Les fonts de corrent químic (abreujat com a HIT) són dispositius en què l'energia d'una reacció redox es converteix en energia elèctrica. Els seus altres noms són cèl·lula electroquímica, cèl·lula galvànica, cèl·lula electroquímica. El principi del seu funcionament és el següent: com a resultat de la interacció de dos reactius, es produeix una reacció química amb l'alliberament d'energia d'un corrent elèctric directe. En altres fonts actuals, el procés de generació d'electricitat es produeix segons un esquema de diverses etapes. Primer, s'allibera energia tèrmica, després es converteix en energia mecànica i només després en energia elèctrica. L'avantatge de HIT és el procés d'una sola etapa, és a dir, l'electricitat s'obté de manera immediata, sense passar per les etapes d'obtenció d'energia tèrmica i mecànica.
Història
Com van aparèixer les primeres fonts actuals? Les fonts químiques s'anomenen cèl·lules galvàniques en honor al científic italià del segle XVIII: Luigi Galvani. Va ser metge, anatomista, fisiòleg i físic. Una de les seves direccionsla investigació va ser l'estudi de les reaccions dels animals a diverses influències externes. El mètode químic per generar electricitat va ser descobert per Galvani per casualitat, durant un dels experiments amb granotes. Va connectar dues plaques metàl·liques al nervi exposat de la pota de la granota. Això va provocar una contracció muscular. La pròpia explicació de Galvani sobre aquest fenomen era incorrecta. Però els resultats dels seus experiments i observacions van ajudar al seu compatriota Alessandro Volta en estudis posteriors.
Volta va exposar en els seus escrits la teoria de l'aparició d'un corrent elèctric com a resultat d'una reacció química entre dos metalls en contacte amb el teixit muscular d'una granota. La primera font de corrent químic semblava un recipient de solució salina, amb plaques de zinc i coure submergides.
HIT va començar a produir-se a escala industrial a la segona meitat del segle XIX, gràcies al francès Leclanche, que va inventar la pila primària de manganès-zinc amb electròlit de sal, que porta el seu nom. Uns anys més tard, aquesta cèl·lula electroquímica va ser millorada per un altre científic i va ser l'única font de corrent químic primària fins al 1940.
Disseny i principi de funcionament HIT
El dispositiu de fonts de corrent químic inclou dos elèctrodes (conductors de primer tipus) i un electròlit situat entre ells (conductor de segon tipus, o conductor iònic). Un potencial electrònic sorgeix al límit entre ells. Elèctrode on s'oxida l'agent reductoranomenat ànode, i aquell sobre el qual es redueix l'agent oxidant s'anomena càtode. Juntament amb l'electròlit, formen el sistema electroquímic.
Un subproducte de la reacció redox entre elèctrodes és la generació de corrent elèctric. Durant aquesta reacció, l'agent reductor s'oxida i dona electrons a l'agent oxidant, que els accepta i, per tant, es redueix. La presència d'un electròlit entre el càtode i l'ànode és una condició necessària per a la reacció. Si simplement barregeu pols de dos metalls diferents junts, no s'alliberarà electricitat, tota l'energia s'alliberarà en forma de calor. Es necessita un electròlit per agilitzar el procés de transferència d'electrons. Molt sovint, és una solució salina o una fosa.
Els elèctrodes semblen plaques o reixetes metàl·liques. Quan estan immersos en un electròlit, sorgeix una diferència de potencial elèctric entre ells: una tensió de circuit obert. L'ànode tendeix a donar electrons, mentre que el càtode tendeix a acceptar-los. Les reaccions químiques comencen a la seva superfície. S'aturen quan s'obre el circuit, i també quan s'esgota un dels reactius. L'obertura del circuit es produeix quan s'elimina un dels elèctrodes o un electròlit.
Composició de sistemes electroquímics
Les fonts de corrent químic utilitzen àcids i sals que contenen oxigen, oxigen, halogenurs, òxids metàl·lics superiors, compostos nitroorgànics, etc. com a agents oxidants. Els metalls i els seus òxids inferiors, l'hidrogen són agents reductors en ellsi compostos d'hidrocarburs. Com s'utilitzen els electròlits:
- Dissolucions aquoses d'àcids, àlcalis, solució salina, etc.
