.
Elektroodid näevad välja nagu metallplaadid või võred. Kui need on elektrolüüti kastetud, tekib nende vahel elektripotentsiaalide erinevus - avatud ahela pinge. Anood kipub elektrone loovutama, katood aga neid vastu võtma. Nende pinnal algavad keemilised reaktsioonid. Need peatuvad vooluringi avamisel ja ka siis, kui üks reaktiividest on ära kasutatud. Ahel avaneb, kui üks elektroodidest või elektrolüüt eemaldatakse.
Elektrokeemiliste süsteemide koostis
Keemilistes vooluallikates kasutatakse oksüdeerivate ainetena hapnikku sisaldavaid happeid ja sooli, hapnikku, halogeniide, kõrgemaid metallioksiide, nitroorgaanilisi ühendeid jne. Nendes redutseerijateks on metallid ja nende madalamad oksiidid, vesinikja süsivesinike ühendid. Kuidas elektrolüüte kasutatakse:
- Hapete, leeliste, soolalahuse jne vesilahused
- Ioonjuhtivusega mittevesilahused, mis saadakse soolade lahustamisel orgaanilistes või anorgaanilistes lahustites.
- Sula soolad.
- Ioonvõrega tahked ühendid, milles üks ioonidest on liikuv.
- Maatrikselektrolüüdid. Need on vedelad lahused või sulamid, mis paiknevad tahke mittejuhtiva keha – elektronkandja – poorides.
- Ioonivahetuselektrolüüdid. Need on tahked ühendid, millel on sama märgiga fikseeritud ionogeensed rühmad. Teise märgi ioonid on liikuvad. See omadus muudab sellise elektrolüüdi juhtivuse unipolaarseks.
Galvaaniakud
Keemilised vooluallikad koosnevad galvaanilistest elementidest – elementidest. Pinge ühes neist rakkudest on väike - 0,5 kuni 4 V. Vastav alt vajadusele kasutatakse HITis galvaanilist akut, mis koosneb mitmest järjestikku ühendatud elemendist. Mõnikord kasutatakse mitme elemendi paralleelset või järjestikust paralleelset ühendust. Jadaahelasse kuuluvad alati ainult identsed primaarelemendid või patareid. Neil peavad olema samad parameetrid: elektrokeemiline süsteem, disain, tehnoloogiline võimalus ja standardsuurus. Paralleelseks ühendamiseks on vastuvõetav kasutada erineva suurusega elemente.
HIT klassifikatsioon
Keemilised vooluallikad erinevad:
- suurus;
- disainid;
- reagendid;
- energiat moodustava reaktsiooni olemus.
Need parameetrid määravad kindlaks konkreetse rakenduse jaoks sobivad HIT-i jõudlusomadused.
Elektrokeemiliste elementide klassifikatsioon põhineb seadme tööpõhimõtte erinevusel. Sõltuv alt nendest omadustest eristavad nad:
- Peamised keemilised vooluallikad on ühekordselt kasutatavad elemendid. Neil on teatud varu reaktiive, mis reaktsiooni käigus ära kuluvad. Pärast täielikku tühjendamist kaotab selline rakk oma funktsionaalsuse. Teisel viisil nimetatakse esmaseid HIT-e galvaanilisteks elementideks. Õige on nimetada neid lihts alt - elemendiks. Primaarse toiteallika lihtsaimad näited on "patareid" A-A.
- Taaslaetavad keemilised vooluallikad – akud (neid nimetatakse ka sekundaarseteks, pööratavaks HITiks) on korduvkasutatavad elemendid. Juhtides voolu välisest ahelast vastupidises suunas läbi aku, regenereeritakse pärast täielikku tühjenemist kasutatud reaktiivid, kogudes taas keemilist energiat (laadimine). Tänu võimalusele laadida välisest konstantse vooluallikast, kasutatakse seda seadet pikka aega koos laadimispausidega. Elektrienergia tootmise protsessi nimetatakse aku tühjenemiseks. Sellised HIT-id hõlmavad paljude elektroonikaseadmete (sülearvutid, mobiiltelefonid jne) akusid.
- Soojuskeemilised vooluallikad – pidevad seadmed. ATnende töö käigus toimub pidev uute reaktiivide portsjonite voog ja reaktsioonisaaduste eemaldamine.
- Kombineeritud (poolkütusel) galvaanilistes elementides on ühe reaktiivi varu. Teine juhitakse seadmesse väljastpoolt. Seadme eluiga sõltub esimese reaktiivi tarnimisest. Akudena kasutatakse kombineeritud keemilisi elektrivoolu allikaid, kui nende laengut on võimalik taastada välisest allikast voolu suunamisega.
- HIT taastuv mehaaniliselt või keemiliselt laetav. Nende jaoks on võimalik pärast täielikku tühjendamist asendada kasutatud reaktiivid uute osadega. See tähendab, et need ei ole pidevad seadmed, vaid nagu akusid, laetakse neid perioodiliselt uuesti.
