Kimyəvi cərəyan mənbələri (qısaldılmış HIT) redoks reaksiyasının enerjisinin elektrik enerjisinə çevrildiyi cihazlardır. Onların digər adları elektrokimyəvi element, qalvanik element, elektrokimyəvi elementdir. Onların iş prinsipi belədir: iki reagentin qarşılıqlı təsiri nəticəsində birbaşa elektrik cərəyanından enerjinin ayrılması ilə kimyəvi reaksiya baş verir. Digər cərəyan mənbələrində elektrik enerjisi istehsal prosesi çox mərhələli sxemə uyğun olaraq baş verir. Əvvəlcə istilik enerjisi buraxılır, sonra mexaniki enerjiyə və yalnız bundan sonra elektrik enerjisinə çevrilir. HİT-in üstünlüyü birmərhələli prosesdir, yəni elektrik enerjisi istilik və mexaniki enerjinin alınması mərhələlərindən yan keçməklə dərhal alınır.
Tarix
İlk cari mənbələr necə meydana çıxdı? Kimyəvi mənbələrə XVIII əsrin italyan alimi - Luici Galvaninin şərəfinə qalvanik hüceyrələr deyilir. O, həkim, anatomist, fizioloq və fizik idi. Onun istiqamətlərindən biritədqiqat heyvanların müxtəlif xarici təsirlərə reaksiyalarının öyrənilməsi idi. Elektrik enerjisi əldə etməyin kimyəvi üsulunu Qalvani qurbağalar üzərində aparılan təcrübələrdən birində təsadüfən kəşf edib. Qurbağanın ayağındakı açıq sinirə iki metal lövhə birləşdirdi. Bu, əzələ daralması ilə nəticələndi. Qalvaninin özünün bu hadisə ilə bağlı izahı düzgün deyildi. Lakin onun təcrübə və müşahidələrinin nəticələri həmyerlisi Alessandro Voltaya sonrakı araşdırmalarda kömək etdi.
Volta öz yazılarında qurbağanın əzələ toxuması ilə təmasda olan iki metal arasında kimyəvi reaksiya nəticəsində elektrik cərəyanının baş verməsi nəzəriyyəsini açıqladı. İlk kimyəvi cərəyan mənbəyi içərisinə sink və mis lövhələr batırılmış şoran qabına bənzəyirdi.
HIT on doqquzuncu əsrin ikinci yarısında onun adını daşıyan duz elektrolitli ilkin manqan-sink hüceyrəsini icad edən fransız Leclanche sayəsində sənaye miqyasında istehsal olunmağa başladı. Bir neçə il sonra bu elektrokimyəvi element başqa bir alim tərəfindən təkmilləşdirildi və 1940-cı ilə qədər yeganə əsas kimyəvi cərəyan mənbəyi idi.
Dizayn və iş prinsipi HIT
Kimyəvi cərəyan mənbələrinin cihazına iki elektrod (birinci növ keçiricilər) və onların arasında yerləşən elektrolit (ikinci növ keçirici və ya ion keçiricisi) daxildir. Onların arasındakı sərhəddə elektron potensial yaranır. Azaldıcı maddənin oksidləşdiyi elektrodanod adlanır, oksidləşdirici maddənin reduksiya edildiyi isə katod adlanır. Onlar elektrolitlə birlikdə elektrokimyəvi sistemi təşkil edirlər.
Elektrodlar arasında redoks reaksiyasının əlavə məhsulu elektrik cərəyanının yaranmasıdır. Belə bir reaksiya zamanı reduksiya agenti oksidləşir və elektronları oksidləşdirici agentə verir, bu da onları qəbul edir və bununla da azalır. Katod və anod arasında elektrolitin olması reaksiya üçün zəruri şərtdir. Sadəcə olaraq iki müxtəlif metaldan olan tozları qarışdırsanız, heç bir elektrik çıxmayacaq, bütün enerji istilik şəklində buraxılacaq. Elektron ötürmə prosesini asanlaşdırmaq üçün elektrolit lazımdır. Çox vaxt bu, duz məhlulu və ya ərimədir.
