Las fuentes de corriente química (abreviadas como HIT) son dispositivos en los que la energía de una reacción redox se convierte en energía eléctrica. Sus otros nombres son celda electroquímica, celda galvánica, celda electroquímica. El principio de su funcionamiento es el siguiente: como resultado de la interacción de dos reactivos, se produce una reacción química con la liberación de energía de una corriente eléctrica continua. En otras fuentes de corriente, el proceso de generación de electricidad ocurre según un esquema de múltiples etapas. Primero, se libera energía térmica, luego se convierte en energía mecánica y solo luego en energía eléctrica. La ventaja de HIT es el proceso de una sola etapa, es decir, la electricidad se obtiene de inmediato, sin pasar por las etapas de obtención de energía térmica y mecánica.
Historia
¿Cómo aparecieron las primeras fuentes actuales? Las fuentes químicas se denominan celdas galvánicas en honor al científico italiano del siglo XVIII, Luigi Galvani. Fue médico, anatomista, fisiólogo y físico. una de sus direccionesLa investigación fue el estudio de las reacciones animales a diversas influencias externas. El método químico para generar electricidad fue descubierto por Galvani por casualidad, durante uno de los experimentos con ranas. Conectó dos placas de metal al nervio expuesto en la pata de la rana. Esto resultó en la contracción muscular. La propia explicación de Galvani de este fenómeno era incorrecta. Pero los resultados de sus experimentos y observaciones ayudaron a su compatriota Alessandro Volta en estudios posteriores.
Volta esbozó en sus escritos la teoría de la aparición de una corriente eléctrica como resultado de una reacción química entre dos metales en contacto con el tejido muscular de una rana. La primera fuente de corriente química parecía un recipiente de solución salina, con placas de zinc y cobre sumergidas en él.
El
HIT comenzó a producirse a escala industrial en la segunda mitad del siglo XIX, gracias al francés Leclanche, quien inventó la celda primaria de manganeso-zinc con electrolito salino, que lleva su nombre. Unos años más tarde, esta celda electroquímica fue mejorada por otro científico y fue la única fuente de corriente química primaria hasta 1940.
Diseño y principio de funcionamiento HIT
El dispositivo de fuentes de corriente química incluye dos electrodos (conductores del primer tipo) y un electrolito ubicado entre ellos (conductor del segundo tipo o conductor iónico). Un potencial electrónico surge en el límite entre ellos. El electrodo en el que se oxida el agente reductor.llamado ánodo, y aquel en el que se reduce el agente oxidante se llama cátodo. Junto con el electrolito, forman el sistema electroquímico.
Un subproducto de la reacción redox entre electrodos es la generación de corriente eléctrica. Durante tal reacción, el agente reductor se oxida y cede electrones al agente oxidante, que los acepta y, por lo tanto, se reduce. La presencia de un electrolito entre el cátodo y el ánodo es una condición necesaria para la reacción. Si simplemente mezclas polvos de dos metales diferentes, no se liberará electricidad, toda la energía se liberará en forma de calor. Se necesita un electrolito para agilizar el proceso de transferencia de electrones. La mayoría de las veces, es una solución de sal o un derretimiento.
Los electrodos parecen placas o rejillas de metal. Cuando se sumergen en un electrolito, surge una diferencia de potencial eléctrico entre ellos: un voltaje de circuito abierto. El ánodo tiende a donar electrones, mientras que el cátodo tiende a aceptarlos. Las reacciones químicas comienzan en su superficie. Se detienen cuando se abre el circuito, y también cuando se agota uno de los reactivos. La apertura del circuito ocurre cuando se retira uno de los electrodos o el electrolito.
Composición de sistemas electroquímicos
Las fuentes de corriente química utilizan ácidos y sales que contienen oxígeno, oxígeno, haluros, óxidos de metales superiores, compuestos nitroorgánicos, etc., como agentes oxidantes. Los metales y sus óxidos inferiores, el hidrógeno, son agentes reductores en ellos.y compuestos de hidrocarburos. Cómo se usan los electrolitos:
- Soluciones acuosas de ácidos, álcalis, salinas, etc.
