مصادر التيار الكيميائي (والمختصرة بـ HIT) هي أجهزة يتم فيها تحويل طاقة تفاعل الأكسدة والاختزال إلى طاقة كهربائية. أسمائهم الأخرى هي خلية كهروكيميائية ، خلية جلفانية ، خلية كهروكيميائية. مبدأ عملها على النحو التالي: نتيجة لتفاعل اثنين من الكواشف ، يحدث تفاعل كيميائي مع إطلاق الطاقة من تيار كهربائي مباشر. في المصادر الحالية الأخرى ، تتم عملية توليد الكهرباء وفق مخطط متعدد المراحل. أولاً ، يتم إطلاق الطاقة الحرارية ، ثم يتم تحويلها إلى طاقة ميكانيكية ، وبعد ذلك فقط إلى طاقة كهربائية. ميزة HIT هي عملية المرحلة الواحدة ، أي يتم الحصول على الكهرباء على الفور ، متجاوزة مراحل الحصول على الطاقة الحرارية والميكانيكية.
التاريخ
كيف ظهرت المصادر الحالية الأولى؟ تسمى المصادر الكيميائية بالخلايا الجلفانية تكريما للعالم الإيطالي في القرن الثامن عشر - لويجي جالفاني. كان طبيبًا وعالم تشريح وفيزيولوجيًا وفيزيائيًا. أحد اتجاهاتهاكان البحث عبارة عن دراسة تفاعلات الحيوانات مع التأثيرات الخارجية المختلفة. اكتشف جالفاني الطريقة الكيميائية لتوليد الكهرباء عن طريق الصدفة ، خلال إحدى التجارب على الضفادع. قام بتوصيل لوحين معدنيين بالعصب المكشوف على ساق الضفدع. أدى ذلك إلى تقلص العضلات. كان تفسير جالفاني الخاص لهذه الظاهرة غير صحيح. لكن نتائج تجاربه وملاحظاته ساعدت مواطنه أليساندرو فولتا في دراسات لاحقة.
أوجز فولتا في كتاباته نظرية حدوث تيار كهربائي نتيجة تفاعل كيميائي بين معدنين ملامسين للنسيج العضلي للضفدع. بدا مصدر التيار الكيميائي الأول وكأنه وعاء من محلول ملحي ، مع ألواح من الزنك والنحاس مغمورة فيه.
بدأ إنتاج
HIT على نطاق صناعي في النصف الثاني من القرن التاسع عشر ، بفضل الفرنسي Leclanche ، الذي اخترع خلية المنغنيز والزنك الأولية مع إلكتروليت الملح ، الذي سمي باسمه. بعد بضع سنوات ، تم تحسين هذه الخلية الكهروكيميائية بواسطة عالم آخر وكانت المصدر الأساسي الوحيد للتيار الكيميائي حتى عام 1940.
تصميم ومبدأ العملية ضرب
يشتمل جهاز مصادر التيار الكيميائي على قطبين (موصلات من النوع الأول) وإلكتروليت يقع بينهما (موصل من النوع الثاني أو موصل أيوني). تنشأ إمكانات إلكترونية عند الحدود بينهما. القطب الذي يتأكسد فيه عامل الاختزاليسمى الأنود ، ويسمى القطب الذي ينخفض فيه العامل المؤكسد بالكاثود. جنبا إلى جنب مع المنحل بالكهرباء ، يشكلون النظام الكهروكيميائي.
المنتج الثانوي لتفاعل الأكسدة والاختزال بين الأقطاب الكهربائية هو توليد التيار الكهربائي. أثناء مثل هذا التفاعل ، يتأكسد عامل الاختزال ويتبرع بالإلكترونات إلى العامل المؤكسد ، الذي يقبلها وبالتالي يتم تقليله. يعد وجود المنحل بالكهرباء بين الكاثود والأنود شرطًا ضروريًا للتفاعل. إذا قمت ببساطة بخلط مساحيق من معدنين مختلفين معًا ، فلن يتم إطلاق الكهرباء ، وسيتم إطلاق كل الطاقة في شكل حرارة. هناك حاجة إلى إلكتروليت لتبسيط عملية نقل الإلكترون. في أغلب الأحيان يكون محلول ملحي أو مذاب.
