1tom305

*s.

Elektrochemia

doc. dr inż. Olimpia Skiba-Rogalska (p. 12.3)

prof. dr hab. Jan Socha (p. 12.2)

mgr inż. Zdzisław Ziętkiewicz (p. 12.1)

12.1.    Chemiczne źródła prądu

12.1.1.    Wiadomości ogólne

Bezpośrednie magazynowanie energii elektrycznej jest trudne. Proces magazynowania ułatwiają przemiany zarówno energii elektrycznej w energię chemiczną, jak i odwrotnie — energii chemicznej w elektryczną. Umożliwiają to chemiczne źródła prądu, zwane ogniwami galwanicznymi.

I

—CUJ—I

Rys. 12.1. Schemat ogniwa galwanicznego

1 elektroda dodatnia; 2 elektroda ujemna; 3 końcówki elektrod; 4 — elektrolit; 5 — przegroda półprzcpuszczalna; I*, I — prąd jonowy, e~ — prąd elektronowy; U₀ — napięcie ogniwa bez obciążenia

Uproszczony schemat ogniwa galwanicznego przedstawia rys. 12.1. Ogniwo to składa się z dwóch elektrod (półogniw) i elektrolitu umieszczonych w naczyniu.

Zapis schematyczny takiego ogniwa jest następujący:

| M₂

przy czym: M₁, JW₂ — substancje czynne (elektrody); z - liczba ładunków elementarnych; | — granica faz pomiędzy elektrodą M, i M₂ a roztworem zawierającym jony M ₁^!' ⁺ l^u‘⁵ M₂^!l+;j — granica zetknięcia dwóch roztworów o różnym składzie.

Na elektrodach w wyniku reakcji przejścia zachodzą procesy redukcji na katodzie i procesy utlenienia na anodzie. Procesowi redukcji towarzyszy pobieranie elektronów, a procesowi utlenienia ich uwalnianie. Opisane reakcje przejścia tworzą parę reakcji utleniania — redukcji, tzw. red-ox. Podstawowym warunkiem redukcji jest elektronoak-ceptorowy charakter substancji elektroaktywncj (ox). W procesie utleniania substancja elektroaktywna (red) ma charakter elektrodonorowy.

Na zanurzonych w elektrolicie elektrodach wytworzy się potencjał V_l i V₂ w stosunku do normalnej elektrody wodorowej V„. Pomiędzy elektrodami pojawi się napięcie U₀, będące różnicą potencjałów elektrodowych (U_a = V₂ — V₁).

Połączenie końcówek elektrod z. obwodem zewnętrznym (odbiornikiem) spowoduje przepływ prądu o charakterze elektronowym w elektrodach, ich końcówkach i w obwodzie zewnętrznym, a o charakterze jonowym między elektrodami w elektrolicie.

Rozróżnia się galwaniczne ogniwa pierwotne i wtórne. Ogniwa pierwotne — zwane potocznie bateriami — dostarczają energii elektrycznej w wyniku nieodwracalnych reakcji chemicznych, do momentu zużycia substancji czynnych. Ogniw tych nie można ładować. Ogniwa wtórne — zwane akumulatorami — umożliwiają wielokrotne pobieranie z nich energii elektrycznej po uprzednim naładowaniu z zewnętrznego źródła elektrycznego, dzięki odwracalnym reakcjom chemicznym zachodzącym na elektrodach.

Ogniwa paliwowe stanowią odmianę pierwotnego ogniwa galwanicznego, do którego substancje czynne (paliwo i utleniacz) doprowadza się w sposób ciągły w miarę ich zużycia, przy czym elektrody i elektrolit przeważnie nie zużywają się.

Pojedyncze ogniwa galwaniczne można łączyć szeregowo lub równolegle w baterie. Połączeń równoległych nie zaleca się stosować ze względu na różne właściwości poszczególnych egzemplarzy ogniw.

12.1.2. Baterie galwaniczne (ogniwa pierwotne)

Rozeznanych układów elektrochemicznych stanowiących ogniwa pierwotne jest kilkadziesiąt. W praktyce jednak zastosowano ok. dziesięciu rodzajów baterii galwanicznych (tabl. 12.1). Sumaryczne reakcje prądotwórcze dla wybranych rodzajów baterii przebiegają następująco:

— bateria Leclanchego C|NH₄C1, Mn0₂|Zn

2Mn0₂ + Zn + 2NH₄C1 -- 2MnOOH + Zn(NH₃)₂Cl₂

Tablica 12.1. Rodzaje baterii galwanicznych

Nazwa baterii		Materiał katody	Elektrolit	Materiał anody	Napięcie znamio-	Wskaźnik energetyczny (praktyczny)		Temperatura pracy
potoczna	symbol				V	mW-h/cm^3	mW-h/g	=c
Leclanchego		węgiel (Q. dwutlenek manganu (MnOJ	chlorek amonu (NH4C1)	cynk (Zn)	1,5	120-190	50—80	—10-4- 55
Alkaliczna	L	C, Mn02	wodoro- tlenek potasu (KOH)	Zn	1,5	200-*-300	-a o ■I- 8	-29-55
Powietrzna	A	c,o2	N1I4C1	Zn	1,4	200-1000	300-380	-20-7-55
Rtęciowa	M	tlenek rtęci (HgO)	KOH	Zn	1,35	400 - 500	90-120	•n T o 7
Srebrowa	S	tlenek srebra (Ag2ó)	KOH	Zn	1,55	550 -650	90-150	i o •I- UA CA
Mangano- wo-litowa	c	Mn02	organiczny	Li	3,0	360 - 500	80+150	-55 + 75(90)
Tionylowo- •litowa	E	chlorek tio-nylu ($OCl2)	organiczny	Li	3,6	450 - 500	400	-55-75 (90)