Электрохимическая ячейка — это устройство, которое генерирует электрическую энергию из химических реакций . Электрическая энергия также может быть подана к этим ячейкам, чтобы вызвать химические реакции. [1] Электрохимические ячейки, которые генерируют электрический ток, называются вольтовыми или гальваническими ячейками , а те, которые генерируют химические реакции, например, посредством электролиза , называются электролитическими ячейками . [2]
И гальванические, и электролитические элементы можно рассматривать как имеющие две полуячейки : состоящие из отдельных реакций окисления и восстановления .
Когда один или несколько электрохимических элементов соединены параллельно или последовательно, они образуют батарею . Первичные элементы являются одноразовыми батареями.
Гальванический элемент (вольтов элемент), названный в честь Луиджи Гальвани ( Алессандро Вольта ), представляет собой электрохимический элемент, который генерирует электрическую энергию за счет спонтанных окислительно-восстановительных реакций. [3]
Провод соединяет два разных металла (например, цинк и медь ). Каждый металл находится в отдельном растворе; часто это водный сульфат или нитрат металла, однако чаще это соли металлов и вода, которые проводят ток . [4] Солевой мостик или пористая мембрана соединяют два раствора, сохраняя электрическую нейтральность и предотвращая накопление заряда. Различия в окислительно-восстановительном потенциале металлов приводят реакцию к равновесию . [1]
Основные характеристики:
Гальванические элементы состоят из двух полуэлементов. Каждый полуэлемент состоит из электрода и электролита (обе полуэлементы могут использовать одинаковые или разные электролиты).
Химические реакции в ячейке включают электролит, электроды и/или внешнее вещество ( топливные элементы могут использовать водородный газ в качестве реагента ). В полной электрохимической ячейке виды из одной полуячейки теряют электроны ( окисление ) на своем электроде, в то время как виды из другой полуячейки получают электроны ( восстановление ) от своего электрода.
Солевой мостик ( например, фильтровальная бумага, пропитанная KNO 3, NaCl или каким-либо другим электролитом) используется для ионного соединения двух полуэлементов с разными электролитами, но он предотвращает смешивание растворов и нежелательные побочные реакции. Альтернативой солевому мостику является обеспечение прямого контакта (и смешивания) между двумя полуэлементами, например, при простом электролизе воды .
При перемещении электронов из одной полуячейки в другую через внешнюю цепь устанавливается разность зарядов. Если бы не было ионного контакта, эта разность зарядов быстро бы предотвратила дальнейший поток электронов. Солевой мостик позволяет потоку отрицательных или положительных ионов поддерживать устойчивое распределение заряда между окислительными и восстановительными сосудами, сохраняя содержимое в остальном разделенным. Другими устройствами для разделения растворов являются пористые горшки и гелеобразные растворы. Пористый горшок используется в ячейке Бунзена .
Каждая полуячейка имеет характерное напряжение (в зависимости от металла и его характерного восстановительного потенциала). Каждая реакция проходит через равновесную реакцию между различными степенями окисления ионов: когда равновесие достигнуто, ячейка не может обеспечить дальнейшее напряжение . В полуячейке, осуществляющей окисление, чем ближе равновесие лежит к иону/атому с более положительной степенью окисления, тем больший потенциал обеспечит эта реакция. [1] Аналогично, в реакции восстановления, чем ближе равновесие лежит к иону/атому с более отрицательной степенью окисления, тем выше потенциал.
Потенциал ячейки можно предсказать с помощью электродных потенциалов (напряжений каждой полуячейки). Эти потенциалы полуячейки определяются относительно присвоения 0 вольт стандартному водородному электроду (СВЭ). (См. таблицу стандартных электродных потенциалов ). Разница в напряжении между электродными потенциалами дает прогноз для измеренного потенциала. При расчете разницы в напряжении необходимо сначала переписать уравнения реакции полуячейки, чтобы получить сбалансированное уравнение окисления-восстановления.
Потенциалы ячеек имеют возможный диапазон примерно от нуля до 6 вольт. Ячейки, использующие электролиты на водной основе, обычно ограничены потенциалами ячеек менее 2,5 вольт из-за высокой реакционной способности мощных окислителей и восстановителей с водой, которая необходима для получения более высокого напряжения. Более высокие потенциалы ячеек возможны с ячейками, использующими другие растворители вместо воды. Например, литиевые ячейки с напряжением 3 вольта широко доступны.
Потенциал ячейки зависит от концентрации реагентов, а также от их типа. По мере разрядки ячейки концентрация реагентов уменьшается, а также уменьшается потенциал ячейки.
Электролитическая ячейка — это электрохимическая ячейка, в которой приложенная электрическая энергия запускает несамопроизвольную окислительно-восстановительную реакцию. [5]
Их часто используют для разложения химических соединений в процессе, называемом электролизом . (Греческое слово «лизис» (λύσις) означает «освобождение» или «высвобождение».)
Важными примерами электролиза являются разложение воды на водород и кислород , а также бокситов на алюминий и другие химикаты. Гальванопокрытие (например, медью, серебром , никелем или хромом ) выполняется с использованием электролитической ячейки. Электролиз — это метод, использующий постоянный электрический ток (DC).
