Электронный вариант курса лекций «Современные химические источники тока»



страница5/5
Дата04.10.2017
Размер1.68 Mb.
1   2   3   4   5

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ КОНДЕНСАТОРЫ

Конденсатор – это устройство, накапливающее электрическую энергию. ХИТ – это тоже устройство, накапливающее электрическую энергию. В чем различие между ними? Конденсатор характеризуется определенной постоянной емкостью:



,

измеряемой в Фарадах, 1 Ф = Кл/В. Запишем эту основную формулу по другому:



т.е. чем больше емкость, тем больше накапливаемый заряд при одном и том же напряжении. Если мы будем вести заряд и разряд постоянным током I, то получаем

следовательно



Напряжение на конденсаторе будет линейно меняться во времени с тангенсом угла наклона, равным I/C. Чередуя заряд – разряд, получим пилообразное изменение напряжения, как на этом рисунке.



То есть форма разрядной и зарядной кривых конденсатора отличается от ХИТ (аккумулятора). Это определено принципиальной причиной. Заряд и разряд аккумулятора обусловлен электрохимической реакцией, которая протекает при приблизительно постоянном напряжении (при приблизительно постоянном потенциале). Заряд же и разряд конденсатора обусловлены накоплением электростатической энергии в соответствии с формулами, приведенными выше. По этой же причине скорость заряда и разряда конденсатора может на многие порядки превышать соответствующие скорости для аккумулятора, которые резко ограничены скоростью химических и фазовых превращений электродных веществ.

Максимальная энергия, накапливаемая конденсатором, вычисляется по формуле:



Рассмотрим виды электрохимических конденсаторов.

  1. Электролитические конденсаторы

Известны несколько десятков лет. Изготавливаются анодированием алюминиевой, танталовой, ниобиевой или титановой фольги, в результате чего она покрывается тонким диэлектрическим слоем оксида. Вторая обкладка конденсатора – электролит. Электролитические конденсаторы только по способу изготовления связаны с электрохимией.

Al │ Al2O3 (0.1 – 0.3 мкм) │ электролит

также Ta2O5, Nb2O5, TiO2
Напряжение пробоя оксида ~ 107 В/см. Рабочее напряжение конденсатора может быть до ~ 103 Вольт.


  1. Двойнослойные конденсаторы (ДСК).

Первый патент получен в 1957 года. Это уже настоящие электрохимические конденсаторы. Основаны на использовании емкости двойного электрического слоя (ДЭС), существующего на границе электрод | электролит. Емкость ДЭС в водных растворах составляет ~20 мкФ/см2 = 0.02 Ф/см2.

В ДСК два пористых поляризуемых электрода находятся в инертном электролите. Материал электродов – обычно различные виды углерода: активированный уголь, углеродная ткань, стеклоуглерод, углеродный аэрогель, графит и д.р. Электролит – водные растворы простых устойчивых ионогенных соединений, таких как NaCl, KOH, H2SO4, NaF и др. При типичной площади поверхности активированного угля 1000 – 3000 м2/г, получаем емкость 20 – 60 Ф/г. По сравнению с обычными конденсаторами – это гигантские величины. Циклируемость 105 – 106 циклов. Напряжение – низкое, обычно ±1 В. С органическими электролитами (например, растворитель ПК) получается больше, например ±2.5 В. Габариты ДСК самые разные, вес от 1 грамма до десятков килограмм.




  1. Псевдоконденсаторы (ПсК) или суперконденсаторы на основе псевдоемкости

Эти варианты уже ближе к перезаряжаемым ХИТ. Содержат два твердых электрода, которые могут быть одинаковыми. Заряд накапливается в них за счет фарадеевского процесса достаточно обратимой редокс-реакции, плюс добавляется емкость ДЭС. Поэтому емкость получается значительно больше, чем у ДСК.

Например, используется внедрение (и обратная экстракция) ионов водорода в гидроксид рутения HRuO2


(+) HRuO2 ↔ H1-xRuO2 + xH+ + xe
(–) HRuO2 + xH+ + xe ↔ H1+xRuO2

Суммарная реакция: HRuO2 ↔ H1-хRuO2 + H1+хRuO2




  1. Гибридные конденсаторы (ГК)

Представляют собой переходный вариант между аккумулятором и конденсатором. В ГК один электрод взят от ХИТ, а другой – от конденсатора. Например:

NiOOH│KOH│C


Причины разработки электрохимических конденсаторов.

