Какие виды химических источников тока вы знаете

Основные химические источники электроэнергии

Химические источники тока — это устройства и приборы которые в процессе химической окислительно-восстановительной реакции выделяют напряжение. Также они называются электрохимическими, гальваническими элементами. Основной принцип действия их основан на взаимодействии химических реагентов которые вступая, в реакцию друг с другом вырабатывают электроэнергию, в виде постоянного тока. Этот процесс происходит без механического или теплового воздействия, что является основными факторами играющими превосходящую роль среди других генераторов постоянного напряжения. Химические источники тока, сокращённо ХИТ, уже давно нашли применение не только в быту, но и на производстве.

Немного истории создания ХИТ

Батарея Вольта

Ещё в восемнадцатом веке итальянский учёный Луиджи Гальвани придумал простейший элемент который химическим способом выделял электрический ток. Однако он был не только учёным, но и физиком, врачом, физиологом. Он интересовался и проводил опыты которые были направлены на изучение реакции животных на внешние раздражители. Как и всё гениальное первый химический источник энергии был получен Луиджи абсолютно случайно, во время многочисленных экспериментов над лягушками. После присоединения двух пластин из металла к лягушачьей мышце на лапке, было замечено мускульное сокращение. Гальвани посчитал это нервной реакцией на внешний раздражитель и изложил это в результатах своих исследований, попавших в руки другого великого учёного Алессандро Вольта. Он и выложил свою теорию о возникновении напряжения в результате химической реакции, возникшей между двумя металлическими пластинами в среде мускульной ткани лягушки.

Первый химический источник электрического тока представлял собой емкость с соляным составом, в который было погружено две пластины из разных материалов. Одна из меди, другая из цинка. Именно это устройство в будущем, а конкретнее во второй половине девятнадцатого века, было применено при изобретении и создании марганцево-цинкового элемента внутри которого был тот же солевой электролит.

Принцип действия

Принцип действия химического источника питания

Устройства вырабатывающее электрический ток содержит два электрода, которые помещаются между электролитом. Именно на их границе соприкосновения и появляется небольшой потенциал. Один из них называют катодом, а другой анодом. Все эти элементы вместе образуют электрохимическую систему.
Во время возникновения окислительно-восстановительной реакции между электродами один элемент отдаёт мельчайшие частицы электроны другому. Поэтому она и не может происходить вечно, а со временем просто теряются свойства каждого элемента этой цепи.
Электроды могут быть представлены в виде пластин или решёток из металла. После погружения их в среду с электролитом меду их выводами возникает разность потенциалов, которая именуется напряжением разомкнутой цепи. Даже при удалении хотя бы одного из электродов с электролита процесс генерации напряжения прекращается.

Состав электрохимических систем

В качестве электролита используются следующие химические вещества:

Водные растворы на основе щелочей, кислот, солей и т. д.;
Растворы с ионной проводимостью на неводной основе, которые получены при растворении солей в неорганических или органических растворителях;
Твердые соединения, содержащие ионную решетку, где один из ионов является подвижным;
Матричные электролиты. Это особый вид жидких растворов и расплавов, которые находятся в порах твёрдого непроводящего элемента — электроносителя;
Расплавы солей;
Ионообменные электролиты с униполярной системой проводимости. Твёрдые тела с фиксированной ионогенной группой одного знака.

Классификация гальванических элементов и их подбор

Генераторы электрического тока получающегося во время химической реакции разделяются по:

Размерам;
Конструктивным особенностям;
Способу и реагенту, за счёт которого, и получается электроэнергия.

Все элементы вырабатывающее ток во время химической реакции делятся на:

Заряжаемые, которые в процессе эксплуатации могут неоднократно заряжаться от источника постоянного тока, они называются аккумуляторами;
Не заряжаемые, то есть источники одноразового использования которые после завершения химической реакции просто приходят в негодность и должны быть утилизированы. Попросту это гальванический элемент или батарейка.

Для того чтобы подобрать источник электроэнергии, основанный на химической реакции, нужно понимать его характеристики, к которым относятся:

Напряжение между анодом и катодом при разомкнутой цепи. Этот показатель чаще всего зависит от выбранной электрохимической системы, а также концентрации и вылечены всех составляющих;
Мощность источника;
Показатель силы тока;
Емкость;
Электротехнические показатели, то есть количество циклов заряда и разряда;
Диапазон рабочих температур;
Срок хранения между тем временем как элемент был создан и до начала его эксплуатации;
Полный срок службы;
Прочность, то есть защита корпуса от различных механических повреждений и влияний, а также вибраций;
Положение работы, некоторые из них работают только в горизонтальных положениях;
Надёжность;
Простота в эксплуатации и обслуживании. В идеале отсутствие необходимости малейшего вмешательства в работу в течение всего срока эксплуатации.