Elektrodlar metal lövhələrə və ya torlara bənzəyir. Bir elektrolitə batırıldıqda, onların arasında bir elektrik potensialı fərqi yaranır - açıq dövrə gərginliyi. Anod elektronları bağışlamağa, katod isə onları qəbul etməyə meyllidir. Onların səthində kimyəvi reaksiyalar başlayır. Dövrə açıldıqda, həmçinin reagentlərdən biri tükəndikdə dayanırlar. Dövrənin açılması elektrodlardan və ya elektrolitlərdən biri çıxarıldıqda baş verir.
Elektrokimyəvi sistemlərin tərkibi
Kimyəvi cərəyan mənbələri oksidləşdirici maddələr kimi oksigen tərkibli turşu və duzlardan, oksigendən, halidlərdən, yüksək metal oksidlərindən, azotüzvi birləşmələrdən və s. istifadə edir. Metallar və onların aşağı oksidləri, hidrogen onların tərkibində reduksiyaedici maddələrdir.və karbohidrogen birləşmələri. Elektrolitlər necə istifadə olunur:
- Turşuların, qələvilərin, şoranların və s. sulu məhlulları.
- Duzları üzvi və ya qeyri-üzvi həlledicilərdə həll etməklə əldə edilən ion keçiriciliyi olan qeyri-susuz məhlullar.
- Ərimiş duzlar.
- İonlardan birinin hərəkətli olduğu ion qəfəsli bərk birləşmələr.
- Matriks elektrolitləri. Bunlar elektrik keçirməyən bərk cismin - elektron daşıyıcısının məsamələrində yerləşən maye məhlullar və ya ərimələrdir.
- İon dəyişdirici elektrolitlər. Bunlar eyni işarəli sabit ionogen qrupları olan bərk birləşmələrdir. Digər işarənin ionları mobildir. Bu xüsusiyyət belə elektrolitin keçiriciliyini birqütblü edir.
Qalvanik batareyalar
Kimyəvi cərəyan mənbələri qalvanik elementlərdən - hüceyrələrdən ibarətdir. Bu hüceyrələrdən birində gərginlik kiçikdir - 0,5-dən 4V-ə qədər. Ehtiyacdan asılı olaraq, HIT-də bir neçə seriya ilə əlaqəli hüceyrələrdən ibarət bir qalvanik batareya istifadə olunur. Bəzən bir neçə elementin paralel və ya sıra-paralel əlaqəsi istifadə olunur. Yalnız eyni əsas hüceyrələr və ya batareyalar həmişə bir sıra dövrəyə daxil edilir. Onlar eyni parametrlərə malik olmalıdırlar: elektrokimyəvi sistem, dizayn, texnoloji variant və standart ölçü. Paralel qoşulma üçün müxtəlif ölçülü elementlərdən istifadə etmək məqbuldur.
HIT Təsnifat
Kimyəvi cərəyan mənbələri aşağıdakılarla fərqlənir:
- ölçüsü;
- dizaynlar;
- reagentlər;
- enerji əmələ gətirən reaksiyanın təbiəti.
Bu parametrlər müəyyən tətbiq üçün uyğun HIT performans xassələrini müəyyən edir.
Elektrokimyəvi elementlərin təsnifatı cihazın iş prinsipindəki fərqə əsaslanır. Bu xüsusiyyətlərdən asılı olaraq onlar fərqləndirirlər:
- İlkin kimyəvi cərəyan mənbələri birdəfəlik istifadə olunan elementlərdir. Onların müəyyən bir reagent ehtiyatı var, bu da reaksiya zamanı istehlak olunur. Tam boşalmadan sonra belə bir hüceyrə öz funksionallığını itirir. Başqa bir şəkildə, ilkin HIT-lərə qalvanik hüceyrələr deyilir. Onları sadə adlandırmaq düzgün olacaq - element. Əsas enerji mənbəyinə ən sadə nümunələr "batareyalar" A-A-dır.
