Chemické zdroje elektrické energie

Chemické zdroje elektrické energie Výkonová elektronika - přednášky

Projekt ESF CZ.1.07/2.2.00/28.0050 Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů.

chemické zdroje elektrické energie

• Chemické zdroje elektrické energie – aktivní elektrické prvky, které převádějí energii chemické reakce na energii elektrickou – napětí individuálního prvku podle použitých reaktantů (1 – 4 V) – konfigurace: • jednotlivý prvek – chemický

článek,

• řazení do série - baterie

Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů

2


• Rozdělení chemických článků – primární články – • vyrobeny tak, že nejsou po spotřebě určeny opětovnému nabití, na konci životnosti se vyhazují • od počátku mají plnou kapacitu energie, omezená živostnost • záložní články – uživatel před prvním použitím provede předepsaný úkon, od tohoto okamžiku běží životnost článku

– sekundární články • po vybití jsou určeny k opětovnému nabití • po vyrobení je obvyklé, že nejsou nabité

– palivové články • reaktanty se dodávají během spotřeby energie • specifické podmínky provozu


3


• Princip funkce chemických zdrojů energie – princip – při oxidaci se uvolňuje energie, dochází při ní k přesunu elektrického náboje, využití jako zdroje elektrické energie – příklad článku: (Voltův) elektrody ze zinku (A) a mědi (B) ponořeny do elektrolytu – elektrody se rozpouštějí, hromadění elektronů na elektrodě podle typu elektrochemického potenciálu, vznik elektrochemického napětí (pro každý materiál jiné napětí) – možnost odebírat elektrický proud – elektrochemický článek


4


• Chemický článek v elektrickém obvodu – – – – –

napětí určeno elektrochemickým potenciálem elektrod (nemění se) označení elektrod podle aktuální funkce (anoda, katoda) proud – mění směr vybíjení vs nabíjení vybíjení: 𝑈𝐿 < 𝑈𝐸 nabíjení: 𝑈𝐿 > 𝑈𝐸


5


• Teoretická kapacita článku – odvozena od velikosti elektrického náboje, které jsou schopny uvolnit elektrody do úplného vyčerpání - odpovídá množství dostupného materiálu elektrod

• Teoretické napětí článku – oxidační potenciál anody + redukční potenciál katody – s růstem odebíraného proudu klesá

• výstupní VA charakteristika, časová charakteristika


6


Reakce na elektrodě

E0, V

Reakce na elektrodě

E0, V

Li+ + e  Li Rb+ + e  Rb Cs+ + e  Cs K+ + e  K Ba2+ + 2e  Ba Sr2+ + 2e  Sr Ca2+ + 2e  Ca Na+ + e  Na Mg2+ + 2e  Mg Be2+ + 2e  Be Al3+ + 3e  Al Mn2+ + 2e  Mn Zn2+ + 2e  Zn Ga3+ + 3e  Ga Fe2+ + 2e  Fe Cd2+ + 2e  Cd In3+ + 3e  In

−3,01 −2,98 −2,92 −2,92 −2,92 −2,89 −2,84 −2,71 −2,38 −1,70 −1,66 −1,05 −0,76 −0,52 −0,44 −0,40 −0,34

Tl+ + e  Tl Co2+ + 2e  Co Ni2+ + 2e  Ni Sn2+ + 2e  Sn Pb2+ + 2e  Pb D+ + e  ½ D 2 H+ + e  ½ H 2 Cu2+ + 2e  Cu ½O2 + H2O + 2e  ½ 2OH− Cu+ + e  Cu Hg2+ + 2e  Hg Ag+ + e  Ag Pd2+ + 2e  Pd Ir3+ + 3e  Ir Br2 + 2e  2Br− O2 + 4H+ + 4e  2H2O− Cl2 + 2e  2Cl− F2 + 2e  2F−

−0,34 −0,27 −0,23 −0,14 −0,13 −0,003 0,000 + 0,34 +0,40 +0,52 +0,80 +0,80 +0,83 +1,00 +1,07 +1,23 +1,36 +2,87


7


• Hlavní parametry elektrochemických článků – teoretické napětí U podle potenciálů – napětí při nominálním proudu UN – kapacita C (celkový náboj, který je schopen článek při dodržení stanovených podmínek poskytnout) • převádí se na objem mAh/l , nebo hmotnost mA/kg

– energie v článku (U.Q) – • převod na hmotnost nebo objem

– další parametry – rozsah pracovních teplot, doporučený nabíjecí proud


8


• Primární články - vlastnosti – – – –

po vyrobení jsou plně nabité standardní velikosti (A, AA, AAA, C, D) pro přenosné přístroje s malým odběrem životnost 3 až10 let