При выборе нужной батареи или аккумулятора обязательно нужно учесть его электрические номиналы такие как напряжение и ток, а также ёмкость. Именно она является ключевой для сохранения работоспособности, подключаемого к источнику прибора.

Современные химические источники тока и их применение

Современный источник тока

Современный быт человека тяжело приставить без этих мобильных генераторов энергии, с которыми он сталкивается в течение всей жизни, начиная с детских игрушек и заканчивая, допустим, автомобилем.
Сферы применения различных батареек и аккумуляторов настолько разнообразны что перечислить их очень сложно. Работа любого мобильного телефона, компьютера, ноутбука, часов, пульта дистанционного управления была бы невозможна без этого переносного и очень компактного устройства для создания стабильного электрического заряда.
В медицине широко используются источники химической энергии при создании любого аппарата, помогающего человеку полноценно жить. Например, для слуховых аппаратов и электрокардиостимуляторов которые могут работать только от переносных источников напряжения, чтобы не сковывать человека проводами.
В производстве применяются целые системы аккумуляторных батарей для обеспечения напряжением цепей отключения и защит в случае пропадания входящего высокого напряжения на подстанциях. И также широко применяется это питание во всех транспортных средствах, военной и космической технике.
Одним из видов распространённых батарей являются литиевые источники электрического тока, так как именно этот элемент обладает высоким показателем удельной энергии. Дело в том что только этот химический элемент, оказывается, обладает сильным отрицательным потенциалом среди всех известных и изученных человеком веществ. Литий-ионные батареи выделяются среди всех остальных элементов питания по величине вырабатываемой энергии и низким габаритам, что позволяет применять их в самых компактных и мелких электронных устройствах.

Способы утилизации химических источников энергии

Батарейка

Проблема утилизации разных по габаритах химических источников напряжения является экологической проблемой всей планеты. Современные источники содержат в себе до тридцати химических элементов которые могут нанесите ощутимый вред природным ресурсам, поэтому для их утилизации разработаны целые программы и построены специализированные цеха по переработке. Некоторые методы позволяют не только качественно перерабатывать эти вредные вещества, но и возвращать в производство, тем самым защитив окружающую среду. В целях извлечения цветных металлов из батарей и аккумуляторов в настоящий момент разработаны и применены в цивилизованных странах, следящих и заботящихся об окружающей среде, целые пирометаллургические и гидрометаллургические комплексы. Самый же распространённый способ утилизации отработанных химических источников тока является метод, работающий на соединении этих процессов. Главным его достоинством считается высокая степень извлечения с минимальным количеством отходов.
Этот метод пирометаллургической, гидрометаллургической и механической переработки включает в себя восемь основных стадий:

Измельчение;
Магнитная сепарация;
Обжиг;
Дополнительное измельчение;
Выделение крупных и мелких элементов с помощью грохочения;
Водное очищение и выщелачивание;
Сернокислотное выщелачивание;
Электролиз.

Организация правильного сбора и утилизации ХИТ позволяет максимально уменьшить негативное влияние как на окружающую природу, так и на здоровье самого человека.

Источники тока химические. Виды химических источников тока и их устройство

Источники тока химические (сокращенно ХИТ) — приспособления, в которых энергия окислительно-восстановительной реакции преобразуется в электрическую. Другие их названия — электрохимический элемент, гальванический элемент, электрохимическая ячейка. Принцип их действия заключается в следующем: в результате взаимодействия двух реагентов происходит химическая реакция с выделением энергии постоянного электрического тока. В прочих источниках тока процесс получения электроэнергии происходит по многоступенчатой схеме. Сначала выделяется тепловая энергия, затем она превращается в механическую и лишь после этого в электрическую. Преимущество ХИТ — одноступенчатость процесса, то есть электричество получается сразу, минуя стадии получения тепловой и механической энергий.

источники тока химические

История

Как появились первые источники тока? Химические источники получили название гальванических элементов в честь итальянского ученого восемнадцатого века — Луиджи Гальвани. Он был врачом, анатомом, физиологом и физиком. Одним из направлений его исследований было изучение реакций животных на различные внешние воздействия. Химический способ получения электроэнергии был открыт Гальвани случайно, во время одного из опытов над лягушками. Он подсоединил к оголенному нерву на лягушачьей лапке две металлические пластины. При этом произошло мускульное сокращение. Собственное объяснение этого явления Гальвани было неверным. Но результаты его опытов и наблюдений помогли его соотечественнику Алессандро Вольта в последующих исследованиях.