- Dissolucions no aquoses amb conductivitat iònica, obtingudes mitjançant la dissolució de sals en dissolvents orgànics o inorgànics.
- Sals foses.
- Compostos sòlids amb una xarxa iònica en què un dels ions és mòbil.
- Electròlits de la matriu. Són solucions líquides o foses situades als porus d'un cos sòlid no conductor: un portador d'electrons.
- Electròlits d'intercanvi iònic. Són compostos sòlids amb grups ionògens fixos del mateix signe. Els ions de l' altre signe són mòbils. Aquesta propietat fa que la conductivitat d'aquest electròlit sigui unipolar.
Piles galvàniques
Les fonts de corrent químic consisteixen en cèl·lules galvàniques - cèl·lules. La tensió en una d'aquestes cel·les és petita: de 0,5 a 4 V. Segons la necessitat, a HIT s'utilitza una bateria galvànica, formada per diverses cel·les connectades en sèrie. De vegades s'utilitza una connexió paral·lel o sèrie-paral·lel de diversos elements. En un circuit en sèrie només s'inclouen sempre piles o bateries primàries idèntiques. Han de tenir els mateixos paràmetres: sistema electroquímic, disseny, opció tecnològica i mida estàndard. Per a la connexió en paral·lel, és acceptable utilitzar elements de diferents mides.
Classificació HIT
Les fonts de corrent químic es diferencien en:
- mida;
- dissenys;
- reactius;
- la naturalesa de la reacció de formació d'energia.
Aquests paràmetres determinen les propietats de rendiment HIT adequades per a una aplicació concreta.
La classificació dels elements electroquímics es basa en la diferència en el principi de funcionament del dispositiu. Segons aquestes característiques, distingeixen:
- Les fonts de corrent químic primària són elements d'un sol ús. Tenen un cert subministrament de reactius, que es consumeix durant la reacció. Després d'una descàrrega completa, aquesta cèl·lula perd la seva funcionalitat. D'una altra manera, els HIT primaris s'anomenen cèl·lules galvàniques. Serà correcte anomenar-los simplement - element. Els exemples més senzills d'una font d'alimentació primària són les "bateries" A-A.
- Fonts de corrent químic recarregable: les bateries (també s'anomenen HIT secundàries i reversibles) són cèl·lules reutilitzables. En passar corrent d'un circuit extern en sentit contrari a través de la bateria, després d'una descàrrega completa, els reactius gastats es regeneren, acumulant novament energia química (càrrega). Gràcies a la capacitat de recarregar des d'una font externa de corrent constant, aquest dispositiu s'utilitza durant molt de temps, amb pauses per a la recàrrega. El procés de generació d'energia elèctrica s'anomena descàrrega de la bateria. Aquests HIT inclouen bateries per a molts dispositius electrònics (ordinadors portàtils, telèfons mòbils, etc.).
- Fonts de corrent química tèrmica: dispositius continus. ATen el procés del seu treball, hi ha un flux continu de noves porcions de reactius i l'eliminació de productes de reacció.
- Les cèl·lules galvàniques combinades (semicombustible) tenen un estoc d'un dels reactius. El segon s'introdueix al dispositiu des de l'exterior. La vida útil del dispositiu depèn del subministrament del primer reactiu. Les fonts químiques combinades de corrent elèctric s'utilitzen com a bateries, si és possible restablir la seva càrrega passant corrent d'una font externa.
- HIT renovable recarregable mecànicament o químicament. Per a ells, és possible substituir els reactius gastats per noves porcions després d'una descàrrega completa. És a dir, no són dispositius continus, sinó que, com les bateries, es recarreguen periòdicament.
Funcions HIT
Les principals característiques de les fonts d'energia química inclouen:
- Tensió de circuit obert (ORC o tensió de descàrrega). Aquest indicador, en primer lloc, depèn del sistema electroquímic escollit (combinació d'agent reductor, agent oxidant i electròlit). A més, el NRC es veu afectat per la concentració de l'electròlit, el grau de descàrrega, la temperatura i molt més. El NRC depèn del valor del corrent que passa pel HIT.
- Potència.
