Sekundární elektrochemické články

Rozměr: px

Začít zobrazení ze stránky:

Download "Sekundární elektrochemické články"

Petra Černá
před 7 lety
Počet zobrazení:

1 Sekundární elektrochemické články méně odborně se jim říká také akumulátory všechny elektrochemické reakce jsou vratné (ideálně na 100%) řeší problém ekonomický (vícenásobné použití snižuje náklady) řeší problém ekologický (na konci zbude pouze jeden článek) klade velké nároky na technologii a na materiály jiný způsob zacházení se sekundárními články Dělení sekundárních článků a) olověné akumulátory b) akumulátory na bázi niklu (NiCd, NiFe, NiMH) c) akumulátory na bázi lithia (Li-ion, Li-pol) d) akumulátory na bázi alkalických elektrolytů s MnO 2 Olověné akumulátory známé přes 150 let levné, spolehlivé, stabilní výrobní postupy představují cca 60% (někde udáváno až 80%) bateriové kapacity odolávají poruchám poskytují značné výstupní proudy odolné mechanicky i teplotně (v nabitém stavu) použití v dopravě, záložní zdroje, UPS a tak dále

2 Několik provozních stavů 1. nenabitý akumulátor naplněný elektrolytem 2. akumulátor připojený na nabíječku režim nabíjení

Podstatu dějů na elektrodách vystihují následující rovnice: ANODA OXIDACE (zde oxidace Pb 2+ na vyšší formu Pb 4+ ) PbSO 4 + SO 4 2 + 2H 2 O 2H 2 SO 4 + PbO 2 + 2e KATODA REDUKCE (zde je to redukce

3 Podstatu dějů na elektrodách vystihují následující rovnice: ANODA OXIDACE (zde oxidace Pb 2+ na vyšší formu Pb 4+ ) PbSO 4 + SO H 2 O 2H 2 SO 4 + PbO 2 + 2e KATODA REDUKCE (zde je to redukce Pb 2+ na Pb 0 ) PbSO 4 + 2H + + 2e Pb + H 2 SO 4 3. akumulátor s připojeným spotřebičem režim vybíjení Pozor na změnu elektrodového pojetí anoda a katoda (děje se obrací) ANODA nyní probíhá redukční proces Pb 4+ Pb 2+ PbO 2 + 2H + + H 2 SO 4 + 2e PbSO 4 + 2H 2 O KATODA nyní zde probíhá oxidační proces Pb 0 Pb 2+ Pb + SO 2 4 PbSO 4 + 2e Proces je tedy vratný.

4 Nabíjení olověného sekundárního článku významně determinuje životnost akumulátoru lepší je omezený proud při konstantním napětí při rychlém nabíjení se konstantní napětí drží celou dobu, pak se snižuje plynování nabíjení automobilového akumulátoru podle křivky Křivka nabíjení olověného akumulátoru Konstrukce mřížka elektrody (odolná mechanicky a proti korozi úprava pomocí slitin s kovy Sn, Cd, Se) ploché mřížky (s oxidy olova)

5 separátorem je polyetylén nebo PVC nabíjení proudem 0,1Q, udržování je 0,001Q sulfatace (změna vratnosti PbSO 4 ) Výhody olověného článku 1. stabilní 2. levný 3. robustní 4. výkonný 5. odolný * Nevýhody olověného článku 1. těžký 2. obsahuje olovo (těžký kov) 3. obsahuje kyselinu sírovou Sekundární zdroje na bázi niklu (NiCd, NiMH) NiCd známé také už přes sto let používáno v železniční dopravě, telegrafii odolné, široký rozsah pracovních teplot velké vybíjecí a nabíjecí proudy konstantní vybíjecí napětí kadmium je toxické a dost drahé

