Ogniwa galwaniczne

Przetwarzanie energii: kondensatory
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Ładując kondensator wykonujemy pracę nad ładunkiem.
Przetwarzanie energii: ogniwa paliwowe
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
W ogniwach paliwowych następuje elektrochemiczne „spalanie” paliwa.
Energia procesu utleniania jest zamieniana w energię elektryczną.
Przetwarzanie energii: ogniwa galwaniczne
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Ogniwa galwaniczne mogą zarówno wytwarzać energię elektryczną (na
skutek reakcji na elektrodach) jak i gromadzić energię w procesie
ładowania – odwrócenie reakcji na elektrodach.
Historia ogniw
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Luigi Galvani (1791):
elektryczność „zwierzęca”
Historia ogniw
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Alessandro Volta (około 1800r): weryfikacja
doświadczeń Galvaniego
Umieszczenie dwóch różnych metali w elektrolicie
może wywołać przepływ prądu elektrycznego.
☺
Stos Volty – płytki cynkowe i srebrowe, lub cynkowe i
miedziane, zanurzone w roztworze soli.
Ogniwo elektrochemiczne
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Ogniwo galwaniczne – zachodzi
reakcja samorzutna. Elektrony są
oddawane anodzie (utlenianie) i
pobierane z katody (redukcja) –
elektroda dodatnia.
Ogniwo elektrolityczne (elektrolizer) –
zewnętrzne źródło wymusza ruch
elektronów. Redukcja zachodzi na
katodzie (podłączonej do bieguna
ujemnego źródła), utlenianie na anodzie
Ogniwo elektrochemiczne Daniella
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Anoda (-)
Katoda (+)
utlenianie
redukcja
Szereg napięciowy
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Potencjał standardowy
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Ogniwo służące do wyznaczania potencjałów standartowych:
półogniwo wodorowe i półogniwo badane.
Pokrycia galwaniczne
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Ogniwa elektrochemiczne
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Parametry ogniwa i ich opis
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Napięcie na zaciskach ogniwa otwartego jest wyższe
niż napięcie ogniwa pod obciążeniem.
Różnica jest powodowana spadkiem napięcia na
oporze wewnętrznym ogniwa.
Połączenie szeregowe ogniw pozwala uzyskać
wyższe napięcie.
Połączenie równoległe pozwala uzyskać wyższe
natężenie prądu przy stałym napięciu.
Największa moc wydziela się w zewnętrznym
obwodzie, kiedy opór obciążenia jest zbliżony do
oporu źródła.
Ogniwo Leclanchego cynkowo-węglowe
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
1 – zacisk dodatni (+)
2 - pręt grafitowy
3 - cynkowy pojemnik
4 - tlenek manganu(IV)
5 - wilgotna pasta chlorku amonu
(elektrolit)
6 – zacisk ujemny (-)
Dodanie chlorku cynku do elektrolitu pozwala na uzyskanie SEM około 1.5V
☺ Tanie w produkcji
Podczas rozładowania wzrasta opór wewnętrzny
Wycieki elektrolitu i degradacja przy przechowywaniu
Ogniwo alkaliczne
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
SEM zbliżone jak w bateriach
kwasowych (1.5V)
☺ Pojemność energetyczna
około 3 razy większa
(3000 mAh dla AA)
☺ Dłuższy czas użytkowania
Pojemność zależna od
wartości prądu
Wycieki elektrolitu niszczą
aluminium
katoda: 2 MnO2 + H2O + 2 e– → Mn2O3 + 2 OH–
anoda: Zn + 2 OH– → Zn(OH)2 + 2 e–
reakcja całkowita: 2 MnO2 + H2O + Zn → Mn2O3 + Zn(OH)2
Ogniwa niklowo – kadmowe/wodorkowe
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Ogniwo wielokrotnego ładowania NiCd:
-zasadowy tlenek niklu NiOOH
- metaliczny kadm
Napięcie: około 1.2V. Odporne na
niekorzystne warunki użytkowania, trwałe
(do 20 lat). Do 1000 cykli ładowania.
Występuje „efekt pamięci”
Ogniwo wielokrotnego ładowania NiMH:
- zasadowy tlenek niklu NiOOH
- stopy metali (m. in. wanad, tytan, cyrkon, nikiel, chrom, kobalt, żelazo)
o strukturze porowatej – możliwość uwalniania wodoru podczas
rozładowania, a wiązania w trakcie ładowania.
Katoda: NiO(OH) + H2O + e− → Ni(OH)2 + OH−
Anoda: MH + OH− → M + H2O + e−
Większość modeli samochodów hybrydowych wykorzystuje ogniwa NiHM
Ogniwa kwasowo-ołowiowe
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Akumulator kwasowo-ołowiowy
Anoda - utlenianie
Katoda- redukcja
Siarczan ołowiu IV
Baterie typu Li-ion
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Baterie typu Li-ion
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Potencjał w odniesieniu do litu
FIZYKA 3
„gęstość” energii
Budowa baterii Li-ion
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Baterie Li-ion z elektrolitem polimerowym
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Anoda: Lit metaliczny bądź materiał
interkalowany
Katoda: LiCoO2 lub LiMn2O4
Elektrolit:Sól zdysocjowana w matrycy
polimerowej, elektrolit „żelowy” lub
„polimer w soli”
Źródło: strona internetowa SONY
Bezpieczeństwo pracy i możliwość uzyskania dowolnych kształtów baterii
Baterie w postaci rolki folii (3M)
Baterie Li-ion o czasie ładowania rzędu 3 minut (Toshiba, marzec 2005)
Baterie Li-ion: materiały katodowe
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Baterie Li-ion: materiały katodowe
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Materiały elektrodowe mają mieszane przewodnictwo:
- jonowe umożliwia proces interkalacji i deinterkalacji
- elektronowe umożliwia wymianę elektronów
Baterie Li-ion: materiały anodowe
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Najczęściej stosowanym materiałem
anodowym jest grafit.
Lit może również ulegać interkalacji
w tlenkach krzemu lub tytanu.
Baterie Na-ion
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Malejące zasoby litu mogą
spowodować nieopłacalność
produkcji ogniw Li-ion.
Technologie i materiały
sprawdzone dla ogniw Li-ion
znajdują zastosowanie w
produkcji ogniw sodowych
Baterie Na-ion
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Wymagania użytkowe baterii
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Zastosowania ogniw Li-ion
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Korzystny stosunek zgromadzonej energii elektrycznej do masy
Brak efektu „pamięci”
Możliwość ładowania obciążonej baterii
Niewielki efekt samorozładowania (5% miesięcznie w porównaniu
z 20% dla NiCd)
Niezależnie od ilości cykli ładowania/rozładowania występuje degradacja
starzeniowa
Efekt degradacji występuje w przypadku całkowitego rozładowania, jak i
długiego przechowywania baterii całkowicie naładowanej
Lit jest silnie reaktywny, co stwarza zagrożenie w przypadku uszkodzenia