Вольта изложил в своих трудах теорию возникновения электрического тока в результате химической реакции между двумя металлами при контакте с мускульной тканью лягушки. Первый химический источник тока выглядел как емкость с соляным раствором, с погруженными в него пластинами из цинка и меди.

В промышленных масштабах ХИТ начали производиться еще во второй половине девятнадцатого века, благодаря французу Лекланше, который изобрел первичный марганцево-цинковый элемент с солевым электролитом, названный его именем. Через несколько лет эта электрохимическая ячейка была усовершенствована другим ученым и являлась единственным первичным химическим источником тока до 1940 года.

первые источники тока химические источники

Устройство и принцип работы ХИТ

Устройство химических источников тока включает в себя два электрода (проводники первого рода) и находящийся между ними электролит (проводник второго рода, или ионный проводник). На границе между ними возникает электронный потенциал. Электрод, на котором происходит окисление восстановителя называют анодом, а тот, на котором происходит восстановление окислителя, — катодом. Вместе с электролитом они составляют электрохимическую систему.

Побочным результатом окислительно-восстановительной реакции между электродами является возникновение электрического тока. Во время такой реакции восстановитель окисляется и отдает электроны окислителю, который их принимает и за счет этого восстанавливается. Присутствие между катодом и анодом электролита является необходимым условием реакции. Если просто смешать между собой порошки из двух разных металлов, никакого выделения электроэнергии не произойдет, вся энергия выделится в виде тепла. Электролит нужен, чтобы упорядочить процесс перехода электронов. Чаще всего в его качестве выступает солевой раствор или расплав.

Электроды выглядят как металлические пластины или решетки. При их погружении в электролит возникает разность электрических потенциалов между ними — напряжение разомкнутой цепи. Анод имеет тенденцию к отдаче электронов, а катод — к их принятию. На их поверхности начинаются химические реакции. Они прекращаются при размыкании цепи, а также когда израсходован один из реагентов. Размыкание цепи происходит при удалении одного из электродов или электролита.

виды химических источников тока

Состав электрохимических систем

Источники тока химические в качестве окислителей используют кислородсодержащие кислоты и соли, кислород, галоиды, высшие оксиды металлов, нитроорганические соединения и т. д. Восстановителями в них являются металлы и их низшие оксиды, водород и углеводородные соединения. Как электролиты используются:

Водные растворы кислот, щелочей, солевые и т. д.
Неводные растворы с ионной проводимостью, полученные при растворении солей в органических или неорганических растворителях.
Расплавы солей.
Твердые соединения с ионной решеткой, в которой один из ионов подвижен.
Матричные электролиты. Это жидкие растворы или расплавы, находящиеся в порах твердого непроводящего тела — электроносителя.
Ионообменные электролиты. Это твердые соединения с фиксированными ионогенными группами одного знака. Ионы другого знака при этом подвижны. Это свойство делает проводимость такого электролита униполярной.

химические источники тока аккумуляторы

Гальванические батареи

Источники тока химические состоят из гальванических элементов — ячеек. Напряжение в одной из таких ячеек невелико — от 0,5 до 4В. В зависимости от потребности, в ХИТ используют гальваническую батарею, состоящую из нескольких последовательно соединенных элементов. Иногда применяется параллельное или последовательно-параллельное соединение нескольких элементов. В последовательную цепь всегда включают исключительно одинаковые первичные ячейки или аккумуляторы. Они должны иметь одни и те же параметры: электрохимическую систему, конструкцию, технологический вариант и типоразмер. Для параллельного соединения допустимо использование элементов разного типоразмера.

устройство химических источников тока

Классификация ХИТ

Химические источники тока отличаются по:

размеру;
конструкции;
реагентам;
природе энергообразующей реакции.

Эти параметры определяют эксплуатационные свойства ХИТ, подходящие для конкретной области применения.

