Les sources de courant chimiques (en abrégé HIT) sont des dispositifs dans lesquels l'énergie d'une réaction redox est convertie en énergie électrique. Leurs autres noms sont cellule électrochimique, cellule galvanique, cellule électrochimique. Le principe de leur fonctionnement est le suivant: à la suite de l'interaction de deux réactifs, une réaction chimique se produit avec la libération d'énergie à partir d'un courant électrique continu. Dans d'autres sources de courant, le processus de production d'électricité se déroule selon un schéma en plusieurs étapes. Tout d'abord, l'énergie thermique est libérée, puis elle est convertie en énergie mécanique, et ensuite seulement en énergie électrique. L'avantage de HIT est le processus en une seule étape, c'est-à-dire que l'électricité est obtenue immédiatement, en contournant les étapes d'obtention d'énergie thermique et mécanique.
Histoire
Comment sont apparues les premières sources actuelles ? Les sources chimiques sont appelées cellules galvaniques en l'honneur du scientifique italien du XVIIIe siècle - Luigi Galvani. Il était médecin, anatomiste, physiologiste et physicien. Une de ses orientationsla recherche était l'étude des réactions animales à diverses influences extérieures. La méthode chimique de production d'électricité a été découverte par hasard par Galvani, lors d'une des expériences sur les grenouilles. Il a connecté deux plaques de métal au nerf exposé sur la patte de la grenouille. Cela a entraîné une contraction musculaire. La propre explication de Galvani de ce phénomène était incorrecte. Mais les résultats de ses expériences et observations ont aidé son compatriote Alessandro Volta dans ses études ultérieures.
Volta a décrit dans ses écrits la théorie de l'apparition d'un courant électrique à la suite d'une réaction chimique entre deux métaux en contact avec le tissu musculaire d'une grenouille. La première source de courant chimique ressemblait à un récipient de solution saline, avec des plaques de zinc et de cuivre immergées dedans.
HIT a commencé à être produit à l'échelle industrielle dans la seconde moitié du XIXe siècle, grâce au Français Leclanche, qui a inventé la cellule primaire manganèse-zinc à électrolyte salin, qui porte son nom. Quelques années plus tard, cette cellule électrochimique a été améliorée par un autre scientifique et a été la seule source primaire de courant chimique jusqu'en 1940.
Conception et principe de fonctionnement HIT
Le dispositif des sources de courant chimiques comprend deux électrodes (conducteurs du premier type) et un électrolyte situé entre elles (conducteur du second type, ou conducteur ionique). Un potentiel électronique apparaît à la frontière entre eux. L'électrode à laquelle l'agent réducteur est oxydéappelée l'anode, et celle sur laquelle l'agent oxydant est réduit s'appelle la cathode. Avec l'électrolyte, ils constituent le système électrochimique.
Un sous-produit de la réaction redox entre les électrodes est la génération de courant électrique. Lors d'une telle réaction, l'agent réducteur s'oxyde et cède des électrons à l'agent oxydant qui les accepte et se trouve ainsi réduit. La présence d'un électrolyte entre la cathode et l'anode est une condition nécessaire à la réaction. Si vous mélangez simplement des poudres de deux métaux différents, aucune électricité ne sera libérée, toute l'énergie sera libérée sous forme de chaleur. Un électrolyte est nécessaire pour rationaliser le processus de transfert d'électrons. Le plus souvent, il s'agit d'une solution saline ou d'une fonte.
Les électrodes ressemblent à des plaques ou des grilles métalliques. Lorsqu'ils sont immergés dans un électrolyte, une différence de potentiel électrique apparaît entre eux - une tension de circuit ouvert. L'anode a tendance à donner des électrons, tandis que la cathode a tendance à les accepter. Les réactions chimiques commencent à leur surface. Ils s'arrêtent à l'ouverture du circuit, ainsi qu'à l'épuisement d'un des réactifs. L'ouverture du circuit se produit lorsque l'une des électrodes ou l'électrolyte est retiré.
Composition des systèmes électrochimiques
Les sources de courant chimiques utilisent des acides et des sels contenant de l'oxygène, de l'oxygène, des halogénures, des oxydes métalliques supérieurs, des composés nitrés organiques, etc. comme agents oxydants. Les métaux et leurs oxydes inférieurs, l'hydrogène sont des agents réducteurs.et composés d'hydrocarbures. Comment les électrolytes sont utilisés:
- Solutions aqueuses d'acides, d'alcalis, de solution saline, etc.
