Ogniwa w zastosowaniu praktycznym
Spis treści rozdziału - tutaj kliknij
Ogniwa pierwotne /
Ogniwa wtórne /
Ogniwa dzielimy na pierwotne i wtórne. Pierwsze po wyczerpaniu nie nadają się do dalszego użytkowania, drugie można regenerować przez ładowanie. Przykładem ogniwa pierwotnego jest ogniwo Lecklanche'go. Ogniwami wtórnymi są akumulatory.
Rys.9 Ogniwa pierwotne
|
Obecnie na rynku dostępne są ogniwa w wersji kwaśnej i zasadowej.
Ogniwo w wersji kwaśnej (ogniwo Lecklanche'go - rys.10a) składa się z kubka cynkowego będącego jednocześnie biegunem ujemnym. Wewnątrz kubka jest elektrolit w postaci pasty złożonej z chlorku amonowego, niewielkiej ilości chlorku cynkowego, wody oraz ziemi okrzemkowej albo innego wypełniacza.
W paście umieszczony jest pręt węglowy (grafitowy) otoczony woreczkiem zawierającym drobno sproszkowany tlenek manganu(IV). Pręt węglowy zaopatrzony jest na końcu w przykrywkę mosieżną dla lepszego kontaktu z pretem węglowym. Jest on w tym ogniwie biegunem dodatnim.
|
Rys.10 Ogniwo Lecklanche'go
|
Tlenek manganu(IV) odgrywa rolę depolaryzatora.
Schemat ogniwa:
Zn(s)|ZnCl2(aq),NH4Cl(aq)|MnO(OH)(s)|MnO2(s)|C, 1,5 V
Podczas pracy ogniwa zachodzą następujące reakcje elektrodowe:
- na anodzie Zn --> Zn2+ + 2e
- na katodzie (proces jest bardziej skomplikowany i złożony)
|
MnO2(s) + H2O(c) + e- --> MnO(OH)(s) + OH-(aq)
NH4(aq)+ + OH-(aq) --> 2NH3(g) + H2O(c)
ogólnie
2NH4(aq)+ + 2e- --> 2NH3(g) + H2(g)
Uwolniony wodór reaguje z MnO2
H2 + 2MnO2 --> Mn2O3 + H2O
Mangan redukuje się z Mn4+ do Mn3+. Wytworzona woda dostarcza wilgoci koniecznej do umozliwienia wędrówki jonów, a powstały amoniak jest związany przez jony cynku w jony zespolone aminocynkowe
4NH3 + Zn2+ --> [Zn(NH3)4]2+
Ogniwo to daje różnicę potencjałów ok. 1,4V. Napięcie w czasie pracy maleje do 0,8V. Wyższe napięcie można uzyskać przez połączenie kilku ogniw szeregowo w baterie.
Jeżeli pobiera się prąd z ogniwa suchego w sposób ciągły, to dwie wtórne reakcje katodowe wiązania wodoru i amoniaku są dosyć wolne, katoda polaryzuje się i napięcie maleje. Jeżeli następuje przerwa w pobieraniu prądu, to reakcje depolaryzatora MnO2 oraz reakcja wiązania amoniaku zdąży zajść i napięcie ogniwa wzrasta.
Ogniwo w wersji alkalicznej (rys.10b) - w tym rodzaju ogniwa NH4Cl który występuje w wersji kwaśnej zastąpiono KOH. Chociaż suche ogniwa alkaliczne są droższe, pracują one dłużej, ponieważ nie następuje korozja cynku pod wpływem NH4Cl ( w wyniku hydrolizy zachodzi zakwaszenie).
Innym sposobem pobudzenia wyczerpanego częściowo ogniwa suchego jest krótkotrwałe ogrzanie. Podwyższenie temperatury przyspiesza reakcję depolaryzacji, a także zwiększa szybkość dyfuzji jonów w elektrolicie.
Akumulator ołowiowy
Rys.11 Akumulator ołowiowy
|
Akumulator ołowiony - jest szeroko stosowanym ogniwem wtórnym. Wykorzystuje się go w samochodach, pociągach, laboratoriach jako źródło prądu stałego.
Podstawowym składnikiem jest ołów. Elektrody są wykonane z płyt ołowianych - kratownic - z wprasowanym w nie tlenkiem ołowiu(II) (PbO).