تبدو الأقطاب الكهربائية مثل الألواح المعدنية أو الشبكات. عندما ينغمسون في إلكتروليت ، ينشأ فرق جهد كهربائي بينهما - جهد دائرة مفتوحة. يميل الأنود إلى التبرع بالإلكترونات ، بينما يميل الكاثود إلى قبولها. تبدأ التفاعلات الكيميائية على سطحها. تتوقف عند فتح الدائرة ، وكذلك عند استخدام أحد الكواشف. يحدث فتح الدائرة عند إزالة أحد الأقطاب الكهربائية أو الإلكتروليت.
تكوين الأنظمة الكهروكيميائية
تستخدم مصادر التيار الكيميائي الأحماض والأملاح المحتوية على الأكسجين ، والأكسجين ، والهاليدات ، وأكاسيد المعادن العالية ، والمركبات النيتروجينية ، وما إلى ذلك كعوامل مؤكسدة. المعادن وأكاسيدها المنخفضة ، والهيدروجين عوامل مختزلة فيهاوالمركبات الهيدروكربونية. كيف يتم استخدام الإلكتروليتات:
- المحاليل المائية للأحماض والقلويات والمالحة وغيرها
- محاليل غير مائية ذات موصلية أيونية ، يتم الحصول عليها بإذابة الأملاح في مذيبات عضوية أو غير عضوية.
- أملاح منصهرة.
- مركبات صلبة بشبكة أيونية يكون فيها أحد الأيونات متحركًا.
- إلكتروليتات المصفوفة. هذه عبارة عن محاليل سائلة أو مواد منصهرة موجودة في مسام جسم صلب غير موصل - حامل إلكترون.
- شوارد التبادل الأيوني. هذه مركبات صلبة ذات مجموعات أيونية ثابتة من نفس العلامة. أيونات العلامة الأخرى متحركة. هذه الخاصية تجعل موصلية مثل هذا المنحل بالكهرباء أحادي القطب.
بطاريات كلفانية
تتكون مصادر التيار الكيميائي من خلايا - خلايا جلفانية. الجهد في إحدى هذه الخلايا صغير - من 0.5 إلى 4 فولت. اعتمادًا على الحاجة ، يتم استخدام بطارية كلفانية في HIT ، وتتألف من عدة خلايا متصلة بالسلسلة. في بعض الأحيان يتم استخدام اتصال متوازي أو متسلسل متوازي لعدة عناصر. يتم دائمًا تضمين الخلايا أو البطاريات الأولية المتطابقة فقط في دائرة متسلسلة. يجب أن يكون لديهم نفس المعلمات: النظام الكهروكيميائي والتصميم والخيار التكنولوجي والحجم القياسي. للاتصال المتوازي ، من المقبول استخدام عناصر ذات أحجام مختلفة.
تصنيف HIT
تختلف المصادر الكيميائية الحالية في:
- حجم ؛
- تصاميم
- الكواشف ؛
- طبيعة التفاعل المكون للطاقة
تحدد هذه المعلمات خصائص أداء HIT المناسبة لتطبيق معين.
يعتمد تصنيف العناصر الكهروكيميائية على الاختلاف في مبدأ تشغيل الجهاز. اعتمادًا على هذه الخصائص ، يميزون:
- المصادر الكيميائية الأولية الحالية هي عناصر يمكن التخلص منها. لديهم كمية معينة من الكواشف ، والتي يتم استهلاكها أثناء التفاعل. بعد التفريغ الكامل ، تفقد هذه الخلية وظائفها. بطريقة أخرى ، تسمى الضربات الضاربة الأولية بالخلايا الجلفانية. سيكون من الصحيح أن نسميهم ببساطة - عنصر. أبسط الأمثلة على مصدر الطاقة الأساسي هي "البطاريات" A-A.
