PILE ELECTRICE – UTILIZARI TEHNOLOGICE
Pilele electrice (celule galvanice) sunt sisteme ce produc energia electrică din energia chimică a reacţiilor de oxido-reducere. oxido-reducere. În pilele electrice electrodul pe care are loc loc reacţia de oxidare (de ionizare a metalului) reprezintă anodul, iar cel pe care are loc o reacţia de reducere este catodul. Când anodul i catodul sunt uniţi printr-un electrolit (!n interior) i !n exterior, prin intermediul unui voltmetru electronic, multimetru, acesta măsoară di"erenţa de potenţial dintre cei doi electrozi, numită tensiune electromotoare (t.e.m.) notată cu #. Pilele electrice sunt prezentate schematic prin lanţuri electrochimice. În lanţul electrochimic o linie verticală desemnează inter"aţa de separare solid (metal)$ lichid (soluţie de electrolit), iar două linii verticale reprezintă inter"aţa de separare a două lichide (a două soluţii de electrolit). %anţul electrochimic al unei pile este& ( -) M1/ electrolit 1 (a 1)// electrolit 2 (a2)/M2
Pile Pilele le elec electr tric icee se !mpa !mpart rt !n pile pile elec electr tric icee conv conven enţi ţion onal alee i pile pile elec electr tric icee neconvenţionale. neconvenţionale. Pilele electrice convenţionale convenţionale sunt& pila %eclanche, %eclanche, acumulatorul acumulatorul cu plum', acumulatorii alcalini, care au la 'ază o tehnologie tridimensională, ce nu implică condiţii speciale i !n care reacţia la descărcare are loc !n mediu apos, !n condiţii normale de temperatură i presiune. Pilele electrice neconvenţionale& pila de com'ustie *+ care "uncţionează !n condiţii de temperatură i presiune ridicate. cumulatorii sunt dispozitive energetice capa'ile să stocheze i să "urnizeze energie electrică. cumulatorii sunt surse de energie electrică utilizaţi !n diverse domenii& electronica, autoturisme, etc În "uncţi "uncţiee de natura natura electr electrolit olitulu uluii acumul acumulato atorii rii se clasi" clasi"ică ică !n acumul acumulato atori ri acizi acizi (acumulatorul cu P') i acumulatori alcalini (i-Cd, e * i, /n-g, etc.) Ac!"!lator!l c! P# este un acumulator acid. cumulatorul cu P' este alcătuit dintrun vas paralelipiped de sticlă sau e'onită. #lectrozii sunt "ormaţi din plăci aezate alternativ& nega negati tivi vi (P') (P') i pozi poziti tivi vi (P'+ (P'+), toat toatee plăc plăcil ilee "iin "iindd lega legate te !n para parale lel. l. #lec #lectr trol olit itul ul 2 acumulatorului cu P' este 0+1 de conc conc.. 223, 223, avân avândd dens densita itate te ρ 4 5, 6g$cm . Când densitatea scade su' ρ4 5, 57g$cm2 acumulatorul tre'uie !ncarcat prin electroliza
ig. 5 cumulatorul cu P' %anţul electrochimic al acumulatorului cu P' este (-) P'$ 0+1$P'+ (8), iar reacţiile care au loc !n timpul "uncţionării sunt& anod ( −)
+
+
catod (+)
−
+
+
rc.globala
−
Pb → Pb P b + e (oxidare ) Pb + SO 1 → PbSO 1 PbO + 1 H + e → Pb P b 8 + (reducere ) Pb + SO 1 → PbSO 1 −
+
−
Pb 8 PbO + 1H
+
+
−
SO 1
descar care
→ ¬
incarcare
PbSO 1 8 +
9eacţiile sunt reversi'ile, ceea ce permite regenerarea acumulatorului cu P', printr-un proces de electroliză. Pentru realizarea acestui lucru acumulatorul se leagă !n paralel cu polii unei surse de curent. :ensiunea electromotoare a acumulatorului cu P' este& E = E ; +
RT F
a ln
Pb 1 +
(5)
a
Pb +
unde& #; 4 5, 62; <= * constanta lui arada> 4 6?7;; s= 9- constanta universală a gazelor 4 @,251 A$molB= : * temperatura BD Înlocuind !n relaţia (5) valoarea tensiunii #; se o'ţine& E = 5,62; +
RT a Pb 1 + ln F a +
()
Pb
Ac!"!latorii alcali$i
#lectrolitul utilizat !n acumulatorii alcalini este hidroxidul de potasiu. Eouă tipuri de acumulatori alcalini sunt cu precădere utilizaţi : acumulatorul fier - nichel (:.. #dison, 56;5) i acumulatorul cadmiu - nichel (F. Aungner, 5@66). m'ele tipuri au catodul din oxid 'azic de nichel iar masa anodică este pul'ere de "ier sau cadmiu. #lectrolitul este o soluţie ;3 de B+ (G4 5,5H g$cm 2).
