Учебник по Токозахранващи устройства

ГЛАВА ПЪРВА
Х И М И Ч Н И И З Т О Ч Н И Ц И Н А Е Л Е К Т Р И Ч Е С К А Е Н Е Р Г И Я
1.1. ОБЩИ СВЕДЕНИЯ
Химичните източници на електрическа енергия и ли, съкратено казано,
химични токоизточници са тези устройства, които превръщ ат химичната
енергия на окислително-редукционните процеси в електрическа. За тази
цел е необходима т.нар. галванична двойка.
Г а л в а н и ч н а т а д войка представлява електрохим ична си стем а,
състоящ а се от два разнородни проводника, наречени електроди, които
са потопени в електролит. Електродът, върху който протича окислител
ната реакция, се наелектризира отрицателно, а електродът, върху който
се извършва редукцията, се наелектризира положително.
От гледна точка на електрохимията отрицателният електрод е анод,
а положителният — катод. Тези названия се съгласуват с електрохимичните
процеси при явлението електролиза. В ежедневната практика обаче се е
наложило обратното наименование на електродите, отговарящ о на
електротехническите представи: положителният електрод да се нарича
анод, а отрицателният - катод. Ето защо за избягване на грешки и
двусмислие вместо наименованието на електрода - анод, катод — е
желателно да се посочва неговата полярност - положителна, отрицателна.
С поред вида на електрохим ичн ата реакция всички хим ични
токоизточници се делят на две групи — първични и вторични.
П ървични хи м и чн и т окоизт очници и ли галван ичн и елем ент и са
тези, при които електрохимичната реакция е еднопосочна и необратима
в процеса на експлоатацията им. Това означава, че галваничният елемент
се произвежда готов за действие и след неговото разреждане, т.е. след
изразходване на активните му вещества, не може да бъде използван
новторно.
Вт орични хи м и чн и т окоизт очници и ли акум улат ори са тези,
при които електрохимичната реакция е двупосочна и обратима в процеса
на експлоатацията им. Това означава, че след изразходване на активните
вещ ества и изтощ аване на акумулатора е възможна обратната елек
трохимична реакция — възстановяване на активните вещества и зареждане
на акумулатора вследствие на протичането на ток в обратна посока през
5

него от външен източник. Поради обратната посока на зареждащия ток
и електрохимичните реакции са обратни - на положителния електрод се
извършва окисляване, а на отрицателния - редукция.
О братим остта на електрохимичните реакции в акумулатора дава
възможност за неговото многократно използване. Все пак при всеки цикъл
заряд — разряд в електродите се натрупват малки необратими химични
и м еханични п ром ени, които бавно водят до повреж дането му.
С ъщ евременно сега се произвеж дат и галванични елем енти, чийто
капацитет може да се възстановява частично и неколкократно чрез
повторно зареждане от външен източник на електрическа енергия. Ето
защ о рязка граница/ между първичните и вторичните хим ични
токоизточници не може да бъде поставена.
През време на работа на химичните токоизточници в тях възниква
поляризация. Поляризацията е явление, при което е.д.н. на химичния
токоизточник се намалява, а вътрешното му съпротивление се увеличава.
Тя е два вида - неотстранима и отстранима.
Н еот ст ранимат а поляризация се дължи на факта, че при работа на
химичния токоизточник в неговите електроди и електролит протичат
необратими електрохимични процеси. В резултат на това-активните
вещества се изразходват, а стойността на електродвижещото напрежение
се н ам алява със стой н остта на величината Е в, която е м ярка за
електрохимичната поляризация. Ето защо стойността на вътрешното
съпротивление се увеличава със стойността на величината Яп, наречена
поляри зац ион н о съ проти влен ие. Н ео тстр ан и м ата п оляри зац ия се
натрупва непрекъснато през време на експ лоатац и я на хим ичния
токоизточник и характеризира степента на неговото разреждане.
От странимат а поляризация възниква само през време на протичане
на ток през химичния токоизточник и изчезва с определена скорост след
прекъсване на тока. Тя е два вида:
а. Концентрационна отстранима поляризация - дължи се на нам аля
ването на концентрацията на електролита в близост до електродите вслед
ствие на бърза електрохимична реакция. Проявява се при големи токове
и електролити с малка подвижност. Отстранява се чрез увеличаване на
повърхността на електродите и нам аляване на меж дуелектродното
разстояние.
б. Газова отстранима поляризация - дължи се на отделянето на газ
(водород) и полепването му по полож ителния електрод във вид на
мехурчета. Така активната повърхност на електрода се намалява.
Газовата поляризация може да се премахне чрез използването на
химични активни вещества, наречени деполяризатори, които окисляват
водорода до вода.
6

