Направления развития электрохимических систем

Общие требования к химическим источникам тока

На основе предыдущего краткого изложения можно сформулировать общие требования к химическим источникам тока. Итак, ХИТ должны иметь

Ø как можно более высокие значения удельных параметров,

Ø как можно более широкий температурный интервал работоспособности,

Ø как можно более высокое напряжение,

Ø по возможности невысокую стоимость единицы энергии,

Ø для аккумуляторов – также высокий ресурс (большое число циклов),

Ø стабильность напряжения,

Ø сохранность заряда,

Ø безопасность,

Ø необслуживаемость или простота обслуживания.

Теоретически источники тока можно построить на основе любой окислительно-восстановительной реакции. На практике набор требований ограничивает круг используемых веществ. В итоге всего исследовано более 500 электрохимических систем, перспективных для возможного применения в ХИТ, и только 40 – 50 из них дошли до стадии практической реализации. Наиболее известные ХИТ созданы на основе электрохимических систем Pb-H₂SO₄-PbO₂ (свинцовый кислотный аккумулятор), Cd-KOH -NiOOH (никель-кадмиевый щелочной аккумулятор), Fe-KOH-NiOOH (никель-железный щелочной аккумулятор), уже упоминавшихся Zn-H₂O-MnO₂, Zn-H₂O-Ag₂O, Zn-H₂O-HgO и некоторых других. Это так называемые традиционные источники тока с водным электролитом, широко применяемые до настоящего времени. Вместе с тем, если учесть требования высокого напряжения и высоких удельных характеристик, то необходимо выбирать окислитель с как можно более положительным электродным потенциалом, а восстановитель – с как можно более отрицательным. Наиболее отрицательные значения потенциалов имеют щелочные и щелочноземельные металлы. Примеры даны в этой таблице вместе с теоретическими величинами удельной энергии и относительной ценой

№	Реакция ионизации	Е^0, В	Qуд.^теор. А×ч/кг	Относит. цена за 1 А×ч
	Li – e = Li^+	-3.04
	Mg – 2e = Mg^2+	-2.37
	Al – 3e = Al^3+	-1.66		0.5
	Cd – 2e + 2OH^- = Cd(OH)2	-0.81
	Zn – 2e = Zn^2+	-0.76
	Pb + SO4^2- – 2e = PbSO4	-0.36

Однако применение восстановителей, потенциалы которых отрицательнее потенциала водородного электрода, осложняется протеканием в водных растворах реакции вытеснения водорода из воды, например,

Mg + 2H₂O = Mg(OH)₂ + H₂­

Часть восстановителя тратится бесполезно на протекание этой побочной реакции. Взаимодействие метала и воды обычно протекает не напрямую, а по электрохимическому механизму, т.е. с разделением анодной и катодной полуреакций

Mg + 2OH^- - 2e = Mg(OH)₂¯

2H⁺ + 2e = H₂­

в результате чего на электроде устанавливается смешанный потенциал, лежащий между потенциалами окисления восстановителя и катодного выделения водорода, что приводит к снижению НРЦ по сравнению с ЭДС.

Для свинца, кадмия и цинка, электродные потенциалы которых ненамного отрицательнее потенциала выделения водорода, скорость взаимодействия с водой невелика. Но для сильно электроотрицательных восстановителей, таких как щелочные металлы, щелочноземельные металлы и алюминий, скорость взаимодействия с водой может быть очень большой. Несмотря на все эти проблемы, работы по созданию ХИТ со всевозможными электроотрицательными восстановителями велись на протяжении всего XX века и продолжаются до сих пор. Ведутся разработки по созданию ХИТ с анодом из K, Na, Mg, Ca, Al. Однако до серийного многомиллионного коммерческого выпуска пока дошли только литиевые ХИТ.

Дата добавления: 2014-01-07