ქიმიური დენის წყაროები (შემოკლებით, როგორც HIT) არის მოწყობილობები, რომლებშიც რედოქსის რეაქციის ენერგია გარდაიქმნება ელექტრო ენერგიად. მათი სხვა სახელებია ელექტროქიმიური უჯრედი, გალვანური უჯრედი, ელექტროქიმიური უჯრედი. მათი მოქმედების პრინციპი ასეთია: ორი რეაგენტის ურთიერთქმედების შედეგად წარმოიქმნება ქიმიური რეაქცია პირდაპირი ელექტრული დენის ენერგიის გამოყოფით. სხვა მიმდინარე წყაროებში ელექტროენერგიის გამომუშავების პროცესი ხდება მრავალსაფეხურიანი სქემის მიხედვით. ჯერ თერმული ენერგია გამოიყოფა, შემდეგ ის გარდაიქმნება მექანიკურ ენერგიად და მხოლოდ ამის შემდეგ ელექტრო ენერგიად. HIT-ის უპირატესობა არის ერთსაფეხურიანი პროცესი, ანუ ელექტროენერგია მიიღება დაუყოვნებლივ, თერმული და მექანიკური ენერგიის მიღების ეტაპების გვერდის ავლით.
ისტორია
როგორ გაჩნდა პირველი მიმდინარე წყაროები? ქიმიურ წყაროებს მეთვრამეტე საუკუნის იტალიელი მეცნიერის - ლუიჯი გალვანის პატივსაცემად გალვანურ უჯრედებს უწოდებენ. ის იყო ექიმი, ანატომი, ფიზიოლოგი და ფიზიკოსი. მისი ერთ-ერთი მიმართულებაკვლევა იყო ცხოველთა რეაქციების შესწავლა სხვადასხვა გარე გავლენებზე. ელექტროენერგიის გამომუშავების ქიმიური მეთოდი გალვანმა შემთხვევით აღმოაჩინა, ბაყაყებზე ერთ-ერთი ექსპერიმენტის დროს. ბაყაყის ფეხზე გამოჩენილ ნერვს ორი ლითონის ფირფიტა დააკავშირა. ამან გამოიწვია კუნთების შეკუმშვა. გალვანის მიერ ამ ფენომენის ახსნა არასწორი იყო. მაგრამ მისი ექსპერიმენტებისა და დაკვირვების შედეგები დაეხმარა მის თანამემამულეს ალესანდრო ვოლტას შემდგომ კვლევებში.
ვოლტამ თავის ნაშრომებში გამოკვეთა ელექტრული დენის წარმოქმნის თეორია ორ ლითონს შორის ქიმიური რეაქციის შედეგად ბაყაყის კუნთოვან ქსოვილთან კონტაქტში. პირველი ქიმიური დენის წყარო მარილის კონტეინერს ჰგავდა, მასში ჩაეფლო თუთიისა და სპილენძის ფირფიტები.
HIT დაიწყო სამრეწველო მასშტაბის წარმოება მეცხრამეტე საუკუნის მეორე ნახევარში, ფრანგი ლეკლანის წყალობით, რომელმაც გამოიგონა პირველადი მანგანუმ-თუთიის უჯრედი მარილის ელექტროლიტით, მისი სახელობის. რამდენიმე წლის შემდეგ, ეს ელექტროქიმიური უჯრედი გაუმჯობესდა სხვა მეცნიერის მიერ და იყო ერთადერთი პირველადი ქიმიური დენის წყარო 1940 წლამდე.
დიზაინი და მუშაობის პრინციპი HIT
ქიმიური დენის წყაროების მოწყობილობა მოიცავს ორ ელექტროდს (პირველი ტიპის გამტარებლებს) და მათ შორის მდებარე ელექტროლიტს (მეორე ტიპის გამტარი, ან იონური გამტარი). მათ შორის საზღვარზე წარმოიქმნება ელექტრონული პოტენციალი. ელექტროდი, რომელზედაც იჟანგება შემცირების აგენტიანოდი ეწოდება, ხოლო მას, რომელზეც ჟანგვის აგენტი მცირდება, კათოდი ეწოდება. ელექტროლიტთან ერთად ისინი ქმნიან ელექტროქიმიურ სისტემას.
