Химийн гүйдлийн эх үүсвэрүүд (ХИТ гэж товчилсон) нь исэлдэлтийн урвалын энергийг цахилгаан энерги болгон хувиргадаг төхөөрөмж юм. Тэдний бусад нэрс нь цахилгаан химийн элемент, гальваник элемент, цахилгаан химийн элемент юм. Тэдний үйл ажиллагааны зарчим нь дараах байдалтай байна: хоёр урвалжийн харилцан үйлчлэлийн үр дүнд шууд цахилгаан гүйдлээс энерги ялгарах химийн урвал явагдана. Бусад одоогийн эх үүсвэрүүдэд цахилгаан эрчим хүч үйлдвэрлэх үйл явц нь олон үе шаттай схемийн дагуу явагддаг. Эхлээд дулааны энерги ялгарч, дараа нь механик энерги болж, зөвхөн дараа нь цахилгаан энерги болж хувирдаг. HIT-ийн давуу тал нь нэг үе шаттай процесс юм, өөрөөр хэлбэл дулааны болон механик энергийг олж авах үе шатуудыг алгасаж цахилгааныг шууд олж авдаг.
Түүх
Одоогийн анхны эх сурвалжууд хэрхэн гарч ирсэн бэ? Химийн эх үүсвэрийг XVIII зууны Италийн эрдэмтэн Луижи Галванигийн нэрэмжит гальваник эс гэж нэрлэдэг. Тэрээр эмч, анатомич, физиологич, физикч байсан. Түүний нэг чиглэлСудалгаа нь амьтны янз бүрийн гадны нөлөөнд үзүүлэх хариу үйлдлийг судлах явдал байв. Цахилгаан эрчим хүч үйлдвэрлэх химийн аргыг Галвани мэлхий дээр хийсэн туршилтуудын нэгэнд тохиолдлоор нээсэн. Тэрээр мэлхийн хөлний ил гарсан мэдрэлд хоёр төмөр хавтанг холбосон. Үүний үр дүнд булчингийн агшилт үүссэн. Энэ үзэгдлийн талаар Галвани өөрөө хийсэн тайлбар буруу байсан. Гэвч түүний туршилт, ажиглалтын үр дүн нутаг нэгт Алессандро Вольтад дараагийн судалгаанд тусалсан.
Вольта мэлхийн булчингийн эдтэй шүргэлцсэн хоёр металлын химийн урвалын үр дүнд цахилгаан гүйдэл үүсдэг тухай онолыг зохиолдоо тодорхойлсон. Эхний химийн гүйдлийн эх үүсвэр нь цайр, зэсийн ялтсуудыг дүрсэн давстай сав шиг харагдаж байв.
HIT нь 19-р зууны хоёрдугаар хагаст түүний нэрээр нэрлэгдсэн давс электролит бүхий анхдагч манган-цайрын эсийг зохион бүтээсэн Франц Лекланшийн ачаар үйлдвэрийн хэмжээнд үйлдвэрлэгдэж эхэлсэн. Хэдэн жилийн дараа энэхүү цахилгаан химийн эсийг өөр эрдэмтэн сайжруулсан бөгөөд 1940 он хүртэл химийн гүйдлийн цорын ганц анхдагч эх үүсвэр байсан.
Дизайн ба үйл ажиллагааны зарчим HIT
Химийн гүйдлийн эх үүсвэрийн төхөөрөмжид хоёр электрод (эхний төрлийн дамжуулагч) ба тэдгээрийн хооронд байрлах электролит (хоёр дахь төрлийн дамжуулагч эсвэл ион дамжуулагч) орно. Тэдний хоорондох хил дээр электрон потенциал үүсдэг. Бууруулах бодисыг исэлдүүлэх электроданод гэж нэрлэдэг ба исэлдүүлэгч бодисыг бууруулж байгаа нэгийг катод гэж нэрлэдэг. Тэд электролитийн хамт цахилгаан химийн системийг бүрдүүлдэг.
Электродын хоорондох исэлдэлтийн урвалын дайвар бүтээгдэхүүн нь цахилгаан гүйдэл үүсгэх явдал юм. Ийм урвалын үед бууруулагч бодис нь исэлдэж, электроныг исэлдүүлэгч бодис руу өгдөг бөгөөд энэ нь тэдгээрийг хүлээн авч, улмаар буурдаг. Катод ба анодын хооронд электролит байх нь урвалын зайлшгүй нөхцөл юм. Хэрэв та хоёр өөр металлын нунтагыг зүгээр л холих юм бол ямар ч цахилгаан гарахгүй, бүх энерги дулаан хэлбэрээр ялгарах болно. Электрон дамжуулах үйл явцыг оновчтой болгохын тулд электролит хэрэгтэй. Ихэнхдээ энэ нь давсны уусмал эсвэл хайлмал юм.