- Təkrar doldurulan kimyəvi cərəyan mənbələri - batareyalar (onlara ikincili, geri çevrilən HIT də deyilir) təkrar istifadə edilə bilən hüceyrələrdir. Xarici dövrədən cərəyanı əks istiqamətdə akkumulyatordan keçirərək, tam boşaldıqdan sonra sərf olunan reagentlər yenidən kimyəvi enerji toplayır (doldurulur). Xarici sabit cərəyan mənbəyindən doldurulma qabiliyyəti sayəsində bu cihaz uzun müddət istifadə olunur, şarj üçün fasilələrlə. Elektrik enerjisi istehsal prosesinə batareyanın boşaldılması deyilir. Belə HIT-lərə bir çox elektron cihazların (noutbuklar, mobil telefonlar və s.) batareyaları daxildir.
- Termik kimyəvi cərəyan mənbələri - davamlı cihazlar. ATonların iş prosesində reagentlərin yeni hissələrinin davamlı axını və reaksiya məhsullarının çıxarılması var.
- Kombinə edilmiş (yarı yanacaq) qalvanik elementlər reagentlərdən birinin ehtiyatına malikdir. İkincisi xaricdən cihaza qidalanır. Cihazın ömrü ilk reagentin tədarükündən asılıdır. Xarici mənbədən cərəyan ötürməklə onların yüklənməsini bərpa etmək mümkün olduqda, elektrik cərəyanının birləşdirilmiş kimyəvi mənbələri batareya kimi istifadə olunur.
- HIT bərpa olunan mexaniki və ya kimyəvi yolla doldurula bilər. Onlar üçün sərf olunan reagentləri tam boşaldıqdan sonra yeni hissələrlə əvəz etmək mümkündür. Yəni onlar davamlı cihazlar deyil, batareyalar kimi vaxtaşırı doldurulur.
HIT Xüsusiyyətləri
Kimyəvi enerji mənbələrinin əsas xüsusiyyətlərinə aşağıdakılar daxildir:
- Açıq dövrə gərginliyi (ORC və ya boşalma gərginliyi). Bu göstərici, ilk növbədə, seçilmiş elektrokimyəvi sistemdən (azaldıcı maddə, oksidləşdirici maddə və elektrolitin birləşməsi) asılıdır. Həmçinin, NRC-yə elektrolitin konsentrasiyası, boşalma dərəcəsi, temperatur və s. NRC HIT-dən keçən cərəyanın dəyərindən asılıdır.
- Güc.
- Boş altma cərəyanı - xarici dövrənin müqavimətindən asılıdır.
- Tutum - tam boşaldıqda HIT-in verdiyi maksimum elektrik miqdarı.
- Güc ehtiyatı - cihaz tam boşaldıqda alınan maksimum enerji.
- Enerji xüsusiyyətləri. Batareyalar üçün bu, ilk növbədə, tutumu və ya doldurma gərginliyini (resursunu) az altmadan zəmanətli doldurma-boş altma dövrləridir.
- Temperatur əməliyyat diapazonu.
- Rəf ömrü istehsal və cihazın ilk boşaldılması arasında icazə verilən maksimum vaxtdır.
- Faydalılıq müddəti - maksimum icazə verilən saxlama və istismar müddəti. Yanacaq elementləri üçün davamlı və fasiləli xidmət müddəti vacibdir.
- Ömür boyu sərf olunan enerji.
- Vibrasiya, zərbə və s. qarşı mexaniki dayanıqlıq
- İstənilən vəzifədə işləmək bacarığı.
- Etibarlılıq.
- Asan baxım.
