Burimet e rrymës kimike (shkurtuar si HIT) janë pajisje në të cilat energjia e një reaksioni redoks konvertohet në energji elektrike. Emrat e tjerë të tyre janë qelizë elektrokimike, qelizë galvanike, qelizë elektrokimike. Parimi i funksionimit të tyre është si më poshtë: si rezultat i bashkëveprimit të dy reagentëve, ndodh një reaksion kimik me lëshimin e energjisë nga një rrymë elektrike e drejtpërdrejtë. Në burime të tjera aktuale, procesi i prodhimit të energjisë elektrike ndodh sipas një skeme shumëfazore. Fillimisht lirohet energjia termike, pastaj shndërrohet në energji mekanike dhe vetëm më pas në energji elektrike. Avantazhi i HIT është procesi njëfazësh, pra energjia elektrike merret menjëherë, duke anashkaluar fazat e marrjes së energjisë termike dhe mekanike.
Histori
Si u shfaqën burimet e para aktuale? Burimet kimike quhen qeliza galvanike për nder të shkencëtarit italian të shekullit të tetëmbëdhjetë - Luigi Galvani. Ai ishte mjek, anatomist, fiziolog dhe fizikan. Një nga drejtimet e tijHulumtimi ishte studimi i reagimeve të kafshëve ndaj ndikimeve të ndryshme të jashtme. Metoda kimike e prodhimit të energjisë elektrike u zbulua nga Galvani rastësisht, gjatë një prej eksperimenteve mbi bretkosat. Ai lidhi dy pllaka metalike me nervin e ekspozuar në këmbën e bretkosës. Kjo rezultoi në tkurrje të muskujve. Shpjegimi i vetë Galvanit për këtë fenomen ishte i pasaktë. Por rezultatet e eksperimenteve dhe vëzhgimeve të tij e ndihmuan bashkatdhetarin e tij Alessandro Volta në studimet e mëvonshme.
Volta nënvizoi në shkrimet e tij teorinë e shfaqjes së një rryme elektrike si rezultat i një reaksioni kimik midis dy metaleve në kontakt me indin muskulor të një bretkose. Burimi i parë i rrymës kimike dukej si një enë me kripë, me pllaka zinku dhe bakri të zhytura në të.
HIT filloi të prodhohej në shkallë industriale në gjysmën e dytë të shekullit të nëntëmbëdhjetë, falë francezit Leclanche, i cili shpiku qelizën primare të mangan-zinkut me elektrolit kripe, të quajtur pas tij. Disa vite më vonë, kjo qelizë elektrokimike u përmirësua nga një shkencëtar tjetër dhe ishte i vetmi burim kryesor i rrymës kimike deri në vitin 1940.
Dizajni dhe parimi i funksionimit HIT
Pajisja e burimeve të rrymës kimike përfshin dy elektroda (përçues të llojit të parë) dhe një elektrolit të vendosur ndërmjet tyre (përçues i llojit të dytë, ose përcjellës jonik). Një potencial elektronik lind në kufirin midis tyre. Elektroda në të cilën oksidohet agjenti reduktuesquhet anodë dhe ajo në të cilën reduktohet agjenti oksidues quhet katodë. Së bashku me elektrolitin, ato përbëjnë sistemin elektrokimik.
Një nënprodukt i reaksionit redoks ndërmjet elektrodave është gjenerimi i rrymës elektrike. Gjatë një reaksioni të tillë, agjenti reduktues oksidohet dhe i dhuron elektrone agjentit oksidues, i cili i pranon ato dhe në këtë mënyrë reduktohet. Prania e një elektroliti midis katodës dhe anodës është një kusht i domosdoshëm për reaksionin. Nëse thjesht përzieni pluhurat nga dy metale të ndryshme së bashku, nuk do të lirohet energji elektrike, e gjithë energjia do të çlirohet në formën e nxehtësisë. Një elektrolit nevojitet për të përmirësuar procesin e transferimit të elektroneve. Më shpesh, është një zgjidhje kripe ose një shkrirje.
Elektrodat duken si pllaka ose rrjeta metalike. Kur ato zhyten në një elektrolit, midis tyre lind një ndryshim potencial elektrik - një tension i qarkut të hapur. Anoda tenton të dhurojë elektrone, ndërsa katoda tenton t'i pranojë ato. Në sipërfaqen e tyre fillojnë reaksionet kimike. Ata ndalojnë kur hapet qarku, dhe gjithashtu kur një nga reagentët është përdorur. Hapja e qarkut ndodh kur hiqet njëra prej elektrodave ose elektrolitit.
Përbërja e sistemeve elektrokimike
Burimet e rrymës kimike përdorin acide dhe kripëra që përmbajnë oksigjen, oksigjen, halide, okside më të larta të metaleve, komponime nitroorganike etj. si agjentë oksidues. Metalet dhe oksidet e tyre më të ulëta, hidrogjeni janë agjentë reduktues në todhe komponimet hidrokarbure. Si përdoren elektrolitet:
- Tretësirat ujore të acideve, alkaleve, kripës, etj.
