แหล่งกระแสเคมี (ย่อว่า HIT) เป็นอุปกรณ์ที่พลังงานของปฏิกิริยารีดอกซ์ถูกแปลงเป็นพลังงานไฟฟ้า ชื่ออื่นๆ ได้แก่ เซลล์ไฟฟ้าเคมี เซลล์กัลวานิก เซลล์ไฟฟ้าเคมี หลักการทำงานมีดังนี้: อันเป็นผลมาจากการทำงานร่วมกันของรีเอเจนต์สองตัว ปฏิกิริยาเคมีเกิดขึ้นพร้อมกับการปลดปล่อยพลังงานจากกระแสไฟฟ้าตรง ในแหล่งกระแสอื่น ๆ กระบวนการผลิตไฟฟ้าเกิดขึ้นตามรูปแบบหลายขั้นตอน ขั้นแรก พลังงานความร้อนจะถูกปล่อยออกมา จากนั้นจะเปลี่ยนเป็นพลังงานกล และจากนั้นเป็นพลังงานไฟฟ้าเท่านั้น ข้อดีของ HIT คือกระบวนการแบบขั้นตอนเดียว กล่าวคือ ได้รับไฟฟ้าทันที โดยข้ามขั้นตอนของการได้รับพลังงานความร้อนและพลังงานกล
ประวัติศาสตร์
แหล่งที่มาปัจจุบันแรกปรากฏอย่างไร แหล่งเคมีเรียกว่าเซลล์กัลวานิกเพื่อเป็นเกียรติแก่นักวิทยาศาสตร์ชาวอิตาลีแห่งศตวรรษที่สิบแปด - Luigi Galvani เขาเป็นแพทย์ นักกายวิภาค นักสรีรวิทยา และนักฟิสิกส์ ทิศทางหนึ่งของมันการวิจัยเป็นการศึกษาปฏิกิริยาของสัตว์ต่ออิทธิพลภายนอกต่างๆ Galvani ค้นพบวิธีทางเคมีในการผลิตไฟฟ้าโดยบังเอิญระหว่างการทดลองกับกบครั้งหนึ่ง เขาเชื่อมแผ่นโลหะสองแผ่นเข้ากับเส้นประสาทที่ขาของกบ ส่งผลให้กล้ามเนื้อหดตัว คำอธิบายของปรากฏการณ์นี้เองของกัลวานีไม่ถูกต้อง แต่ผลการทดลองและการสังเกตของเขาช่วย Alessandro Volta เพื่อนร่วมชาติของเขาในการศึกษาต่อมา
โวลตาอธิบายไว้ในงานเขียนของเขาถึงทฤษฎีการเกิดขึ้นของกระแสไฟฟ้าอันเป็นผลมาจากปฏิกิริยาเคมีระหว่างโลหะสองชนิดเมื่อสัมผัสกับเนื้อเยื่อของกล้ามเนื้อของกบ แหล่งกระแสเคมีแห่งแรกดูเหมือนภาชนะใส่น้ำเกลือ โดยมีสังกะสีและทองแดงแช่อยู่ในนั้น
HIT เริ่มผลิตในระดับอุตสาหกรรมในช่วงครึ่งหลังของศตวรรษที่สิบเก้า ต้องขอบคุณชาวฝรั่งเศส Leclanche ผู้คิดค้นเซลล์แมงกานีส-สังกะสีหลักด้วยเกลืออิเล็กโทรไลต์ ซึ่งตั้งชื่อตามเขา ไม่กี่ปีต่อมา เซลล์ไฟฟ้าเคมีนี้ได้รับการปรับปรุงโดยนักวิทยาศาสตร์อีกคน และเป็นแหล่งกระแสเคมีหลักเพียงแหล่งเดียวจนถึงปี 1940
การออกแบบและหลักการทำงาน HIT
อุปกรณ์จ่ายกระแสเคมีประกอบด้วยอิเล็กโทรดสองตัว (ตัวนำชนิดที่หนึ่ง) และอิเล็กโทรไลต์ที่อยู่ระหว่างอิเล็กโทรด (ตัวนำชนิดที่สองหรือตัวนำไอออนิก) ศักยภาพทางอิเล็กทรอนิกส์เกิดขึ้นที่ขอบเขตระหว่างพวกเขา อิเล็กโทรดที่ตัวรีดิวซ์ถูกออกซิไดซ์เรียกว่าขั้วบวกและขั้วที่ตัวออกซิไดซ์ลดลงเรียกว่าขั้วลบ ร่วมกับอิเล็กโทรไลต์ พวกมันประกอบขึ้นเป็นระบบไฟฟ้าเคมี