- Soluciones no acuosas con conductividad iónica, obtenidas disolviendo sales en disolventes orgánicos o inorgánicos.
- Sales fundidas.
- Compuestos sólidos con una red iónica en la que uno de los iones es móvil.
- Matriz de electrolitos. Estas son soluciones líquidas o fundidos ubicados en los poros de un cuerpo sólido no conductor: un transportador de electrones.
- Electrolitos de intercambio iónico. Son compuestos sólidos con grupos ionogénicos fijos del mismo signo. Los iones del otro signo son móviles. Esta propiedad hace que la conductividad de dicho electrolito sea unipolar.
Baterías galvánicas
Las fuentes de corriente química consisten en celdas galvánicas - celdas. El voltaje en una de estas celdas es pequeño, de 0,5 a 4V. Dependiendo de la necesidad, se utiliza una batería galvánica en HIT, que consta de varias celdas conectadas en serie. A veces se utiliza una conexión en paralelo o en serie-paralelo de varios elementos. En un circuito en serie solo se incluyen pilas o baterías primarias idénticas. Deben tener los mismos parámetros: sistema electroquímico, diseño, opción tecnológica y tamaño estándar. Para la conexión en paralelo, es aceptable utilizar elementos de diferentes tamaños.
Clasificación HIT
Las fuentes de corriente química difieren en:
- tamaño;
- diseños;
- reactivos;
- la naturaleza de la reacción de formación de energía.
Estos parámetros determinan las propiedades de rendimiento HIT adecuadas para una aplicación en particular.
La clasificación de los elementos electroquímicos se basa en la diferencia en el principio de funcionamiento del dispositivo. En función de estas características, se distinguen:
- Las fuentes primarias de corriente química son elementos desechables. Tienen un cierto suministro de reactivos, que se consume durante la reacción. Después de una descarga completa, dicha celda pierde su funcionalidad. De otra manera, los HIT primarios se denominan celdas galvánicas. Será correcto llamarlos simplemente - elemento. Los ejemplos más simples de una fuente de energía primaria son las "baterías" A-A.
- Fuentes de corriente química recargables: las baterías (también llamadas HIT secundarias y reversibles) son celdas reutilizables. Al pasar corriente desde un circuito externo en sentido contrario a través de la batería, después de una descarga completa, los reactivos gastados se regeneran, acumulando nuevamente energía química (carga). Gracias a la capacidad de recargar desde una fuente externa de corriente constante, este dispositivo se utiliza durante mucho tiempo, con pausas para recargar. El proceso de generación de energía eléctrica se denomina descarga de batería. Dichos HIT incluyen baterías para muchos dispositivos electrónicos (computadoras portátiles, teléfonos móviles, etc.).
- Fuentes de corriente química térmica - dispositivos continuos. ENen el proceso de su trabajo, hay un flujo continuo de nuevas porciones de reactivos y la eliminación de productos de reacción.
- Las celdas galvánicas combinadas (semi-combustible) tienen un stock de uno de los reactivos. El segundo se introduce en el dispositivo desde el exterior. La vida del dispositivo depende del suministro del primer reactivo. Las fuentes químicas combinadas de corriente eléctrica se utilizan como baterías, si es posible restablecer su carga pasando corriente desde una fuente externa.
- HIT renovables recargables mecánica o químicamente. Para ellos, es posible reemplazar los reactivos gastados con nuevas porciones después de una descarga completa. Es decir, no son dispositivos continuos, sino que, al igual que las baterías, se recargan periódicamente.
Funciones HIT
Las principales características de las fuentes de energía química incluyen:
- Tensión de circuito abierto (ORC o tensión de descarga). Este indicador, en primer lugar, depende del sistema electroquímico elegido (combinación de agente reductor, agente oxidante y electrolito). Además, el NRC se ve afectado por la concentración del electrolito, el grado de descarga, la temperatura y más. El NRC depende del valor de la corriente que pasa por el HIT.
- Poder.
- Corriente de descarga: depende de la resistencia del circuito externo.