Электродууд нь металл хавтан эсвэл тор шиг харагддаг. Тэдгээрийг электролитэд дүрэх үед тэдгээрийн хооронд цахилгаан потенциалын зөрүү үүсдэг - нээлттэй хэлхээний хүчдэл. Анод нь электрон хандивлах хандлагатай байдаг бол катод нь хүлээн авах хандлагатай байдаг. Тэдний гадаргуу дээр химийн урвал эхэлдэг. Тэд хэлхээг нээх үед, мөн урвалжуудын аль нэг нь дууссан үед зогсдог. Электрод эсвэл электролитийн аль нэгийг нь салгах үед хэлхээ нээгдэнэ.
Цахилгаан химийн системийн найрлага
Химийн гүйдлийн эх үүсвэрүүд нь исэлдүүлэгч бодис болгон хүчилтөрөгч агуулсан хүчил ба давс, хүчилтөрөгч, галогенид, өндөр металлын исэл, нитроорганик нэгдлүүд гэх мэтийг ашигладаг. Металл ба тэдгээрийн доод исэл, устөрөгч нь тэдгээрийн ангижруулагч бодис юм.ба нүүрсустөрөгчийн нэгдлүүд. Электролитийг хэрхэн ашигладаг вэ:
- Хүчил, шүлт, давс гэх мэт усан уусмал.
- Давсыг органик болон органик бус уусгагчид уусгах замаар гаргаж авсан ионы дамжуулалттай усан бус уусмал.
- Хайлсан давс.
- Ионуудын аль нэг нь хөдөлгөөнт байдаг ионы тортой хатуу нэгдлүүд.
- Матриц электролитууд. Эдгээр нь электрон тээвэрлэгч хатуу биетийн нүхэнд байрлах шингэн уусмал эсвэл хайлмал юм.
- Ион солилцооны электролитууд. Эдгээр нь ижил тэмдгийн тогтмол ионоген бүлгүүдтэй хатуу нэгдлүүд юм. Нөгөө тэмдгийн ионууд хөдөлгөөнт шинж чанартай байдаг. Энэ шинж чанар нь ийм электролитийн дамжуулалтыг нэг туйлт болгодог.
Галван батерей
Химийн гүйдлийн эх үүсвэрүүд нь гальваник эсүүдээс тогтдог. Эдгээр эсийн аль нэг дэх хүчдэл бага байдаг - 0.5-аас 4V хүртэл. Хэрэгцээнээс хамааран хэд хэдэн цуврал холбогдсон эсүүдээс бүрдэх гальваник батерейг HIT-д ашигладаг. Заримдаа хэд хэдэн элементийн зэрэгцээ эсвэл цуваа зэрэгцээ холболтыг ашигладаг. Зөвхөн ижил үндсэн эсүүд эсвэл батерейнууд нь цуврал хэлхээнд үргэлж ордог. Тэд ижил параметртэй байх ёстой: цахилгаан химийн систем, дизайн, технологийн сонголт, стандарт хэмжээ. Зэрэгцээ холболтын хувьд өөр өөр хэмжээтэй элементүүдийг ашиглахыг зөвшөөрнө.
HIT ангилал
Химийн гүйдлийн эх үүсвэрүүд нь дараах байдлаар ялгаатай:
- хэмжээ;
- дизайн;
- урвалж;
- энерги үүсгэх урвалын мөн чанар.
Эдгээр параметрүүд нь тухайн программд тохирох HIT гүйцэтгэлийн шинж чанарыг тодорхойлдог.
Цахилгаан химийн элементүүдийн ангилал нь төхөөрөмжийн үйл ажиллагааны зарчмын ялгаан дээр суурилдаг. Эдгээр шинж чанаруудаас хамааран тэд дараахь зүйлийг ялгадаг:
- Химийн гүйдлийн анхдагч эх үүсвэрүүд нь нэг удаагийн элемент юм. Тэд урвалын явцад зарцуулдаг урвалжуудын тодорхой нөөцтэй байдаг. Бүрэн цэнэггүй болсоны дараа ийм эс нь үйл ажиллагаагаа алддаг. Өөр нэг байдлаар, анхдагч HIT-ийг гальваник эс гэж нэрлэдэг. Тэдгээрийг энгийн элемент гэж нэрлэх нь зөв байх болно. Үндсэн тэжээлийн эх үүсвэрийн хамгийн энгийн жишээ бол "батерей" A-A юм.