ელექტროდებს შორის რედოქსის რეაქციის გვერდითი პროდუქტი არის ელექტრული დენის წარმოქმნა. ასეთი რეაქციის დროს, აღმდგენი აგენტი იჟანგება და ელექტრონებს აძლევს ჟანგვის აგენტს, რომელიც იღებს მათ და ამით მცირდება. კათოდსა და ანოდს შორის ელექტროლიტის არსებობა რეაქციის აუცილებელი პირობაა. თუ უბრალოდ აურიეთ ფხვნილები ორი სხვადასხვა ლითონისგან, ელექტროენერგია არ გამოიყოფა, მთელი ენერგია გამოიყოფა სითბოს სახით. ელექტროლიტი საჭიროა ელექტრონის გადაცემის პროცესის გასამარტივებლად. ყველაზე ხშირად ეს არის მარილის ხსნარი ან დნობა.
ელექტროდები ჰგავს ლითონის ფირფიტებს ან ბადეებს. როდესაც ისინი ელექტროლიტში ჩაეფლო, მათ შორის წარმოიქმნება ელექტრული პოტენციალის სხვაობა - ღია წრედის ძაბვა. ანოდი მიდრეკილია ელექტრონების შემოწირულობისკენ, ხოლო კათოდი მიდრეკილია მათი მიღებისკენ. მათ ზედაპირზე იწყება ქიმიური რეაქციები. ისინი ჩერდებიან მიკროსქემის გახსნისას და ასევე, როდესაც ერთ-ერთი რეაგენტი იხარჯება. წრედის გახსნა ხდება, როდესაც ერთ-ერთი ელექტროდი ან ელექტროლიტი ამოღებულია.
ელექტროქიმიური სისტემების შემადგენლობა
ქიმიური დენის წყაროები იყენებენ ჟანგბადის შემცველ მჟავებს და მარილებს, ჟანგბადს, ჰალოიდებს, უმაღლესი ლითონის ოქსიდებს, აზოტოორგანულ ნაერთებს და ა.შ.და ნახშირწყალბადის ნაერთები. როგორ გამოიყენება ელექტროლიტები:
- მჟავების, ტუტეების, ფიზიოლოგიური ხსნარი და ა.შ.
- არაწყლიანი ხსნარები იონური გამტარობით, მიღებული ორგანულ ან არაორგანულ გამხსნელებში მარილების გახსნით.
- მდნარი მარილები.
- მყარი ნაერთები იონური ბადით, რომელშიც ერთ-ერთი იონი მოძრავია.
- მატრიქსის ელექტროლიტები. ეს არის თხევადი ხსნარები ან დნობები, რომლებიც განლაგებულია მყარი არაგამტარი სხეულის - ელექტრონის მატარებლის ფორებში.
- იონგაცვლის ელექტროლიტები. ეს არის მყარი ნაერთები იმავე ნიშნის ფიქსირებული იონოგენური ჯგუფებით. მეორე ნიშნის იონები მობილურია. ეს თვისება ხდის ასეთი ელექტროლიტის გამტარობას ერთპოლარულს.