Po umieszczeniu płyt w naczyniu, które jest obudową akumulatora, wprowadza się 20% roztwór wodny kwasu siarkowego(VI) o gestości 1,15 g/cm3 w temperaturze 25oC. Stosowany jest również bardziej stężony kwas siarkowy (30%) zależnie od typu akumulatora. Po zetknięciu się kwasu siarkowego(VI) z płytami zachodzi reakcja
PbO(s) + H2SO4(c) --> PbSO4(s) + H2O(c)
i na płytach osadza się siarczan ołowiu(II); elektrody są jeszcze identyczne.
|
Rys.12 Schemat ogniwa akumulatora ołowiowego
|
Ładowanie akumulatora powoduje zróżnicowanie elektrod. Ładowanie jest elektrolizą kwasu siarkowego akumulatora. Na elektrodzie połączonej z dodatnim biegunem zewnętrznym źródła prądu biegnie proces łańcuchowy.
SO4(c)2- + PbSO4(s) --> Pb(SO4)2(c) + 2e
Siarczan ołowiu(IV) ulega odwracalnej hydrolizie
Pb(SO4)2(s) + 2H2O(c) --> PbO2(s) + H2SO4(c)
a równolegle rozpuszczony siarczan ołowiu(IV) częściowo dysocjuje na jony
|
Pb(SO4)2(c) <=> Pb(c)4+ + 2SO4(c)2-
Na elektrodzie połączonej z ujemnym biegunem zewnętrznego źródła prądu zachodzą następujące procesy;
2H(c)+ + 2e --> 2H(ads)
2H(ads) + PbSO4(s) --> Pb(s) + H2SO4(c)
Ostatecznie w wyniku ładowania na elektrodzie ujemnej powstaje ołów a na elektrodzie dodatniej - tlenek ołowiu(IV), który jest głównym składnikiem osadzonym na ołowiu. Powstaje ogniwo o schemacie
Pb(s)|PbSO4(s)|H+(aq),HSO-4(aq)|PbO2(s)|PbSO4(s)|Pb(s), 2 V
Osadzone na elektrodach ołowianych substancje są gąbczaste. We wszystkich ogniwach stosowanych jako źródła prądu dąży się do utworzenia dużej powierzchni czynnych elektrochemicznych reagentów. Podnosi to szybkość procesów elektrodowych.
Dodatnia elektroda akumulatora ołowianego jest elektrodą redoksy, w której ołów metaliczny spełnia rolę wymiennika elektronów. Elektroda ujemna jest pierwszego rodzaju.
Podczas pracy akumulatora biegną następujące procesy elektrodowe:
- na ulektrodzie ujemnej (anoda)
Pb(s) + HSO-4(aq) --> PbSO4(s) + H+(aq) + 2e-
- na ulektrodzie dodatniej (katoda)
PbO2(s) + 3H+(aq) + HSO-4(aq) + 2e- --> PbSO4(s) + 2H2O(c)
Sumaryczny proces w ogniwie przebiega następująco;
2PbSO4(s) + 2H2O(c) <=> PbO2(s) + Pb(s) + 2H2SO4(c)
Podczas ładowania akumulatora reakcja biegnie na prawo, podczas pracy - na lewo.
Siła elektromotoryczna akumulatora ołowianego wynosi 2,2V i w małym stopniu zależy od temperatury. Dla uzyskania większej wartości napięć zasilających pojedyńcze ogniwa łączy się szeregowo w baterię akumulatorów.
W czasie pracy akumulatora należy nie dopuścić aby siła elektromotoryczna na pojedynczym ogniwie spadła poniżej 1,8V. Wtedy na elektrodach zachodzą procesy nieodwracalne. Między innymi tworzy się PbS (siarczek ołowiu(II)). Mówimy wtedy że akumulator uległ zasiarczeniu.
|
Akumulator ołowiowy wrażliwy jest na wstrząsy, co wpływa na odpadanie porowatej masy płyt, która zwiera dolne części płyt. Wynikiem tego jest samorozładowanie sie akumulatora a w konsekwencji zasiarczenie.
Wymaga ciągłej konserwacji, charakteryzuje się małą pojemnością i nadaje się do użycia tylko przy procesach krótkotrwałych, np. podczas uruchamiania samochodu.
Akumulator niklowo-żelazowy
Akumulator niklowo-żelazowy (Edisona). Akumulator ten jest mniej wrażliwy na wstrząsy i nie wymaga konserwacji. Elektrolitem jest 21%(wagowo) roztwór KOH z małym dodatkiem soli litu. Jony litu adsorbują się na fazach stałych i działają katalitycznie. Ujemną elektrodą jest elektroda żelazna, a dodatnią - elektroda niklowa.
Rys.13 Ogniwo akumulatora niklowo-żelazowego
|
Praktycznie elektroda niklowa jest mieszaniną tlenków NiO2, Ni2O3 lub Ni3O4
Ogniwo można przedstawić schematem
(-) Fe(s) | KOHaq | NiOOH(s), NiO2(s) | Ni(s) ( + )
Procesy elektrodowe są następujące:
|
Reakcje powyższe biegną na prawo w czasie pracy ogniwa, a na lewo - podczas ładowania.
sumarycznie proces można zapisać;
Fe(s) + 2NiOOH(s) + 2H2O(c) <=> Fe(OH)2(s) + 2Ni(OH)2(s)
Przedstawiony akumulator może pracować do całkowitej utraty napięcia, wytwarzając duże natężenia prądu.
