Baterijos, kuro elementai ir korozija

Svarbios baterijos panaudojamos atsargos ir veikimo režimas

Pirminis elementas skirtas vienkartiniam naudojimui; antrinį elementą galima įkrauti tinkamai suprojektuotu, išorinės energijos varomu procesu. Sukauptos reaguojančios medžiagos, elektrodų struktūra ir veikimo sąlygos riboja tai, ką elementas gali atiduoti. Galimybė įkrauti yra įrenginio ir jo cheminės sistemos savybė, o ne leidimas eksperimentiškai apgręžti kiekvieno pirminio elemento reakcijas.

Įkraunant, anodo ir katodo vaidmenys, griežtai apibrėžti pagal juose vykstančias reakcijas, gali apsikeisti, palyginti su iškrovimu. Siekiant išvengti dviprasmybės, tie patys fiziniai elektrodai dažnai vadinami teigiamuoju ir neigiamuoju elektrodais. Priskirdami oksidaciją, redukciją ir poliškumą, nurodykite veikimo režimą.

Ampervalandės ir vatvalandės apibūdina skirtingus dydžius

Atiduotas kiekis ampervalandėmis yra krūvio matas: 1 A h = 3600 C. Elektros energija yra ∫V dq_el. Jei pateikta vidutinė įtampa tinkamai pasverta pagal atiduotą krūvį, energija yra V_meanq_el; padauginti bet kurią galinio taško įtampą iš viso krūvio nebūtinai yra teisinga.

Originalus hipotetinis elementas atiduoda 2.00 A h, o jo pagal krūvį svertinė vidutinė įtampa esant apkrovai yra 3.70 V. Jis atiduoda 7.20 × 10³ C krūvį ir 26.6 kJ, arba 7.40 W h, elektros energijos. Tai pateikti pavyzdiniai atiduodamų dydžių duomenys, o ne tikros baterijos specifikacija ar teiginys apie jos cheminį naudingumą.

Tiekiamo kuro reakcijos ir krūvininkų keliai

Kuro elemente naudojami iš išorės tiekiami reagentai, o ne vien sukauptos reaguojančių medžiagų atsargos. Nurodytame vandenilio kuro elemento su protonų mainų membrana modelyje vandenilio oksidacija yra H₂ → 2 H⁺ + 2e⁻, o deguonies redukcija – (1/2)O₂ + 2 H⁺ + 2e⁻ → H₂O. Protonai pereina per membraną, o elektronai juda išorine grandine. Kitose elektrolitų technologijose krūvį gali pernešti kiti jonai.

Idealiuoju atveju elektrochemiškai sunaudojus 0.0100 mol H₂, pernešama 0.0200 mol elektronų, sunaudojama 0.00500 mol O₂ ir susidaro 0.0100 mol vandens, o perneštas krūvis yra maždaug 1.93 × 10³ C. Jei kuras panaudojamas nevisiškai, tiekiamo kuro kiekis gali viršyti sunaudotą kiekį. Vanduo veikiančio elemento išvade neįrodo, kad per visą gyvavimo ciklą emisijos yra nulinės; svarbi vandenilio gamyba ir sistemos ribos.

Vietinės reakcijos gali susisieti viename metalo paviršiuje

Vykstant korozijai, metalo oksidacija vienoje paviršiaus srityje gali susisieti su katodine reakcija kitoje srityje per elektronų ir jonų judėjimo kelius. Nurodytame modelyje, kuriame geležis yra neutraliame deguonies turinčiame vandenyje, oksidacija yra Fe → Fe²⁺ + 2e⁻, o katodinė deguonies reakcija – O₂ + 2 H₂O + 4e⁻ → 4 OH⁻. Padvigubinus geležies oksidacijos lygtį, keturi elektronai sutrumpinami; dėl tolesnio nuosėdų susidarymo ir oksidacijos gali susidaryti įvairios sudėties hidratuoti rūdžių produktai.

Vien termodinaminis polinkis nenusako korozijos greičio. Svarbi aplinka, pernaša ir pasyviosios plėvelės elgsena. Katodinei apsaugai galima naudoti prijungtą protektorinį metalą, tačiau jos veiksmingumas priklauso nuo aplinkos, išliekančio elektrinio kontakto ir turimo apsauginės medžiagos kiekio. Rūdys ne visais atvejais yra viena konkreti gryno Fe₂O₃ fazė ar savaime apsauganti plėvelė.

Išnagrinėti pavyzdžiai

Pabandykite patys

1. Ar ampervalandė tiesiogiai matuoja elektros energiją?

   Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

   Ne.

   Ji matuoja elektros krūvį; energijai nustatyti taip pat reikia žinoti įtampos kitimo eigą.

2. Kokia vidutinė įtampa leidžia taikyti lygybę energija = V_meanq_el, kai įtampa kinta?

   Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

   Elektros krūviu svertinis vidurkis.

   Jis atitinka įtampą energijos integrale pagal perduotą elektros krūvį.

3. Ar nurodytame PEM modelyje elektronai pereina per membraną kartu su protonais?

   Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

   Ne.

   Protonai pereina per membraną, o elektronai juda išoriniu laidžiu keliu.

4. Ar vien potencialų lentelė leidžia nustatyti realaus metalo korozijos greitį?

   Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

   Ne.

   Taip pat svarbios kinetika, aplinka, pernaša ir plėvelės elgsena.

Ką verta įsidėmėti

• Atskirkite sukauptas atsargas, pakartotinį įkrovimą ir išorinį kuro tiekimą.
• Krūvis nėra energija; išsaugokite įtampos kitimo esant apkrovai istoriją.
• Prieš apibūdindami joninį krūvio nešiklį, įvardykite kuro elemento elektrolitą.
• Polinkiui į koroziją, jos greičiui ir apsaugos veiksmingumui įvertinti reikia skirtingų duomenų.