- Solutions non aqueuses à conductivité ionique, obtenues en dissolvant des sels dans des solvants organiques ou inorganiques.
- Sels fondus.
- Composés solides à réseau ionique dont l'un des ions est mobile.
- Électrolytes matriciels. Ce sont des solutions liquides ou fondues situées dans les pores d'un corps solide non conducteur - un transporteur d'électrons.
- Électrolytes échangeurs d'ions. Ce sont des composés solides avec des groupes ionogènes fixes de même signe. Les ions de l'autre signe sont mobiles. Cette propriété rend la conductivité d'un tel électrolyte unipolaire.
Piles galvaniques
Les sources de courant chimiques sont constituées de cellules galvaniques - cellules. La tension dans l'une de ces cellules est faible - de 0,5 à 4V. Selon le besoin, une batterie galvanique est utilisée en HIT, composée de plusieurs cellules connectées en série. Parfois, une connexion parallèle ou série-parallèle de plusieurs éléments est utilisée. Seules des piles ou des batteries primaires identiques sont toujours incluses dans un circuit en série. Ils doivent avoir les mêmes paramètres: système électrochimique, conception, option technologique et taille standard. Pour une connexion parallèle, il est acceptable d'utiliser des éléments de tailles différentes.
Classement HIT
Les sources de courant chimiques diffèrent par:
- taille;
- designs;
- réactifs;
- la nature de la réaction de formation d'énergie.
Ces paramètres déterminent les propriétés de performance HIT adaptées à une application particulière.
La classification des éléments électrochimiques est basée sur la différence de principe de fonctionnement de l'appareil. En fonction de ces caractéristiques, ils distinguent:
- Les sources de courant chimiques primaires sont des éléments jetables. Ils disposent d'une certaine réserve de réactifs, qui est consommée au cours de la réaction. Après une décharge complète, une telle cellule perd sa fonctionnalité. D'une autre manière, les HIT primaires sont appelées cellules galvaniques. Il sera correct de les appeler simplement - élément. Les exemples les plus simples de source d'alimentation principale sont les "piles" A-A.
- Sources de courant chimiques rechargeables - les batteries (elles sont également appelées HIT secondaires et réversibles) sont des cellules réutilisables. En faisant passer le courant d'un circuit externe dans le sens opposé à travers la batterie, après une décharge complète, les réactifs usés sont régénérés, accumulant à nouveau de l'énergie chimique (charge). Grâce à la possibilité de se recharger à partir d'une source externe de courant constant, cet appareil est utilisé longtemps, avec des pauses pour se recharger. Le processus de génération d'énergie électrique est appelé décharge de la batterie. Ces HIT incluent les batteries de nombreux appareils électroniques (ordinateurs portables, téléphones portables, etc.).
- Sources de courant thermochimiques - dispositifs continus. Àdans le processus de leur travail, il y a un flux continu de nouvelles portions de réactifs et l'élimination des produits de réaction.
- Les cellules galvaniques combinées (semi-combustibles) ont un stock de l'un des réactifs. Le second est introduit dans l'appareil de l'extérieur. La durée de vie de l'appareil dépend de la fourniture du premier réactif. Des sources chimiques combinées de courant électrique sont utilisées comme batteries, s'il est possible de restaurer leur charge en faisant passer du courant à partir d'une source externe.
- HIT renouvelable rechargeable mécaniquement ou chimiquement. Pour eux, il est possible de remplacer les réactifs usés par de nouvelles portions après une décharge complète. Autrement dit, ce ne sont pas des appareils continus, mais, comme les batteries, ils sont périodiquement rechargés.
Fonctionnalités HIT
Les principales caractéristiques des sources d'énergie chimiques sont:
- Tension en circuit ouvert (ORC ou tension de décharge). Cet indicateur dépend tout d'abord du système électrochimique choisi (combinaison d'agent réducteur, d'agent oxydant et d'électrolyte). De plus, le NRC est affecté par la concentration de l'électrolyte, le degré de décharge, la température, etc. Le NRC dépend de la valeur du courant traversant le HIT.