Siła elektromotoryczna takiego akumulatora wynosi 1,4 - 1,2 V. Stosowany jest między innymi w radiostacjach różnego rodzaju ze wzgledu na dużą pojemność.
Pomimo, że ogniwo niklowo-żelazowe ma mniejsze napięcie, ma jednak przewagę nad ogniwem ołowianym, ponieważ jony OH- wytworzone na katodzie są zużywane na anodzie, dzięki czemu nie ma zmiany stężenia elektrolitu podczas pracy akumulatora.
Akumulator srebrowo-cynkowy
Akumulator srebrowo-cynkowy - został opracowany w 1941 roku. Ogniwo można przedstawić schematem.
(-)Zn(s)|KOH(aq)(30-40%)|Ag2O(s)|Ag(+)
Odpowiednie procesy elektrodowe podczas pracy są następujące.
(-)Zn(s) + 4OH-(aq) --> [Zn(OH)4]2-(aq) + 2e-
(+)Ag2O(s) + H2O(c) + 2e- --> 2Ag(s) + 2OH-(aq)
Zródłem pracy jest zatem proces sumaryczny
Zn(s) + Ag2O(s) + 2KOH(aq) --> 2Ag(s) + K2[Zn(OH)4](aq)
SEM takiego ogniwa ma wartość równą 1,86V. Ponieważ ogniwo tego rodzaju charakteryzuje się dużą stablnością parametrów podczas rozładowania znalazło ono zastosowanie w sektorze militarnym, technice kosmicznej oraz do zasilania mikroelektroniki użytkowej.
Ogniwa paliwowe
Wiemy że każdą reakcję redoks można rozdzielić na reakcje połówkowe i wykorzystać do utworzenia ogniwa galwanicznego. A ponieważ każdy proces spalania jest taką reakcją, podjęto próby wykorzystania energii reakcji spalania do wytwarzania elektryczności. Okazało się, że doskonale do tego celu nadaje się wodór i metan (CH4). Spalanie wodoru można zapisać reakcją;
4H2(g) + O2(g) --> 2H2O(c)
którą można podzielić na reakcje połówkowe.W kwaśnym roztworze przebiegają one następująco:
anoda: 2H(g) + 4OH-(aq) --> 2H2O(c) + 4e-
katoda: O2(g) + 4e- + 2H2O(c)--> 4OH-
Rys.14 Schemat ogniwa paliwowego
|
Ogniwo paliwowe wodorowe jest urządzeniem przetwarzającym energię chemiczną zgromadzoną w paliwie na energię elektryczną. Jest to w gruncie rzeczy proste urządzenie składające się z dwóch elektrod (anody i katody) oddzielonych elektrolitem polimerowym, który przepuszcza jony, ale blokuje przepływ elektronów. Wodór dopływa do anody, tam uwalniane są elektrony, tworząc dodatnie jony wodorowe. Elektrony płyną przez obwód zewnętrzny, jony zaś dyfundują przez elektrolit. Na katodzie elektrony rekombinują z jonami wodorowymi i w reakcji z pobieranym z otoczenia tlenem wytwarzana jest woda, która jest produktem ubocznym.
W ogniwie zachodzi cicha i czysta ekologicznie przemiana energii chemicznej w elektryczną. Ale prawdziwa zaleta ogniw paliwowych to ich zadziwiająca zdolność pozyskiwania elektryczności z atomów wodoru.
|
Ogniwa paliwowe o rozmiarach zbliżonych do tradycyjnych akumulatorów niklowo-kadmowych, ale lżejsze i tańsze, mogą pracować nawet 20 razy dłużej. Inna korzyść to brak długotrwałego procesu ładowania: ogniwa możemy szybko i łatwo zregenerować, uzupełniając paliwo.
Zaawansowane efekty prac nad miniaturowymi ogniwami paliwowymi prezentowały już wiele firm, a w najbliższym czasie powinna zadebiutować eksperymentalna seria notebooków i handheldów zasilanych w ten sposób. Szacuje się, że w roku 2012 ogniwa paliwowe będą zasilać blisko 15% laptopów pracujących na całym świecie.
Możliwe są różne rodzaje ogniw paliwowych. Innymi obiecującymi ogniwami paliwowymi są ogniwa, gdzie paliwem ma byc metanol, który w odróżnieniu od wodoru nie jest wybuchowy i ma większą gęstość energii niż wodór.
| 