• Podskupiny primárních článků – suché články – elektrolyt je velmi zahuštěný vodný roztok – lithiové články – • lithium – z pevných látek největší měrná kapacita • v elektrolytu není voda (rozklad s lithiem)


9


• Srovnání parametrů nejdůležitějších suchých článků systém

Anoda-katoda (Elektrolyt)

maximálnín ominální napětí (V)

provozní napětí (V)

provozní teplota (°C)

hustota energie (Wh/l)

hustota energie (Wh/kg)

další vlastnosti

1,5-1,75 1,5

1,1-1,25 0,9

-5 ÷ +45

65

100

Nejlevnější, malá měr. kapacita

1,5-1,6 1,5

1,1-1,25 0,9

-10 ÷ +50

85

165

Kvalitnější náhrada předešlé

1,5-1,6 1,45;1,5

1,15-1,25 0,9

-20 ÷ 55

80-145

360-400

Větší proudy, nejrozšířenější

1,6-1,8 1,8

-20 ÷ 60

100

195

Zvláštní užití (militar)

vyčerpaná

Zn-C Leclanché

Zn-MnO2

Zn-C Heavy Duty

Zn-MnO2

Zn-MnO2 alkalické

Zn-MnO2

Mg-MnO2 Hořčíkové

Mg-MnO2 MgBr2,Mg(ClO4)

1,9-2,0 1,6

Zn-Ag

1,6 1,5

1,5-1,6 1,0

0 ÷ 55

135

530

Zinko-stříbrné

Zn-Ag2O KOH,NaOH

kval, vysoká měr. kapacita, drahé

Zinkovzduchové

Zn-O2 KOH

1,5 1,45

1,1-1,3 0,9

0 ÷ 50

370

1300

Jako před, závislá na okolí

Mercury Hg-Zn

Zn-HgO

1,2-1,3 0,9

0 ÷ 55

100

470

KOH, NaOH

1,35 1,35

stabilní napětí jedovaté

Mercad Hg-Cd

Cd-HgO KOH

0,9 0,9

0,75-0,85 0,6

- 55 ÷ 80

55

230

Velký rozsah teplot, jedovaté

NH4Cl,ZnCl2

ZnCl2 KOH


10


• Zinko-uhlíkový článek (Leclanché) – nejstarší hromadně vyráběný článek, nejlevnější v současnosti zastaralé – záporná elektroda – Zinek – kladná – burel (MnO2) – elektrolyt – salmiak NH4Cl a chlorid zinečnatý (ZnCl2) 𝑍𝑛 + 2MnO2 → 2MnOOH + Zn NH3

2

• Zinko-uhlíkový článek (modernější typ – Heavy duty) – elektrolyt – chlorid zinečnaty – vyšší kapacita

Zn  2MnO2  2 NH 4Cl  2MnOOH  Zn( NH 3 ) 2

Zn  2MnO2  H 2O  ZnCl2  2MnOOH  Zn(OH )Cl


11


• alkalický článek – záporná elektroda – Zn – kladná – MnO2 – elektrolyt KOH, NaOH


12


• Nabíjecí alkalický článek (RAM - Rechargable Alkaline Manganese) – Stejný chemické složení jako u alkalických primárních článků – Po výrobě v nabitém stavu – v pravém smyslu jde o regeneraci, ne nabití – Po nabití poloviční kapacita proti novému článku – kapacita závisí na vybíjecím proudu – Nižší cena, než NiCd nebo NiMH akumulátory


13


• Stříbro-oxidové baterie – velmi dlouhá výdrž, odolnost, vysoká hustota energie, vysoká cena – jen pro malé články (knoflíkové) Ag 2O  Zn  2 Ag  ZnO

• Zinko-kyslíkové články – vysoká hustota energie, – závislost na prostředí – levné suroviny na výrobu


14


• Lithiové primární články – využívají vysoké elektrochemické napětí lithia (3,08 V) a vysokou měrnou kapacitu (až 3860 Ah/kg) – anodový materiál – lithium (plíšek, sběrač ocel) – katoda – různé materiály (tabulka) – rozdělení • s tuhou katodou – organický polární elektrolyt • s rozpustnou katodou • tuhým elektrolytem

– články – napětí 2 – 4 V, napájení přenosných zařízení – největší kapacita z primárních článků, dlouhá životnost, drahé (kvůli náročné technologii) – záloha pamětí v poč, biomedicínské přístroje, vojenské využití


