лекция 2. гальванические элементы

Физикохимия процессов
энергоконверсии
Лекция 2. Гальванические элементы

Первичный химический источник тока
Козадеров О.А. 2015 г.
 = «первичный элемент»
 = «гальванический элемент»
 одноразового использования
 содержит ограниченный запас окислителя и
восстановителя
 после полного израсходования активных
веществ становится неработоспособным и
требует замены новым

Схема типичного гальванического элемента

1. Солевой марганцево-цинковый (МЦ) элемент
Устройство первого элемента с
жидким электролитом Ж. Лекланше
(–) Zn | NH4Cl | MnO2 (+)

1. Солевой марганцево-цинковый элемент
Современное устройство элемента с
«сухим» электролитом
(–) Zn | NH4Cl | MnO2 (+)

Электрохимические реакции
 анодная:
Zn (тв) → Zn2+ (р-р) + 2e–
 катодная:
2MnO2(тв) + 2NH4
+(р-р) + 2e– → 2MnOOH(тв) + 2NH3(р-р)
 токообразующая реакция (в грубом приближении)
Zn(тв) + 2MnO2(тв) + 2NH4
+(р-р) + 2Cl–(р-р) → 2MnOOH(тв) + Zn(NH3)2Cl2(тв)
 напряжение 1.5 – 1.6 В

Побочные реакции
 анодный и катодный материалы не устойчивы в
кислых водных растворах электролита
 цинк подвергается коррозии
 выделяется водород
 диоксид марганца восстанавливается
 выделяется кислород
 решение
 добавление ZnCl2 (повышает рН)
 органические противокоррозионные добавки
 добавление Hg (увеличивает перенапряжение водорода)

Разрядная кривая

2. Щелочной марганцево-цинковый элемент
(–) Zn | KOH | MnO2 (+)

Удельная электропроводность водных
растворов

 анодная:
Zn(тв) + 2OH–(р-р) → ZnO(тв) + H2O(ж) + 2e–
2MnO2(тв) + 2H2O(ж) + 2e– → 2MnOOH(тв) + 2OH–(р-р)
 токообразующая реакция
Zn(тв) + 2MnO2(тв) + H2O(ж) → 2MnOOH(тв) + ZnO(тв)
 напряжение 1.5 – 1.6 В

Побочные реакции
 коррозия цинка
 пассивация цинка

Разрядные кривые щелочного МЦ-элемента
солевой элемент (для сравнения)

Другие щелочные элементы с цинковым
анодом
(–) Zn | KOH | HgO (+)
ртутно-цинковый (РЦ)
(–) Zn | KOH | Ag2O (+)
серебряно-цинковый (СЦ)
 анодная реакция:
Zn(тв) + 2OH–(р-р) → ZnO(тв) + H2O(ж) + 2e–
 катодные реакции:
HgO(тв) + H2O(ж) + 2e– → Hg(ж) + 2OH–(р-р)
Ag2O(тв) + H2O(ж) + 2e– → 2Ag(тв) + 2OH–(р-р)
 токообразующие реакции
HgO(тв) + Zn(тв) → Hg(ж) + ZnO(тв)
Ag2O(тв) + Zn(тв) → 2Ag(тв) + ZnO(тв)

Цинковый дисковый элемент («таблетка»)

Типичные разрядные кривые (схема)

Литиевые гальванические элементы
Преимущества лития Недостатки лития
 самый отрицательный
электродный потенциал
среди металлов
 высокая удельная
энергия
 несовместимость
металлического лития с
водой и с большинством
других жидкостей -
растворителей
CH3 CH CH2
O O
C
O
2Li Li2CO3 CH3 CH CH2
CH2 CH2
O O
C
O
2Li Li2CO3 H2C CH2

Пассивация лития в неводных растворах
 на поверхности лития
образуется защитная
пленка из
нерастворимых
продуктов
взаимодействия
 оксид лития Li2O
 карбонат лития Li2CO3
 галогениды лития
 другие соли лития
 пленка нанометровой
толщины обладает ионной
электропроводностью
 выполняет роль сепаратора

Компоненты марганцево-литиевого
гальванического элемента
 Анод
 металлический литий
 Электролит
 неводный раствор солей лития
 Катод
 диоксид марганца MnO2

Дисковый марганцево-литиевый элемент

(–) Li | LiClO4 | MnO2 (+)
 анодная:
Li(тв) → Li+(р-р) + e–
MnO2(тв) + Li+(р-р) + e– → ½ Li2Mn2O4(тв)
Li(тв) + MnO2(тв) → ½ Li2Mn2O4(тв., интеркалят)

Интеркалят Li2Mn2O4

Разрядные кривые марганцево-литиевого
элемента

Литий-иодный элемент
(–) Li | LiI | I2 (+)
 анодная реакция Li → Li+ + e-
 йод находится в форме его токопроводящего аддукта
с поли-2-винилпиридином [CH2CH(C5H5N)]n = P2VP
 катодная реакция
 P2VP · mI2 + 2уLi+ + 2ye– → P2VP · (m – y)I2 + 2уLiI
2Li(тв) + I2(тв) → 2LiI(тв)