6 ANODA NiOOH (oxihydoxid niklu) KATODA Cd (houbovité porézní) Vybíjení záporná elektroda (anoda Cd 0 Cd 2+ ) Cd+ 2OH Cd(OH) 2 + 2e Vybíjení kladná elektroda (katoda Ni 3+ Ni 2+ ) 2NiOOH + 2H 2 O + 2e 2Ni(OH) 2 + 2OH Souhrnná rovnice elektrodového děje 2NiOOH + Cd+ 2H 2 O 2Ni(OH) 2 + Cd(OH) 2 Směr vybíjení Směr nabíjení Hydroxidy jsou v elektrolytu nerozpustné. Způsoby nabíjení niklových článků a) při konstantním proudu (nejlevnější) b) při konstantním napětí (proměnný proud) c) s teplotní kompenzací (drahé. složité) Elektrolytem je 35% roztok KOH Mřížky jsou poniklované nebo jinak upravené. Separátorem je nylon nebo polypropylén.

7 Ni-MH relativně nový model (cca 20 let) katoda je stejná (NiOOH) anoda (slitiny kovů Ti, Zr, Ni, Cr nebo AB 5 ) Vybíjení (anodový proces) MH + OH M + H 2 O + e (M je zde slitina kovů) Vybíjení (katodový proces) NiOOH + H 2 O + e Ni(OH) 2 + OH Souhrnný děj lze popsat celkovou rovnicí: NiOOH +MH Ni(OH) 2 + M Elektrolytem je zase roztok KOH Záporná elektroda bývá hmotnostně předimenzovaná. Separátorem je ze syntetických vláken. Článek má bezpečnostní ventil pro odvod plynného vodíku.

8 Porovnání hmotnostních a objemových hustot energie moderního NiMH článku s klasickou konstrukcí na bázi NiCd.

Sekundární článek na bázi lithia (Li-ion) komerčně dostupné od roku 1993 zpravidla nejsou typizované, ale jsou unikátní součástí jiného zařízení napětí naprázdno 3,6 3, 8 V napětí klesá s vybíjením

9 Sekundární článek na bázi lithia (Li-ion) komerčně dostupné od roku 1993 zpravidla nejsou typizované, ale jsou unikátní součástí jiného zařízení napětí naprázdno 3,6 3, 8 V napětí klesá s vybíjením jenom málo teplotní rozmezí -20 o C až +50 o C samovybíjení malé (cca 5% za měsíc) vnitřní odpor malý, odběrové velké proudy paměťový efekt zde není Struktura ANODA (oxidy například LiCoO 2 ) KATODA (porézní uhlíková struktura) Elektrolyt organické rozpouštědlo s několika monomery Principem elektrodové reakce je transport iontů lithia. Nabíjení z kovového oxidu do uhlíkové struktury Vybíjení z uhlíkové porézní struktury do kovového bloku.

10 Vybíjecí křivka lithiového sekundárního článku Alkalické články na bázi MnO 2 principiálně velmi podobné primárním alkalickým článkům, jenom je nutné zamezit redukci manganu do druhého stupně. Rovnice článku: Vybíjení na katodě Mn 4+ Mn 3+ (redukční proces) 2MnO 2 + 2H 2 O + 2e 2MnOOH + 2OH Vybíjení na anodě Zn 0 Zn 2+ (oxidační proces) Zn + 2OH ZnO + H 2 O + 2e Souhrnné děj v článku: 2MnO 2 + Zn + 2H 2 O 2MnOOH + ZnO (MnO 2 + Zn MnO + ZnO alkalický primární)

11 Tyto články jsou označovány jako články RAM nemají paměťový efekt materiály musí být čistější a jsou speciálně upravené parametry odpovídají alkalickému článku (včetně 1,5V) velmi nízké samovybíjení cca 10% za rok

Podobné dokumenty

AKUMULÁTORY. Autor: Mgr. Stanislava Bubíková. Datum (období) tvorby: 15. 3. 2012. Ročník: devátý

AKUMULÁTORY. Autor: Mgr. Stanislava Bubíková. Datum (období) tvorby: 15. 3. 2012. Ročník: devátý Autor: Mgr. Stanislava Bubíková AKUMULÁTORY Datum (období) tvorby: 15. 3. 2012 Ročník: devátý Vzdělávací oblast: Člověk a příroda / Chemie / Chemické reakce 1 Anotace: Žáci se seznámí se zdroji elektrického