ผลพลอยได้ของปฏิกิริยารีดอกซ์ระหว่างอิเล็กโทรดคือการสร้างกระแสไฟฟ้า ในระหว่างปฏิกิริยาดังกล่าว ตัวรีดิวซ์จะถูกออกซิไดซ์และบริจาคอิเล็กตรอนให้กับตัวออกซิไดซ์ ซึ่งรับและลดลงด้วยเหตุนี้ การมีอิเล็กโทรไลต์ระหว่างแคโทดและแอโนดเป็นเงื่อนไขที่จำเป็นสำหรับปฏิกิริยา หากคุณเพียงแค่ผสมผงจากโลหะสองชนิดที่ต่างกันเข้าด้วยกัน จะไม่มีการปล่อยไฟฟ้าออกมา พลังงานทั้งหมดจะถูกปล่อยออกมาในรูปของความร้อน อิเล็กโทรไลต์เป็นสิ่งจำเป็นในการปรับปรุงกระบวนการถ่ายโอนอิเล็กตรอน ส่วนใหญ่มักจะเป็นสารละลายเกลือหรือละลาย
อิเล็กโทรดดูเหมือนแผ่นโลหะหรือตะแกรง เมื่อจุ่มลงในอิเล็กโทรไลต์จะเกิดความต่างศักย์ไฟฟ้าระหว่างกัน - แรงดันไฟฟ้าวงจรเปิด แอโนดมีแนวโน้มที่จะบริจาคอิเล็กตรอน ในขณะที่แคโทดมีแนวโน้มที่จะรับอิเล็กตรอน ปฏิกิริยาเคมีเริ่มต้นบนพื้นผิว จะหยุดเมื่อเปิดวงจร และเมื่อรีเอเจนต์ตัวใดตัวหนึ่งถูกใช้หมด การเปิดวงจรเกิดขึ้นเมื่อถอดอิเล็กโทรดหรืออิเล็กโทรไลต์อันใดอันหนึ่ง
องค์ประกอบของระบบไฟฟ้าเคมี
แหล่งจ่ายเคมีในปัจจุบันใช้กรดและเกลือที่มีออกซิเจน ออกซิเจน เฮไลด์ โลหะออกไซด์ที่สูงขึ้น สารประกอบไนโตรออแกนิค ฯลฯ เป็นตัวออกซิไดซ์ โลหะและออกไซด์ล่างของพวกมัน ไฮโดรเจนเป็นตัวรีดิวซ์ในตัวและสารประกอบไฮโดรคาร์บอน วิธีการใช้อิเล็กโทรไลต์:
- สารละลายกรด ด่าง น้ำเกลือ ฯลฯ
- สารละลายที่ไม่ใช่น้ำที่มีค่าการนำไฟฟ้าไอออนิก ได้จากการละลายเกลือในตัวทำละลายอินทรีย์หรืออนินทรีย์
- เกลือหลอมเหลว
- สารประกอบของแข็งที่มีโครงข่ายไอออนิกซึ่งมีอิออนตัวหนึ่งเคลื่อนที่ได้
- เมทริกซ์อิเล็กโทรไลต์. สิ่งเหล่านี้คือสารละลายหรือของเหลวที่ละลายอยู่ในรูพรุนของวัตถุที่ไม่นำไฟฟ้าที่เป็นของแข็ง - ตัวพาอิเล็กตรอน
- อิเล็กโทรไลต์แลกเปลี่ยนไอออน. เหล่านี้เป็นสารประกอบของแข็งที่มีหมู่อิออนคงที่ที่มีเครื่องหมายเดียวกัน ไอออนของสัญญาณอื่น ๆ นั้นเคลื่อนที่ได้ คุณสมบัตินี้ทำให้การนำไฟฟ้าของอิเล็กโทรไลต์แบบขั้วเดียว
แบตเตอรี่กัลวานิค