- Цэнэглэдэг химийн гүйдлийн эх үүсвэрүүд - батерейнууд (тэдгээрийг хоёрдогч, урвуу HIT гэж нэрлэдэг) дахин ашиглах боломжтой эсүүд юм. Батерейгаар эсрэг чиглэлд гадаад хэлхээнээс гүйдэл дамжуулснаар бүрэн цэнэггүй болсны дараа зарцуулсан урвалжууд дахин сэргэж, дахин химийн энерги (цэнэглэх) хуримтлагддаг. Гадны тогтмол гүйдлийн эх үүсвэрээс цэнэглэх чадварын ачаар энэ төхөөрөмжийг удаан хугацаанд цэнэглэх завсарлагатайгаар ашигладаг. Цахилгаан эрчим хүч үйлдвэрлэх үйл явцыг зайны цэнэггүйдэл гэж нэрлэдэг. Ийм HIT-д олон электрон төхөөрөмжийн батарей (зөөврийн компьютер, гар утас гэх мэт) багтдаг.
- Дулааны химийн гүйдлийн эх үүсвэр - тасралтгүй төхөөрөмж. ATТэдний ажлын явцад урвалжуудын шинэ хэсгүүд тасралтгүй урсаж, урвалын бүтээгдэхүүнийг зайлуулдаг.
- Хосолсон (хагас түлш) гальваник эсүүд нь урвалжуудын аль нэгний нөөцтэй байдаг. Хоёр дахь нь гаднаас нь төхөөрөмжид тэжээгддэг. Төхөөрөмжийн ашиглалтын хугацаа нь эхний урвалжийн нийлүүлэлтээс хамаарна. Гадны эх үүсвэрээс гүйдэл дамжуулж цэнэгээ сэргээх боломжтой бол цахилгаан гүйдлийн химийн хосолсон эх үүсвэрийг батерей болгон ашигладаг.
- HIT механик болон химийн аргаар дахин цэнэглэгддэг. Тэдний хувьд зарцуулсан урвалжуудыг бүрэн гадагшлуулсны дараа шинэ хэсгүүдээр солих боломжтой. Өөрөөр хэлбэл тэдгээр нь тасралтгүй төхөөрөмж биш боловч батерей шиг үе үе цэнэглэгддэг.
HIT онцлогууд
Химийн тэжээлийн эх үүсвэрүүдийн үндсэн шинж чанарууд нь:
- Нээлттэй хэлхээний хүчдэл (ORC эсвэл цэнэгийн хүчдэл). Энэ үзүүлэлт нь юуны түрүүнд сонгосон цахилгаан химийн системээс (бууруулах бодис, исэлдүүлэгч бодис, электролитийн хослол) хамаарна. Түүнчлэн, NRC-д электролитийн концентраци, ялгаралт, температур, бусад зүйлс нөлөөлдөг. NRC нь HIT-ээр дамжих гүйдлийн утгаас хамаарна.
- Хүч.
- Гадах гүйдэл - гадаад хэлхээний эсэргүүцэлээс хамаарна.
- Багтаамж - бүрэн цэнэггүй болсон үед HIT-аас ялгарах цахилгааны дээд хэмжээ.
- Цахилгааны нөөц - төхөөрөмж бүрэн цэнэггүй болсон үед хүлээн авах хамгийн их эрчим хүч.
- Эрчим хүчний шинж чанар. Батерейны хувьд энэ нь юуны түрүүнд хүчин чадал, цэнэгийн хүчдэлийг (нөөцийг) бууруулахгүйгээр цэнэглэх-цацах циклүүдийн баталгаат тоо юм.
- Температурын ажиллах хүрээ.
- Хадгалах хугацаа нь төхөөрөмжийн үйлдвэрлэлээс анхны цэнэггүй болох хүртэлх зөвшөөрөгдөх дээд хугацаа юм.
- Ашиглах хугацаа - хадгалах, ашиглах хамгийн их зөвшөөрөгдөх нийт хугацаа. Түлшний эсийн хувьд тасралтгүй ба завсарлагатай үйлчилгээний хугацаа чухал.
- Насан туршдаа зарцуулсан нийт энерги.
- Чичиргээ, цочрол гэх мэт механик хүч.
- Ямар ч албан тушаалд ажиллах чадвартай.
- Найдвартай.