Классификация электрохимических элементов основана на различии в принципе работы устройства. В зависимости от этих характеристик, различают:

Первичные химические источники тока — элементы одноразового действия. В них имеется определенный запас реагентов, который расходуется при реакции. После полного разряда такая ячейка теряет работоспособность. По-другому первичные ХИТ называют гальваническими элементами. Верным будет и называть их просто — элемент. Самые простые примеры первичного источника питания — «батарейка» А-А.
Перезаряжаемые химические источники тока — аккумуляторы (их также называют вторичными, обратимыми ХИТ) являются многоразовыми элементами. Путем пропускания тока от внешней цепи в обратном направлении через аккумулятор после полного разряда израсходованные реагенты регенерируются, вновь накапливая химическую энергию (заряжаясь). Благодаря возможности подзарядки от внешнего постоянного источника тока это устройство используется в течение долгого времени, с перерывами на подзарядку. Процесс выработки электрической энергии называется разрядом аккумулятора. К таким ХИТ можно отнести элементы питания многих электронных устройств (ноутбуки, мобильные телефоны и т. п.).
Тепловые химические источники тока — приборы непрерывного действия. В процессе их работы происходит непрерывное поступление новых порций реагентов и удаление продуктов реакции.
В комбинированных (полутопливных) гальванических элементах имеется запас одного из реагентов. Второй подается в устройство извне. Срок работы устройства зависит от запаса первого реагента. Комбинированные химические источники электрического тока используются как аккумуляторы, если есть возможность восстановления их заряда путем пропускания тока от внешнего источника.
ХИТ возобновляемые перезаряжаются механическим или химическим путем. Для них существует возможность замены после полного разряда израсходованных реагентов на новые порции. То есть они не являются устройствами непрерывного действия, а, подобно аккумуляторам, периодически подзаряжаются.

химические источники электрического тока

Характеристики ХИТ

К основным характеристикам химических источников тока относятся:

Напряжение разомкнутой цепи (НРЦ или разрядное напряжение). Этот показатель, прежде всего, зависит от выбранной электрохимической системы (сочетание восстановителя, окислителя и электролита). Также на НРЦ влияют концентрация электролита, степень разряженности, температура и другое. НРЦ зависит от значения проходящего через ХИТ тока.
Мощность.
Ток разряда — зависит от сопротивления внешней цепи.
Емкость — максимальной количество электричества, которое ХИТ отдает при полном его разряде.
Энергозапас — максимальная энергия, получаемая при полном разряде устройства.
Энергетические характеристики. Для аккумуляторов, это, прежде всего, гарантированное количество зарядно-разрядных циклов без снижения емкости или напряжения заряда (ресурс).
Температурный диапазон работоспособности.
Срок сохраняемости — максимально допустимый промежуток времени между изготовлением и первым разрядом устройства.
Срок службы — максимально допустимый общий срок хранения и работы. Для топливных элементов значение имеют сроки службы при непрерывной и прерывистой работе.
Общая энергия, отдаваемая за весь срок службы.
Механическая прочность по отношению к вибрации, ударам и т. п.
Возможность работы в любом положении.
Надежность.
Простота в обслуживании.

химические источники тока

Требования к ХИТ

Конструкция электрохимических элементов должна обеспечивать условия, способствующие наиболее эффективному протеканию реакции. К этим условиям относятся:

предотвращение утечек тока;
равномерная работа;
механическая прочность (в том числе герметичность);
разделение реагентов;
хороший контакт между электродами и электролитом;
отвод тока от зоны реакции до внешнего вывода с минимальными потерями.

Источники тока химические должны отвечать следующим общим требованиям:

самые высокие значения удельных параметров;
максимальный температурный интервал работоспособности;
самое большое напряжение;
минимальная стоимость единицы энергии;
стабильность напряжения;
сохранность заряда;
безопасность;
простота обслуживания, а в идеале отсутствие необходимости в нем;
длительный срок службы.

Эксплуатация ХИТ

Главное преимущество первичных гальванических элементов — отсутствие необходимости какого-либо обслуживания. Перед началом их использования достаточно провести проверку внешнего вида, срока годности. При подключении важно соблюсти полярность и проверить целостность контактов прибора. Более сложные химические источники тока — аккумуляторы, требуют уже более серьезного ухода. Цель их обслуживания — максимальное продление срока службы. Уход за аккумуляторной батареей заключается в:

поддержании чистоты;
контроле напряжения разомкнутой цепи;
поддержании уровня электролита (для доливки можно использовать только дистиллированную воду);
контроле концентрации электролита (с помощью ареометра — простого прибора для измерения плотности жидкостей).

При эксплуатации гальванических элементов необходимо соблюдать все требования, относящиеся к безопасному использованию электроприборов.