- مصادر التيار الكيميائي القابلة لإعادة الشحن - البطاريات (تسمى أيضًا HIT الثانوية القابلة للانعكاس) هي خلايا قابلة لإعادة الاستخدام. من خلال تمرير التيار من دائرة خارجية في الاتجاه المعاكس من خلال البطارية ، بعد التفريغ الكامل ، يتم تجديد الكواشف المستهلكة ، مرة أخرى تتراكم الطاقة الكيميائية (الشحن). بفضل القدرة على إعادة الشحن من مصدر تيار ثابت خارجي ، يتم استخدام هذا الجهاز لفترة طويلة ، مع فترات راحة لإعادة الشحن. تسمى عملية توليد الطاقة الكهربائية بتفريغ البطارية. تتضمن مثل هذه الضربات بطاريات للعديد من الأجهزة الإلكترونية (أجهزة الكمبيوتر المحمولة ، والهواتف المحمولة ، وما إلى ذلك).
- مصادر التيار الكيميائي الحراري - الأجهزة المستمرة. فيفي عملية عملهم ، هناك تدفق مستمر لأجزاء جديدة من الكواشف وإزالة نواتج التفاعل.
- تحتوي الخلايا الجلفانية المركبة (شبه وقود) على مخزون من أحد الكواشف. يتم إدخال الثانية في الجهاز من الخارج. يعتمد عمر الجهاز على إمداد الكاشف الأول. تستخدم المصادر الكيميائية المشتركة للتيار الكهربائي كبطاريات ، إذا كان من الممكن استعادة شحنتها عن طريق تمرير التيار من مصدر خارجي.
- HIT قابلة للتجديد قابلة لإعادة الشحن ميكانيكيًا أو كيميائيًا. بالنسبة لهم ، من الممكن استبدال الكواشف المستهلكة بأجزاء جديدة بعد التفريغ الكامل. أي أنها ليست أجهزة مستمرة ، لكنها ، مثل البطاريات ، يتم إعادة شحنها بشكل دوري.
ميزات HIT
الخصائص الرئيسية لمصادر الطاقة الكيميائية تشمل:
- جهد الدائرة المفتوحة (ORC أو جهد التفريغ). يعتمد هذا المؤشر ، أولاً وقبل كل شيء ، على النظام الكهروكيميائي المختار (مزيج من عامل الاختزال وعامل مؤكسد وإلكتروليت). أيضًا ، يتأثر NRC بتركيز الإلكتروليت ودرجة التفريغ ودرجة الحرارة وغير ذلك. يعتمد NRC على قيمة التيار المار عبر HIT.
- القوة
- تيار التفريغ - يعتمد على مقاومة الدائرة الخارجية
- السعة - أقصى قدر من الكهرباء يعطيها HIT عندما يتم تفريغها بالكامل.
- احتياطي الطاقة - أقصى طاقة يتم استقبالها عند تفريغ الجهاز بالكامل.
- خصائص الطاقة. بالنسبة للبطاريات ، هذا أولاً وقبل كل شيء عدد مضمون من دورات الشحن والتفريغ دون تقليل السعة أو جهد الشحن (المورد).
- نطاق درجة حرارة التشغيل.
- العمر الافتراضي هو أقصى وقت مسموح به بين التصنيع والتفريغ الأول للجهاز.
- العمر المفيد - أقصى فترة إجمالية مسموح بها للتخزين والتشغيل. بالنسبة لخلايا الوقود ، فإن عمر الخدمة المستمر والمتقطع مهم.
- إجمالي الطاقة تبدد على مدى العمر.
- قوة ميكانيكية ضد الاهتزازات والصدمات وما إلى ذلك
- القدرة على العمل في أي منصب.
- الموثوقية.
