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: „Bateria z Bagdadu”
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
„Bateria z Bagdadu” –250 p.n.e.
Żelazo Fe
Miedź Cu
Ocet winny
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.
Rodzaje półogniw elektrochemicznych
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
metal/jon metalu
gazowa
metal/nierozpuszczalna
sól
redoks
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.
Ogniwa elektrochemiczne
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Pokrycia galwaniczne
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
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