ELEKTROCHEMICKÉ ZDROJE

Elektrochemické zdroje

Úvod:Elektrická energie je takzvanou uslechtilou energií pro její hlavní výhody - moznost jednoduchých přenosů na jakékoliv vzdálenosti (1000-10000 km), lehký převod na jiné druhy energie. Ovsem má i nevýhody - tou hlavní je velmi spatná účinnost uskladňování tohoto druhu energie. A pravě elektrochemické články mají za úkol elektrickou energii uskladňovat s pokud mozno největsí účinností. Elektrochemické články se dělí na primární a sekundární a společně patří mezi elektrochemické zdroje el. proudu.

Primární galvanické články:

  Voltův galvanický článek (název je dán elektrochemickým systémem: Cu, Zn v roztoku CuSO₄ )

  suchý galvanický článek (tzv. Leclanché: MnO2 a Zn se znehybněným elektrolytem NH₄Cl (salmiak) a Hg pro aktivaci Zn elektrody (Protoze se u nich při reakci uvolňuje H₂O, tak často "vytékaly". Byly to bězně pouzívané baterie za totalitního rezimu.)

  zinkochloridový systém (dnes např. Wonder)

Depolarizace: vzdusná nebo chemická (burel MnO₂)

Elektrody: kladná - uhlík, záporná - zinek (Leclanche a zinkochloridové články mají elektrodu ve formě kalísku)
Elektrolyt: podle typu

Kapacita článku: kapacita je dána mnozstvím chem. látek zapracovaných do článku (větsí článek má větsí kapacitu); svůj vliv uplatňuje také depolarizátor, který určuje do jaké míry se chem. látky v článku spotřebují - moznost dostupnosti pro chemickou (elektrochemickou) reakci, nebo jestě lépe - kdy přestane reakce probíhat.
Jmenovité napětí: 1,5 V

Obvykle jsou články uzavřené, mechanicky pevné, otřesuvzdorné. Hlavní nevýhodou je, ze články pouze dodávají el. energii, ale nejdou dobíjet (po vybití je musíme vyhodit, narozdíl od akumulátorů, které jdou dobíjet).

  Alkalické burelové články: elektrody jako Leclanché (uhlík, zinek), elektrolyt - hydroxid draselný KOH, článek je uzavřen v dvojitém ocelovém pouzdru. Elektroda je ve formě prásku smíchaná s elektrolytem na pastu. V jednom ocelovém pouzdře - to druhé je pouze obal a s článkem to nemá nic společného. Podobný obal (plech) můze mít i Leclanche nebo jiné typy.

  Články s kysličníkem rtuti (oxid rtuti) nebo stříbra: kladná elektroda - rtuťová (směs oxidu rtuťnatého a grafitu), elektrolyt - KOH nebo NaOH, vyuzití v knoflíkových bateriích (minimální rozměry).

Sekundární galvanické články neboli akumulátory

Nejdříve základní pojmy:

Jmenovitá kapacita = vybíjecí proud násobený časem

Jmenovité napětí = napětí na jednom článku při zatízení středním vybíjecím proudem. Bývá 1 az 2 V.

Vnitřní odpor = poměr změny výstupního napětí ku změně zatězovacího proudu (u dobrého nabitého akumulátoru je asi 0,001 az 0,01 ohmů)

Doba zivota akumulátoru je dána počtem úplných cyklů nabití a vybití, který elektrody vydrzí.
Dalsí provozní elektrické hodnoty akumulátorů: vybíjecí a nabíjecí proud (asi jedna desetina ampérhodin akumulátoru), doba nabíjení, vybíjecí napětí

Pro jednotlivé druhy článků jsou stanoveny tyto hodnoty příslusnou normou a technickými podmínkami výrobce.

Stav akumulátoru: kontrola měřením hustoty elektrolytu, výstupního napětí popř. vnitřního odporu (POZOR vzdy nutné měřit při zátězi)

Nejpouzívanějsí akumulátory: olověné, niklozelezové, niklokadmiové, stříbrokadmiové, stříbrozinkové

Olověné akumulátory

Kladná elektroda: olověné desky (obrovského povrchu jako "houba") pokryté PbO2 (část do série-roste napětí, a část do paralely-rostre kapacita)

Záporná elektroda: čisté olovo

Elektrolyt: zředěná H₂SO₄

  Vzdálenost mezi deskami je co nejmensí (malý vnitřní odpor). Mezi deskami jsou separátory (tenké mikroporézní destičky z umělých hmot).

Vybíjení akumulátoru: z H₂SO₄ a Pb vzniká síran olovnatý PbSO₄ a voda. PbSO₄ se usazuje na deskách. Napětí při vybíjení se udrzuje dlouho na 2 V na článek, dolní mez vybíjení je 1,75 V na článek. Hustota elektrolytu klesá na 1,1 g/cm³. V tomto okamziku je nutné akumulátor znovu nabít (okamzitě).
PbSO₄ časem rekrystalizuje a je pak nerozpustný.

Samovybíjení - samovolná tvorba PbSO₄  -> Kdyz chceme akumulátor na delsí dobu odstavit, musíme jej připojit na nabíječku a asi jednou mesíčně úplně vybít.

Nabíjení akumulátoru: Chemické procesy probíhají opačným směrem nez u vybíjení. Kladný pól zdroje připojujeme na plus pól baterie. Princip: Působením sil elektrického pole se rozkládají molekuly vody a síranu olovnatého a vznikají molekuly H₂SO₄. Zvysuje se měrná hustota elektrolytu do té doby nez se vsechen PbSO₄ rozpustí. Před nabíjením je třeba odsroubovat zátky, aby vzniklé plyny mohly unikat ven (odvětrání místnosti). Proč? Po spotřebě    se začne nabíjecí proud spotřebovávat na elektrolýzu vody na vodík a kyslík => výbusný plyn => nutnost větrání. (Nabíjecí proud je jednocestně nebou dvoucestně usměrněný.)