გალვანური ბატარეები
ქიმიური დენის წყაროები შედგება გალვანური უჯრედებისგან - უჯრედებისგან. ძაბვა ერთ-ერთ ამ უჯრედში მცირეა - 0,5-დან 4 ვ-მდე. საჭიროებიდან გამომდინარე, HIT-ში გამოიყენება გალვანური ბატარეა, რომელიც შედგება რამდენიმე სერიასთან დაკავშირებული უჯრედებისგან. ზოგჯერ გამოიყენება რამდენიმე ელემენტის პარალელური ან სერიულ-პარალელური კავშირი. მხოლოდ იდენტური პირველადი უჯრედები ან ბატარეები ყოველთვის შედის სერიულ წრეში. მათ უნდა ჰქონდეთ იგივე პარამეტრები: ელექტროქიმიური სისტემა, დიზაინი, ტექნოლოგიური ვარიანტი და სტანდარტული ზომა. პარალელური კავშირისთვის მისაღებია სხვადასხვა ზომის ელემენტების გამოყენება.
HIT კლასიფიკაცია
ქიმიური დენის წყაროები განსხვავდება:
- ზომა;
- დიზაინი;
- რეაგენტები;
- ენერგეტიკული რეაქციის ბუნება.
ეს პარამეტრები განსაზღვრავს HIT შესრულების თვისებებს, რომლებიც შესაფერისია კონკრეტული აპლიკაციისთვის.
ელექტროქიმიური ელემენტების კლასიფიკაცია ეფუძნება მოწყობილობის მუშაობის პრინციპის განსხვავებას. ამ მახასიათებლებიდან გამომდინარე, ისინი განასხვავებენ:
- პირველადი ქიმიური დენის წყაროები ერთჯერადი ელემენტებია. მათ აქვთ რეაგენტების გარკვეული მარაგი, რომელიც რეაქციის დროს მოიხმარება. სრული გამონადენის შემდეგ, ასეთი უჯრედი კარგავს თავის ფუნქციონირებას. სხვაგვარად, პირველად HIT-ებს გალვანურ უჯრედებს უწოდებენ. სწორი იქნება მათ უბრალოდ - ელემენტი ვუწოდოთ. პირველადი ენერგიის წყაროს უმარტივესი მაგალითებია "ბატარეები" A-A.
- დატენვადი ქიმიური დენის წყაროები - ბატარეები (მათ ასევე უწოდებენ მეორად, შექცევად HIT) არის მრავალჯერადი გამოყენების უჯრედები. ბატარეის მეშვეობით გარე წრედიდან საპირისპირო მიმართულებით დენის გატარებით, სრული გამორთვის შემდეგ ხდება დახარჯული რეაგენტების რეგენერაცია, კვლავ აგროვებს ქიმიურ ენერგიას (დატენვას). გარე მუდმივი დენის წყაროდან დატენვის შესაძლებლობის წყალობით, ეს მოწყობილობა გამოიყენება დიდი ხნის განმავლობაში, დატენვის შესვენებებით. ელექტრული ენერგიის გამომუშავების პროცესს ბატარეის გამონადენი ეწოდება. ასეთი HIT მოიცავს ბატარეებს მრავალი ელექტრონული მოწყობილობისთვის (ლეპტოპები, მობილური ტელეფონები და ა.შ.).
- თერმული ქიმიური დენის წყაროები - უწყვეტი მოწყობილობები. ATმათი მუშაობის პროცესში ხდება რეაგენტების ახალი ნაწილების უწყვეტი ნაკადი და რეაქციის პროდუქტების მოცილება.
- კომბინირებული (ნახევრად საწვავის) გალვანურ უჯრედებს აქვთ ერთ-ერთი რეაგენტის მარაგი. მეორე იკვებება მოწყობილობაში გარედან. მოწყობილობის სიცოცხლე დამოკიდებულია პირველი რეაგენტის მიწოდებაზე. ელექტრული დენის კომბინირებული ქიმიური წყაროები გამოიყენება როგორც ბატარეები, თუ შესაძლებელია მათი დატენვის აღდგენა გარე წყაროდან დენის გავლის გზით.
