Kimyoviy tok manbalari (qisqacha HIT) - oksidlanish-qaytarilish reaktsiyasi energiyasi elektr energiyasiga aylanadigan qurilmalar. Ularning boshqa nomlari - elektrokimyoviy hujayra, galvanik element, elektrokimyoviy hujayra. Ularning ishlash printsipi quyidagicha: ikkita reagentning o'zaro ta'siri natijasida to'g'ridan-to'g'ri elektr tokidan energiya chiqishi bilan kimyoviy reaktsiya sodir bo'ladi. Boshqa joriy manbalarda elektr energiyasini ishlab chiqarish jarayoni ko'p bosqichli sxema bo'yicha sodir bo'ladi. Birinchidan, issiqlik energiyasi chiqariladi, keyin u mexanik energiyaga aylanadi va faqat keyin elektr energiyasiga aylanadi. HIT ning afzalligi bir bosqichli jarayondir, ya'ni elektr energiyasi issiqlik va mexanik energiya olish bosqichlarini chetlab o'tib, darhol olinadi.
Tarix
Birinchi joriy manbalar qanday paydo boʻlgan? Kimyoviy manbalar XVIII asrning italyan olimi - Luidji Galvanining sharafiga galvanik hujayralar deb ataladi. U shifokor, anatom, fiziolog va fizik edi. Uning yo'nalishlaridan biritadqiqot hayvonlarning turli xil tashqi ta'sirlarga reaktsiyalarini o'rganish edi. Elektr energiyasini ishlab chiqarishning kimyoviy usulini Galvani tasodifan, qurbaqalar ustida o'tkazilgan tajribalardan birida kashf etgan. U qurbaqa oyog‘ining ochiq nerviga ikkita metall plastinani bog‘ladi. Bu mushaklarning qisqarishiga olib keldi. Galvanining o'zi bu hodisani tushuntirishi noto'g'ri edi. Ammo uning tajriba va kuzatishlari natijalari vatandoshi Alessandro Voltaga keyingi tadqiqotlarida yordam berdi.
Volta oʻz asarlarida qurbaqaning mushak toʻqimasi bilan aloqa qilgan ikki metal oʻrtasidagi kimyoviy reaksiya natijasida elektr tokining paydo boʻlishi nazariyasini bayon qilgan. Birinchi kimyoviy oqim manbai sho'rlangan idishga o'xshardi, ichiga rux va mis plitalari botirilgan.
HIT o'n to'qqizinchi asrning ikkinchi yarmida uning nomi bilan atalgan tuz elektrolitli birlamchi marganets-rux xujayrasini ixtiro qilgan frantsuz Leclanche tufayli sanoat miqyosida ishlab chiqarila boshlandi. Bir necha yil o'tgach, bu elektrokimyoviy hujayra boshqa olim tomonidan takomillashtirildi va 1940 yilgacha yagona asosiy kimyoviy oqim manbai bo'ldi.
Dizayn va ishlash printsipi HIT
Kimyoviy oqim manbalarining qurilmasi ikkita elektrodni (birinchi turdagi o'tkazgichlar) va ular orasida joylashgan elektrolitni (ikkinchi turdagi o'tkazgich yoki ion o'tkazgich) o'z ichiga oladi. Ularning orasidagi chegarada elektron potentsial paydo bo'ladi. Qaytaruvchi vosita oksidlangan elektrodanod deb ataladi va oksidlovchi moddaning qaytariladigan qismi katod deb ataladi. Elektrolitlar bilan birgalikda ular elektrokimyoviy tizimni tashkil qiladi.
Elektrodlar orasidagi oksidlanish-qaytarilish reaktsiyasining qo'shimcha mahsuloti elektr tokining hosil bo'lishidir. Bunday reaksiya jarayonida qaytaruvchi oksidlanadi va elektronlarni oksidlovchiga beradi, u ularni qabul qiladi va shu bilan kamayadi. Katod va anod o'rtasida elektrolitning mavjudligi reaksiya uchun zaruriy shartdir. Agar siz ikki xil metalldan tayyorlangan kukunlarni oddiygina aralashtirib yuborsangiz, elektr energiyasi chiqmaydi, barcha energiya issiqlik shaklida chiqariladi. Elektrolitlar elektron uzatish jarayonini soddalashtirish uchun kerak. Ko'pincha bu tuz eritmasi yoki eritmadir.