HIT-funktsioonid
Keemiliste jõuallikate peamised omadused on järgmised:
- Avatud vooluahela pinge (ORC või tühjenduspinge). See indikaator sõltub ennekõike valitud elektrokeemilisest süsteemist (redutseerija, oksüdeeriva aine ja elektrolüüdi kombinatsioon). Samuti mõjutavad NRC-d elektrolüüdi kontsentratsioon, tühjendusaste, temperatuur ja palju muud. NRC sõltub HIT-i läbiva voolu väärtusest.
- Toide.
- Tühjendusvool – sõltub välise vooluahela takistusest.
- Tootmisvõime – maksimaalne elektrienergia kogus, mille HIT annab, kui see on täielikult tühjenenud.
- Toitereserv – maksimaalne energia, mis saadakse, kui seade on täielikult tühjenenud.
- Energiaomadused. Akude puhul on see ennekõike garanteeritud laadimis-tühjenemistsüklite arv, vähendamata mahtuvust või laadimispinget (ressurssi).
- Temperatuuri töövahemik.
- Säilivusaeg on maksimaalne lubatud aeg valmistamise ja seadme esimese tühjenemise vahel.
- Kasulik eluiga – maksimaalne lubatud kogu ladustamis- ja tööperiood. Kütuseelementide puhul on oluline pidev ja vahelduv kasutusiga.
- Elu jooksul hajunud koguenergia.
- Mehaaniline tugevus vibratsiooni, löökide jms vastu.
- Võimalus töötada mis tahes ametikohal.
- Usaldusväärsus.
- Lihtne hooldus.
HIT nõuded
Elektrokeemiliste elementide disain peab tagama tingimused, mis soodustavad kõige tõhusamat reaktsiooni. Need tingimused hõlmavad järgmist:
- vooluleket vältima;
- isegi töö;
- mehaaniline tugevus (sh tihedus);
- reaktiivide eraldamine;
- hea kontakt elektroodide ja elektrolüüdi vahel;
- voolu hajumine reaktsioonitsoonist välisklemmile minimaalsete kadudega.
Keemilised vooluallikad peavad vastama järgmistele üldnõuetele:
- konkreetsete parameetrite kõrgeimad väärtused;
- maksimaalne töötemperatuuri vahemik;
- suurim pinge;
- minimaalne kuluenergiaühikud;
- pinge stabiilsus;
- laadimise ohutus;
- turvalisus;
- hoolduslihtsus ja ideaaljuhul pole seda vaja;
- pikk kasutusiga.
Kasutushitt
Primaarsete galvaaniliste elementide peamine eelis on see, et need ei vaja hooldust. Enne nende kasutamise alustamist piisab välimuse, aegumiskuupäeva kontrollimisest. Ühendamisel on oluline jälgida polaarsust ja kontrollida seadme kontaktide terviklikkust. Keerulisemad keemilised vooluallikad – patareid, nõuavad tõsisemat hooldust. Nende hoolduse eesmärk on pikendada nende kasutusiga. Aku eest hoolitsemine on järgmine:
- hoidke puhas;
- avatud vooluahela pinge jälgimine;
- elektrolüüditaseme säilitamine (täitmiseks võib kasutada ainult destilleeritud vett);
- elektrolüütide kontsentratsiooni kontroll (kasutades hüdromeetrit – lihtne seade vedelike tiheduse mõõtmiseks).
Galaanielementide kasutamisel tuleb järgida kõiki elektriseadmete ohutu kasutamise nõudeid.
HIT-i klassifikatsioon elektrokeemiliste süsteemide järgi
Keemiliste vooluallikate tüübid, olenev alt süsteemist:
- plii (hape);
- nikkel-kaadmium, nikkel-raud, nikkel-tsink;
- mangaan-tsink, vask-tsink, elavhõbe-tsink, tsinkkloriid;
- hõbe-tsink, hõbe-kaadmium;
- õhk-metall;
- nikkel-vesinik ja hõbe-vesinik;
- mangaan-magneesium;
- liitium jne
HITi kaasaegne rakendus
Keemilisi vooluallikaid kasutatakse praegu:
- sõidukid;
- kaasaskantavad seadmed;
- sõja- ja kosmosetehnoloogia;
- teaduslikud seadmed;
- meditsiin (stimulaatorid).
Tavalised näited tabamustest igapäevaelus:
- patareid (kuivpatareid);
- kaasaskantavate kodumasinate ja elektroonika akud;
- katkematud toiteallikad;
- autoakud.
Eriti laialdaselt kasutatakse liitiumi keemilisi vooluallikaid. Seda seetõttu, et liitiumil (Li) on kõrgeim erienergia. Fakt on see, et sellel on kõigi teiste metallide seas kõige negatiivsem elektroodipotentsiaal. Liitiumioonakud (LIA) on erienergia ja tööpinge poolest kõigist teistest CPS-idest ees. Nüüd hakkavad nad tasapisi omandama uut valdkonda – maanteetransporti. Tulevikus liigub liitiumakude täiustamisega seotud teadlaste areng üliõhukeste konstruktsioonide ja suurte raskeveokite akude suunas.
