Химическими источниками электрической энергии (ХИЭЭ) называются устройства, с помощью которых свободная энергия пространственно разделенных окислительно-восстановительных процессов превращается в электрическую энергию. По характеру работы ХИЭЭ делятся на две группы: гальванические элементы, или первичные источники энергии, и электрические аккумуляторы, или вторичные источники энергии. Первичные ХИЭЭ допускают лишь однократное использование заключенных в них активных материалов. При этом отдача электрической энергии может быть осуществлена в один или несколько приемов. Полностью разряженный гальванический элемент к дальнейшей работе не пригоден. У вторичных ХИЭЭ работоспособность после разряда может быть восстановлена путем заряда, т. е. пропускания постоянного электрического тока через аккумулятор в направлении, противоположном тому, в котором протекал ток при разряде.
Иногда для характеристики электродов вХИЭЭ используют термины «катод» и «анод». При разряде источника энергии отрицательный электрод, на котором протекает процесс окисления, называется анодом, а положительный электрод, на котором происходит процесс восстановления, — катодом. При заряде, наоборот, катодом служит отрицательный электрод, а анодом — положительный.
|
|
Электродвижущей силой (ЭДС) Е химического источника энергии называют разность его электродных потенциалов при разомкнутой внешней цепи, т. е. при отсутствии тока в цепи:
Е = Е+ - Е-, (6.1)
где Е+ и Е-— равновесные потенциалы положительного и отрицательного электродов.
ЭДС батареи Еб, состоящей из nисточников тока, соединенных последовательно, равна сумме ЭДС отдельных элементов:
Еб = nЕ. (6.2)
Полным внутренним сопротивлением r химического источника энергии называют сопротивление, оказываемое источником энергии при прохождении постоянного электрического тока; оно складывается из омического r 0 и поляризационного rnсопротивлений:
r = r0 + rn = r0 +Еn/I, (6.3)
где Еn — ЭДС поляризации, представляющая собой алгебраическую сумму перенапряжений электродных процессов: I - ток; rо — сумма сопротивлений электродов и электролита; rnзависит от силы тока, т. е. не подчиняется закону Ома.
В процессе разряда ХИЭЭ полное внутреннее сопротивление в большинстве случаев увеличивается, так как r 0 и rnвозрастают при изменении состава электролита и электродов (главным образом, поверхностного слоя). Величина rсущественно зависит также от размеров и конструкции ХИЭЭ. Обычно, чем больше размеры ХИЭЭ, тем меньше r.
Значения rпри разряде и заряде аккумулятора могут быть рассчитаны по формулам:
|
|
rр = (Е - Uр)/Iр, rз = (Uр - E)/Iз (6.4)
где U - напряжение ХИЭЭ; I — ток; индексы «р» и «з» здесь и далее показывают, к чему относится данная величина, — к разряду или заряду.
Наличием внутреннего сопротивления обусловлено то, что разрядное напряжение Up ХИЭЭ (т. е. напряжение при замкнутой внешней цепи) всегда меньше его ЭДС
Up = Е - rрIр = IрR, (6.5)
где R— внешнее сопротивление (нагрузка).
При постоянной силе разрядного тока и постоянной температуре электролита разрядное напряжение уменьшается во времени вследствие увеличения rп. Р и r0. р.
Зарядное напряжение аккумуляторов выражается уравнением
U3 = Е + r3I3 = I3R. (6.6)
При постоянстве силы зарядного тока и температуры электролита зарядное напряжение увеличивается во времени вследствие увеличения Еп.з. В конце заряда, когда в основном идет процесс электролиза воды, значение U3 стабилизируется.
Среднее значение напряжения при заряде и разряде:
; , (6.7)
где tз и tр — продолжительность заряда и разряда ХИЭЭ.
Разрядной емкостью Qpназывают количество электричества, которое можно получить от ХИЭЭ при определенных условиях: температуре, разрядном токе и конечном разрядном напряжении, т. е. при определенном режиме разряда. Разрядную емкость определяют формулой
Qp . (6.8)
При I = const эта формула упрощается:
Qp=Iptp. (6.9)
Ее можно также записать так:
Qp= tp/R, (6.10)
где R — сопротивление во внешней цепи (сопротивление нагрузки).
Удельная емкость ХИЭЭ, т. е. отношение фактически получаемой емкости к его полной массе QG или объему Q V , зависит от конструкции ХИЭЭ и определяется формулами:
QG=Qp/G; Qv=Qp/V, (6.11)
где Qp — разрядная емкость ХИЭЭ; G — масса; V — объем ХИЭЭ.
Энергия WЗ, полученная ХИЭЭ при заряде, а также энергия Wp, которую он отдает во внешнюю цепь при определенных условиях разряда, выражаются следующими формулами:
; , (6.12)
или
; . (6.13)
Удельная энергия ХИЭЭ определяется формулами
; (6.14)
и зависит от конструкции ХИЭЭ и условий разряда.
Мощностью Рназывают количество энергии, отдаваемой ХИЭЭ в единицу времени. Мощность, отнесенная к единице массы или объема ХИЭЭ, называется удельной.
Теоретическая мощность ХИЭЭ определяется равенством
Р = ЕI=I2R + I2r (6.15)
Первое из слагаемых в правой части этого уравнения представляет собой мощность, развиваемую ХИЭЭ во внешней цепи, а второе - потерю мощности внутри ХИЭЭ.
Полезная мощность ХИЭЭ:
Рпол=IE –I2r = I2R (6.16)
Для получения во внешней цепи максимальной полезной мощности необходимо, чтобы внешнее сопротивление было равно внутреннему сопротивлению ХИЭЭ.
Саморазрядом называют потерю емкости ХИЭЭ при разомкнутой внешней цепи. Этот процесс вызван главным образом взаимодействием активных масс электродов и электролита. Саморазряд С обычно выражают в процентах потери емкости за сутки:
, (6.17)
где Q1 и Q2 -емкость ХИЭЭ до и после хранения; t - продолжительность хранения, в сутках.