15


• Lithiové primární články – přehled systém

Popis systému

Maximální/ nominální napětí (V)

provozní napětí (V)/

provozní teplota (°C)

hustota energie (Wh/l)

hustota energie (Wh/kg)

vyčerpaná

Li-SO2

rozpustná kat. 3,1 3,0

2,75 - 2,9 2,0

-5 ÷ +45

260

415

Li-SOCl2

rozpustná kat. 3,65 3,6

3,3 – 3,6 3,0

-60 ÷ +85

380

715

Li-MnO2

3,3 3,0

2,7 – 3,0 2,0

-20 ÷ 55

230

540

Li-FeS2

1,8 1,5

1,6 - 1,8 1,0

-20 ÷ 60

260

500

Li-SolidState

2,8 2,8

2,6 – 2,8 2,0

0 ÷ 200

220280

8201030


další vlastnosti

16


• Sekundární chemické zdroje – akumulátory – – – –

chemické články pro ukládání elektrické energie vyrábějí se jako nenabité (nepatří sem články RAM) různé provedení podle velikosti omezený počet cyklů, závisí na provozu, zkrácení životnosti je způsobeno • hluboké vybití – obvykle vadí, u Pb akumulátorů vede na sulfataci (vznik PbS, který se nabíjením neodbourá - růst sériového odporu, neposkytne dostatečný proud), u Liion akumulátoru vede k celkové degradaci (elektronická ochrana proti úplnému vybití) • překročení stanoveného napětí na článku – plynování (generování plynů, vodík, kyslík aj elektrolýzou, zvyšování vnitřního tlaku, rekombinace (spalování) vodíku s kyslíkem – značné zahřívání), riziko poškození obalu • paměťový efekt - dobíjení při slabě vybitém alkalickém akumulátoru – paměťový efekt (snížení kapacity)

– nutné provozovat optimálně podle typu akumulátoru Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů

17


• Olověné akumulátory – nejstarší rozšířené sekundární, olověné desky ponořené do H2SO4 • Anoda (-) – houbové olovo (póry umožňují ukládání PbSO4 • Katoda (+) – Oxid olovičitý PbO2

𝑃𝑏 + 𝑃𝑏𝑂2 + 2𝐻2 𝑆𝑂4

𝑣𝑦𝑏í𝑗𝑒𝑛í

2𝑃𝑏𝑆𝑂4 + 2𝐻2 𝑂

𝑛𝑎𝑏í𝑗𝑒𝑛í

– jeden článek – 2 V, poměrně nízký RS – vysoké proudy – 30-40 Wh/kg, 180 W/kg, účinnost nabíjení 70-92%, počet cyklu – 500800 – rozdělení podle použití: • SLI (starting, lighting, ingition – startování, svícení, zapalování) – automobily • Pohonné (akumulátorové dopravní prostředky pro převoz materiálu) • Stacionární (akumulátorovny pro zajištění síťového napětí, kompenzace, atd., záloha pro ostrovní systémy) • malé stacionární - UPS Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů

18


• Alkalické akumulátory – NiCd (50 Wh/kg), NiMn (150 Wh/kg), NiFe (100 Wh/kg) • elektrody kovové, název – značka použitého prvku v elektrodách • elektrolyt – vodný roztok KOH s příměsí LiOH

2𝑁𝑖 𝑂𝐻

2

+ 𝐶𝑑 𝑂𝐻

2

𝑣𝑦𝑏í𝑗𝑒𝑛í

2𝑁𝑖𝑂𝑂𝐻 + 𝐶𝑑 + 𝐻2 𝑂

𝑛𝑎𝑏í𝑗𝑒𝑛í

– provedení • velké s tekutým elektrolytem, • malé (NiCd) - zapouzdřené

– další vlastnosti • vyšší počet cyklů 1000-1500, napětí 1,2 V, menší proud,účinnost nabíjení • výrazný paměťový efekt – při nesprávném způsobu nabíjení a vybíjení ztrácejí kapacitu


19


• NiCd akumulátor - malý – elektrolyt v pevné fázi – nabíjecí náhrada primárních zinkouhlíkových a alkalických článků do kapesních a příručních nezávislých zařízení – doba nabití – maximálně měsíce, stárnutím roste vybíjecí proud (tedy i doba nabití) – Konstrukce – vinuté elektrody snižují sériový odpor


20


• NiMH akumulátory – Náhrada NiCd (Cd jedovaté), vyšší kapacita 2-3× - Cd nahrazeno pórovitou slitinou pro adsorbci vodíku při nabíjení. – při překročení nabíjecího napětí 1,6 V vzniká kyslík, rekombinace s vodíkem na záp. elektrodě – zahřívání, pokles kapacity a životnosti – Nižší paměťový efekt proti NiCd, – větší vnitřní odpor – menší zkratový proud