- HIT განახლებადი დატენვადია მექანიკურად ან ქიმიურად. მათთვის შესაძლებელია დახარჯული რეაგენტების შეცვლა ახალი პორციებით სრული გამონადენის შემდეგ. ანუ ისინი არ არიან უწყვეტი მოწყობილობები, მაგრამ, როგორც ბატარეები, პერიოდულად იტენება.
HIT ფუნქციები
ქიმიური ენერგიის წყაროების ძირითადი მახასიათებლები მოიცავს:
- ღია წრედის ძაბვა (ORC ან გამონადენი ძაბვა). ეს მაჩვენებელი, უპირველეს ყოვლისა, დამოკიდებულია არჩეულ ელექტროქიმიურ სისტემაზე (აღმდგენი აგენტის, ჟანგვის აგენტისა და ელექტროლიტის კომბინაცია). ასევე, NRC-ზე გავლენას ახდენს ელექტროლიტის კონცენტრაცია, გამონადენის ხარისხი, ტემპერატურა და სხვა. NRC დამოკიდებულია HIT-ში გამავალი დენის მნიშვნელობაზე.
- ძალა.
- განმუხტვის დენი - დამოკიდებულია გარე წრედის წინააღმდეგობაზე.
- ტევადობა - ელექტროენერგიის მაქსიმალური რაოდენობა, რომელსაც HIT გამოყოფს, როდესაც ის სრულად გამორთულია.
- ენერგიის რეზერვი - მაქსიმალური ენერგია, რომელიც მიიღება მოწყობილობის სრულად გამორთვისას.
- ენერგეტიკული მახასიათებლები. ბატარეებისთვის, ეს არის, უპირველეს ყოვლისა, გარანტირებული რაოდენობის დამუხტვა-გამონადენი ციკლების სიმძლავრის ან დამუხტვის ძაბვის (რესურსის) შემცირების გარეშე.
- ტემპერატურული სამუშაო დიაპაზონი.
- შენახვის ვადა არის მაქსიმალური დასაშვები დრო მოწყობილობის დამზადებასა და პირველ გამოშვებას შორის.
- სასარგებლო ვადა - შენახვისა და ექსპლუატაციის მაქსიმალური დასაშვები პერიოდი. საწვავის უჯრედებისთვის უწყვეტი და წყვეტილი მომსახურების ვადა მნიშვნელოვანია.
- მთლიანი ენერგია გაიფანტა სიცოცხლის განმავლობაში.
- მექანიკური სიმტკიცე ვიბრაციის, დარტყმის მიმართ და ა.შ.
- ნებისმიერ პოზიციაზე მუშაობის უნარი.
- სანდოობა.
- მარტივი მოვლა.
HIT მოთხოვნები
ელექტროქიმიური უჯრედების დიზაინმა უნდა უზრუნველყოს პირობები ყველაზე ეფექტური რეაქციისთვის. ეს პირობები მოიცავს:
- მიმდინარე გაჟონვის თავიდან აცილება;
- კი მუშაობა;
- მექანიკური სიმტკიცე (მათ შორის შებოჭილობა);
- რეაგენტების გამოყოფა;
- კარგი კონტაქტი ელექტროდებსა და ელექტროლიტს შორის;
- დენის გაფრქვევა რეაქციის ზონიდან გარე ტერმინალამდე მინიმალური დანაკარგებით.
ქიმიური დენის წყაროები უნდა აკმაყოფილებდეს შემდეგ ზოგად მოთხოვნებს:
- კონკრეტული პარამეტრების ყველაზე მაღალი მნიშვნელობები;
- მაქსიმალური სამუშაო ტემპერატურის დიაპაზონი;
- ყველაზე დიდი დაძაბულობა;
- მინიმალური ღირებულებაენერგიის ერთეული;
- ძაბვის სტაბილურობა;
- დატენვის უსაფრთხოება;
- უსაფრთხოება;
- მოვლის სიმარტივე და იდეალურ შემთხვევაში არ არის საჭირო;
- ხანგრძლივი მომსახურების ვადა.