Классификация ХИТ по электрохимическим системам

Виды химических источников тока, в зависимости от системы:

свинцовые (кислотные);
никель-кадмиевые, никель-железные, никель-цинковые;
марганцево-цинковые, медно-цинковые, ртутно-цинковые, хлорно-цинковые;
серебряно-цинковые, серебряно-кадмиевые;
воздушно-металлические;
никель-водородные и серебряно-водородные;
марганцево-магниевые;
литиевые и т. д.

Современное применение ХИТ

Источники тока химические в настоящее время применяются в:

транспортных средствах;
переносных приборах;
военной и космической технике;
научном оборудовании;
медицине (электрокардиостимуляторы).

Привычные примеры ХИТ в быту:

батарейки (сухие батареи);
аккумуляторные батареи переносных бытовых приборов и электроники;
источники бесперебойного питания;
автомобильные аккумуляторы.

Особенно широкое применение получили литиевые химические источники тока. Это связано с тем, что литий (Li) обладает самой высокой удельной энергией. Дело в том, что он отличается самым отрицательным электродным потенциалом среди всех прочих металлов. Литий-ионные аккумуляторы (ЛИА) опережают все прочие ХИТ по величинам удельной энергии и рабочего напряжения. Сейчас они постепенно осваивают новую сферу — автомобильный транспорт. В дальнейшем разработки ученых, связанные с усовершенствованием литиевых элементов питания, будут двигаться в направлении сверхтонких конструкций и крупных сверхмощных аккумуляторных батарей.

Химия и ток

В современной жизни химические источники тока окружают нас повсюду: это батарейки в фонариках, аккумуляторы в мобильных телефонах, водородные топливные элементы, которые уже используются в некоторых автомобилях. Бурное развитие электрохимических технологий может привести к тому, что уже в ближайшее время вместо машин на бензиновых двигателях нас будут окружать только электромобили, телефоны перестанут быстро разряжаться, а в каждом доме будет свой собственный электрогенератор на топливных элементах. Повышению эффективности электрохимических накопителей и генераторов электроэнергии посвящена одна из совместных программ Уральского федерального университета с Институтом высокотемпературной электрохимии УрО РАН, в партнерстве с которыми мы публикуем эту статью.

На сегодняшний день существует множество разных типов батареек, среди которых все сложнее ориентироваться. Далеко не каждому очевидно, чем аккумулятор отличается от суперконденсатора и почему водородный топливный элемент можно использовать, не опасаясь нанести вред окружающей среде. В этой статье мы расскажем о том, как для получения электроэнергии используются химические реакции, в чем разница между основными типами современных химических источников тока и какие перспективы открываются перед электрохимической энергетикой.

Химия как источник электричества

Сначала разберемся, почему химическую энергию вообще можно использовать для получения электричества. Все дело в том, что при окислительно-восстановительных реакциях происходит перенос электронов между двумя разными ионами. Если две половины химической реакции разнести в пространстве, чтобы окисление и восстановление проходили отдельно друг от друга, то можно сделать так, чтобы электрон, который отрывается от одного иона, не сразу попадал на второй, а сначала прошел по заранее заданному для него пути. Такую реакцию можно использовать как источник электрического тока.

Впервые эта концепция была реализована еще в XVIII веке итальянским физиологом Луиджи Гальвани. Действие традиционного гальванического элемента основано на реакциях восстановления и окисления металлов с разной активностью. Например, классической ячейкой является гальванический элемент, в котором происходит окисление цинка и восстановление меди. Реакции восстановления и окисления проходят, соответственно, на катоде и аноде. А чтобы ионы меди и цинка не попадали на «чужую территорию», где они могут прореагировать друг с другом непосредственно, между анодом и катодом обычно помещают специальную мембрану. В результате между электродами возникает разность потенциалов. Если соединить электроды, например, с лампочкой, то в получившейся электрической цепи начинает течь ток и лампочка загорается.

Помимо материалов анода и катода, важной составляющей химического источника тока является электролит, внутри которого движутся ионы и на границе которого с электродами протекают все электрохимические реакции. При этом электролит не обязательно должен быть жидким — это может быть и полимерный, и керамический материал.

Основным недостатком гальванического элемента является ограниченное время его работы. Как только реакция пройдет до конца (то есть будет полностью израсходован весь постепенно растворяющийся анод), такой элемент просто перестанет работать.

