Fontes de corrente química (abreviadas como HIT) são dispositivos nos quais a energia de uma reação redox é convertida em energia elétrica. Seus outros nomes são célula eletroquímica, célula galvânica, célula eletroquímica. O princípio de sua operação é o seguinte: como resultado da interação de dois reagentes, ocorre uma reação química com a liberação de energia de uma corrente elétrica direta. Em outras fontes atuais, o processo de geração de eletricidade ocorre de acordo com um esquema de vários estágios. Primeiro, a energia térmica é liberada, depois é convertida em energia mecânica e só então em energia elétrica. A vantagem do HIT é o processo de estágio único, ou seja, a eletricidade é obtida imediatamente, contornando as etapas de obtenção de energia térmica e mecânica.
Histórico
Como surgiram as primeiras fontes atuais? As fontes químicas são chamadas de células galvânicas em homenagem ao cientista italiano do século XVIII - Luigi Galvani. Foi médico, anatomista, fisiologista e físico. Uma de suas direçõespesquisa era o estudo das reações dos animais a várias influências externas. O método químico de geração de eletricidade foi descoberto por Galvani por acaso, durante um dos experimentos com sapos. Ele conectou duas placas de metal ao nervo exposto na perna do sapo. Isso resultou em contração muscular. A própria explicação de Galvani desse fenômeno estava incorreta. Mas os resultados de seus experimentos e observações ajudaram seu compatriota Alessandro Volta em estudos posteriores.
Volta delineou em seus escritos a teoria da ocorrência de uma corrente elétrica como resultado de uma reação química entre dois metais em contato com o tecido muscular de um sapo. A primeira fonte de corrente química parecia um recipiente de solução salina, com placas de zinco e cobre imersas nele.
O
HIT começou a ser produzido em escala industrial na segunda metade do século XIX, graças ao francês Leclanche, que inventou a célula primária de manganês-zinco com eletrólito salino, que leva seu nome. Alguns anos depois, essa célula eletroquímica foi aprimorada por outro cientista e foi a única fonte primária de corrente química até 1940.
Design e princípio de funcionamento HIT
O dispositivo de fontes de corrente química inclui dois eletrodos (condutores do primeiro tipo) e um eletrólito localizado entre eles (condutor do segundo tipo, ou condutor iônico). Um potencial eletrônico surge na fronteira entre eles. O eletrodo no qual o agente redutor é oxidadochamado de ânodo, e aquele em que o agente oxidante é reduzido é chamado de cátodo. Juntamente com o eletrólito, eles formam o sistema eletroquímico.
Um subproduto da reação redox entre eletrodos é a geração de corrente elétrica. Durante essa reação, o agente redutor é oxidado e doa elétrons para o agente oxidante, que os aceita e é reduzido. A presença de um eletrólito entre o cátodo e o ânodo é uma condição necessária para a reação. Se você simplesmente misturar pós de dois metais diferentes, nenhuma eletricidade será liberada, toda a energia será liberada na forma de calor. Um eletrólito é necessário para agilizar o processo de transferência de elétrons. Na maioria das vezes, é uma solução salina ou uma fusão.
Os eletrodos parecem placas de metal ou grades. Quando eles são imersos em um eletrólito, surge uma diferença de potencial elétrico entre eles - uma tensão de circuito aberto. O ânodo tende a doar elétrons, enquanto o cátodo tende a aceitá-los. As reações químicas começam em sua superfície. Eles param quando o circuito é aberto e também quando um dos reagentes se esgota. A abertura do circuito ocorre quando um dos eletrodos ou eletrólito é removido.
Composição de sistemas eletroquímicos
Fontes de corrente química usam ácidos e sais contendo oxigênio, oxigênio, haletos, óxidos de metais superiores, compostos nitroorgânicos, etc. como agentes oxidantes. Metais e seus óxidos inferiores, hidrogênio são agentes redutores nelese compostos de hidrocarbonetos. Como os eletrólitos são usados:
- Soluções aquosas de ácidos, álcalis, soro fisiológico, etc.