Elektrodlar metall plitalar yoki panjaralarga o'xshaydi. Ular elektrolitga botirilganda, ular o'rtasida elektr potentsial farqi paydo bo'ladi - ochiq elektron kuchlanish. Anod elektronlar berishga intiladi, katod esa ularni qabul qilishga intiladi. Ularning yuzasida kimyoviy reaksiyalar boshlanadi. Ular sxema ochilganda, shuningdek, reagentlardan biri tugaganda to'xtaydi. Elektrodlar yoki elektrolitlardan biri chiqarilganda kontaktlarning zanglashiga olib kirishi sodir bo'ladi.
Elektrokimyoviy tizimlar tarkibi
Kimyoviy tok manbalarida oksidlovchi moddalar sifatida tarkibida kislorodli kislotalar va tuzlar, kislorod, galogenidlar, yuqori metall oksidlari, nitroorganik birikmalar va boshqalar ishlatiladi. Metallar va ularning quyi oksidlari, vodorod ulardagi qaytaruvchi moddalardir.va uglevodorod birikmalari. Elektrolitlar qanday ishlatiladi:
- Kislotalar, ishqorlar, tuz va boshqalarning suvli eritmalari.
- Tuzlarni organik yoki noorganik erituvchilarda eritish natijasida olingan ion oʻtkazuvchanlikka ega suvsiz eritmalar.
- Erigan tuzlar.
- Ionlardan biri harakatchan boʻlgan ion panjarali qattiq birikmalar.
- Matritsali elektrolitlar. Bular suyuq eritmalar yoki qattiq o'tkazuvchan bo'lmagan jism - elektron tashuvchining teshiklarida joylashgan eritmalardir.
- Ion almashinadigan elektrolitlar. Bular bir xil belgining qattiq ionogen guruhlari bo'lgan qattiq birikmalardir. Boshqa belgining ionlari harakatchan. Bu xususiyat bunday elektrolitning o'tkazuvchanligini bir qutbli qiladi.
Galvanik batareyalar
Kimyoviy tok manbalari galvanik elementlar - hujayralardan iborat. Ushbu hujayralardan birida kuchlanish kichik - 0,5 dan 4V gacha. Ehtiyojga qarab, HITda bir nechta ketma-ket ulangan hujayralardan tashkil topgan galvanik batareya qo'llaniladi. Ba'zan bir nechta elementlarning parallel yoki ketma-ket parallel ulanishi qo'llaniladi. Faqat bir xil asosiy hujayralar yoki batareyalar har doim ketma-ket zanjirga kiritilgan. Ular bir xil parametrlarga ega bo'lishi kerak: elektrokimyoviy tizim, dizayn, texnologik variant va standart o'lcham. Parallel ulanish uchun turli o'lchamdagi elementlardan foydalanish mumkin.
HIT tasnifi
Kimyoviy oqim manbalari quyidagilar bilan farqlanadi:
- olcham;
- dizaynlar;
- reagentlar;
- energiya hosil qiluvchi reaksiyaning tabiati.
Bu parametrlar ma'lum bir ilova uchun mos keladigan HIT unumdorlik xususiyatlarini aniqlaydi.
Elektrokimyoviy elementlarning tasnifi qurilmaning ishlash printsipidagi farqga asoslanadi. Ushbu xususiyatlarga ko'ra, ular quyidagilarni ajratadilar:
- Birlamchi kimyoviy oqim manbalari bir martalik ishlatiladigan elementlardir. Ularda reagentlarning ma'lum bir zaxirasi mavjud bo'lib, ular reaksiya jarayonida iste'mol qilinadi. To'liq zaryadsizlangandan so'ng, bunday hujayra o'z funksionalligini yo'qotadi. Boshqacha qilib aytganda, birlamchi HITlar galvanik hujayralar deb ataladi. Ularni oddiygina - element deb atash to'g'ri bo'ladi. Birlamchi quvvat manbaiga eng oddiy misollar "batareyalar" A-A.