Возможность перезарядки

Первым шагом к расширению возможностей химических источников тока стало создание аккумулятора — источника тока, который можно перезаряжать и поэтому использовать многократно. Для этого ученые просто предложили использовать обратимые химические реакции. Полностью разрядив аккумулятор в первый раз, с помощью внешнего источника тока прошедшую в нем реакцию можно запустить в обратном направлении. Это восстановит исходное состояние, так что после перезарядки батарею можно будет использовать заново.

На сегодня создано много различных типов аккумуляторов, которые отличаются типом происходящей в них химической реакции. Наиболее распространенными типами аккумуляторов являются свинцово-кислотные (или просто свинцовые) аккумуляторы, в основе которых лежит реакция окисления-восстановления свинца. Такие устройства обладают довольно длительным сроком службы, а их энергоемкость составляет до 60 ватт-часов на килограмм. Еще более популярными в последнее время являются литий-ионные аккумуляторы, основанные на реакции окисления-восстановления лития. Энергоемкость современных литий-ионных аккумуляторов сейчас превышает 250 ватт-часов на килограмм.

Основными проблемами литий-ионных аккумуляторов являются их небольшая эффективность при отрицательных температурах, быстрое старение и повышенная взрывоопасность. А из-за того, что металлический литий очень активно реагирует с водой с образованием газообразного водорода и при горении аккумулятора выделяется кислород, самовозгорание литий-ионного аккумулятора очень тяжело поддается традиционным способам пожаротушения. Для того чтобы повысить безопасность такого аккумулятора и ускорить время его зарядки, ученые предлагают модифицировать материал катода, воспрепятствовав образованию дендритных литиевых структур, а в электролит добавить вещества, которые блокируют образование взрывоопасных структур, и компоненты, подавляющие возгорание на ранних стадиях.

Твердый электролит

В качестве другого менее очевидного способа повышения эффективности и безопасности батарей, химики предложили не ограничиваться в химических источниках тока жидкими электролитами, а создать полностью твердотельный источник тока. В таких устройствах вообще нет жидких компонентов, а есть слоистая структура из твердого анода, твердого катода и твердого же электролита между ними. Электролит при этом одновременно выполняет и функцию мембраны. Носителями заряда в твердом электролите могут быть различные ионы — в зависимости от его состава и тех реакций, которые проходят на аноде и катоде. Но всегда ими являются достаточно маленькие ионы, которые могут относительно свободно перемещаться по кристаллу, например протоны H + , ионы лития Li + или ионы кислорода O 2- .

Водородные топливные элементы

Возможность перезарядки и специальные меры безопасности делают аккумуляторы значительно более перспективными источниками тока, чем обычные батарейки, но все равно каждый аккумулятор содержит внутри себя ограниченное количество реагентов, а значит, и ограниченный запас энергии, и каждый раз аккумулятор необходимо заново заряжать для возобновления его работоспособности.

Чтобы сделать батарейку «бесконечной», в качестве источника энергии можно использовать не те вещества, которые находятся внутри ячейки, а специально прокачиваемое через нее топливо. Лучше всего в качестве такого топлива подойдет вещество, максимально простое по составу, экологически чистое и имеющееся в достатке на Земле.

Наиболее подходящее вещество такого типа — газообразный водород. Его окисление кислородом воздуха с образованием воды (по реакции 2H₂ + O₂ → 2H₂O) является простой окислительно-восстановительной реакцией, а транспорт электронов между ионами тоже можно использовать в качестве источника тока. Протекающая при этом реакция является своего рода обратной реакцией к реакции электролиза воды (при котором под действием электрического тока вода разлагается на кислород и водород), и впервые такая схема была предложена еще в середине XIX века.

Но несмотря на то, что схема выглядит довольно простой, создать основанное на этом принципе эффективно работающее устройство — совсем не тривиальная задача. Для этого надо развести в пространстве потоки кислорода и водорода, обеспечить транспорт нужных ионов через электролит и снизить возможные потери энергии на всех этапах работы.

Схема работающего водородного топливного элемента очень похожа на схему химического источника тока, но содержит в себе дополнительные каналы для подачи топлива и окислителя и отвода продуктов реакции и избытка поданных газов. Электродами в таком элементе являются пористые проводящие катализаторы. К аноду подается газообразное топливо (водород), а к катоду — окислитель (кислород из воздуха), и на границе каждого из электродов с электролитом проходит своя полуреакция (окисление водорода и восстановление кислорода соответственно). При этом, в зависимости от типа топливного элемента и типа электролита, само образование воды может протекать или в анодном, или в катодном пространстве.