ig. cumulatorul Cd *i * elemente componente %antul electochimic al acumulatorului Cd- i este (-)Cd $ B+ $ i+I+(8), iar reacţiile care au loc !n timpul "uncţionării sunt& + anod ( − ) Cd → Cd 8e − Cd + + + − → Cd(+) − catod (+) -i+ ×+ 8 +8 e − → Ni( OH ) + HO
rc globala Cd + -i++ 8 + → Cd(+) + Ni( OH )
vantaJele acumulatorilor alcalini se re"eră la posi'ilităţile lor de manevrare i de !ntreţinere uoară. #i se utilizează pentru alimentarea cu energie a aparaturii electrice i electrocasnice, mass-media, iluminat i pentru vehicule mici. i-Cd este singurul tip de acumulator care "uncţionează cel mei 'ine !n cazul !n care se e"ectuează periodic descărcarea la ;,@ < per celulă (descărcare completă). cumulatorul i-Cd !i pierde treptat per"ormanţa din cauza recristalizării K *i++, "enomen cunoscut su' numele de Le"ect de memorieM. cest e"ect este strâns legat de capacitate i poate "i evidenţiat prin determinarea capacităţii reale la un moment dat i prin estimarea ciclurilor de viaţă rămase.
Caracteristicile acumulatorilor alcalini sunt in"luenţate de compoziţia masei active i de puritatea reactivilor. #lectrodul de nichel este constituit din i+ amestecat cu gra"it, pul'erea de gra"it se adaugă pentru creterea conducti'ilităţii electrice. Prezenţă unor impurităţi ca e, Ng, 0i sau l micorează sensi'il capacitatea acestor acumulatori. utodescărcarea acestui tip de acumulatori este "oarte ridicată, de până la 5, 3 !n 1 ore. Caracteri%ticile &!$c'io$ale ale ilelor electrice & 1) Te$%i!$ea electro"otoare (te") a unui 'aterii # ' se o'ţine prin suma tensiunilor electromotoare ale celulelor galvanice individuale legate !n serie& # ' 4 n# (2) unde& n * reprezintă numărul elementelor galvanice identice ce alcătuiesc 'ateria, iar E = ε + − ε − (1) În cursul generării de curent are loc o deviere de la valoare calculată pe cale termodinamică ast"el că la 'orne tensiunea este mai mică& E = E b − E (7) unde # p * reprezintă tensiunea de polarizare 2 Re*i%te$'a i$ter$+ total+ – r i * reprezintă rezistenţa electrică opusă de pilă la trecerea curentului& r i = r +r (?) unde& r ; * suma rezistenţelor electrice a electrozilor i electrolitului !n circuit inchis (i4;) r p * rezistenţa de polarizare ce este condiţionată de trecerea curentului care modi"ică potenţialul electrozilor ;
r =
E ! d
r i = r ; +
, unde # p * tensiunea de polarizare, Od - curentul de descărcare. 0e o'ţine& E ! d
(H)
reprezintă cantitatea de materie activă ce se poate trans"orma prin reacţii chimice redox de la electrozi !n energie chimică, "iind exprimată !n Ih. Capacitatea teoretică maximă QT este dată de cantitatea totală de sarcină eli'erată !n circuitul exterior de numărul total de moli oxidanţi la trecerea unui curent Od !ntr-un interval de timp& , Caacitatea ilelor electrice
t
#T = ∫ ! d ⋅ dt = "FN ox
(@)
;
unde& N ox =
i∆t "F
- numărul de moli de reactant oxidanţi
z- numărul de electroni trans"eraţi Capacitatea nominală Q n
reprezintă capacitatea practică ce se o'ţine prin
descărcarea acumulatorului. umărul de cicluri de !ncărcare-descărcare depinde de gradul de descărcare& dacă acumulatorul a "ost descărcat !n proporţie de 73 numărul de cicluri este de ordinul miilor dar dacă s-au produs descărcări !n proporţie de H73, numărul de cicluri se reduce la câteva sute. Cunoscând valoarea curentului i timpul de descărcare se poate calcula capacitatea acumulatorului& t f
t f