ექსპლუატაციის HIT
პირველადი გალვანური უჯრედების მთავარი უპირატესობა ის არის, რომ ისინი არ საჭიროებენ მოვლას. სანამ დაიწყებთ მათ გამოყენებას, საკმარისია შეამოწმოთ გარეგნობა, ვარგისიანობის ვადა. დაკავშირებისას მნიშვნელოვანია დაიცვან პოლარობა და შეამოწმოთ მოწყობილობის კონტაქტების მთლიანობა. უფრო რთული ქიმიური დენის წყაროები - ბატარეები, უფრო სერიოზულ მოვლას საჭიროებს. მათი მოვლის მიზანია მათი მომსახურების ვადის მაქსიმალურად გაზრდა. ბატარეის მოვლა არის:
- შეინარჩუნე სისუფთავე;
- ღია წრედის ძაბვის მონიტორინგი;
- ელექტროლიტების დონის შენარჩუნება (შევსებისთვის შესაძლებელია მხოლოდ გამოხდილი წყლის გამოყენება);
- ელექტროლიტების კონცენტრაციის კონტროლი (ჰიდრომეტრის გამოყენებით - სითხეების სიმკვრივის საზომი მარტივი მოწყობილობა).
გალვანური უჯრედების მუშაობისას დაცული უნდა იყოს ყველა მოთხოვნა, რომელიც ეხება ელექტრო მოწყობილობების უსაფრთხო გამოყენებას.
HIT კლასიფიკაცია ელექტროქიმიური სისტემების მიხედვით
ქიმიური დენის წყაროების ტიპები, სისტემიდან გამომდინარე:
- ტყვია (მჟავა);
- ნიკელ-კადმიუმი, ნიკელ-რკინა, ნიკელ-თუთია;
- მანგანუმი-თუთია, სპილენძ-თუთია, ვერცხლისწყალი-თუთია, თუთიის ქლორიდი;
- ვერცხლი-თუთია, ვერცხლი-კადმიუმი;
- ჰაერი-მეტალი;
- ნიკელ-წყალბადი და ვერცხლი-წყალბადი;
- მანგანუმი-მაგნიუმი;
- ლითიუმი და ა.შ.
HIT-ის თანამედროვე აპლიკაცია
ქიმიური დენის წყაროები ამჟამად გამოიყენება:
- სატრანსპორტო საშუალებები;
- პორტატული ტექნიკა;
- სამხედრო და კოსმოსური ტექნოლოგია;
- სამეცნიერო აღჭურვილობა;
- მედიცინა (კარდიოსტიმულატორი).
HIT-ის ჩვეულებრივი მაგალითები ყოველდღიურ ცხოვრებაში:
- ბატარეები (მშრალი ბატარეები);
- ბატარეები პორტატული საყოფაცხოვრებო ტექნიკისა და ელექტრონიკისთვის;
- უწყვეტი კვების წყარო;
- მანქანის ბატარეები.
ლითიუმის ქიმიური დენის წყაროები განსაკუთრებით ფართოდ გამოიყენება. ეს იმიტომ ხდება, რომ ლითიუმს (Li) აქვს ყველაზე მაღალი სპეციფიკური ენერგია. ფაქტია, რომ მას აქვს ყველაზე უარყოფითი ელექტროდის პოტენციალი ყველა სხვა მეტალს შორის. ლითიუმ-იონური ბატარეები (LIA) უსწრებს ყველა სხვა CPS-ს სპეციფიკური ენერგიისა და სამუშაო ძაბვის თვალსაზრისით. ახლა თანდათან ეუფლებიან ახალ მიმართულებას - საავტომობილო ტრანსპორტის. სამომავლოდ, ლითიუმის ბატარეების გაუმჯობესებასთან დაკავშირებული მეცნიერების განვითარება გადავა ულტრა თხელი დიზაინისა და დიდი მძიმე ბატარეებისკენ.
