Принцип действия, устройство и основные

ХАРАКТЕРИСТИКИ СВИНЦОВЫХ СТАРТЕРНЫХ

АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ХИМИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В

ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ

При погружении электродов из металлов или их окислов в раствор электролита возникает электрический потенциал, который определяется электрохимическими свойствами данного материала в этом электролите. Если в один и тот же электролит поместить электроды из различных материалов, то их электрические потенциалы будут различаться. Разность потенциалов между электродами из различных материалов, помещённых в один и тот же электролит (при отсутствии тока во внешней цепи) и находящихся в равновесном стационарном состоянии, называется «электродвижущей силой» (ЭДС). В технической литературе для характеристики напряжения химических источников тока при разомкнутой цепи чаще применяют термин «напряжение разомкнутой цепи» (НРЦ), который характеризует величину разности потенциалов при отсутствии тока во внешней цепи, как в равновесном, так и в неравновесном состоянии (при протекании переходных процессов, связанных с выравниванием градиентов концентрации после выключения тока).

Для получения электрического тока необходимо соединить между собой разноименные электроды при помощи внешнего электрического проводника, сохранив пространственное разделение электродов в электролите.

Химическим источником тока (ХИТ) называется устройство, в котором за счёт протекания пространственно разделённых окислительно-восстановительных химических реакций их свободная энергия преобразуется в электрическую энергию.

Для обозначения напряжения химических источников тока используется приближенное значение разности потенциалов между электродами, характеризующее данную электрохимическую систему, которое согласно принятой в научно-технической литературе (в том числе в международных стандартах, – документ МЭК 60050-482), называется номинальным напряжением. Для химических источников тока свинцово-кислотной системы номинальное напряжение принято считать равным 2,0 В.

По характеру работы химические источники тока делятся на две группы:

- первичные ХИТ – гальванические элементы;

- вторичные ХИТ – электрические аккумуляторы.

Первичные химические источники тока допускают только однократное использование, так как вещества, образующиеся при их разряде, не могут быть превращены в исходные активные материалы. Полностью разряженный гальванический элемент, как правило, к дальнейшей работе непригоден. Это говорит о том, что гальванический элемент является необратимым источником энергии.

Вторичные химические источники тока являются обратимыми источниками энергии. Это означает, что после какого угодно глубокого разряда, их работоспособность можно полностью восстановить путём заряда. Для этого через вторичный химический источник тока достаточно пропустить электрический ток, в направлении обратном тому, в котором протекал ток при его разряде. При этом вещества, образовавшиеся при разряде, в процессе заряда превратятся в первоначальные активные материалы. Таким образом, во вторичных химических источниках тока (аккумуляторах) происходит многократное превращение свободной энергии химического источника тока в электрическую энергию (разряд аккумулятора) и обратное превращение электрической энергии в свободную энергию химического источника тока (заряд аккумулятора).

Прохождение тока через электрохимические системы, к числу которых относятся и химические источники тока, связано всегда с происходящими при этом химическими реакциями (превращениями). Поэтому между количеством вещества, вступившего в электрохимическую реакцию и подвергшегося превращениям, и количеством затраченного или высвободившегося при этом электричества существует зависимость, которая была установлена М. Фарадеем

Согласно первому закону Фарадея, масса вещества, вступившего в электродную реакцию или получившегося в результате её протекания (Dm), пропорциональна количеству электричества (q), прошедшего через систему. Этот закон выражается следующим уравнением:

Δm = k_э· q = k_э· I · τ ( 1 )

где I – сила тока, проходящего через электрохимическую систему;

τ – время, в течение которого проходил ток;

k_э – коэффициент пропорциональности, который называется «электрохимическим эквивалентом» и характеризует количество вещества, прореагировавшего при прохождении через систему единицы электрического заряда.

Согласно второму закону Фарадея, при равном количестве прошедшего через систему электричества, массы прореагировавших веществ относятся между собой, как их химические эквиваленты А (А = m_A / Z , где m_A – атомный вес вещества, Z – заряд иона):

Δm₁/ A₁= Δm₂ / A₂ = const. (2)

Законы Фарадея являются наиболее общими и наиболее точными законами электрохимии. Это значит, что любая электрохимическая реакция не может протекать с отклонениями от этих законов. Однако, в большинстве случаев, на практике электрохимическому изменению подвергается меньшее количество вещества, чем следовало бы ожидать по законам Фарадея. Но отступления от законов являются только кажущимися. На самом деле они объясняются тем, что при прохождении тока, помимо основных электрохимических реакций, при определённых условиях происходят ещё и параллельные или вторичные (побочные) электрохимические реакции, изменяющие массу продуктов реакции. Чтобы учесть влияние таких реакций, введено понятие «выхода по току».

Выход по току В_т – это та часть количества электричества, прошедшего через систему, которая приходится на долю основной рассматриваемой электрохимической реакции:

В_т = (q_i / S q_i) ·100 % (3)

Здесь q_i – количество электричества, расходуемого на основную рассматриваемую реакцию;

Sq_i – общее количество прошедшего через систему электричества.