# = ∫ ! (t ) dt = ! ∫ ! (t )dt t
= ! (t f −t )
t
1. Gra!l e !tili*are 2
(6)
η =
m $
⋅ #d
(5;)
unde& N - masa de su'stanţa activă iniţială= N - masa de su'stanţa activă consumată= d * capacitatea de descărcare . P!terea ilelor electrice
P4 # 'IOd
A!toe%c+rcare (A) ac!"!lator!l!i * reprezintă pierderea iniţială
a capacităţii pilei când circuitul este deschis. cest proces este provocat de reacţiile chimice nedorite !ntre electrozi i soluţiile de electrolit. utodescărcarea se evaluează cantitativ !n procesele pierderii capacităţii !n 1 ore. % =
#5 − # #5t
⋅ 5;;
(55)
unde& 5i reprezintă capacităţile sursei !nainte i după descărcare= t * durata de păstrare 0 Ra$a"e$t!l e$eretic se calculează cu relaţia& td
∫ ! d E d ∆t
η en
=
; ti
,
(5)
∫ ! d E i ∆t ;
unde #d i #i reprezintă tensiunea la 'orne !n timpul descărcării respectiv !ncărcării E$talia li#er+ a !$ei ile se calculează cu relaţia& (52) ∆& o = − "FE # * t.e.m= z- z este numărul de electroni !n reacţia de la anod i la catod= ci"ra lui arada> 4 6?7;;s. realizarea de pile electrice. 0tudenţii tre'uie să construiască pile electrice, alegânt electrozii, electroliţi, ţinând cont de valoare potenţialului de electrod. Aarat!r+ – lucrarea se realizează virtual. 3co!l l!cr+rii4
Mo!l e l!cr!4
5. 0e realizează montaJul experimental * virtual pentru toate pilele electrice. 0e aleg electrozii ţinând cont de valoare potenţialului de electrod. ε %l 2+ $ %l
= −5,??' = ε %g
+
$ %g
= + ;,H6' = ε $g
+
$ $g
= − ,2H' = ε Cu $Cu = + ;,21' = ε Sn +
+
$Sn
= − ;,51 '=
Pre*e$tarea 5i i$terretarea re*!ltatelor
5. 0e vor trece !n ta'el elementele galvanice realizate i se va calcula t.e.m. Ele"e$t!l al6a$ic reali*at
Ecalc (7)
. 0ă se scrie reacţiile de la electrozi pentru "iecare pilă electrică !n parte realizată.
1
Te"+ e ca%a 1 %antul
electochimic al acumulatorului e- i este (-) e$B+ $i++(8), să se scrie reacţiile care au loc !n timpul "uncţionării. 2 Pentru reacţia de descărcare a acumulatorului de P' se cunosc valorile entalpiei li'ere de "ormare standard ∆Q ;6@ (Rcal$ mol), după cum urmează&
0u'stanţa P' P'+ 0+1 P'0+1 + ∆Q ;6@ (Rcal$ mol) ; -7,2 -5H?,7 -562,6 -7?,H
a) 0crieţi reacţia glo'ală de descărcare a acumulatorului cu P'= ') 0ă se calculeze tensiunea electromotoare a acumulatorului. Ondicaţie& ∆Q o6@ = ∑ (ν∆Q o6@ ) rodusi − ∑ (ν ∆Q o6@ ) reac tan ti , Pentru pila i-Cd cu lanţul electrochimic (-) i$B+ $i++(8) potenţialul standard al anodului este -;,@5 <, iar cel al catodului de ;, 16 <. Eacă la 7 oC, trece un curent de descărcare de 5;; m& a) să se scrie reacţiile la anod i catod= ') 0ă se calculeze t.e.m i puterea pilei 8 Pila etalon Feston cu lanţul electrochimic (8) g$g 0+1$Cd 0+1$Cdg (-), !n care reacţia de celulă este& Cd 8 g0+1 Cd8 8 g 8 0+ 1:ensiunea electromotoare, #, depinde de temperatură i este dată de ecuaţia& # 4 5,;5@2 8 1,;?I5;-7 (t-;) * 6,7 I5;-H (t-;) 8 5;-6 (t-;)2 0ă se calculeze t.em. i entalpia li'eră standard ∆Q ;6@ , la temperatura de 7 o C i puterea pilei dacă trece un curent de descărcare de ;,1 . . 0ă se calculeze tensiunea unei pile dacă are puterea maximă de ;,7 F iar densiunea de descărcare de 1;; m. 0ă se calculeze de câte pile de tip iN care au tensiunea de 5, < este nevoie pentru a !nlocui o singură pilă de tip %i-ion care alimentează un montaJ cu tensiunea de lucru de 2,7 <. 0ă se calculeze curentul de descărcare cunoscând că puterea pilei este de 7,7 F.
7