Компонентами электролитической ячейки являются:
При приложении к электродам внешнего напряжения (разности потенциалов) ионы в электролите притягиваются к электроду с противоположным потенциалом, где могут происходить реакции переноса заряда (также называемые фарадеевскими или окислительно-восстановительными). Только при достаточном внешнем напряжении электролитическая ячейка может разложить обычно стабильное или инертное химическое соединение в растворе. Таким образом, предоставленная электрическая энергия производит химическую реакцию, которая в противном случае не произошла бы спонтанно.
Основные характеристики:
Первичный элемент вырабатывает ток посредством необратимых химических реакций (например, небольшие одноразовые батарейки) и не подлежит перезарядке.
Их используют из-за портативности, низкой стоимости и короткого срока службы.
Первичные элементы изготавливаются в различных стандартных размерах для питания небольших бытовых приборов, таких как фонарики и портативные радиоприемники.
По мере протекания химических реакций в первичном элементе батарея расходует химические вещества, вырабатывающие энергию; когда они заканчиваются, батарея перестает вырабатывать электричество.
.jpg/1280px-Diagram_of_a_primary_cell_(battery).jpg)
Первичные батареи составляют около 90% рынка батарей стоимостью 50 миллиардов долларов, но вторичные батареи набирают долю рынка. Около 15 миллиардов первичных батарей выбрасываются во всем мире каждый год, [6] практически все они оказываются на свалках. Из-за содержащихся в них токсичных тяжелых металлов и сильных кислот или щелочей батареи являются опасными отходами . Большинство муниципалитетов классифицируют их как таковые и требуют отдельной утилизации. Энергия, необходимая для производства батареи, примерно в 50 раз превышает энергию, которую она содержит. [7] [8] [9] [10] Из-за высокого содержания загрязняющих веществ по сравнению с их малым содержанием энергии первичные батареи считаются расточительной, экологически небезопасной технологией. В основном из-за растущих продаж беспроводных устройств и беспроводных инструментов , которые не могут экономически эффективно питаться от первичных батарей и поставляются со встроенными перезаряжаемыми батареями, отрасль вторичных батарей демонстрирует высокие темпы роста и медленно заменяет первичные батареи в высококачественных продуктах.
Вторичный элемент вырабатывает ток посредством обратимых химических реакций (например, свинцово-кислотный аккумулятор автомобиля) и является перезаряжаемым .
Свинцово-кислотные аккумуляторы используются в автомобиле для запуска двигателя и для работы электрических аксессуаров автомобиля, когда двигатель не работает. Генератор, когда автомобиль работает, подзаряжает аккумулятор.
Он может работать как гальванический элемент и как электролитический элемент. Это удобный способ хранения электроэнергии: когда ток течет в одном направлении, уровни одного или нескольких химических веществ повышаются (заряжаются); когда он разряжается, они понижаются, и результирующая электродвижущая сила может выполнять работу.
Их используют из-за высокого напряжения, низкой стоимости, надежности и длительного срока службы.
Топливный элемент — это электрохимический элемент, который реагирует с водородным топливом, кислородом или другим окислителем, преобразуя химическую энергию в электричество .
Топливные элементы отличаются от батарей тем, что для поддержания химической реакции им требуется постоянный источник топлива и кислорода (обычно из воздуха), тогда как в батарее химическая энергия поступает из химических веществ, уже присутствующих в батарее.
Топливные элементы могут производить электроэнергию непрерывно до тех пор, пока поступают топливо и кислород .
Они используются для основного и резервного питания для коммерческих, промышленных и жилых зданий, а также в отдаленных или труднодоступных районах. Они также используются для питания транспортных средств на топливных элементах , включая погрузчики , автомобили, автобусы, лодки, мотоциклы и подводные лодки.
Топливные элементы классифицируются по типу используемого электролита и разнице во времени запуска, которое варьируется от 1 секунды для топливных элементов с протонообменной мембраной (топливные элементы с протонообменной мембраной, или PEMFC) до 10 минут для твердооксидных топливных элементов (SOFC).
Существует много типов топливных элементов, но все они состоят из:
Связанной технологией являются проточные батареи , в которых топливо может быть регенерировано путем перезарядки. Отдельные топливные элементы производят относительно небольшие электрические потенциалы, около 0,7 вольт, поэтому элементы «складываются» или размещаются последовательно, чтобы создать достаточное напряжение для удовлетворения требований приложения. [11] Помимо электричества, топливные элементы производят воду, тепло и, в зависимости от источника топлива, очень небольшие количества диоксида азота и других выбросов. Энергетическая эффективность топливного элемента обычно составляет от 40 до 60%; однако, если отработанное тепло улавливается в схеме когенерации , можно получить эффективность до 85%.
В 2022 году мировой рынок топливных элементов оценивался в 6,3 млрд долларов США, и ожидается, что к 2030 году он вырастет на 19,9%. [12] Многие страны пытаются выйти на рынок, устанавливая цели в ГВт возобновляемой энергии. [13]
Производство одноразовой батарейки требует примерно в 50 раз больше энергии, чем батарея вырабатывает при использовании.