Химичните токоизточници имат следните характеристики:
Електродвиж ещ о напреж ение - представлява потенциалната разлика
можду електродите. Зависи от използваните активни материали и от
Т*мпсратуратау на слектрохимичната система:
° Л ) Е ° = ~ ^ + ^ Т° -
КъдетоЕ 0 е електродвижещото напрежение на химичния токоизточник;
(2, - топлинният еквивалент на химичната реакция, протичащ а в
него;
Т 0 — абсолю тиата температура на работа на токоизточника;
——- - температурният коефициент на изменение на е.д.н.;
у)
п - броят на електроните в уравнението на токообразуващ ата
реакция;
Е = 96 500 - Фарадеева константа.
Това уравнение е известно като уравнение на Гибс-Хелмхолц. Вижда
се, че в зависимост от температурния коефициент са възможни три вида
Химични токоизточници:
сШ0
а. П ри —— < 0, т.е. отрицателен температурен коефициент - е.д.н. на
Химичния токоизточник се намалява с повишаване на температурата. Като
се има предвид, че работата, която извършва произведената електрическа
#нсргия, е
(1.2) А = пЕЕ0,
ОТ (1.1) и (1.2) се получава
сШа
(1-3) +
О т (1.3) се вижда, че работата, която може да извърши произведената
О Т химичния токоизточник електроенергия, е по-малка от топлинния екви
валент на реакцията. Част от енергията ще се отдели по време на работа
ПОД формата на топлина, която ще загрее химичния токоизточник и щ е
ОС разсее в околната среда. Използването на активните материали за
добив на електроенергия теоретично е под 100 %.
с1Е0
б. При —— = 0 - е.д.н. на химичния токоизточник не зависи от темпе-
о г
ратурата и максималната електрическа работа е равна на топлинния ефект
Ци реакцията.
в. П р и > 0, т.е. положителен температурен коефициент — е.д.н. на
сГГ0
химичния токоизточник расте с повишаване на температурата. Работата,
7

*1 t / S' JL J
която той може да извърши, ще бъде по-голяма от топлинния ефект на
реакцията и през време на работа химичният токоизточник ще се охлажда
или ще поглъща топлинна енергия от околната среда. В този случай
теоретичното използване на активните материали е над 100 %.
Стойността на е.д.н. Е 0, определена от (1.1), важи само при идеалния
случай, когато електрохимичните процеси протичат напълно обратимо.
В реалния случай при наличието на поляризация електродвижещ ото
напрежение се изразява с формулата
0 -4 ) Е = Е 0 - Е В.
Вът реш нот о съпрот ивление на химичния токоизточник ограничава
максималния ток и мощ ността, които той може да отдаде на товара.
Вътрешното съпротивление зависи от много фактори, като вида на
електродите и електролита, разм ерите, тем пературата, степента на
зареждане и т.н. В общия случай то може да се представи във вида
(1-5) ' 7 = го + г п’
където г0 е активното съпротивление на електродите и електролита;
гп — съпротивлението на поляризация.
Съпротивлението на поляризация се дава с израза
Г
/
Това е нелинейна зависимост и ако Еш = const, функцията гп = / ( / ) е
хипербола.
Н а фиг. 1.1 е показана тази зависимост.
Понеже вътрешното съпротивление е важна характеристика, често се
налага неговото измерване. Това може да се осъществи чрез постановката,
дадена на фиг.1.2.
Фиг. 1-1. Зав и си м ост на вътреш ното съ про
тивление на химичния токоизточник о т тока
Фиг. 1.2. С хем а за изм ерване на вътрешното
съпротивление на химичен токоизточник
Х имичният токоизточник е показан със своята заместващ а схема. С
реостата Я се задава определен ток /, във външ ната верига и се отчита
напрежението [/, на клемите на източника. След това се увеличава токът