- Tretësirat jo ujore me përçueshmëri jonike, të marra nga tretja e kripërave në tretës organikë ose inorganikë.
- Kripëra të shkrira.
- Përbërje të ngurta me një rrjetë jonike në të cilën njëri nga jonet është i lëvizshëm.
- Elektrolitet matricë. Këto janë solucione të lëngëta ose shkrirje të vendosura në poret e një trupi të ngurtë jopërçues - një bartës elektroni.
- Elektrolitet jon-shkëmbyes. Këto janë komponime të ngurta me grupe jongjenike fikse të së njëjtës shenjë. Jonet e shenjës tjetër janë të lëvizshëm. Kjo veti e bën përçueshmërinë e një elektroliti të tillë unipolar.
Bateri galvanike
Burimet e rrymës kimike përbëhen nga qeliza - qeliza galvanike. Tensioni në njërën prej këtyre qelizave është i vogël - nga 0,5 në 4 V. Në varësi të nevojës, në HIT përdoret një bateri galvanike, e përbërë nga disa qeliza të lidhura me seri. Ndonjëherë përdoret një lidhje paralele ose seri-paralele e disa elementeve. Vetëm qelizat primare ose bateritë identike përfshihen gjithmonë në një qark seri. Ata duhet të kenë të njëjtat parametra: sistemi elektrokimik, dizajni, opsioni teknologjik dhe madhësia standarde. Për lidhje paralele, është e pranueshme të përdoren elementë të madhësive të ndryshme.
Klasifikimi HIT
Burimet e rrymës kimike ndryshojnë në:
- madhësia;
- dizajn;
- reagentë;
- natyra e reaksionit të formimit të energjisë.
Këto parametra përcaktojnë vetitë e performancës së HIT të përshtatshme për një aplikacion të caktuar.
Klasifikimi i elementeve elektrokimike bazohet në ndryshimin në parimin e funksionimit të pajisjes. Në varësi të këtyre karakteristikave, ato dallojnë:
- Burimet primare të rrymës kimike janë elementë të disponueshëm. Ata kanë një furnizim të caktuar reagentësh, i cili konsumohet gjatë reaksionit. Pas një shkarkimi të plotë, një qelizë e tillë humbet funksionalitetin e saj. Në një mënyrë tjetër, HIT-et parësore quhen qeliza galvanike. Do të jetë e saktë t'i quani ato thjesht - element. Shembujt më të thjeshtë të një burimi primar të energjisë janë "bateritë" A-A.
- Burimet e rrymës kimike të rikarikueshme - bateritë (ato quhen gjithashtu HIT dytësore, të kthyeshme) janë qeliza të ripërdorshme. Me kalimin e rrymës nga një qark i jashtëm në drejtim të kundërt përmes baterisë, pas një shkarkimi të plotë, reagentët e shpenzuar rigjenerohen, duke grumbulluar sërish energji kimike (karikim). Falë aftësisë për t'u rimbushur nga një burim i jashtëm i rrymës konstante, kjo pajisje përdoret për një kohë të gjatë, me ndërprerje për rimbushje. Procesi i gjenerimit të energjisë elektrike quhet shkarkim i baterisë. Të tilla HIT përfshijnë bateri për shumë pajisje elektronike (laptopë, telefona celularë, etj.).
- Burimet e rrymës kimike termike - pajisje të vazhdueshme. ATnë procesin e punës së tyre, ka një fluks të vazhdueshëm të porcioneve të reja të reagentëve dhe heqjen e produkteve të reaksionit.
- Qelizat galvanike të kombinuara (gjysmë karburanti) kanë një stok të një prej reagentëve. E dyta futet në pajisje nga jashtë. Jetëgjatësia e pajisjes varet nga furnizimi i reagentit të parë. Burimet kimike të kombinuara të rrymës elektrike përdoren si bateri, nëse është e mundur të rivendoset ngarkesa e tyre duke kaluar rrymë nga një burim i jashtëm.
- HIT ripërtëritshme e rikarikueshme mekanikisht ose kimikisht. Për ta, është e mundur të zëvendësohen reagentët e shpenzuar me porcione të reja pas një shkarkimi të plotë. Kjo do të thotë, ato nuk janë pajisje të vazhdueshme, por, si bateritë, ato rikarikohen periodikisht.
Veçoritë HIT
Karakteristikat kryesore të burimeve të energjisë kimike përfshijnë:
- Tensioni i qarkut të hapur (ORC ose tensioni i shkarkimit). Ky tregues, para së gjithash, varet nga sistemi elektrokimik i zgjedhur (kombinimi i agjentit reduktues, agjentit oksidues dhe elektrolitit). Gjithashtu, QKR ndikohet nga përqendrimi i elektrolitit, shkalla e shkarkimit, temperatura etj. NRC varet nga vlera e rrymës që kalon nëpër HIT.
- Fuqi.
