лекция 1. теоретические основы электрохимической энергоконверсии

1. Физикохимия процессов
энергоконверсии
Лекция 1. Теоретические основы электрохимической
энергоконверсии

2. О курсе
 Лекции
 Самостоятельная работа
 Доклад онлайн (вебинар)
 Компьютерное моделирование (COMSOL Multiphysics)
 Аттестация (зачет)
 Текущая – тесты после каждой лекции
 Итоговая – тест по всему курсу + вебинар + комп. расчет
 Методическое обеспечение
 http://kozaderov.ru

3. Электрохимическая энергоконверсия
 энергетическая технология, использующая
электрохимические методы прямого преобразования
химической энергии в электрический ток

4. Химический источник тока

5. Химический источник тока
 устройство, в котором химическая энергия
окислителя и восстановителя напрямую
превращается в электрическую энергию
 основа любого химического источника тока
- это электрохимическая ячейка (элемент)

6. Классификация химических источников тока
 первичные элементы (или гальванические элементы)
 вторичные элементы (или аккумуляторы)
 топливные элементы

7. Классификация ХИТ
1. ПЕРВИЧНЫЕ
(ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ) ЭЛЕМЕНТЫ
 одноразового использования
 содержат ограниченный запас
окислителя и восстановителя
 после полного израсходования
активных веществ становятся
неработоспособными и требуют
замены новыми

8. Классификация ХИТ
2. ВТОРИЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
(АККУМУЛЯТОРЫ)
 многоразового использования
 содержат ограниченный запас
окислителя и восстановителя
 после полного израсходования
активных веществ масс могут быть
приведены в рабочее состояние под
действием электрического тока

9. Классификация ХИТ
3. ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
 работают, пока подаются
окислитель и восстановитель,
которые хранятся вне элемента

10. Типичная схема электрохимического элемента
восстановитель | электролит | окислитель
электроотрицательный
металл А
электролит
электроположительный
металл В

11. Вольтов столб

12. Простейший электрохимический элемент
A → A+ + e−
полуреакция
окисления
B+ + e− → B
полуреакция
восстановления
A + B+ → B + A+
окислительно-восстановительный брутто-процесс
(-) АНОД КАТОД (+)

13. Химический источник тока
 устройство, в котором химическая энергия
пространственно разделенного взаимодействия
окислителя и восстановителя напрямую
превращается в электрическую энергию

восстановитель
на аноде
электролит
окислитель
на катоде
+

14. Реакции в элементе. Разряд
 Анодная реакция (окисление): Red1 – ne– → Ox1
 Катодная реакция (восстановление): Ox2 + ne– → Red2
 Брутто-реакция в ячейке: Red1 + Ox2 → Ox1 +
Red2
Ox – окислитель
Red – восстановитель

15. Разряд и заряд
РАЗРЯД
(–) анод (Red1) | электролит | катод (Ox2) (+)
ЗАРЯД
(–) катод (Ox1) | электролит | анод (Red2) (+)

16. Напряжение элемента

17. Равновесное напряжение элемента
 на границах раздела фаз (электрод / электролит)
установилось электрохимическое равновесие
 электрический ток во внешней цепи отсутствует
 электродный потенциал анода отрицательнее,
чем потенциал катода
Еa < Ек
 равновесное напряжение Е = Ек - Еа > 0

19. Термодинамический расчет равновесного
напряжения элемента
1Red1 + 2 Ox2 → ’1 Ox1 + ’2 Red2 , G0
E0 = –ΔG0/nF
1 Red1 – ne– → ’1 Ox1
2 Ox2 + ne– → ’2 Red2

20. Уравнение Нернста
i
i
ν
реагентов0
ν
продуктов
∏aRT
E =E + ln
nF ∏a

21. Нарушение равновесия: появление
электрического тока во внешней цепи
I – сила электрического тока
i = I / S плотность тока
S – площадь электрода
равновесие: Iа = Iк
iа = iк = i0
равновесие отсутствует:
iа  iк
Козадеров О.А. 2015 г.

22. Электродная поляризация
η = E(i) – E(0)
Козадеров О.А. 2015 г.

23. Реальное напряжение элемента
η = E(i) – E(0)
E(i) = E(0) – η
Если Е(0) – равновесное напряжение,
то поляризация = перенапряжение
Козадеров О.А. 2015 г.

24. Электрохимический процесс –
гетерогенный и многостадийный
подвод ne отвод
объем поверхность поверхность объемк электроду перенос заряда от электрода
электролита электрода электрода электролита
Ox Ox Red Red


  
Козадеров О.А. 2015 г.

25. Причины электродной поляризации
 омическая поляризация
 причина – электрическое сопротивление элемента
Козадеров О.А. 2015 г.

26. Причины электродной поляризации
 кинетическая (активационная) поляризация
 причина – заторможенность переноса заряда на
межфазной границе электрод/раствор
Козадеров О.А. 2015 г.

27. Причины электродной поляризации
 транспортная (концентрационная) поляризация
 причина – заторможенность доставки реагентов к
электроду и/или удаления продуктов от электрода
Козадеров О.А. 2015 г.

28. Причины электродной поляризации
 омическая поляризация
 причина – электрическое сопротивление элемента
 кинетическая (активационная) поляризация
 причина – заторможенность переноса заряда на
межфазной границе электрод/раствор
 транспортная (концентрационная) поляризация
 причина – заторможенность доставки реагентов к
электроду и/или удаления продуктов от электрода
ДОПОЛНИТЕЛЬНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ - ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЕ -
КОМПЕНСИРУЕТ ЗАТОРМОЖЕННОСТЬ ПРОЦЕССА
Козадеров О.А. 2015 г.

29. Рабочее напряжение элемента U = E(i)
U = E – ηом – |ηакт| – |ηконц|
Козадеров О.А. 2015 г.

30. Омическая поляризация ηом
Закон Ома
ηом = I∙Rэлемента = i/æэлемента
Козадеров О.А. 2015 г.

31. Удельная электропроводность электролитов
Козадеров О.А. 2015 г.

32. Активационная поляризация ηакт
Уравнение Батлера-Фольмера
Козадеров О.А. 2015 г.

33. Активационная поляризация ηакт
Уравнение Батлера-Фольмера
Козадеров О.А. 2015 г.

34. Активационная поляризация ηакт
Уравнение Батлера-Фольмера
Козадеров О.А. 2015 г.

35. Концентрационная поляризация
ln 1
n
 
     
конц
пред
RT i
η =
F i
Козадеров О.А. 2015 г.

36. Поляризационная кривая элемента
Козадеров О.А. 2015 г.

37. Мощность элемента P = i∙U
Козадеров О.А. 2015 г.

38. Кривая разряда
первичного и вторичного элемента
Козадеров О.А. 2015 г.

39. Энергоемкость и энергия элемента
 энергоемкость (Кл, А∙ч) - количество электричества,
которое заряженный элемент может предоставить
внешней нагрузке до момента истощения (отсечки)
 энергия (Дж, Вт∙ч) = энергоемкость∙время
Козадеров О.А. 2015 г.