- Corrent de descàrrega: depèn de la resistència del circuit extern.
- Capacitat: la quantitat màxima d'electricitat que emet l'HIT quan es descarrega completament.
- Reserva d'energia: l'energia màxima rebuda quan el dispositiu està completament descarregat.
- Característiques energètiques. Per a les bateries, això és, en primer lloc, un nombre garantit de cicles de càrrega-descàrrega sense reduir la capacitat o la tensió de càrrega (recurs).
- Rang de funcionament de temperatura.
- La vida útil és el temps màxim permès entre la fabricació i la primera descàrrega del dispositiu.
- Vida útil: el període total màxim permès d'emmagatzematge i funcionament. Per a les piles de combustible, la vida útil contínua i intermitent és important.
- Energia total dissipada durant tota la vida.
- Resistència mecànica contra vibracions, cops, etc.
- Capacitat per treballar en qualsevol posició.
- Fiabilitat.
- Fàcil manteniment.
Requisits HIT
El disseny de les cèl·lules electroquímiques ha de proporcionar condicions favorables a la reacció més eficient. Aquestes condicions inclouen:
- evitar les fuites de corrent;
- fins i tot treball;
- resistència mecànica (inclosa l'estanquitat);
- separació de reactius;
- bon contacte entre els elèctrodes i l'electròlit;
- dissipació de corrent des de la zona de reacció al terminal exterior amb pèrdues mínimes.
Les fonts de corrent químic han de complir els requisits generals següents:
- valors més alts de paràmetres específics;
- interval de temperatura màxima de funcionament;
- la tensió més gran;
- cost mínimunitats d'energia;
- estabilitat de voltatge;
- seguretat de càrrega;
- seguretat;
- facilitat de manteniment i, idealment, no calgui;
- llarga vida útil.
HIT d'explotació
El principal avantatge de les cèl·lules galvàniques primàries és que no requereixen cap manteniment. Abans de començar a utilitzar-los, n'hi ha prou amb comprovar l'aspecte, la data de caducitat. Quan es connecta, és important observar la polaritat i comprovar la integritat dels contactes del dispositiu. Les fonts de corrent químic més complexes, les bateries, requereixen una cura més seriosa. L'objectiu del seu manteniment és maximitzar la seva vida útil. La cura de la bateria és:
- mantenir net;
- monitoratge de voltatge de circuit obert;
- mantenir el nivell d'electròlits (només es pot utilitzar aigua destil·lada per a l'ompliment);
- control de la concentració d'electròlits (utilitzant un hidròmetre, un dispositiu senzill per mesurar la densitat de líquids).
Quan s'utilitzen cèl·lules galvàniques, s'han de complir tots els requisits relatius a l'ús segur dels aparells elèctrics.
Classificació de HIT per sistemes electroquímics
Tipus de fonts de corrent químic, segons el sistema:
- plom (àcid);
- níquel-cadmi, níquel-ferro, níquel-zinc;
- manganès-zinc, coure-zinc, mercuri-zinc, clorur de zinc;
- plata-zinc, plata-cadmi;
- aire-metall;
- níquel-hidrogen i plata-hidrogen;
- manganès-magnesi;
- liti, etc.
Aplicació moderna de HIT
Les fonts de corrent químic s'utilitzen actualment a:
- vehicles;
- electrodomèstics portàtils;
- tecnologia militar i espacial;
- equip científic;
- medicina (marcapassos).
Exemples habituals de HIT a la vida quotidiana:
- bateries (piles seques);
- bateries per a electrodomèstics i electrònica portàtils;
- fontes d'alimentació ininterrompuda;
- bateries de cotxe.
Les fonts de corrent químic de liti són especialment utilitzades. Això es deu al fet que el liti (Li) té l'energia específica més alta. El fet és que té el potencial d'elèctrode més negatiu entre tots els altres metalls. Les bateries d'ions de liti (LIA) estan per davant de tots els altres CPS en termes d'energia específica i tensió de funcionament. Ara, a poc a poc, estan dominant una nova àrea: el transport per carretera. En el futur, el desenvolupament de científics relacionats amb la millora de les bateries de liti s'orientarà cap a dissenys ultra prims i grans bateries resistents.