Если электролит является протонпроводящей полимерной или керамической мембраной, раствором кислоты или щелочи, то носителем заряда в электролите являются ионы водорода. В таком случае на аноде молекулярный водород окисляется до ионов водорода, которые проходят через электролит и там реагируют с кислородом. Если же носителем заряда является ион кислорода O 2– , как в случае твердооксидного электролита, то на катоде происходит восстановление кислорода до иона, этот ион проходит через электролит и окисляет на аноде водород с образованием воды и свободных электронов.

Кроме реакции окисления водорода для топливных элементов предложено использовать и другие типы реакций. Например, вместо водорода восстановительным топливом может быть метанол, который кислородом окисляется до углекислого газа и воды.

Эффективность топливных элементов

Несмотря на все преимущества водородных топливных элементов (такие как экологичность, практически неограниченный КПД, компактность размеров и высокая энергоемкость), они обладают и рядом недостатков. К ним относятся, в первую очередь, постепенное старение компонентов и сложности при хранении водорода. Именно над тем, как устранить эти недостатки, и работают сегодня ученые.

Повысить эффективность топливных элементов в настоящее время предлагается за счет изменения состава электролита, свойств электрода-катализатора, и геометрии системы (которая обеспечивает подачу топливных газов в нужную точку и снижает побочные эффекты). Для решения проблемы хранения газообразного водорода используют материалы, содержащие платину, для насыщения которых предлагают использовать, например, графеновые мембраны.

В результате удается добиться повышения стабильности работы топливного элемента и времени жизни его отдельных компонентов. Сейчас коэффициент преобразования химической энергии в электрическую в таких элементах достигает 80 процентов, а при определенных условиях может быть и еще выше.

Огромные перспективы водородной энергетики связывают с возможностью объединения топливных элементов в целые батареи, превращая их в электрогенераторы с большой мощностью. Уже сейчас электрогенераторы, работающие на водородных топливных элементах, имеют мощность до нескольких сотен киловатт и используются как источники питания транспортных средств.

Альтернативные электрохимические накопители

Помимо классических электрохимических источников тока, в качестве накопителей электроэнергии используют и более необычные системы. Одной из таких систем является суперконденсатор (или ионистор) — устройство, в котором разделение и накопление заряда происходит за счет образования двойного слоя вблизи заряженной поверхности. На границе электрод-электролит в таком устройстве в два слоя выстраиваются ионы разных знаков, так называемый «двойной электрический слой», образуя своеобразный очень тонкий конденсатор. Емкость такого конденсатора, то есть количество накопленного заряда, будет определяться удельной площадью поверхности электродного материала, поэтому в качестве материала для суперконденсаторов выгодно брать пористые материалы с максимальной удельной площадью поверхности.

Ионисторы являются рекордсменами среди зарядно-разрядных химических источников тока по скорости заряда, что является несомненным преимуществом данного типа устройств. К сожалению, они также являются рекордсменами и по скорости разряда. Энергоплотность ионисторов в восемь раз меньше по сравнению со свинцовыми аккумуляторами и в 25 раз меньше по сравнению с литий-ионными. Классические «двойнослойные» ионисторы не используют электрохимическую реакцию в своей основе, и к ним наиболее точно применим термин «конденсатор». Однако в тех вариантах исполнения ионисторов, в основе которых используется электрохимическая реакция и накопление заряда распространяется в глубину электрода, удается достичь более высоких времен разрядки при сохранении быстрой скорости заряда. Усилия разработчиков суперконденсаторов направлены на создание гибридных с аккумуляторами устройств, сочетающих в себе плюсы суперконденсаторов, в первую очередь высокую скорость заряда, и достоинства аккумуляторов — высокую энергоемкость и длительное время разряда. Представьте себе в ближайшем будущем аккумулятор-ионистор, который будет заряжаться за пару минут и обеспечивать работу ноутбука или смартфона в течение суток или более!

Несмотря на то, что сейчас плотность энергии суперконденсаторов пока в несколько раз меньше плотности энергии аккумуляторов, их используют в бытовой электронике и для двигателей различных транспортных средств, в том числе и в самых современных разработках.

Таким образом, на сегодня существует большое количество электрохимических устройств, каждое из которых перспективно для своих конкретных приложений. Для повышения эффективности работы этих устройств ученым необходимо решить ряд задач как фундаментального, так и технологического характера. Большинством этих задач в рамках одного из прорывных проектов занимаются в Уральском федеральном университете, поэтому о ближайших планах и перспективах по разработке современных топливных элементов мы попросили рассказать директора Института высокотемпературной электрохимии УрО РАН, профессора кафедры технологии электрохимических производств химико-технологического института Уральского федерального университета Максима Ананьева.