- سهولة الصيانة
متطلبات HIT
يجب أن يوفر تصميم الخلايا الكهروكيميائية الظروف المواتية للتفاعل الأكثر كفاءة. هذه الشروط تشمل:
- منع التسرب الحالي
- حتى العمل
- القوة الميكانيكية (بما في ذلك الضيق) ؛
- فصل الكواشف
- اتصال جيد بين الأقطاب الكهربائية والإلكتروليت ؛
- تبديد التيار من منطقة التفاعل إلى الطرف الخارجي بأقل خسائر
يجب أن تفي المصادر الكيميائية الحالية بالمتطلبات العامة التالية:
- أعلى قيم معلمات محددة ؛
- نطاق درجة حرارة التشغيل القصوى ؛
- التوتر الأكبر
- الحد الأدنى للتكلفةوحدات الطاقة
- استقرار الجهد
- تهمة السلامة ؛
- أمن ؛
- سهولة الصيانة و مثاليا لا داعي لها
- خدمة طويلة
استغلال ضرب
الميزة الرئيسية للخلايا الجلفانية الأولية هي أنها لا تتطلب أي صيانة. قبل البدء في استخدامها ، يكفي التحقق من المظهر وتاريخ انتهاء الصلاحية. عند الاتصال ، من المهم مراقبة القطبية والتحقق من سلامة جهات اتصال الجهاز. تتطلب مصادر التيار الكيميائي الأكثر تعقيدًا - البطاريات ، عناية أكثر جدية. الغرض من صيانتها هو زيادة مدة خدمتهم. العناية بالبطارية هي:
- حافظ على نظافتها ؛
- مراقبة جهد الدائرة المفتوحة ؛
- الحفاظ على مستوى المنحل بالكهرباء (يمكن استخدام الماء المقطر فقط للتعبئة) ؛
- التحكم في تركيز الإلكتروليت (باستخدام مقياس كثافة السوائل - جهاز بسيط لقياس كثافة السوائل).
عند تشغيل الخلايا الجلفانية ، يجب مراعاة جميع المتطلبات المتعلقة بالاستخدام الآمن للأجهزة الكهربائية.
تصنيف HIT بواسطة الأنظمة الكهروكيميائية
أنواع المصادر الكيميائية الحالية ، اعتمادًا على النظام:
- رصاص (حمض) ؛
- النيكل والكادميوم والنيكل والحديد والنيكل والزنك ؛
- المنغنيز والزنك والنحاس والزنك والزئبق والزنك وكلوريد الزنك ؛
- الفضة والزنك والفضة والكادميوم ؛
- هواء-معدن ؛
- نيكل-هيدروجين وفضة-هيدروجين
- المنغنيز والمغنيسيوم ؛
- الليثيوم الخ
تطبيق حديث لـ HIT
تستخدم المصادر الكيميائية الحالية حاليًا في:
- مركبات ؛
- أجهزة محمولة ؛
- التكنولوجيا العسكرية والفضائية ؛
- معدات علمية ؛
- دواء (منظم ضربات القلب).
أمثلة معتادة على HIT في الحياة اليومية:
- بطاريات (بطاريات جافة) ؛
- بطاريات للأجهزة المنزلية المحمولة والإلكترونيات ؛
- إمدادات الطاقة غير المنقطعة ؛
- بطاريات سيارات
تستخدم مصادر التيار الكيميائي الليثيوم على نطاق واسع بشكل خاص. هذا لأن الليثيوم (Li) يحتوي على أعلى طاقة محددة. الحقيقة هي أنه يحتوي على أقصى جهد قطب سلبي بين جميع المعادن الأخرى. بطاريات الليثيوم أيون (LIA) تتقدم على جميع CPS الأخرى من حيث الطاقة المحددة والجهد التشغيلي. الآن هم يتقنون تدريجيا منطقة جديدة - النقل البري. في المستقبل ، سيتجه تطوير العلماء المتعلق بتحسين بطاريات الليثيوم نحو تصميمات فائقة الرقة وبطاريات كبيرة للخدمة الشاقة.