- Soluções não aquosas com condutividade iônica, obtidas pela dissolução de sais em solventes orgânicos ou inorgânicos.
- Sais fundidos.
- Compostos sólidos com uma rede iônica na qual um dos íons é móvel.
- Eletrólitos de matriz. São soluções líquidas ou fundidos localizados nos poros de um corpo sólido não condutor - um transportador de elétrons.
- Eletrólitos de troca iônica. São compostos sólidos com grupos ionogênicos fixos de mesmo sinal. Os íons do outro signo são móveis. Esta propriedade torna a condutividade de tal eletrólito unipolar.
Baterias galvânicas
As fontes de corrente química consistem em células galvânicas - células. A tensão em uma dessas células é pequena - de 0,5 a 4V. Dependendo da necessidade, é utilizada uma bateria galvânica no HIT, composta por várias células conectadas em série. Às vezes, é usada uma conexão paralela ou série-paralela de vários elementos. Apenas células primárias ou baterias idênticas são sempre incluídas em um circuito em série. Devem ter os mesmos parâmetros: sistema eletroquímico, design, opção tecnológica e tamanho padrão. Para conexão paralela, é aceitável usar elementos de tamanhos diferentes.
Classificação HIT
As fontes de corrente química diferem em:
- tamanho;
- designs;
- reagentes;
- a natureza da reação de formação de energia.
Esses parâmetros determinam as propriedades de desempenho do HIT adequadas para uma aplicação específica.
A classificação dos elementos eletroquímicos é baseada na diferença do princípio de funcionamento do dispositivo. Dependendo dessas características, eles distinguem:
- As fontes de corrente química primária são elementos descartáveis. Eles têm um certo suprimento de reagentes, que é consumido durante a reação. Após uma descarga completa, essa célula perde sua funcionalidade. De outra forma, HITs primários são chamados de células galvânicas. Será correto chamá-los simplesmente - elemento. Os exemplos mais simples de uma fonte de energia primária são as "baterias" A-A.
- Fontes de corrente química recarregáveis - baterias (também chamadas HIT secundárias reversíveis) são células reutilizáveis. Ao passar a corrente de um circuito externo na direção oposta através da bateria, após uma descarga completa, os reagentes gastos são regenerados, acumulando novamente energia química (carregamento). Graças à capacidade de recarregar a partir de uma fonte externa de corrente constante, este dispositivo é usado por um longo tempo, com pausas para recarga. O processo de geração de energia elétrica é chamado de descarga da bateria. Esses HITs incluem baterias para muitos dispositivos eletrônicos (laptops, telefones celulares etc.).
- Fontes de corrente química térmica - dispositivos contínuos. NOno processo de seu trabalho, há um fluxo contínuo de novas porções de reagentes e a remoção de produtos da reação.
- As células galvânicas combinadas (semi-combustíveis) possuem um estoque de um dos reagentes. O segundo é alimentado no dispositivo do lado de fora. A vida útil do dispositivo depende do fornecimento do primeiro reagente. Fontes químicas combinadas de corrente elétrica são usadas como baterias, se for possível restaurar sua carga passando a corrente de uma fonte externa.
- HIT renovável recarregável mecanicamente ou quimicamente. Para eles, é possível substituir os reagentes gastos por novas porções após uma descarga completa. Ou seja, não são dispositivos contínuos, mas, assim como as baterias, são recarregados periodicamente.
HIT Features
As principais características das fontes de energia química incluem:
- Tensão de circuito aberto (ORC ou tensão de descarga). Este indicador, em primeiro lugar, depende do sistema eletroquímico escolhido (combinação de agente redutor, agente oxidante e eletrólito). Além disso, o NRC é afetado pela concentração do eletrólito, o grau de descarga, temperatura e muito mais. O NRC depende do valor da corrente que passa pelo HIT.
- Potência.
- Corrente de descarga - depende da resistência do circuito externo.