- Qayta zaryadlanuvchi kimyoviy oqim manbalari - batareyalar (ular ikkilamchi, qaytariladigan HIT deb ham ataladi) qayta ishlatiladigan hujayralardir. Tashqi kontaktlarning zanglashiga olib keladigan oqimni akkumulyator orqali teskari yo'nalishda o'tkazish orqali, to'liq zaryadsizlangandan so'ng, sarflangan reagentlar qayta tiklanadi, yana kimyoviy energiya (zaryad) to'planadi. Tashqi doimiy oqim manbasidan zaryad qilish qobiliyati tufayli ushbu qurilma uzoq vaqt davomida zaryadlash uchun tanaffuslar bilan ishlatiladi. Elektr energiyasini ishlab chiqarish jarayoni batareya zaryadsizlanishi deb ataladi. Bunday HITlar qatoriga ko'plab elektron qurilmalar (noutbuklar, mobil telefonlar va boshqalar) uchun batareyalar kiradi.
- Termik kimyoviy oqim manbalari - uzluksiz qurilmalar. DAularning ish jarayonida reagentlarning yangi qismlarining uzluksiz oqimi va reaksiya mahsulotlarini olib tashlash mavjud.
- Qo'shma (yarim yoqilg'i) galvanik xujayralari reagentlardan birining zaxirasiga ega. Ikkinchisi qurilmaga tashqaridan oziqlanadi. Qurilmaning ishlash muddati birinchi reagentning etkazib berilishiga bog'liq. Elektr tokining birlashgan kimyoviy manbalari, agar tashqi manbadan oqim o'tkazish orqali ularning zaryadini tiklash mumkin bo'lsa, batareyalar sifatida ishlatiladi.
- HIT qayta tiklanadigan mexanik yoki kimyoviy qayta zaryadlanuvchi. Ular uchun sarflangan reagentlarni to'liq zaryadsizlangandan keyin yangi qismlarga almashtirish mumkin. Ya'ni, ular uzluksiz qurilmalar emas, balki batareyalar kabi vaqti-vaqti bilan zaryadlanadi.
HIT xususiyatlari
Kimyoviy quvvat manbalarining asosiy xususiyatlari quyidagilardan iborat:
- Ochiq kontaktlarning zanglashiga olib kelishi (ORC yoki tushirish kuchlanishi). Bu ko'rsatkich, birinchi navbatda, tanlangan elektrokimyoviy tizimga bog'liq (qaytaruvchi vosita, oksidlovchi va elektrolitlar birikmasi). Shuningdek, NRC ga elektrolitlar kontsentratsiyasi, tushirish darajasi, harorat va boshqalar ta'sir qiladi. NRC HIT orqali o'tadigan oqim qiymatiga bog'liq.
- Quvvat.
- Deşarj oqimi - tashqi zanjirning qarshiligiga bog'liq.
- Imkoniyat - HIT to'liq zaryadsizlanganda chiqaradigan elektr energiyasining maksimal miqdori.
- Quvvat zahirasi - qurilma toʻliq zaryadsizlanganda olinadigan maksimal energiya.
- Energiya xususiyatlari. Batareyalar uchun bu, birinchi navbatda, sig'im yoki zaryad kuchlanishini (resursni) kamaytirmasdan zaryadlash-bo'shatish davrlarining kafolatlangan sonidir.
- Haroratning ishlash diapazoni.
- Yaroqlilik muddati - ishlab chiqarish va qurilmaning birinchi zaryadsizlanishi oʻrtasidagi ruxsat etilgan maksimal vaqt.
- Foydalanish muddati - saqlash va ishlatishning maksimal ruxsat etilgan umumiy muddati. Yoqilg'i xujayralari uchun uzluksiz va intervalgacha xizmat muddati muhim.
- Umr davomida sarflangan umumiy energiya.
- Tebranish, zarba va hokazolarga nisbatan mexanik kuch.