HIT Tələbləri
Elektrokimyəvi elementlərin dizaynı ən səmərəli reaksiya üçün əlverişli şərait təmin etməlidir. Bu şərtlərə daxildir:
- cari sızmanın qarşısını alın;
- hətta iş;
- mexaniki dayanıqlıq (sıxlıq daxil olmaqla);
- reagentlərin ayrılması;
- elektrodlar və elektrolit arasında yaxşı təmas;
- Cərəyanın reaksiya zonasından xarici terminala minimal itkilərlə yayılması.
Kimyəvi cərəyan mənbələri aşağıdakı ümumi tələblərə cavab verməlidir:
- xüsusi parametrlərin ən yüksək dəyərləri;
- maksimum iş temperaturu diapazonu;
- ən böyük gərginlik;
- minimum qiymətenerji vahidləri;
- gərginlik sabitliyi;
- şarj təhlükəsizliyi;
- təhlükəsizlik;
- baxım asanlığı və ideal olaraq buna ehtiyac yoxdur;
- uzun xidmət müddəti.
İstismar HIT
İlkin qalvanik elementlərin əsas üstünlüyü onların heç bir texniki qulluq tələb etməməsidir. Onları istifadə etməyə başlamazdan əvvəl görünüşü, son istifadə tarixini yoxlamaq kifayətdir. Qoşularkən, polariteyi müşahidə etmək və cihazın kontaktlarının bütövlüyünü yoxlamaq vacibdir. Daha mürəkkəb kimyəvi cərəyan mənbələri - batareyalar, daha ciddi qayğı tələb edir. Onların saxlanmasının məqsədi xidmət müddətini maksimum dərəcədə artırmaqdır. Batareyaya qulluq:
- təmiz olun;
- açıq dövrə gərginliyinin monitorinqi;
- elektrolit səviyyəsinin saxlanılması (yalnız distillə edilmiş su əlavə etmək üçün istifadə edilə bilər);
- elektrolit konsentrasiyasına nəzarət (bir hidrometrdən istifadə etməklə - mayelərin sıxlığını ölçmək üçün sadə cihaz).
Qalvanik elementləri işləyərkən elektrik cihazlarının təhlükəsiz istifadəsi ilə bağlı bütün tələblərə əməl edilməlidir.
HİT-in elektrokimyəvi sistemlərə görə təsnifatı
Sistemdən asılı olaraq kimyəvi cərəyan mənbələrinin növləri:
- qurğuşun (turşu);
- nikel-kadmium, nikel-dəmir, nikel-sink;
- manqan-sink, mis-sink, civə-sink, sink xlorid;
- gümüş-sink, gümüş-kadmium;
- hava-metal;
- nikel-hidrogen və gümüş-hidrogen;
- manqan-maqnezium;
- litium və s.
HIT-in müasir tətbiqi
Kimyəvi cərəyan mənbələri hazırda istifadə olunur:
- avtomobillər;
- portativ məişət texnikası;
- hərbi və kosmik texnologiya;
- elmi avadanlıq;
- dərman (kardiostimulyator).
Gündəlik həyatda adi HIT nümunələri:
- batareyalar (quru batareyalar);
- portativ məişət texnikası və elektronika üçün batareyalar;
- kesintisiz enerji təchizatı;
- avtomobil akkumulyatorları.
Litium kimyəvi cərəyan mənbələri xüsusilə geniş istifadə olunur. Bunun səbəbi litiumun (Li) ən yüksək xüsusi enerjiyə sahib olmasıdır. Fakt budur ki, bütün digər metallar arasında ən mənfi elektrod potensialına malikdir. Litium-ion batareyaları (LIA) xüsusi enerji və işləmə gərginliyi baxımından bütün digər CPS-ləri qabaqlayır. İndi onlar tədricən yeni sahəni - avtomobil nəqliyyatını mənimsəyirlər. Gələcəkdə litium batareyaların təkmilləşdirilməsi ilə bağlı alimlərin inkişafı ultra nazik dizaynlara və böyük ağır yük batareyalarına doğru irəliləyəcək.