- Capacidade - a quantidade máxima de eletricidade que o HIT emite quando está totalmente descarregado.
- Reserva de energia - a energia máxima recebida quando o dispositivo está totalmente descarregado.
- Características energéticas. Para baterias, trata-se, em primeiro lugar, de um número garantido de ciclos de carga-descarga sem reduzir a capacidade ou a tensão de carga (recurso).
- Faixa de operação de temperatura.
- A vida útil é o tempo máximo permitido entre a fabricação e a primeira descarga do dispositivo.
- Vida útil - o período total máximo permitido de armazenamento e operação. Para células de combustível, a vida útil contínua e intermitente é importante.
- Energia total dissipada ao longo da vida.
- Resistência mecânica contra vibração, choque, etc.
- Capacidade de trabalhar em qualquer posição.
- Confiabilidade.
- Fácil manutenção.
HIT Requisitos
O projeto das células eletroquímicas deve fornecer condições propícias para a reação mais eficiente. Essas condições incluem:
- evitar fuga de corrente;
- funciona mesmo;
- resistência mecânica (incluindo aperto);
- separação de reagentes;
- bom contato entre eletrodos e eletrólito;
- dissipação de corrente da zona de reação para o terminal externo com perdas mínimas.
As fontes de corrente química devem atender aos seguintes requisitos gerais:
- valores mais altos de parâmetros específicos;
- faixa máxima de temperatura de operação;
- maior tensão;
- custo mínimounidades de energia;
- estabilidade de tensão;
- segurança de carga;
- segurança;
- facilidade de manutenção e, idealmente, sem necessidade;
- longa vida útil.
HIT de exploração
A principal vantagem das células galvânicas primárias é que elas não requerem manutenção. Antes de começar a usá-los, basta verificar a aparência, a data de validade. Ao conectar, é importante observar a polaridade e verificar a integridade dos contatos do dispositivo. Fontes de corrente química mais complexas - baterias, requerem cuidados mais sérios. O objetivo de sua manutenção é maximizar sua vida útil. Cuidar da bateria é:
- mantenha-se limpo;
- monitoramento de tensão de circuito aberto;
- manutenção do nível de eletrólito (somente água destilada pode ser usada para completar);
- controle da concentração de eletrólitos (usando um hidrômetro - um dispositivo simples para medir a densidade de líquidos).
Ao operar células galvânicas, todos os requisitos relativos ao uso seguro de aparelhos elétricos devem ser observados.
Classificação de HIT por sistemas eletroquímicos
Tipos de fontes de corrente química, dependendo do sistema:
- chumbo (ácido);
- níquel-cádmio, níquel-ferro, níquel-zinco;
- manganês-zinco, cobre-zinco, mercúrio-zinco, cloreto de zinco;
- prata-zinco, prata-cádmio;
- ar-metal;
- níquel-hidrogênio e prata-hidrogênio;
- manganês-magnésio;
- lítio etc.
Aplicação moderna de HIT
Fontes de corrente químicas são usadas atualmente em:
- veículos;
- aparelhos portáteis;
- tecnologia militar e espacial;
- equipamento científico;
- medicina (marcapassos).
Exemplos usuais de HIT na vida cotidiana:
- baterias (pilhas secas);
- baterias para eletrodomésticos e eletrônicos portáteis;
- fontes de alimentação ininterruptas;
- baterias de carro.
Fontes de corrente química de lítio são especialmente amplamente utilizadas. Isso ocorre porque o lítio (Li) tem a maior energia específica. O fato é que ele tem o potencial de eletrodo mais negativo entre todos os outros metais. As baterias de íons de lítio (LIA) estão à frente de todos os outros CPS em termos de energia específica e tensão de operação. Agora eles estão gradualmente dominando uma nova área - o transporte rodoviário. No futuro, o desenvolvimento de cientistas relacionados ao aprimoramento de baterias de lítio avançará para designs ultrafinos e baterias grandes e pesadas.