- Istalgan lavozimda ishlash qobiliyati.
- Ishonchlilik.
- Oson parvarishlash.
HIT talablari
Elektrokimyoviy elementlarning konstruksiyasi eng samarali reaksiya uchun qulay sharoitlarni ta'minlashi kerak. Bu shartlarga quyidagilar kiradi:
- oqimning oldini olish;
- hatto ish;
- mexanik quvvat (shu jumladan zichlik);
- reagentlarni ajratish;
- elektrodlar va elektrolitlar o'rtasida yaxshi aloqa;
- oqimning reaksiya zonasidan tashqi terminalga minimal yoʻqotishlar bilan tarqalishi.
Kimyoviy oqim manbalari quyidagi umumiy talablarga javob berishi kerak:
- aniq parametrlarning eng yuqori qiymatlari;
- maksimal ish harorati diapazoni;
- eng katta taranglik;
- minimal xarajatenergiya birliklari;
- kuchlanish barqarorligi;
- zaryad xavfsizligi;
- xavfsizlik;
- xizmat koʻrsatish qulayligi va ideal holatda bunga ehtiyoj yoʻq;
- uzoq xizmat muddati.
Espluatatsiya HIT
Birlamchi galvanik elementlarning asosiy afzalligi shundaki, ular hech qanday parvarishlashni talab qilmaydi. Ulardan foydalanishni boshlashdan oldin tashqi ko'rinishini, yaroqlilik muddatini tekshirish kifoya. Ulanishda polaritni kuzatish va qurilma kontaktlarining yaxlitligini tekshirish kerak. Keyinchalik murakkab kimyoviy oqim manbalari - batareyalar, jiddiyroq parvarish qilishni talab qiladi. Ularga texnik xizmat ko'rsatishning maqsadi xizmat muddatini maksimal darajada oshirishdir. Batareyaga g'amxo'rlik qilish:
- toza tuting;
- ochiq elektron kuchlanish monitoringi;
- elektrolit darajasini saqlab turish (toʻldirish uchun faqat distillangan suvdan foydalanish mumkin);
- elektrolitlar konsentratsiyasini nazorat qilish (arometr yordamida - suyuqliklar zichligini o'lchash uchun oddiy qurilma).
Galvanik elementlardan foydalanishda elektr jihozlaridan xavfsiz foydalanishga oid barcha talablarga rioya qilish kerak.
HITning elektrokimyoviy tizimlar boʻyicha tasnifi
Tizimga qarab kimyoviy oqim manbalarining turlari:
- qo'rg'oshin (kislota);
- nikel-kadmiy, nikel-temir, nikel-sink;
- marganets-rux, mis-sink, simob-sink, rux xlorid;
- kumush-rux, kumush-kadmiy;
- havo-metall;
- nikel-vodorod va kumush-vodorod;
- marganets-magniy;
- litiy va hokazo.
HITning zamonaviy ilovasi
Kimyoviy oqim manbalari hozirda:
- avtomobillar;
- portativ jihozlar;
- harbiy va kosmik texnologiya;
- ilmiy jihozlar;
- dori (kardiostimulyator).
Kundalik hayotda HITning odatiy misollari:
- batareyalar (quruq batareyalar);
- portativ maishiy texnika va elektronika uchun batareyalar;
- uzluksiz quvvat manbalari;
- avtomobil akkumulyatorlari.
Litiy kimyoviy oqim manbalari ayniqsa keng qo'llaniladi. Buning sababi, lityum (Li) eng yuqori o'ziga xos energiyaga ega. Gap shundaki, u boshqa metallar orasida eng salbiy elektrod potentsialiga ega. Lityum-ion batareyalar (LIA) o'ziga xos energiya va ish kuchlanishi bo'yicha boshqa barcha CPS dan oldinda. Endi ular yangi yo‘nalish – avtomobil transportini bosqichma-bosqich o‘zlashtirmoqda. Kelajakda lityum batareyalarni takomillashtirish bilan bog'liq olimlarning rivojlanishi ultra yupqa dizaynlar va katta og'ir batareyalarga o'tadi.