Zivotnost: Autobaterie - 4 az 6 roků (zivotnost asi 350 cyklů). Ale například speciální zálozní akumulátory v elektrárnách vydrzí az 10-15 let (zivotnost az 1000 cyklů je dosazena speciální konstrukcí). Dobu "zivota" lze zvýsit pečlivou údrzbou a vhodným provozem (Např. při delsím ostavení připojit baterii na tzv. udrzovací proud).

Kapacita akumulátoru: Závisí na velikosti ploch elektrod. Mřízka z tvrdého olova Pb se zalije pastou, následuje tzv. formování (několik cyklů nabití a vybití akumulátoru před uvedením do provozu).

Závislost kapacity na teplotě: Při nízkých teplotách klesá kapacita (značně). Např. Plně nabitý akumulátor má při teplotě -20°C kapacitu vyuzitelnou jen na 25%.

Závady olověných akumulátorů a jejich příčiny

  Sulface - Projev: bílé zbarvení elektrod (krystalizace PbSO₄), malý výkon baterie, zvýsené plynování při nabíjení
Náprava: Výměna (Pokud nejde o vylozeně zanedbaný stav tak lze nabíjet 1/3 nabíjecího proudu do úplného nabití.)

  Nabíjení velkým proudem - Projev: vysoká teplota elektrolytu, poskození separátorů, velké opotřebení kladné elektrody

  Přebíjení - podobné jako předchozí nabíjení velkým proudem

  Nedostatečné nabíjení - není rozpustěn vsechen síran olovnatý PbSO₄ - hrozí sulface

  Nadměrné nabití - Projev: rychlá sulface, deformace desek

  Doplňování elektrolytu kyselinou H₂SO₄ - Nemělo by se to dělat a kdyz uz, tak určitě při nabité baterii - můze probíhat sulface vlivem nadměrné koncentrace kyseliny

  Doplňování elektrolytu obyčejnou vodou - vnesení nečistot => ztráta kapacity

  Nízká hladina elektrolytu - moznost poskození obnazených částí desek.
Náprava: doplníme destilovanou vodou

Alkalické akumulátory

a) Niklozelezové (NiFe) a niklokadmiové (NiCd)

Elektrolyt: vodný rostok hydroxidu draselného (1,2 g/cm³ při 20°C)

Elektrody jsou ze zelezného plechu, ve kterém jsou kapsy nebo trubičky, do kterých je zalisována účinná hmota.

Kladná deska: oxid nikelnatý

Záporná deska: práskové zelezo Fe nebo kadmium Cd

Jmenovité napětí na článek: 1,2 V

b) Stříbrozinkové

Elektrolyt: vodný rostok hydroxidu draselného (1,40 - 1,42 g/cm³ při 20°C)

Kladná elektroda: čistě porézní stříbro

Záporná elektroda: sloučenina zinku

Jmenovité napětí na článek: 1,5 V

Velká měrná kapacita: 70 Ah/kg (ampérhodin na kilogram)

c) Stříbrokadmiové

Podobný jako stříbrozinkový akumulátor.

Kladná stříbrná elektroda je tvořena směsí oxidu stříbra a grafitu.

Jmenovité napětí na článek: 1 V

Nové druhy článků

1) Elektrochemické palivové články

Přeměňují chemickou energii na elektrickou. Přiváděné palivo se okysličuje tzv. studeným spalováním, při kterém se uvolňují valenční elektrony z atomů paliva a vyuzívají se k vedení proudu. Jen malá část uvolněné energie se mění v teplo. Účinnost je az 70%. Velice ekologické. Paliva: vodík, chlór, lithium, hořčík, sodík, alkohol, ...

 Článek typu vodík-kyslík:

   Elektrody: obě z pórovitého niklu

   Elektrolyt: roztok hydroxidu sodného

   Činnost: Do pórů jedné z elektrod se přivádí kyslík, který tam reaguje s vodou. Vznikají hydroxidové skupiny OH, které vází elektrony z okolního kovu. Elektroda se tím nabije kladně. Vznikající záporné ionty OH^- přechází elektrolytem k druhé elektrodě, kde reagují za pomocí katalyzátoru s přiváděným vodíkem. Vzniká elektricky neutrální voda. Přebytečné elektrony (zbylé z OH^-) vytvářejí záporný potenciál druhé elektrody. Články pracují při tlaku 1-3 * 10⁵ Pa a teplotě 20-70°C.

2) Termoemisní generátory

 Přeměňují tepelnou energii na elektrickou. Principem připomínají diodu. Tepelná energie se získává spalováním.

3) Termoelektrické články

 Princip: Termoelektrický jev. Spojení dvou kovů (např. bismut a antimon). Spoj se ohřívá, rozpojená část se ochlazuje. Při teplotním rozdílu se objeví na rozpojených koncích napětí (např. vyuzití u plynového kotle).

4) Sluneční baterie

 Princip: Fotoelektrický jev. Vzniká ve vsech polovodičích při dopadu světla na P-N přechod.

5) Magneto-hydrodynamické generátory

 Princip: Průtok plynu přes komoru, kde je silné magnetické pole. Tyto plyny v silném magnetickém poli fungují jako vodič. Elektrony jsou odpuzovány od anody (jedna stěna komory) ke katodě (protějsí stěna komory). Plyn musí proudit co nejrychleji a být maximálně ionizovaný. Pro velkou účinnost je nutné vytvořit co nejsilnějsí magnetické pole (supravodivé magnety). Tato technologie zatím není přílis zvládnutelná a má zatím pouze vojenské vyuzití (mobilní elektrické zdroje).