Хімічні джерела струму на основі неводних електролітів

 

Розвиток техніки, яка зробила якісний стрибок у другій половині ХХ століття, істотно підвищив вимоги до джерел електричної енергії. Поява компактних ХДС стала дуже актуальною. Потрібні були ХДС, здатні зберігати заряд і працювати безупинно роками. Крім того зростає дефіцит кольорових металів, особливо срібла, що вимагає їхньої заміни іншими матеріалами. Рішення цих задач стало можливим на основі створення джерел струму з електролітами у неводних розчинниках.

У хімічних джерелах струму як відновники, як правило, використовують метали. Із зіставлення значень електродних потенціалів у ряді напруг металів випливає, що найбільш енергоємні анодні матеріали розташовані у верхньому лівому куті періодичної системи елементів. Теоретичні значення питомої енергії, що можуть забезпечити ці метали, складають (у Втгод/кг): для Li - 11757, Mg - 5216, Al - 4946, Са - 3837, Na - 3163. У той же час теоретичні значення питомої енергії для традиційних матеріалів ХДС дорівнюють: для Zn - 623, Fe - 423, Ni - 278, Cd - 190 Втгод/кг. Однак високі електродні потенціали роблять метали І, ІІ, ІІІ групи періодичної системи нестійкими у водному середовищі, що практично виключає їх використання у ХДС. Енергетичні можливості легких металів вдалося реалізувати лише після того, як було показано, що багато з них, і в першу чергу літій, стійкі і здатні анодно розчинятись у неводних розчинниках.

Існує ряд органічних сполук, які не містять у своїй молекулі рухливого атома водню і відносяться до класу апротонних диполярних розчинників (АДР.). В електролітах на основі цих розчинників літій не тільки може зберігатися на протязі багатьох років, але і виявляє поведінку, властиву рівноважним електродам. Зокрема, його потенціал підпорядковується рівнянню Нернста у широкому інтервалі концентрацій іонів літію, не залежить від перемішування розчину, швидко повертається до вихідного значення після малих катодних і анодних поляризацій.

Головним критерієм, за яким були прийняті до використання розчинники групи АДР, є їхня сумісність з літієм. У даний час відсутній строгий теоретичний підхід до вибору оптимального розчинника, тому у промисловому виробництві використовується ряд різних розчинників. До них відносяться у першу чергу прості і складні ефіри, головним чином циклічні: 1,2 - диметоксіетан (1,2 - ДМЕ), 1,3 - діоксолан (1,3 - ДО), метил форміат (МФ), пропілен карбонат (ПК), тетрагідрофуран (ТГФ).

Термодинамічними розрахунками було доведено, що система Li - АДР не є стійкою. Значення потенціалів для реакцій взаємодії літію з АДР можуть досягати 2,5 - 4,3 В, а продуктами реакції є сполуки, нерозчинні в АДР.

АДР мають невисоку сольватуючу здатність, і внаслідок цього в них добре розчиняються лише деякі літієві солі. Це, головним чином, сполуки із комплексними аніонами, що містять як центральний атом елементи третьої і п’ятої груп періодичної системи. Як електроліти у промисловому виробництві використовуються LiAs6, LiBF4, LiAlCl4, LiCl4, LiBr. Усі ці солі сильно гігроскопічні, що значно ускладнює і здорожує виробництво через труднощі глибокого осушування та необхідності захисту всього технологічного процесу від впливу атмосферної вологи.

Зараз у літієвих ХДС використовуються як тверді, так і рідкі катодні матеріали. Високий електродний потенціал літію дозволяє застосовувати не занадто активні окислювачі і при цьому одержувати електродні пари з ЕРС, більшою 3 В. Промисловість випускає елементи з простими (MnO2, CuO, V2O5) і складними (2PbOPbO2, 2PbOBi2O3, Ag2OCrO3) оксидними катодами, з катодами з SO2, SOCl2.

Розряд негативного літієвого електрода веде до його іонізації:

 

 

Присутність на поверхні літію оксидно - сольової плівки впливає на його потенціал і швидкість розряду.

У залежності від природи катодного матеріалу схеми електрохімічних реакцій можна зобразити рівняннями:

 

 

Найбільш поширене виробництво циліндричних та дискових елементів різних конструкцій.

Створення ХДС на основі неводних електролітів стимулювало розвиток теоретичних уявлень в області теорії розчинів, поверхневих явищ, нових типів неорганічних сполук, нестехіометричних сполук, теорії пористих електродів тощо. Теоретичні досягнення, у свою чергу, дозволяють очікувати істотного поліпшення нових поколінь ХДС.

 

ВИСНОВКИ

 

В наш час залишаються дуже актуальними акумулятори, адже більшість автомобільних транспортних засобів не може обходитись без цих хімічних джерел струму. Також дуже поширені цинково-манганові елементи, що дістали назви звичайної батарейки. Всі вони є надійними джерелами струму і слугують порівняно тривалий час.

Вичерпність природних ресурсів призводить до створення нових хімічних джерел струму, зараз ведеться активна робота по їх створенню. І допоможуть в цьому лужні метали. Вже зроблені перші кроки - створено хімічні джерела струму на основі літію, що знаходиться у контакті з органічним апротонним розчинником. Літієві джерела струму зарекомендували себе як дуже надійні. Зараз важко зустріти галузь деб не застосовувались такі елементи. Батареї мобільних телефонів і рацій, батарейки для годинників, калькуляторів, різноманітних приладів - майже скрізь працюють літієві хімічні джерела струму.

Саме вони стають найбільш актуальними у подальшому розвитку суспільства.

Паливні елементи є не актуальні, адже вони дуже енергоресурсоємкі, а коефіцієнт корисної дії порівняно низький.

Акумулятори також ще застосовуються, але вже існують пристрої, значно спрощеної дії ніж акумуляторів, і виконують ті ж самі функції.

Отже ера хімічних джерел струму продовжується, і невпинно крокує вперед.