Литий-иодный элемент

Схема металл-воздушного элемента

Газовый кислородный электрод
Устройство Электродные реакции
 кислая среда
Pt, O2 | H3O+
О2 + 4Н+ + 2е- = 2Н2О (Е0 = 1,23 В)
 щелочная среда
Pt, O2 | OH-
О2 + 2Н2О + 2е- = 4ОН- (Е0 = 0,4 В)
 нейтральная среда
Pt, O2 | H2O
О2 + 2Н2О + 2е- = 4ОН- (Е0 = 0,4 В)

Газодиффузионный электрод (ГДЭ)

Срез ГДЭ (СЭМ-фотография)

Газодиффузионный электрод
Углеродная бумага (СЭМ-фотография)
гидрофобный
слой
частично смачивающийся
слой

Металл-воздушный элемент
 Электрохимическая система
(–) Металл | Электролит | O2 (+)

Цинк-воздушные элементы
 Катод
 газодиффузионный воздушный электрод
 пористый, с высокоразвитой поверхностью
 с каталитическим слоем
 диоксид марганца
 серебро
 Анод
 металлический Zn
 водный раствор щелочи
(–) Zn | KOH | O2 (+)

Электрохимические процессы
О2 + 2Н2О + 4е- = 4ОН- (Е0 = 0,4 В)
 анодная реакция
   2 0
4Zn 4OH Zn OH 2e E 1,22 В
 
    
 2
42 2
1
Zn O 2OH H O Zn OH
2

   

Схема работы цинк-воздушного элемента
Recent advances in zinc–air batteries by Yanguang Li and Hongjie Dai
Chem. Soc. Rev., 2014, 43, 5257-5275
http://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2014/cs/c4cs00015c

если электролит насыщен цинкат-ионами
О2 + 2Н2О + 4е- = 4ОН- (Е0 = 0,4 В)
 анодная реакция
 0
2Zn 2OH ZnO H O 2e E 1,26 В 
     
2
1
Zn O ZnO
2
 

Кривые разряда
(в сравнении)

Побочные процессы
 коррозия цинка
 пассивация цинка
 карбонизация щелочного электролита
2KOH + CO2 → K2CO3 + H2O
KOH + CO2 → KHCO3
 2
42 2
2
2Zn 6H O 2OH 2Zn OH 3H
1
Zn O ZnO
2

   
 

Применение

Цинк-воздушный элемент-«таблетка»

Алюминий-воздушные элементы
 Катод
 серебро
 Анод
 металлический Al
 водный раствор щелочи
 или водный раствор NaCl
 Электрохимические системы
(–) Al | KOH | O2 (+)
(–) Al | NaCl | O2 (+)

 Катодная реакция
O2 + 2H2O + 4e– = 4OH– (E0 = 0,40 В)
 Анодные реакции
Al + 4OH– = Al(OH)4
– + 3e– (E0 = –2,33 В)
Al + 3OH– = Al(OH)3 + 3e– (E0 = –2,31 В)
 Токообразующие реакции
4Al + 3O2 + 6H2O + 4OH– = 4Al(OH)4
–
4Al + 3O2 + 6H2O = 4Al(OH)3

Схема алюминий-воздушного элемента

Побочные процессы
 коррозия алюминия
2Al + 6H2O + 2OH– = 2Al(OH)4
– + 3H2
 пассивация алюминия
 карбонизация щелочного электролита
2KOH + CO2 → K2CO3 + H2O
KOH + CO2 → KHCO3

НПП Квант (Россия)
электропитание осветительных приборов, переносной теле- и радиоаппаратуры, средств связи,
различного электроинструмента
в интересах Министерства Обороны: электропитания приборов обеспечения стрельбы
артиллерии, артиллерийских квантовых дальномеров, переносных станций радиолокационной
разведки, переносных радиостанций спутниковой связи, автономного электропитания
оборудования, приборов и военной техники, зарядки аккумуляторов в полевых условиях.
углеродный катод и алюминиевый анод

Phinergy (Израиль)

Магний-воздушные элементы
 Катод
 серебро
 Анод
 металлический Mg
 водный раствор NaCl
(–) Mg | NaCl | O2 (+)

Процессы
 Катодная реакция
O2 + 2H2O + 4e– = 4OH– (E0 = 0.40 В)
 Анодная реакция
Mg + 2OH- = Mg(OH)2 + 2e– (E0 = –2.69 В)
 Токообразующая реакция
2Mg + O2 + 2H2O = 2Mg(OH)2
 Побочная реакция
2Mg + 2H2O = Н2 + 2Mg(OH)2

Устройство магний-воздушного элемента

Схема работы магний-воздушного элемента
Magnesium–air batteries: from principle to application
by Tianran Zhang, Zhanliang Tao and Jun Chen
Mater. Horiz., 2014, 1, 196-206
http://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2014/mh/c3mh00059a

Поляризационная кривая и кривая мощности
магний-воздушного элемента

 устройства электропитания для чрезвычайных
ситуаций и стихийных бедствий
 силовые устройства для регистраторов данных
 зарядные устройства
 устройства резервного питания

Различные типы литий-воздушных систем

лекция 2. гальванические элементы

Recommended

Recommended

More Related Content

What's hot

What's hot (20)

Similar to лекция 2. гальванические элементы

Similar to лекция 2. гальванические элементы (17)

лекция 2. гальванические элементы