«Современные химические источники тока»
Направления развития электрохимических систем
Теоретически источники тока можно построить на основе любой окислительно-восстановительной реакции. На практике набор требований ограничивает круг используемых веществ. В итоге всего исследовано более 500 электрохимических систем, перспективных для возможного применения в ХИТ, и только 40 – 50 из них дошли до стадии практической реализации. Наиболее известные ХИТ созданы на основе электрохимических систем Pb-H2SO4-PbO2 (свинцовый кислотный аккумулятор), Cd-KOH - NiOOH (никель-кадмиевый щелочной аккумулятор), Fe-KOH-NiOOH (никель-железный щелочной аккумулятор), уже упоминавшихся Zn-H2O-MnO2, Zn-H2O-Ag2O, Zn-H2O-HgO и некоторых других. Это так называемые традиционные источники тока с водным электролитом, широко применяемые до настоящего времени. Вместе с тем, если учесть требования высокого напряжения и высоких удельных характеристик, то необходимо выбирать окислитель с как можно более положительным электродным потенциалом, а восстановитель – с как можно более отрицательным. Наиболее отрицательные значения потенциалов имеют щелочные и щелочноземельные металлы. Примеры даны в этой таблице вместе с теоретическими величинами удельной энергии и относительной ценой
|
№ |
Реакция ионизации |
Е0, В |
Qуд. теор. А×ч/кг |
Относит. цена за 1 А×ч |
|
1 |
Li – e = Li+ |
-3.04 |
3850 |
20 |
|
2 |
Mg – 2e = Mg2+ |
-2.37 |
2100 |
1 |
|
3 |
Al – 3e = Al3+ |
-1.66 |
2980 |
0.5 |
|
4 |
Cd – 2e + 2OH - = Cd(OH)2 |
-0.81 |
440 |
20 |
|
5 |
Zn – 2e = Zn2+ |
-0.76 |
830 |
1 |
|
6 |
Pb + SO42- – 2e = PbSO4 |
-0.36 |
260 |
2 |
Однако применение восстановителей, потенциалы которых отрицательнее потенциала водородного электрода, осложняется протеканием в водных растворах реакции вытеснения водорода из воды, например,
Mg + 2H2O = Mg(OH)2 + H2
Часть восстановителя тратится бесполезно на протекание этой побочной реакции. Взаимодействие метала и воды обычно протекает не напрямую, а по электрохимическому механизму, т. е. с разделением анодной и катодной полуреакций
Mg + 2OH - - 2e = Mg(OH)2¯
2H+ + 2e = H2
В результате чего на электроде устанавливается смешанный потенциал, лежащий между потенциалами окисления восстановителя и катодного выделения водорода, что приводит к снижению НРЦ по сравнению с ЭДС.
Для свинца, кадмия и цинка, электродные потенциалы которых ненамного отрицательнее потенциала выделения водорода, скорость взаимодействия с водой невелика. Но для сильно электроотрицательных восстановителей, таких как щелочные металлы, щелочноземельные металлы и алюминий, скорость взаимодействия с водой может быть очень большой. Несмотря на все эти проблемы, работы по созданию ХИТ со всевозможными электроотрицательными восстановителями велись на протяжении всего XX века и продолжаются до сих пор. Ведутся разработки по созданию ХИТ с анодом из K, Na, Mg, Ca, Al. Однако до серийного многомиллионного коммерческого выпуска пока дошли только литиевые ХИТ.