แหล่งกระแสเคมีประกอบด้วยเซลล์กัลวานิก - เซลล์ แรงดันไฟฟ้าในเซลล์เหล่านี้มีขนาดเล็ก - จาก 0.5 ถึง 4V ขึ้นอยู่กับความต้องการ ใช้แบตเตอรี่กัลวานิกใน HIT ซึ่งประกอบด้วยเซลล์ที่เชื่อมต่อแบบอนุกรมหลายเซลล์ บางครั้งใช้การเชื่อมต่อแบบขนานหรือแบบอนุกรม-ขนานขององค์ประกอบหลายอย่าง เฉพาะเซลล์หลักหรือแบตเตอรี่ที่เหมือนกันเท่านั้นที่รวมอยู่ในวงจรอนุกรมเสมอ พารามิเตอร์เหล่านี้ต้องมีพารามิเตอร์เดียวกัน: ระบบไฟฟ้าเคมี การออกแบบ ตัวเลือกเทคโนโลยี และขนาดมาตรฐาน สำหรับการเชื่อมต่อแบบขนาน สามารถใช้องค์ประกอบที่มีขนาดต่างกันได้
การจำแนกประเภทตี
แหล่งจ่ายสารเคมีในปัจจุบันแตกต่างกันใน:
- ขนาด;
- ออกแบบ;
- น้ำยา;
- ธรรมชาติของปฏิกิริยาสร้างพลังงาน
พารามิเตอร์เหล่านี้กำหนดคุณสมบัติประสิทธิภาพ HIT ที่เหมาะสมสำหรับแอปพลิเคชันเฉพาะ
การจำแนกองค์ประกอบไฟฟ้าเคมีขึ้นอยู่กับความแตกต่างในหลักการทำงานของอุปกรณ์ ขึ้นอยู่กับลักษณะเหล่านี้ พวกเขาแยกแยะ:
- แหล่งกระแสเคมีหลักเป็นองค์ประกอบที่ใช้แล้วทิ้ง พวกมันมีรีเอเจนต์จำนวนหนึ่งซึ่งถูกใช้ไปในระหว่างการทำปฏิกิริยา หลังจากการคายประจุจนหมด เซลล์ดังกล่าวจะสูญเสียการทำงานไป ในอีกทางหนึ่ง HIT หลักจะเรียกว่าเซลล์กัลวานิก มันจะถูกต้องที่จะเรียกพวกมันง่ายๆ - องค์ประกอบ ตัวอย่างที่ง่ายที่สุดของแหล่งพลังงานหลักคือ "แบตเตอรี่" AA
- แหล่งจ่ายกระแสเคมีแบบชาร์จไฟได้ - แบตเตอรี่ (เรียกอีกอย่างว่า HIT สำรองแบบย้อนกลับ) เป็นเซลล์ที่นำกลับมาใช้ใหม่ได้ โดยการส่งกระแสจากวงจรภายนอกในทิศทางตรงกันข้ามผ่านแบตเตอรี่ หลังจากการคายประจุจนหมด รีเอเจนต์ที่ใช้แล้วจะถูกสร้างใหม่ และสะสมพลังงานเคมีอีกครั้ง (การชาร์จ) ด้วยความสามารถในการชาร์จจากแหล่งจ่ายกระแสไฟภายนอกที่คงที่ อุปกรณ์นี้จึงถูกใช้เป็นเวลานานโดยมีการหยุดพักสำหรับการชาร์จใหม่ กระบวนการสร้างพลังงานไฟฟ้าเรียกว่าการคายประจุแบตเตอรี่ HIT ดังกล่าวรวมถึงแบตเตอรี่สำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์จำนวนมาก (แล็ปท็อป โทรศัพท์มือถือ ฯลฯ)
- แหล่งกระแสเคมีความร้อน - อุปกรณ์ต่อเนื่อง ที่ในกระบวนการทำงาน มีการไหลอย่างต่อเนื่องของรีเอเจนต์ส่วนใหม่และการกำจัดผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยา
- เซลล์กัลวานิกผสม (กึ่งเชื้อเพลิง) มีสต็อคของรีเอเจนต์ตัวใดตัวหนึ่ง ส่วนที่สองถูกป้อนเข้าอุปกรณ์จากภายนอก อายุการใช้งานของอุปกรณ์ขึ้นอยู่กับการจัดหารีเอเจนต์แรก แหล่งเคมีรวมของกระแสไฟฟ้าจะถูกใช้เป็นแบตเตอรี่ หากสามารถเรียกคืนประจุไฟฟ้าได้โดยการส่งกระแสไฟจากแหล่งภายนอก