до стойност / 2 и се отчита напрежението UY Съгласно със заместващ ата
схема са валидни равенствата
Е 0 = Ui + ГА -
E0= U 2 + r tI r
Оттук следва, че
U .-U ,
(1.6) г, = или
2 Л
IAC/I
Г< М ‘
К апацит ет на хи м и чн и я т окоизт очник се нарича количеството
електричество, което той може да отдаде при определен реж им на
разреждане. Режимът на разреждане се характеризира с консумирания
ток или съпротивлението на товара, характера на натоварването (посто-
янно, с прекъсване, импулсно), температурата на електролита и мини-
м алното напрежение на разреждане. П ри акумулаторите се използва и
понятието капацит ет на зареж дане, който представлява количеството '
електричество, подадено към акумулатора през време на зареждането
му.
Капацитетът се измерва в амперчасове и е
/
(1-7) % = 1 ' А
о
Тук / е токът на разреждане;
/ — времето на разреждане до минималното допустимо напре
жение.
Ако разреждането се извършва с постоянен ток 1р, уравнение (1.7)
добива вида
0-7 а ) = КК-
р р р
Капацитетът на химичните токоизточници, зависи от количеството на
съдържащите се в тях активни вещества. В най-общия случай при условие,
че к.п.д. на източника е 100 %, капацитетът е
m .n.F
(1.8) q = — — .
М
където, т е м асата на активното вещество;
М — молекулната маса на веществото;
п — броят на електродите, участващи в окислението или редук
цията на една молекула;
F — Ф арадеевата константа.
О т (1.8) може да се определи необходимото количество активно
вещество за получаване на определен капацитет:
9

М д
(1.9) « = — •
Капацитетът на химичния токоизточник зависи от температурата:
0-Ю )
Тук е капацитетът при температура Г°;
Япои - номиналният капацитет при номинална температура;
а - температурният коефициент на капацитета.
Вижда се, че с понижаване на температурата капацитетът се намалява
и обратно.
За по-точно технико-икономическо сравнение на различните химични
токоизточници се използват т.нар. специф ични енергийни ха р а к т е
рист ики. Те са: специфично-масови и специфично-обемни.
Специф ичният капацит ет представлява отношение между капаци
тета на химичния токоизточник и неговата маса или обем:
(1-11) <?„, = — > А.Ь/к8;
т т
(1.12) А .Ь /й т3.
Тук с </ном е означен номиналният капацитет, с т - масата, и с К —
обемът на химичния токоизточник. Формулата (1.11) дава специфичния
капацитет в амперчасове за килограм, а (1.12) — в амперчасове за литър
(кубически дециметър). .
Специфичният капацитет не е удобен за сравняване на химични токо
източници с различно напрежение. В такъв случай се предпочита
използването на специфичната енергия като всеобхватна характеристика:
I
.р
\uidt
(1-13) \Ут = —
-----, \V.hZkg;
1‘
0
шс1л.
(1.14) Ж, = - . W.h/dш3.
Вижда се, че се получава специфична енергия във ватчасове за кило
грам или ватчасове за литър (кубически дециметър).
Тъй като капацитетът на химичния токоизточник зависи от тем пера
турата, специфичните енергийни характеристики същ о зависят от нея и
обикновено се дават за температура 20 или 25"С.
Саморазреж дане на хи м и чн и я т окоизт очник е загубата на част от
капацитета му за определено време, без да е затворена електрическата
му верига. Саморазреждането се дължи на химичното взаимодействие
между електродите и електролита. То ограничава срока на съхранение,
когато токоизточниците бездействат.
10

Денонощ нот о сам оразреж дане е важ на хараю перист ика. То се
измерва в проценти и се дава от израза
(1.15) с = Яаач — хЮО, %,
където q
ио?л
дкр - капацитетът след I денонощия съхранение в бездействие;
(?ном ” номиналният капацитет на химичния токоизточник.
Изброените дотук характеристики на химичните токоизточници се от
насят както за първичните токоизточници (галваничните елементи), така
и за вторичните (акумулаторите). Поради някои специфични за акумула
торите процеси за тях съществуват .следните допълнителни характерис