1. Podaj przykład dobrego przewodnika jonowego. Jakie cząstki są nośnikami ładunku w tym ciele
stałym?
Przewodnikiem jonowym jest ciało stałe np. w elektrolicie polimerowym przeskoki jonów
wspomagane sÄ… przez ruch makroczÄ…steczki, w szkle jony ruchliwe luz
no związane z więz
bą szkła.
Prąd elektryczny w elektrolitach powstaje wskutek ruchu jonów obu znaków: ruchu jonów dodatnich
do katody i ruchu jonów ujemnych do anody. Gęstośd prądu elektrycznego w elektrolicie jest sumą
gęstości prądu jonów dodatnich i ujemnych.
Zastosowania: akumulatory z elektrolitem stałym (polimerowym), czujniki elektrochemiczne,
urzÄ…dzenia elektrochromowe, superdkondensatory.
2. Jak ze wzrostem temperatury zmienia się przewodnośd elektryczna ciała stałego:
a) półprzewodnika, b) przewodnika jonowego, c) metalu?
Zależnośd konduktywności półprzewodnika domieszkowanego od odwrotności temperatury.
a) W połprzewodnikach przewodnośd rośnie wykładniczo przy wzroście temperatury. Wynika to
ze wzrostu koncentracji nośników. Spada ruchliwośd, spadek mało zauważalny.
b) Przewodnośd przewodnika jonowego: 1. W niskich temperaturach rośnie wykładniczo, gdyż
zmienia się stopieo jonizacji domieszek 2. średnich temperaturach domieszki są prawie
całkowicie zjonizowane więc występuję bardzo niewielka przewodnośd 3. W wysokich
temperaturach koncentracja nośników samoistnych przeważa nad domieszkowanymi więc
dochodzi do wykladniczego wzrostu konduktywności.
c) Przewodnośd dla metali spada przy wzroście temperatury ze względu na spadek ruchliwości
nośników.
3. Jakie cechy ogniwa litowo-jonowego sprawiają, że służy do zasilania urządzeo przenośnych ?
·ð jedne z najlżejszych
·ð możliwoÅ›d skumulowania dwa razy wiÄ™kszej energii niż w akumulatorach innego typu o tym
samym ciężarze i wielkości. Mogą dłużej pracowad bez ładowania
·ð można je doÅ‚adowad w dowolnym momencie, ponieważ nie trzeba przed naÅ‚adowaniem
rozładowywad jej do kooca
4. W jaki sposób ładunek elektryczny jest magazynowany w kondensatorach i w
superkondensatorach?
Kondensator tworzą dwa przewodniki zwane okładzinami lub elektrodami rozdzielone
dielektrykiem. Jeżeli do okładzin kondensatora doprowadzimy napięcie elektryczne U,
to na okładzinach zacznie się gromadzić ładunek elektryczny Q, przy czym na jej
okładzinie zgromadzi się ładunek dodatni, a na drugiej ujemny. A
adunek
zgromadzony na jednej z okładzin nazywamy ładunkiem kondensatora.
Doświadczalnie stwierdzono, że między napięciem doprowadzonym a ładunkiem
kondensatora istnieje zwiÄ…zek a mianowicie Å‚adunek jest wprost proporcjonalny do
napięcia, czyli
·ð EnergiÄ™ w kondensatorze pÅ‚askim, możemy wyrazić wzorem: E=U/d, gdzie d to
odległość między okładzinami.
·ð W superkondensatorze jak w zwykÅ‚ym kondensatorze
występuje elektrolit, jednakże na elektrodzie nie ma
izolatora, tym samym jest w bezpośrednim kontakcie z
elektrolitem. Dzięki temu zostaje zmniejszona
odległość między ładunkiem po stronie elektrolitu a
Å‚adunkiem na elektrodzie. W takiej sytuacji
gromadzenie Å‚adunku, czyli Å‚adowanie kondensatora,
może następować na skutek dwóch procesów:
elektrostatycznego wytwarzania warstwy podwójnej
lub elektrochemicznej adsorpcji jonów z przeniesieniem
ładunku na elektrodę. Ten drugi efekt nazywamy pseudopojemnością, a kondensator-
pseudokondensatorem.
·ð W superkondensatorze, energia jest proporcjonalna do jego pojemnoÅ›ci i do kwadratu
napięcia:
·ð E=1/2*C*U^2
5. Porównaj tlenkowe ogniwo paliwowe SOFC i ogniwo paliwowe z membraną przewodzącą
protony PEMFC.
Ogniwa paliwowe oparte o polimerowÄ… membranÄ™  PEMFC - (Proton Exchange Membrane Fuel Cell)
wykorzystują elektrolit który przewodzi jony wodoru H+ z anody do katody. Rolę elektrolitu spełnia
cienka warstwa polimeru (membrana) pokrytea dwustronnie cienkÄ…, porowatÄ… warstwÄ… metalu
szlachetnego (platyna). Obie strony pokryte metalem stanowiÄ… elektrody (anodÄ™ i katodÄ™), platyna
pełni rolę katalizatora. Membrana jest umieszczona między dwoma płytami separacyjnymi, które
pozwalają doprowadzid gazy (powietrze/tlen i wodór) do ogniwa. Na anodzie (elektroda o znaku
ujemnym) wodór ulega jonizacji, dalej protony H+ przechodzą przez membranę do katody (elektroda
o znaku dodatnim), gdzie Å‚Ä…czÄ… siÄ™ z tlenem tworzÄ…c w efekcie wodÄ™ (produkt uboczny). Elektrony,
których ruch jest blokowany przez membranę przechodzą do katody przez obwód zewnętrzny
tworzÄ…c prÄ…d elektryczny.
Ogniwa PEMFC pracujÄ… w temperaturze 30 °C ÷ 100 °C, co powoduje bardzo krótki (nawet do ok. 50
sekund) czas rozruchu, umożliwia też szybkie wyłączenie ogniwa. Teoretycznie ogniwo powinno
uzyskiwad napięcie 1,2 V, jednak w praktyce są to wartości poniżej 1 V. Membrana polimerowa
ogranicza zużycie elektrod (brak agresywnie chemicznego środowiska), jednak użycie metali
szlachetnych (np. platyna) znacznie podnosi cenę ogniwa oraz powoduje podatnośd na zatrucie CO
oraz CO2.
Do zalet tego typu ogniw można zaliczyd:
" wysoka gęstośd mocy (do 1 W/cm2, co przekłada się na ok. 120 W/kg)
" krótkie czasy: rozruchu i zakooczenia pracy (wynika z niskiej temperatury pracy)
" możliwośd zasilania urządzeo przenośnych
Do wad tego typu ogniw należą *4+:
" kosztowne materiały na katalizator (platyna)
" podatnośd na zatrucie CO
6. Porównaj gęstośd energii i gęstośd mocy elektrochemicznych z
ródeł energii i silników spalinowych.