- Capacidad: la cantidad máxima de electricidad que emite el HIT cuando está completamente descargado.
- Reserva de energía: la energía máxima recibida cuando el dispositivo está completamente descargado.
- Características energéticas. Para las baterías, esto es, en primer lugar, un número garantizado de ciclos de carga y descarga sin reducir la capacidad o el voltaje de carga (recurso).
- Rango de temperatura de funcionamiento.
- La vida útil es el tiempo máximo permitido entre la fabricación y la primera descarga del dispositivo.
- Vida útil - el período total máximo permitido de almacenamiento y operación. Para las pilas de combustible, la vida útil continua e intermitente es importante.
- Energía total disipada durante la vida útil.
- Resistencia mecánica frente a vibraciones, golpes, etc.
- Posibilidad de trabajar en cualquier puesto.
- Fiabilidad.
- Fácil mantenimiento.
Requisitos HIT
El diseño de las celdas electroquímicas debe proporcionar las condiciones conducentes a la reacción más eficiente. Estas condiciones incluyen:
- evitar fugas de corriente;
- incluso trabajo;
- resistencia mecánica (incluida la estanqueidad);
- separación de reactivos;
- buen contacto entre electrodos y electrolito;
- disipación de corriente desde la zona de reacción al terminal exterior con pérdidas mínimas.
Las fuentes de corriente química deben cumplir los siguientes requisitos generales:
- valores más altos de parámetros específicos;
- rango máximo de temperatura de funcionamiento;
- la mayor tensión;
- coste mínimounidades de energía;
- estabilidad de tensión;
- seguridad de carga;
- seguridad;
- facilidad de mantenimiento, e idealmente sin necesidad;
- larga vida útil.
HIT de explotación
La principal ventaja de las celdas galvánicas primarias es que no requieren mantenimiento. Antes de comenzar a usarlos, es suficiente verificar la apariencia, la fecha de vencimiento. Al conectar, es importante observar la polaridad y verificar la integridad de los contactos del dispositivo. Fuentes de corriente química más complejas: las baterías requieren un cuidado más serio. El propósito de su mantenimiento es maximizar su vida útil. El cuidado de la batería es:
- mantener limpio;
- monitoreo de voltaje de circuito abierto;
- mantener el nivel de electrolito (solo se puede usar agua destilada para rellenar);
- control de la concentración de electrolitos (utilizando un hidrómetro, un dispositivo simple para medir la densidad de los líquidos).
Al operar celdas galvánicas, se deben observar todos los requisitos relacionados con el uso seguro de los aparatos eléctricos.
Clasificación de HIT por sistemas electroquímicos
Tipos de fuentes de corriente química, según el sistema:
- plomo (ácido);
- níquel-cadmio, níquel-hierro, níquel-zinc;
- manganeso-zinc, cobre-zinc, mercurio-zinc, cloruro de zinc;
- plata-zinc, plata-cadmio;
- aire-metal;
- níquel-hidrógeno y plata-hidrógeno;
- manganeso-magnesio;
- litio, etc.
Aplicación moderna de HIT
Las fuentes de corriente química se utilizan actualmente en:
- vehículos;
- aparatos portátiles;
- tecnología militar y espacial;
- equipo científico;
- medicina (marcapasos).
Ejemplos habituales de HIT en la vida cotidiana:
- baterías (pilas secas);
- baterías para electrodomésticos portátiles y electrónicos;
- sistemas de alimentación ininterrumpida;
- baterías de coche.
Las fuentes de corriente química de litio son especialmente utilizadas. Esto se debe a que el litio (Li) tiene la energía específica más alta. El hecho es que tiene el potencial de electrodo más negativo entre todos los demás metales. Las baterías de iones de litio (LIA) están por delante de todos los demás CPS en términos de energía específica y voltaje de funcionamiento. Ahora están dominando gradualmente una nueva área: el transporte por carretera. En el futuro, el desarrollo de los científicos relacionados con la mejora de las baterías de litio avanzará hacia diseños ultradelgados y grandes baterías de servicio pesado.