Зачем нужны ДСК и другие электрохимические конденсаторы? Основная причина их разработки – необходимость иметь энергетические устройства С СУЩЕСТВЕННО БОЛЕЕ ВЫСОКОЙ ЦИКЛИРУЕМОСТЬЮ И УДЕЛЬНОЙ МОЩНОСТЬЮ по сравнению с аккумуляторами.

ДСК и другие электрохимические конденсаторы заполнили пустую до того нишу между конденсаторами и аккумуляторами. Сейчас типично, что суперконденсатор подключают параллельно аккумулятору, и он берет на себя пиковые нагрузки, например, при запуске двигателя внутреннего сгорания. Это существенно удлиняет срок службы стартерного аккумулятора. Особенно велико преимущество ДСК при низкой температуре –20 … –50°С. Это обусловлено малой чувствительностью электростатического заряда к температуре.

В таблице сравниваются типичные характеристики конденсаторов и аккумуляторов.


Сравнение диэлектрических (бумажных) конденсаторов, двойнослойных конденсаторов (ДСК) и аккумуляторов

Параметр

Конденсатор

ДСК

Аккумулятор

Время разряда

10-6 – 10-3 сек

1 – 30 сек

0.2 – 6 час

Время заряда

10-6 – 10-3 сек

1 – 30 сек

0.2 – 6 час

Удельная энергия, Вт·ч/кг

<0.1

1 - 10

20 - 170

Удельная мощность, Вт/кг

>10000

1000 - 3000

100 - 500

Отдача по энергии

~100%

95 – 98%

60 – 90%

Ресурс (циклы)



>5·105

300 - 2000



ХИТ ДЛЯ ЭЛЕКТРОМОБИЛЯ

За последние 40 лет число автомобилей в мире выросло на порядок и превысило 700 млн. шт. Автомобили представляют серьезную угрозу для человека и окружающей среды. В последние десятилетия все вновь производимые автомобили снабжаются нейтрализаторами выхлопных газов, но они не решают проблему принципиально.

Одним из радикальных путей решения экологической проблемы транспорта является применение электромобилей. Сейчас все крупные мировые автоконцерны (Toyota, Ford, Hyundai, Honda, GM и др.) разрабатывают или уже производят электромобили, которые принято подразделять на три группы.


  1. Электромобили с энергоустановкой на основе топливных элементов (ЭУТЭ). Они существуют, но пока очень дороги. Коммерциализация рассматривается лишь в далекой перспективе.

  2. Электромобили с тяговым аккумулятором. Производятся сейчас в небольших масштабах. Электромобиль с литий-ионным аккумулятором способен проехать без дозаряда более сотни километров. При средней скорости движения 60 км/час заряд ЛИА достаточен на 190 км, при движении со скоростью 90 км/час – на 140 км.

  3. Гибридные электромобили. Представляют собой гибрид электромобиля и традиционного автомобиля. Гибридные системы считаются сейчас более перспективными, чем «чистые» электромобили, перечисленные в предыдущих пунктах. В гибридных системах к дизельному двигателю, работающему в оптимальном режиме, добавлен электродвигатель с генератором, тяговым аккумулятором и ДСК. В зависимости от нагрузки и скорости движения происходит автоматическое переключение между энергоустановками. В периоды работы дизеля происходит подзаряд тягового аккумулятора. Гибридные установки легче и дешевле, они уже давно коммерциализованы. В октябре 2007 года было реализовано 13158 автомобилей Toyota Prius с гибридным двигателем – на 51 % больше, чем за соответствующий период прошлого 2006 года. Общее количество гибридных автомобилей Toyota Prius превысило 1000000 в мае 2007 года.

Ниже приведены требования USABC–2002 к тяговому аккумулятору для электромобиля.


Требования USABC – 2002 для электромобилей

Удельная энергия при С/3 – 200 Вт·ч/кг и 300 Вт·ч/л

Удельная мощность – 400 Вт/кг и 600 Вт/л (при 80% ГР – глубине разряда)

Срок службы – 10 лет

Ресурс – 1000 циклов (при 80% ГР).

Цена энергии – <100 долларов США за 1 кВт·ч

Температурный диапазон – от –40 до +85°С

Продолжительность заряда – 3 – 6 часов

Способность разряжаться на 75% за 1 час

Потеря мощности и емкости – 20%

КПД – 80%.

Саморазряд – <15%/месяц.