- HIT หมุนเวียนแบบชาร์จใหม่ได้ทางกลไกหรือทางเคมี สำหรับพวกเขา สามารถเปลี่ยนรีเอเจนต์ที่ใช้แล้วด้วยส่วนใหม่ได้หลังจากปล่อยออกจนหมด นั่นคือไม่ใช่อุปกรณ์ต่อเนื่อง แต่ชาร์จเป็นระยะเช่นเดียวกับแบตเตอรี่
คุณสมบัติเด่น
ลักษณะสำคัญของแหล่งพลังงานเคมีได้แก่:
- แรงดันวงจรเปิด (ORC หรือแรงดันไฟดิสชาร์จ). อันดับแรก ตัวบ่งชี้นี้ขึ้นอยู่กับระบบไฟฟ้าเคมีที่เลือก (การรวมกันของตัวรีดิวซ์ ตัวออกซิไดซ์ และอิเล็กโทรไลต์) นอกจากนี้ NRC ยังได้รับผลกระทบจากความเข้มข้นของอิเล็กโทรไลต์ ระดับการปลดปล่อย อุณหภูมิ และอื่นๆ NRC ขึ้นอยู่กับมูลค่าของกระแสที่ไหลผ่าน HIT
- กำลัง
- กระแสไฟดิสชาร์จ - ขึ้นอยู่กับความต้านทานของวงจรภายนอก
- ความจุ - ปริมาณไฟฟ้าสูงสุดที่ HIT ปล่อยออกมาเมื่อคายประจุจนหมด
- พลังงานสำรอง - พลังงานสูงสุดที่ได้รับเมื่ออุปกรณ์หมดประจุ
- ลักษณะพลังงาน สำหรับแบตเตอรี่ ประการแรกคือการรับประกันจำนวนรอบการชาร์จและการคายประจุโดยไม่ลดความจุหรือแรงดันไฟ (ทรัพยากร)
- ช่วงการทำงานของอุณหภูมิ
- อายุการเก็บรักษาคือระยะเวลาสูงสุดที่อนุญาตระหว่างการผลิตกับการปล่อยอุปกรณ์ครั้งแรก
- อายุการใช้งาน - ระยะเวลารวมสูงสุดที่อนุญาตในการจัดเก็บและใช้งาน สำหรับเซลล์เชื้อเพลิง อายุการใช้งานที่ต่อเนื่องและไม่ต่อเนื่องมีความสำคัญ
- พลังงานทั้งหมดกระจายไปตลอดอายุการใช้งาน
- ความแรงของกลไกต่อแรงสั่นสะเทือน แรงกระแทก ฯลฯ
- ทำงานได้ทุกตำแหน่ง
- ความน่าเชื่อถือ
- บำรุงรักษาง่าย
ข้อกำหนด HIT
การออกแบบเซลล์ไฟฟ้าเคมีต้องจัดให้มีสภาวะที่เอื้อต่อปฏิกิริยาที่มีประสิทธิภาพสูงสุด เงื่อนไขเหล่านี้รวมถึง:
- ป้องกันกระแสไฟรั่ว
- แม้ทำงาน;
- ความแรงของกลไก (รวมความรัดกุม);
- การแยกตัวทำปฏิกิริยา;
- สัมผัสที่ดีระหว่างอิเล็กโทรดและอิเล็กโทรไลต์
- การกระจายกระแสจากโซนปฏิกิริยาไปยังขั้วภายนอกโดยสูญเสียน้อยที่สุด
แหล่งจ่ายสารเคมีในปัจจุบันต้องเป็นไปตามข้อกำหนดทั่วไปดังต่อไปนี้:
- ค่าสูงสุดของพารามิเตอร์เฉพาะ
- ช่วงอุณหภูมิการทำงานสูงสุด;
- ความตึงเครียดที่ยิ่งใหญ่ที่สุด
- ต้นทุนขั้นต่ำหน่วยของพลังงาน
- ความเสถียรของแรงดัน
- ความปลอดภัยในการชาร์จ
- ความปลอดภัย;
- บำรุงรักษาง่าย ไม่ต้องการอะไรมาก