21


• Lithium-iontové akumulátory – využívají atomární lithium pro ukládání elektrické energie, vysoký elekrochemický potenciál lithia vůči neutrální elektrodě >3 V, – elektrolyt – polární rozpouštědlo, nesmí obsahovat vodu (lithium vodu rozkládá). Polymerový elektrolyt – Lithium-polymerové články – anoda – kovová nebo uhlíková matrice pro ukládání Li iontů po nabití (požadován velký povrch pro apsorbování velkého množství iontů) – katoda – Li sůl, podle složení je výstupní napětí článku od 3,3 do 4 V – energie – do 200 Wh/kg (teor. až 7x více, než olověné) – omezená životnost • vlastní degradace vlivem chemické agresivity lithia

– široké využití v mobilních prostředcích (telefony, ruční nářadí, zdroj energie pro elektromobily) Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů

22


• Palivové články (Fuel cells) – průběžný chemický článek,reaktanty jsou dodávány podle spotřeby, zplodiny průběžně odebírány (může pracovat prakticky nepřetržitě) – Rozdělení FC • přímý systém – dodává se přímo palivo, které se účastní procesu (např. vodík), požadovaná vysoká čistota paliva • nepřímý systém – přivedené palivo se rozkládá na doplňovacím systému, aby vznikl vodík (vysoká cena článku

– velký rozsah poskytovaného elektrického výkonu u jednoho článku (mW ÷ MW) – nízké napětí (1 V) – skládání do baterií


23


• Základní typy palivových článků - vysokoteplotní – SOFC (Solid oxide fuel cell) • vývojový typ článku • pro přenos ionty O2-, elektrolyt je tuhý oxid kovů (keramika) – drahý, teplota 1000°C, účinnost 60%, palivo – zemní plyn, vzduch, nepotřebuje katalyzátor

– MCFC (Molten carbonate fuel cell) • vývojový typ článku • přenos ionty CO32-, elektrolyt – směs Na2CO3 a Li2CO3 nebo K2CO3 a LiCO3, vysoce vodivá, chemicky agresivní. teplota 600-700 °C, palivo zemní nebo důlní plyn + vzduch, katalyzátor Ni


24


• Základní typy palivových článků – PAFC (Phosphor acid fuel cell) • komerčně dostupný typ palivového článku, jako záložní zdroj pro instituce – nemocnice, hotely, úřady • přenos – ionty H+,elektrolyt H3PO4, teplota 220 °C, palivo vodík , katalyzátor

– AFC (Alkaline fuel cell) • článek pro speciální účely – vývoj NASA pro Apollo a Shuttle, • přenášený iont OH–, elektrolyt – KOH, teplota 200°C, palivo H2, O2 (vzdušný ne, vadí CO2), katalyzátor


25


• Základní typy palivových článků - nízkoteplotní – PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) • komerční typ článku, pro mobilní použití, automobily, autobusy, aktuálně velký rozvoj • pro přenos ionty H+, elektrolyt – perfluorinated ionomer polymer membrane – vyšší cena, teplota 70-85°C, účinnost palivo – vodík, kyslík,

– MCFC (Direct Methanol fuel cell) • komerční typ článku, pro mobilní použití – malé přístroje • pro přenos ionty H+, elektrolyt – perfluorinated ionomer polymer membrane – vyšší cena, teplota 70-85°C, účinnost palivo – vodík, kyslík,


26


• Palivový článek s PEM – – – –

praktická realizace (sériové řazení článků) svislé kanálky – vodík (s vysokou čistotou) vodorovné kanálky (kyslík nebo čištěný vzduch) automobily, autobusy


27


• RFC (Regenerative Fuel Cell) – realizovaný, pracuje obousměrně – schopen akumulovat elektrickou energii v chemické formě. Projektované zařízení (Little Barford - UK) pro skladování energie pro 100 MWh a výše (vyrovnávání špiček výroby elektrické energie) – problémy s korozí elektrod

2 Na2 S2  Na2 S4  2 Na   2e NaBr3  2 Na   2e  3NaBr


28


• Ultrakapacitor – prvek s elektrickou vlastností kondenzátoru • ukládá elektrický náboj, má pevnou hodnotu kapacity (1÷100 F), nízké napětí (1÷3) V – dáno potenciálem mezi elektrolytem a elektrodou • kondenzátor - při odběru poloviny uložené energie klesne napětí na 0,707 původní hodnoty napětí • 100× větší hustota energie než u elektrolytických kondenzátorů • skládání do baterií

1 E  CU 2 2

– princip – • využití potenciálu mezi elektrolytem a elektrodou s velkým povrchem (aktivní uhlík, nanočástice, atd) • oddělení elektrod separátorem (mikropórézní materiál, pohyb elektronů) – použití – rychlé uložení energie (rekuperace motorů při brzdění), vysoká účinnost, nutný speciální měnič. Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů

29


Děkuji za pozornost

Tento materiál vznikl v rámci projektu ESF CZ.1.07/2.2.00/28.0050 Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů, který je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem ČR.

Chemické zdroje elektrické energie

Recommend Documents