Електрохімічні комірки (елементи)

Електрохімічна енергетика охоплює процеси й улаштування генерації та акумулювання електричної енергії за допомогою електрохімічних методів, які відбуваються в так званих

електрохімічних комірках, або елементах.

Найпростіша електрохімічна комірка складається з двох електродів, розділених іонним провідником або електролітом. На електродах проходить реакція окиснення відновника (на аноді) і відновлення окиснювача (на катоді). Сукупність окиснювача, відновника та іонного провідника називається електрохімічною системою комірки і записується так [4]:

окиснювач І іонний провідник | відновник.

Електрохімічні комірки підрозділяються на гальванічні (первинні) елементи, електролізні комірки, акумулятори (вторинні).

У гальванічних елементах відбувається перетворення хімічної енергії в електричну, при цьому окиснювач і відновник, що входять до складу електродів, витрачаються в процесі роботи елемента. Після витрати окиснювача й відновника в елемента закінчується термін використання, оскільки він є елементом одноразового користування.

Як приклад, наведемо гальванічний елемент

(+)HgO |КОН| Zn(-)

Якщо замкнути зовнішнє коло елемента, то в ньому протікатиме струм у результаті таких процесів, як:

- електрохімічне окиснення цинку (відновника):

Zn + 20Н - —> ZnO + Н20 + 2е_;

- електрохімічне відновлення оксиду ртуті (окиснювача):

HgO + Н20 + 2е“ -> Hg + 20Н-;

- рух іонів ОН” у розчині та рух електронів по зовнішньому колу від відновника до окиснювача.

Таким чином, у результаті реакції, яка називається реакцією стру моутв орення:

HgO + Zn = ZnO + Hg, хімічна енергія реакції перетворюється в електричну енергію.

В електролізних комірках під дією електричного струму відбуваються хімічні реакції (електроліз), тобто перетворення електричної енергії в хімічну. Під дією електричного струму на катоді комірки відбувається електрохімічне відновлення окиснювача, а на аноді - електрохімічне окиснення відновника, а в розчині електроліту іони рухаються між електродами.

Так, у процесі електролізу води в комірці з луговим електролітом відбуваються реакції:

- на катоді - 2Н20 + 2е- —> Н2 + 20Н-;

- на аноді - 20Н - - 2е- —» 1/2 02 + Н20;

- в розчині іони ОН- рухаються від катода до анода.

В цілому отримаємо реакцію електролізу, в якій вода розкладається на водень і кисень:

Н20 —» Н2 + /2О2.

Електрохімічний акумулятор є пристроєм, в якому відбувається як процес перетворення хімічної енергії в електричну, так і обернений процес перетворення електричної енергії в хімічну. Процес перетворення хімічної енергії в електричну має назву розрядження акумулятора (в цьому режимі акумулятор подібний до гальванічного елемента). Процес перетворення електричної енергії в хімічну називається зарядженням акумулятора (в цьому режимі акумулятор працює як електролізна комірка).

Як приклад, розглянемо свинцевий акумулятор, електрохімічна система якого має вигляд:

(+)Pb02|H2S04|Pb(-).

Реакції, які відбуваються на позитивному і негативному електродах:

розряд -»

(+)РЬ02 + H2S04 + 2Н+ = 2PbS04 + 2H20-2e“;

заряд <— розряд -»

(-)Pb + H2S04 - 2е~ = PbS04 + 2Н+.

заряд<—

В цілому процес зарядження і розрядження виражається рівнянням

розряд -»

РЮ2 + Pb + 2H2S04 = 2PbS04 + 2Н20.

заряд<—

Якщо основним параметром гальванічного елемента є напруга, то в акумуляторів - напруга та ємність, де під ємністю розуміється кількість електрики (A-год), яку може дати акумулятор при розрядженні. В результаті експлуатації акумулятора витрачається його активна частина, і через деякий період часу (в більшості випадків завод-виробник дає гарантійну кількість заряджень - розряджень акумулятора) він потребує заміни.

В останні роки у світі значна увага приділяється літієвим хімічним джерелам струму. Так, у Японії питання розроблення та вироблення цих джерел закладено в енергетичну державну програму поряд із розвитком ядерної енергетики.

Літій є ідеальним анодним матеріалом, маючи електродний потенціал 3,405 В, питому електричну ємність 3860 А-год/кг та питому електричну енергію 11757 Вт-год/кг, в той час як питома електрична енергія для традиційних анодних матеріалів становить: для цинку - 623 Вт-год/кг, заліза - 423 Вт-год/кг, нікелю - 278 Вт-год/кг, кадмію - 190 Вт-год/кг. Окрім того, літій - відносно безпечний для навколишнього середовища метал і зустрічається в природі в значній кількості ( щодо України то вона має 10 % світових покладів літію). Цією унікальністю літію й зумовлена загальна назва - літієві джерела струму, елементи, акумулятори, батареї тощо.