N + 1: Ожидается ли в ближайшем будущем какая-то альтернатива наиболее популярным сейчас литий-ионным аккумуляторам?

Максим Ананьев: Современные усилия разработчиков аккумуляторов направлены на замену типа носителя заряда в электролите с лития на натрий, калий, алюминий. В результате замены лития можно будет снизить стоимость аккумулятора, правда при этом пропорционально возрастут массо-габаритные характеристики. Иными словами, при одинаковых электрических характеристиках натрий-ионный аккумулятор будет больше и тяжелее по сравнению с литий-ионным.

Кроме того, одним из перспективных развивающихся направлений совершенствования аккумуляторов является создание гибридных химических источников энергии, основанных на совмещении металл-ионных аккумуляторов с воздушным электродом, как в топливных элементах. В целом, направление создания гибридных систем, как уже было показано на примере суперконденсаторов, по-видимому, в ближайшей перспективе позволит увидеть на рынке химические источники энергии, обладающие высокими потребительскими характеристиками.

Уральский федеральный университет совместно с академическими и индустриальными партнерами России и мира сегодня реализует шесть мегапроектов, которые сфокусированы на прорывных направлениях научных исследований. Один из таких проектов — «Перспективные технологии электрохимической энергетики от химического дизайна новых материалов к электрохимическим устройствам нового поколения для сохранения и преобразования энергии».

Группа ученых стратегической академической единицы (САЕ) Школа естественных наук и математики УрФУ, в которую входит Максим Ананьев, занимается проектированием и разработкой новых материалов и технологий, среди которых — топливные элементы, электролитические ячейки, металлграфеновые аккумуляторы, электрохимические системы аккумулирования электроэнергии и суперконденсаторы.

Исследования и научная работа ведутся в постоянном взаимодействии с Институтом высокотемпературной электрохимии УрО РАН и при поддержке партнеров.

Какие топливные элементы разрабатываются сейчас и имеют наибольший потенциал?

Одними из наиболее перспективных типов топливных элементов являются протонно-керамические элементы. Они обладают преимуществами перед полимерными топливными элементами с протонно-обменной мембраной и твердооксидными элементами, так как могут работать при прямой подаче углеводородного топлива. Это существенно упрощает конструкцию энергоустановки на основе протонно-керамических топливных элементов и систему управления, а следовательно, увеличивает надежность работы. Правда, такой тип топливных элементов на данный момент является исторически менее проработанным, но современные научные исследования позволяют надеяться на высокий потенциал данной технологии в будущем.

Какими проблемами, связанными с топливными элементами, занимаются сейчас в Уральском федеральном университете?

Сейчас ученые УрФУ совместно с Институтом высокотемпературной электрохимии (ИВТЭ) Уральского отделения Российской академии наук работают над созданием высокоэффективных электрохимических устройств и автономных генераторов электроэнергии для применений в распределенной энергетике. Создание энергоустановок для распределенной энергетики изначально подразумевает разработку гибридных систем на основе генератора электроэнергии и накопителя, в качестве которых выступают аккумуляторы. При этом топливный элемент работает постоянно, обеспечивая нагрузку в пиковые часы, а в холостом режиме заряжает аккумулятор, который может сам выступать резервом как в случае высокого энергопотребления, так и в случае внештатных ситуаций.

Наибольших успехов химики УрФУ и ИВТЭ достигли в области разработки твердо-оксидных и протонно-керамических топливных элементов. Начиная с 2016 года на Урале вместе с ГК «Росатом» создается первое в России производство энергоустановок на основе твердо-оксидных топливных элементов. Разработка уральских ученых уже прошла «натурные» испытания на станции катодной защиты газотрубопроводов на экспериментальной площадке ООО «Уралтрансгаз». Энергоустановка с номинальной мощностью 1,5 киловатта отработала более 10 тысяч часов и показала высокий потенциал применения таких устройств.

В рамках совместной лаборатории УрФУ и ИВТЭ ведутся разработки электрохимических устройств на основе протонпроводящей керамической мембраны. Это позволит в ближайшем будущем снизить рабочие температуры для твердо-оксидных топливных элементов с 900 до 500 градусов Цельсия и отказаться от предварительного риформинга углеводородного топлива, создав, таким образом, экономически эффективные электрохимические генераторы, способные работать в условиях развитой в России инфраструктуры газоснабжения.