Необслуживаемость.
Нетрудно убедиться, что целиком этим требованиям не удовлетворяет НИ ОДНА из рассмотренных нами перезаряжаемых электрохимических систем. Ближе всего по ряду параметров металлогидридные аккумуляторы и ЛИА, которые и используются в гибридных электромобилях.

Ещё ближе к этим требованиям первичные воздушно-цинковые механически перезаряжаемые ХИТ (но они тоже не удовлетворяют пока полностью). То есть они не являются аккумуляторами в обычном понимании, а являются первичными элементами с возможностью механической (по типу картриджа) замены анода. Израильская фирма Electric Fuel Limited создает в Европе сеть станций для механической перезарядки таких электромобилей, а также сеть заводов по регенерации цинка и электролита. Все это требует огромных капиталовложений. Поэтому должна быть готовность общества идти на такие расходы.



Литература

Основная

    1. Химические источники тока: Справочник / Под ред. Н.В. Коровина и А.М. Скундина – М: издательство МЭИ. 2003.

    2. Н.В. Коровин. Электрохимическая энергетика. – М: Энергоиздат. 1991.

    3. В.С. Багоцкий, А.М. Скундин Химические источники тока. – М: Энергоиздат. 1981.

    4. Н.В. Коровин Новые химические источники тока. – М: Энергия. 1978.

    5. И.А. Кедринский, В.Е. Дмитриенко, И.И. Грудянов Литиевые источники тока – М: Энергоатомиздат. 1992.



Дополнительная

    1. А.А. Таганова, Ю.И. Бубнов. Герметичные химические источники тока. – СПб: Химиздат. 2000.

    2. А.Л. Львов Химические источники тока // Соросовский образовательный журнал. 1998. № 4. С. 45 – 50.


ПРИЛОЖЕНИЕ
ПРАКТИЧЕСКАЯ работа

«ОПРЕДЕЛЕНИЕ электрохимическИХ ХАРАКТЕРИСТИК КОММЕРЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ ТОКА ЦИНК – ДИОКСИДМАРГАНЦЕВОЙ СИСТЕМЫ»

(специализация – электрохимия)
Цель работы

На основании вольтамперометрических и гальваностатических измерений определить следующие характеристики коммерческих источников тока типоразмера AAA цинк – диоксидмарганцевой электрохимической системы:



  • напряжение разомкнутой цепи (НРЦ);

  • удельную емкость

  • удельную энергию;

  • внутреннее сопротивление;

  • цену 1 кВт·ч энергии.


Описание работы

    1. Купить цилиндрический источник тока типоразмера AAA (в других обозначениях R03, «мизинчиковая батарейка», диаметр 10,5 мм, длина 44,5 мм, объем 3,85 мл). Записать цену.

    2. Взвесить батарейку, записать её массу.

    3. По информации на корпусе определить производителя и тип электрохимической системы (щелочная или солевая (хлоридная)); записать эти данные.

    4. Осторожно припаять паяльником тонкие проводки к токовыводам: один проводок к «плюсу» и один проводок к «минусу». Старайтесь не перегреть паяльником корпус источника тока, это может отрицательно повлиять на его характеристики. Эти проводки будут служить для подключения к измерительному прибору.

    5. Ознакомиться с руководством по эксплуатации программно-аппаратного комплекса «Потенциостат / Гальваностат IPC-Micro».



Рис. 1 Внешний вид потенциостата - гальваностата IPC-Compact.

На рис. 1 представлен внешний вид P/G IPC-Compact. На лицевой панели прибора расположены разъемы для рабочего и вспомогательного электродов (обозначение work и counter, соответственно) и электрода сравнения (обозначение reference). Гнезда для электродов, расположенные слева на лицевой панели, предназначены для проведения поверки прибора (обозначение C+R и W, рис.2), для электрохимических измерений не используются. На задней панели прибора расположены гнездо подключения сетевого адаптера и разъем для нуль-модемного кабеля, соединяющего потенциостат с компьютером. Управление прибором полностью осуществляется программой, установленной на ПК – IPC2000.





Рис. 2 Подключение кабелей для режима «встроенного эквивалента».
Для запуска программы необходимо выбрать и запустить файл IPC2000.exe в той папке, где установлена программа, либо запустить ее из меню Пуск.

