18745 Obraz (2613)

74

■

Teoretyczne rozważania dotyczące układów elektrochemicznych doprowadziły do zadania pytania - a jaki z tego jest pożytek? Odpowiedzmy: do budowy alternatywnych źródeł energii.

Powszechne stosowanie elektrochemicznych źródeł prądu - od „bateryjek", poprzez większe „akumulatory”, po ogniwa paliwowe i fotochemiczne - nakazuje podać chociaż kilka typowych przykładów zastosowań.

Zan.rr. omówimy poszczególne ogniwa i akumulatory, podajmy warunki, ak;rr. ■'inno odpowiadać elektrochemiczne źródło prądu, by można o nim pow iccz.ec potocznie: dobre, trwałe, wydajne, łatwe w obsłudze.

Pow.nny je charakteryzować:

1.    Możliwie wysoka wartość różnicy potencjałów standardowych układu katody i anody, dająca w sumie wysoką wartość SEM. Należy również uwzględnić możliwość reakcji elektrodowych rozpuszczalnika. Na przykład woda. poprzez swój rozkład katodowy i anodowy, ogranicza teoretyczny zakres potencjałów do ~ 1,23 V.

Jednak prądy wymiany w reakcji wydzielania tlenu i wodoru są dla szeregu elektrod wystarczająco małe, tzn., że procesy te przebiegają z wysokim nadpoiencjałem (użyte tu pojęcie „nadpotencjału" zostanie szczegółowo omówione w rozdz. 10 - o podstawach kinetyki elektrodowej). Pozwala to, po zastosowaniu odpowiednich elektrod, rozszerzyć zakres potencjałów dla „wodnych" ogniw i akumulatorów do 2,2 V.

W ten sposób nad potencjał, który wywołuje nieodwracalne straty energii przy elektrolizie wody (gdy chcemy otrzymać tlen lub wodór), pozwala dwukrotnie zwiększyć SEM ogniw w porównaniu z teoretycznymi rozważaniami termodynamicznymi. Dalsze zwiększenie wartości SEM jest możliwe przy zastosowaniu niewodnych roztworów elektrolitów i odpowiednich półogniw redox.

2.    Wymaga się możliwie najmniejszego odchylenia różnicy potencjałów na zaciskach ogniwa od SEM w czasie pracy ogniwa. Odchylenie to powodowane jest dawniej zwaną polaryzacją elektrod i spadkiem napięcia na oporze wewnętrznym ogniwa, R_WCWfl.. Obecnie używa się sformułowania, że jest to odchylenie spowodowane występowaniem oporu kinetycznego w procesach elektrodowych oraz zmian zachodzących na elektrodach podczas

przepływu prądu. Określa się je mianem nadpotencjału. Pod obciążeniem_

ogniwo ma napięcie na zaciskach:

U — E — |AE*| - |AE_fl| - IR_wtwl.    (6.45)

gdzie: E — SEM teoret.,

|A£*|, | AEJ - wartości nadpotencjału katodowego i anodowego,

IR we™. — spadek napięcia na oporności wewnętrznej.

Wartość U zwiększa się albo poprzez obniżenie H poprzez zmniejszenie oporności wewnętrznej (geometrie przewodnictwo elektrolitu itd.).    _

3.    Wymaga się tzw. dużej pojemności kulombowskięj, ilości elektryczności możliwej do otrzymania z jednostki ogniwa. Wielkość tę charakteryzują m. in. krzywe roztaM^HK^ / = const.

4.    Wymaga się maksymalnej mocy właściwej, tj. energii oddawanej w jednostce czasu przez jednostkę ma«y (hA ofe| źródła energii. Wymóg ten powoduje poszukiwanie materiałów elektrodowych, mających rozwiniętą powi stykającej roztworem.

5.    Wymaga się możliwie małego tzw. samorozładowani||^^H| przy otwartym ogniwie. Efekt ten zwykle spowodowany jfjft fok, materiałów elektrodowych z wodą oraz z zanieczyszczenia*.jMańi pojemnika ogniwa.

A. Ogniwo Lecłanche’go (O = 1,5 V)

Jest to tzw. suche ogniwo, bodajże najbardziej rozf

Ogniwo składa się z pojemnika wykonanego z blachy

znajduje się pasta (z dodatkiem krochmalu i trocin) _

cynku ZnCl₂, dwutlenku manganu (MnOj) i chlorku amoMMgprfty czasem z dodatkiem niewielkiej ilości CuCl₂ i HgCl₂. W pajac iqi pręt grafitowy stanowiący katodę.

Przebieg reakcji elektrodowej jest następujący:

(—) Zn (stały) •*— Zn²⁺+2e

katoda:

(+) 2MnO_z (stały) + Zn^{2 +} +2e —*■ ZnMn₂0₄ (s)

co daje sumarycznie:

Zn (stały) + 2Mn0₂ (stały) —g ZnMn

Ogniwo takie ma na zaciskach różnicę potencjałów 1., krótkotrwałe na skutek łatwo zachodzącej polaryzacji efcMfl się elektrolitu.

B. Ogniwo cynkowo-rtęciowe' (U = 1,34 V)

W ogniwie tym o układzie

Zn J KOH | HgO | C