- Засвар үйлчилгээ хялбар.
HIT-н шаардлага
Цахилгаан химийн эсийн загвар нь хамгийн үр дүнтэй урвал явуулах нөхцлийг бүрдүүлэх ёстой. Үүнд:
- гүйдэл алдагдахаас сэргийлнэ;
- бүр ажил;
- механик хүч (битүүмжлэлийг оруулаад);
- урвалжуудыг ялгах;
- электрод ба электролитийн хооронд сайн холбоо барих;
- урвалын бүсээс гаднах терминал хүртэл хамгийн бага алдагдалтай гүйдэл тараах.
Химийн гүйдлийн эх үүсвэр нь дараах ерөнхий шаардлагыг хангасан байх ёстой:
- тодорхой параметрүүдийн хамгийн их утга;
- ажлын температурын дээд хязгаар;
- хамгийн том хурцадмал байдал;
- хамгийн бага зардалэрчим хүчний нэгж;
- хүчдэлийн тогтвортой байдал;
- цэнэгийн аюулгүй байдал;
- аюулгүй байдал;
- засвар үйлчилгээ хийхэд хялбар бөгөөд үүнийг хийх шаардлагагүй;
- урт ашиглалтын хугацаа.
Мөлжилтийн ХИТ
Анхан шатны гальваник эсийн гол давуу тал нь засвар үйлчилгээ шаарддаггүй. Тэдгээрийг хэрэглэж эхлэхээсээ өмнө гадаад төрх, дуусах хугацааг шалгахад хангалттай. Холбохдоо туйлшралыг ажиглаж, төхөөрөмжийн контактуудын бүрэн бүтэн байдлыг шалгах нь чухал юм. Илүү нарийн төвөгтэй химийн гүйдлийн эх үүсвэрүүд - батерейнууд нь илүү ноцтой анхаарал халамж шаарддаг. Тэдний засвар үйлчилгээний зорилго нь ашиглалтын хугацааг нэмэгдүүлэх явдал юм. Батерейг арчлах нь:
- цэвэр байлгах;
- нээлттэй хэлхээний хүчдэлийн хяналт;
- электролитийн түвшинг хадгалах (зөвхөн нэрмэл ус дүүргэх боломжтой);
- электролитийн концентрацийг хянах (артерометр ашиглан - шингэний нягтыг хэмжих энгийн төхөөрөмж).
Галван элементийг ажиллуулахдаа цахилгаан хэрэгслийг аюулгүй ашиглахтай холбоотой бүх шаардлагыг дагаж мөрдөх ёстой.
Цахилгаан химийн системээр ХИТ-ийн ангилал
Системээс хамааран химийн гүйдлийн эх үүсвэрийн төрөл:
- хар тугалга (хүчил);
- никель-кадми, никель-төмөр, никель-цайры;
- манган-цайры, зэс-цайры, мөнгөн ус-цайры, цайрын хлорид;
- мөнгө-цайры, мөнгө-кадми;
- агаар-металл;
- никель-устөрөгч ба мөнгө-устөрөгч;
- манган-магни;
- литий гэх мэт
HIT-н орчин үеийн хэрэглээ
Химийн гүйдлийн эх үүсвэрийг одоогоор ашиглаж байна:
- машин;
- зөөврийн хэрэгсэл;
- цэрэг, сансрын технологи;
- шинжлэх ухааны тоног төхөөрөмж;
- эм (зүрхний аппарат).
Өдөр тутмын амьдрал дахь ХИТ-ийн ердийн жишээ:
- батерей (хуурай зай);
- зөөврийн гэр ахуйн цахилгаан хэрэгсэл, цахилгаан барааны батерей;
- тасралтгүй тэжээлийн хангамж;
- машины зай.
Литийн химийн гүйдлийн эх үүсвэрүүд ялангуяа өргөн хэрэглэгддэг. Учир нь лити (Li) нь хамгийн өндөр хувийн энергитэй байдаг. Үнэн хэрэгтээ энэ нь бусад металлуудын дунд хамгийн сөрөг электродын потенциалтай байдаг. Лити-ион батерейнууд (LIA) нь тусгай эрчим хүч, ажиллах хүчдэлийн хувьд бусад бүх CPS-ээс түрүүлж байдаг. Одоо тэд аажмаар шинэ чиглэлийг эзэмшиж байна - зам тээврийн. Ирээдүйд литийн батерейг сайжруулахтай холбоотой эрдэмтдийн хөгжил хэт нимгэн загвар, том даацын батерей руу шилжих болно.