- อายุการใช้งานยาวนาน
การเอารัดเอาเปรียบ
ข้อดีหลักของเซลล์กัลวานิกหลักคือไม่ต้องการการบำรุงรักษาใดๆ ก่อนที่คุณจะเริ่มใช้งานคุณควรตรวจสอบลักษณะที่ปรากฏและวันหมดอายุก่อน เมื่อทำการเชื่อมต่อ จำเป็นต้องสังเกตขั้วและตรวจสอบความสมบูรณ์ของหน้าสัมผัสของอุปกรณ์ แหล่งกระแสเคมีที่ซับซ้อนมากขึ้น - แบตเตอรี่ ต้องการการดูแลที่จริงจังมากขึ้น จุดประสงค์ของการบำรุงรักษาคือเพื่อยืดอายุการใช้งานให้สูงสุด การดูแลแบตเตอรี่คือ:
- รักษาความสะอาด
- การตรวจสอบแรงดันไฟฟ้าวงจรเปิด
- รักษาระดับอิเล็กโทรไลต์ (เติมได้เฉพาะน้ำกลั่นเท่านั้น);
- ควบคุมความเข้มข้นของอิเล็กโทรไลต์ (โดยใช้ไฮโดรมิเตอร์ - อุปกรณ์ง่ายๆ สำหรับวัดความหนาแน่นของของเหลว)
เมื่อใช้งานเซลล์ไฟฟ้า ต้องปฏิบัติตามข้อกำหนดทั้งหมดที่เกี่ยวข้องกับการใช้เครื่องใช้ไฟฟ้าอย่างปลอดภัย
การจำแนก HIT ตามระบบเคมีไฟฟ้า
ประเภทของแหล่งจ่ายสารเคมีในปัจจุบัน ขึ้นอยู่กับระบบ:
- ตะกั่ว (กรด);
- นิกเกิล-แคดเมียม เหล็กนิกเกิล นิกเกิล-สังกะสี;
- แมงกานีส-สังกะสี, คอปเปอร์-สังกะสี, ปรอท-สังกะสี, ซิงค์คลอไรด์;
- เงิน-สังกะสี, เงิน-แคดเมียม;
- อากาศ-โลหะ;
- นิกเกิล-ไฮโดรเจนและซิลเวอร์-ไฮโดรเจน;
- แมงกานีส-แมกนีเซียม
- ลิเธียมเป็นต้น
แอปพลิเคชั่นทันสมัยของ HIT
ปัจจุบันมีการใช้แหล่งสารเคมีใน:
- ยานพาหนะ;
- อุปกรณ์พกพา;
- เทคโนโลยีการทหารและอวกาศ
- อุปกรณ์วิทยาศาสตร์;
- ยา (เครื่องกระตุ้นหัวใจ).
ตัวอย่าง HIT ในชีวิตประจำวัน:
- แบตเตอรี่ (แบตเตอรี่แห้ง);
- แบตเตอรี่สำหรับเครื่องใช้ในครัวเรือนแบบพกพาและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์
- เครื่องสำรองไฟ;
- แบตเตอรี่รถยนต์
ลิเธียมสารเคมีที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในปัจจุบัน เนื่องจากลิเธียม (Li) มีพลังงานจำเพาะสูงสุด ความจริงก็คือมันมีศักย์ไฟฟ้าเชิงลบมากที่สุดเมื่อเทียบกับโลหะอื่นๆ ทั้งหมด แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน (LIA) นำหน้า CPS อื่น ๆ ทั้งหมดในแง่ของพลังงานจำเพาะและแรงดันไฟฟ้าในการทำงาน ตอนนี้พวกเขากำลังค่อยๆ เชี่ยวชาญพื้นที่ใหม่ - การขนส่งทางถนน ในอนาคต การพัฒนานักวิทยาศาสตร์ที่เกี่ยวข้องกับการปรับปรุงแบตเตอรี่ลิเธียมจะมุ่งไปสู่การออกแบบที่บางเฉียบและแบตเตอรี่ขนาดใหญ่ที่ทนทาน