Программа IPC2000 предназначена для обслуживания программно-аппаратного комплекса Потенциостат IPC-Compact + ПК IBM PC. Программа обеспечивает пользователю следующие возможности:



  • управление процессом измерений на потенциостате - гальваностате;

  • прием данных от потенциостата (по последовательному каналу);

  • сохранение данных на диске ПК для последующей обработки;

  • одновременное отображение и математическую обработку полученных данных, а также распечатку исходной графической информации на принтере;

  • возможность импорта исходных данных в другие стандартные программные пакеты, например Microsoft Excel.

После запуска программы на экране появляется главное окно (рис.3), включающее в себя следующие элементы (строки, поля)

  • основное меню;

  • кнопочное меню;

  • панель измерения;

  • поле вывода графиков регистрируемых данных;

  • строка состояния прибора.



Рис. 3 Главное окно программы.
Все функции управления прибором и обработки результатов измерений выбираются в основном меню программы. Элементы кнопочного меню частично дублируют пункты основного меню. В центре главного окна программы находится поле вывода графиков регистрируемых кривых. Выше поля вывода графиков отображается панель измерения с информацией о значениях потенциала (мВ) и тока (мА) на текущий момент измерений. Строка состояния, находящаяся в нижней части основного окна, позволяет контролировать состояние связи прибора с компьютером и электрохимической ячейкой.

    1. Измерения на коммерческих химических источниках тока проводятся по двухэлектродной схеме, без электрода сравнения, что осуществляется соединением вместе вспомогательного электрода counter и электрода сравнения reference.

    2. Подключить прибор к измеряемому источнику тока: «плюс» – рабочий электрод, «минус» – вспомогательный электрод. Измерить и записать величину НРЦ.

    3. Измерить вольтамперную характеристику (ВАХ), задав линейную развертку потенциала со скоростью 20 мВ/с. Начальный потенциал = НРЦ, конечный потенциал = 0,5 Вольт. В процессе измерений ток не должен превышать 600 мА. Сохранить ВАХ, построить графики в координатах «напряжение» - «ток» и «мощность» - «ток».

    4. Определить внутреннее сопротивление источника тока по наклону ВАХ.

    5. Измерить разрядную характеристику источника тока в гальваностатическом режиме, задав ток -200 мА (проверить!: полярность тока должна соответствовать разряду источника тока, т.е. уменьшению его напряжения). Начальный потенциал = НРЦ, конечный потенциал = 0 Вольт. Предполагаемая длительность полного разряда: 2 – 4 часа. Сохранить разрядную кривую, построить графики в координатах «напряжение» - «время» и «мощность» - «время».

    6. Определить емкость источника Q умножением величины тока на время полного разряда.

    7. Определить энергию источника тока W интегрированием графиков «напряжение» - «время» или «мощность» - «время». Поскольку при компьютерной регистрации кривая обычно представляется таблицей из большого числа точек, измеренных через равные интервалы времени, интегрирование фактически заменяется суммированием. Проще всего это сделать при разряде постоянным токам J. Как известно

поэтому достаточно вычислить среднее напряжение Ucp по всему набору точек разрядной кривой и умножить его на найденное значение Q. Результат будет в [Дж] или [Вт·ч].



    1. Используя полученные данные, рассчитать удельные характеристики источника тока: удельную емкость (А·ч/кг и А·ч/л), удельную энергию (Вт·ч/кг и Вт·ч/л), цену аккумулированной энергии (руб/кВт·ч). Сделать вывод, соответствуют ли эти результаты типичным характеристикам цинк – диоксидмарганцевой электрохимической системы.







Каталог: sites -> default -> files -> textdocsfiles -> 2014
2014 -> Вечные вопросы в романе М. А. Булгакова «Мастер и Маргарита»
2014 -> Золотая пропорция в рекламе
2014 -> Рабочая программа дисциплины Полимеры в развитии общества Направление подготовки 020100 Химия Профиль подготовки
2014 -> Рабочая программа дисциплины
2014 -> Законные основания и моральные нормы пересадки внутренних органов в современной России
2014 -> Рабочая программа дисциплины Полимеры медико-биологического назначения Направление подготовки 020100 Химия Профиль подготовки
2014 -> Программа вступительного экзамена в магистратуру по направлению «011200 Физика»
2014 -> Н. Г. Чернышевского адаптация личности в современном мире межвузовский сборник


Поделитесь с Вашими друзьями:
1   2   3   4   5


База данных защищена авторским правом ©zodorov.ru 2017
обратиться к администрации

    Главная страница