Elektrochemické zdroje elektrické energie Dělení: 1) Primární články 2) Sekundární 3) Palivové články
Primární články - Články suché.
C – Zn článek
Reakce: Anoda: oxidace
Zn → Zn2+ + 2 e- (Zn2+ se rozpouští v elektrolytu; elektrony obvodem ke katodě)
Katoda: redukční proces: 2MnIVO2 + H2O + 2e- → MnIII2O3 + 2OH- (redukce Mn o 1 e-) 2MnIVO2 + 2H2O + 2e- → 2 MnIIIOOH + 2OH- (redukce Mn o 1 e-) V elektrolytu: salmiak disociuje: NH4Cl → NH4+ + ClChlor reaguje se zinkem uvolněným z elektrody: Zn2+ + 2Cl- → ZnCl2 Kationy NH4+ reagují s hydrox. Aniony za vzniku vody a čpavku 2 NH4+ + 2 OH- → 2 NH3 + 2 H2O Přítomnost plynného čpavku je nežádoucí ☺, ale vzniká nerozpustný ZnCl2 · 2NH3
Alkalický článek s MnO2
Reakce: Anoda:
Zn + 2OH- → ZnO + H2O + 2e- (ZnO je dále nerozpustný.)
Katoda: téměř stejná reakce jako u Zn-C, jen další redukce manganu: 2MnIVO2 + H2O + 2e- → MnIII2O3 + 2OH- (redukce Mn o 1 e-) 2MnIVO2 + 2H2O + 2e- → 2 MnIIIOOH + 2OH- (redukce Mn o 1 e-) Zn + MnO2 → ZnO + MnO Elektrolyt KOH disociuje ve vodném roztoku na: KOH → K+ OH-
Další typy primárních článků:
Lithiové články Měrná energie výrazně vyšší než u suchých článků. Měrná kapacita Li je 3860Ah/kg (Zinek 860Ah/kg). Typický lithiový článek U0=2,5-3,0 V. Reakce Li s H2O či O2 bouřlivá → izolování. Dražší, ale dobrá kapacita a spolehlivost. Uspořádání: články s tuhou katodou, s rozpustnou katodou, tuhým elektrolytem, rezervní články.
1)
Články s tuhou katodou.
Anoda = Li; Katoda = tepelně upravené MnO2; elektrolyt = perchlorát lithia v organických rozpouštědlech; Napětí U0 = 3V a UN = 2,5%; proud až 1,25A; plochá vybíjecí křivka, životnost až 10 let, ztráta samovybíjením ~1% ročně. Reakce:
anoda:
Li0 → Li+ + e-
katoda:
MnIVO2 + Li+ + e- → MnIIIO2Li
použití: elektronika, digifoto
2)
Články s rozpustnou katodou Li-SOCl2
Anoda = Li; katoda = uhlíková (fce katalyzátoru); elektrolyt = Li-SOCl2 (thionylchlorid) s obsahem lithiových solí (LiGaCl4); U0 = 3,6V; Kapacity až 330Ah (20cm2); skladovatelnost 15 let; Reakce:
anoda:
Li → Li+ + e-
katoda:
2 SOCl2 + 4e- → 4 Cl- + SO2 + S
- na katodě vznik LiCl → konec fce. použití: raketový a vojenský průmysl
3)
Články s tuhým elektrolytem
Konstrukce výhradně z tuhých částí a inertních materiálů; nevznikají plynné složky; dlouhá doba fčnosti (20let); malý proud µA; Elektrolyt = tuhé polymery; Použití: medicína (pacemakery)
4)
Rezervní články s dlouhou skladovatelností
Doba skladování 15 i více let; elektrolyt se doplňuje před použitím; Použití: Vojenství (řízené střely).
Sekundární články Základní dělení: - olověné akumulátory, - akumulátory založené na systému Ni-Cd, Ni-Fe nebo Ni-Zn, - baterie na bázi Ni-MH (nikl-metalhydrid), - baterie na bázi Li-ion, - baterie na bázi Zn-O2, - alkalické akumulátory na bázi MnO2.
Olověné akumulátory Jsou známy již více než 100 let. Během doby se na velmi vysoké úrovni zvládly všechny aspekty technologie jejich výroby. Jsou poměrně levné, spolehlivé a co do instalovaného výkonu v současné době představují ve světovém měřítku asi 60% všech prodaných baterií. Reakce: 1) Nenabitý akumulátor, konstrukce: Ponoříme-li dvě stejné olověné destičky do zředěné kyseliny sírové, začnou probíhat následující děje: - ve vodném roztoku jsou disociovány mnohé molekuly kyseliny sírové H2SO4 na aniony SO4-2 a kationty H+, - z olověných destiček se uvolňují dvojmocné kationty olova Pb2+ a destičky samotné tak získávají stejný záporný náboj, - v blízkosti destiček se kationty olova a anionty SO2-4 slučují na síran olovnatý PbSO4; na obou destičkách se vytvoří jeho vrstva
2) Nabíjení: Katoda:
PbSO4 + 2H+ + 2e- → Pb + H2SO4
Anoda:
PbSO4 + SO42- + 2 H2O → 2 H2SO4 + PbO2 + 2e-
3) Vybíjení: Katoda:
Pb + SO42- → PbSO4 + 2e-
Anoda:
PbO2 + 2 H+ + H2 SO4 + 2e- → PbSO4 + 2 H2O
Etapy nabíjení: Nabíjení probíhá ve 3 etapách, viz obr.
Články na bázi Niklu (Ni-Cd) Konstrukce: Anoda:
NiOOH (oxihydroxid sodný)
Katoda:
Cd
Elektrolyt:
KOH
Reakce: Anoda:
Cd0 + 2 OH- → CdII(OH)2 + 2 e-
Katoda:
2 NiIIIOOH + 2H2O + 2e- → 2 NiII(OH)2 + 2OH-
Souhrnně:
2 NiIIIOOH + Cd0 + 2H2O ⇔ 2 NiII(OH)2 + CdII(OH)2
Schéma konstrukce:
Ni-MH články Reakce: Anoda:
MH + OH- → M + H2O + e-
Katoda:
NiOOH + H2O + e- → Ni(OH)2 + OH-
Souhrnně:
NiOOH + MH ⇔ Ni(OH)2 + M
Li-ION články Konstrukce: Anoda:
LiCoO2
Katoda:
C
Elektrolyt:
organické rozpouštědlo
Reakce:
Výroba: Válcové, prizmatické, ploché. Vybíjení: proces s 99% úč.; po dobu vybíjení přibl. 80% stejná hodnota U
Nabíjení: Doba nabíjení cca 8h (podle konstrukce)