- Puissance.
- Courant de décharge - dépend de la résistance du circuit externe.
- Capacité - la quantité maximale d'électricité que le HIT dégage lorsqu'il est complètement déchargé.
- Réserve de marche - l'énergie maximale reçue lorsque l'appareil est complètement déchargé.
- Caractéristiques énergétiques. Pour les batteries, c'est d'abord un nombre garanti de cycles de charge-décharge sans réduction de capacité ni de tension de charge (ressource).
- Plage de température de fonctionnement.
- La durée de vie est le temps maximum autorisé entre la fabrication et la première décharge de l'appareil.
- Durée de vie utile - la durée totale maximale autorisée de stockage et de fonctionnement. Pour les piles à combustible, la durée de vie continue et intermittente est importante.
- Énergie totale dissipée sur la durée de vie.
- Résistance mécanique aux vibrations, chocs, etc.
- Capacité à travailler dans n'importe quel poste.
- Fiabilité.
- Entretien facile.
Exigences HIT
La conception des cellules électrochimiques doit fournir les conditions propices à la réaction la plus efficace. Ces conditions incluent:
- empêcher les fuites de courant;
- même travail;
- résistance mécanique (y compris l'étanchéité);
- séparation des réactifs;
- bon contact entre les électrodes et l'électrolyte;
- dissipation du courant de la zone de réaction vers la borne extérieure avec des pertes minimales.
Les sources de courant chimiques doivent répondre aux exigences générales suivantes:
- valeurs les plus élevées de paramètres spécifiques;
- plage de température de fonctionnement maximale;
- la plus grande tension;
- coût minimumunités d'énergie;
- stabilité de la tension;
- sécurité de charge;
- sécurité;
- facilité d'entretien, et idéalement pas besoin;
- longue durée de vie.
Exploitation HIT
Le principal avantage des cellules galvaniques primaires est qu'elles ne nécessitent aucun entretien. Avant de commencer à les utiliser, il suffit de vérifier l'apparence, la date d'expiration. Lors de la connexion, il est important de respecter la polarité et de vérifier l'intégrité des contacts de l'appareil. Des sources de courant chimiques plus complexes - les batteries, nécessitent des soins plus sérieux. Le but de leur entretien est de maximiser leur durée de vie. Prendre soin de la batterie est:
- garder propre;
- surveillance de la tension en circuit ouvert;
- maintenir le niveau d'électrolyte (seule l'eau distillée peut être utilisée pour faire l'appoint);
- contrôle de la concentration d'électrolyte (à l'aide d'un hydromètre - un appareil simple pour mesurer la densité des liquides).
Lors de l'utilisation de cellules galvaniques, toutes les exigences relatives à l'utilisation en toute sécurité des appareils électriques doivent être respectées.
Classification des HIT par systèmes électrochimiques
Types de sources de courant chimiques, selon le système:
- plomb (acide);
- nickel-cadmium, nickel-fer, nickel-zinc;
- manganèse-zinc, cuivre-zinc, mercure-zinc, chlorure de zinc;
- argent-zinc, argent-cadmium;
- air-métal;
- nickel-hydrogène et argent-hydrogène;
- manganèse-magnésium;
- lithium etc.
Application moderne de HIT
Les sources de courant chimiques sont actuellement utilisées dans:
- véhicules;
- appareils portables;
- technologie militaire et spatiale;
- équipement scientifique;
- médecine (stimulateurs cardiaques).
Exemples usuels de HIT dans la vie de tous les jours:
- piles (piles sèches);
- piles pour appareils électroménagers portables et électroniques;
- alimentations sans interruption;
- batteries de voiture.
Les sources de courant chimique au lithium sont particulièrement largement utilisées. En effet, le lithium (Li) a l'énergie spécifique la plus élevée. Le fait est qu'il a le potentiel d'électrode le plus négatif parmi tous les autres métaux. Les batteries lithium-ion (LIA) sont en avance sur tous les autres CPS en termes d'énergie spécifique et de tension de fonctionnement. Maintenant, ils maîtrisent progressivement un nouveau domaine - le transport routier. À l'avenir, le développement des scientifiques liés à l'amélioration des batteries au lithium s'orientera vers des conceptions ultra-minces et de grandes batteries à usage intensif.