- Rryma e shkarkimit - varet nga rezistenca e qarkut të jashtëm.
- Kapaciteti - sasia maksimale e energjisë elektrike që lëshon HIT kur shkarkohet plotësisht.
- Rezerva e energjisë - energjia maksimale e marrë kur pajisja shkarkohet plotësisht.
- Karakteristikat e energjisë. Për bateritë, ky është, para së gjithash, një numër i garantuar ciklesh ngarkimi-shkarkimi pa ulur kapacitetin ose tensionin e ngarkimit (burimin).
- Diapazoni i funksionimit të temperaturës.
- Afati i ruajtjes është koha maksimale e lejueshme midis prodhimit dhe shkarkimit të parë të pajisjes.
- Jeta e dobishme - periudha maksimale e lejueshme totale e ruajtjes dhe funksionimit. Për qelizat e karburantit, jeta e shërbimit të vazhdueshëm dhe me ndërprerje ka rëndësi.
- Energjia totale e shpërndarë gjatë jetës.
- Forca mekanike ndaj dridhjeve, goditjeve etj.
- Aftësi për të punuar në çdo pozicion.
- Besueshmëri.
- Mirëmbajtje e lehtë.
Kërkesat HIT
Dizajni i qelizave elektrokimike duhet të sigurojë kushte të favorshme për reagimin më efikas. Këto kushte përfshijnë:
- parandaloni rrjedhjet aktuale;
- edhe punë;
- forca mekanike (përfshirë ngushtësinë);
- ndarja e reagentëve;
- kontakt i mirë ndërmjet elektrodave dhe elektrolitit;
- shpërndarja e rrymës nga zona e reagimit në terminalin e jashtëm me humbje minimale.
Burimet e rrymës kimike duhet të plotësojnë kërkesat e përgjithshme të mëposhtme:
- vlerat më të larta të parametrave specifik;
- gama maksimale e temperaturës së funksionimit;
- tensioni më i madh;
- kosto minimalenjësi energjie;
- stabiliteti i tensionit;
- siguria e tarifimit;
- siguri;
- lehtësi e mirëmbajtjes dhe idealisht nuk ka nevojë për të;
- jetë e gjatë shërbimi.
HIT për shfrytëzim
Përparësia kryesore e qelizave galvanike primare është se ato nuk kërkojnë asnjë mirëmbajtje. Para se të filloni t'i përdorni, mjafton të kontrolloni pamjen, datën e skadencës. Kur lidhni, është e rëndësishme të vëzhgoni polaritetin dhe të kontrolloni integritetin e kontakteve të pajisjes. Burimet më komplekse të rrymës kimike - bateritë, kërkojnë kujdes më serioz. Qëllimi i mirëmbajtjes së tyre është të maksimizojë jetën e tyre të shërbimit. Kujdesi për baterinë është:
- mbaj pastër;
- monitorimi i tensionit të qarkut të hapur;
- ruajtja e nivelit të elektrolitit (për mbushje mund të përdoret vetëm uji i distiluar);
- kontrolli i përqendrimit të elektrolitit (duke përdorur një hidrometër - një pajisje e thjeshtë për matjen e densitetit të lëngjeve).
Kur përdorni qelizat galvanike, duhet të respektohen të gjitha kërkesat në lidhje me përdorimin e sigurt të pajisjeve elektrike.
Klasifikimi i HIT sipas sistemeve elektrokimike
Llojet e burimeve të rrymës kimike, në varësi të sistemit:
- plumb (acid);
- nikel-kadmium, nikel-hekur, nikel-zink;
- mangan-zink, bakër-zink, merkur-zink, klorur zinku;
- argjend-zink, argjend-kadmium;
- ajër-metal;
- nikel-hidrogjen dhe argjend-hidrogjen;
- mangan-magnez;
- litium etj.
Aplikim modern i HIT
Burimet aktuale kimike përdoren aktualisht në:
- automjete;
- pajisje portative;
- teknologji ushtarake dhe hapësinore;
- pajisje shkencore;
- medicine (pacemakers).
Shembuj të zakonshëm të HIT në jetën e përditshme:
- bateritë (bateritë e thata);
- bateri për pajisje shtëpiake portative dhe elektronikë;
- furnizime me energji të pandërprerë;
- bateri makinash.
Burimet e rrymës kimike të litiumit përdoren veçanërisht gjerësisht. Kjo është për shkak se litiumi (Li) ka energjinë më të lartë specifike. Fakti është se ajo ka potencialin më negativ të elektrodës midis të gjitha metaleve të tjera. Bateritë litium-jon (LIA) janë përpara të gjitha CPS-të e tjera për sa i përket energjisë specifike dhe tensionit të funksionimit. Tani ata gradualisht po zotërojnë një fushë të re - transportin rrugor. Në të ardhmen, zhvillimi i shkencëtarëve në lidhje me përmirësimin e baterive të litiumit do të shkojë drejt modeleve ultra të hollë dhe baterive të mëdha të rënda.
