Zdroje el. I ss, primární a sekundární zdroje, příklady zdrojů

Primární a sekundární elektrochemické články

 Úvod:   Elektrická energie je takzvanou ušlechtilou energií pro její hlavní výhody – možnost jednoduchých přenosů na jakékoliv vzdálenosti (1000-10000 km), lehký převod na jiné druhy energie. Ovšem má i nevýhody – tou hlavní je velmi špatná účinnost uskladňování tohoto druhu energie. A pravě elektrochemické články mají za úkol elektrickou energii uskladňovat s pokud možno největší účinností. Elektrochemické články se dělí na primární a sekundární a společně patří mezi elektrochemické zdroje el. proudu.

 Primární galvanické články:
– voltův galvanický článek (název je dán elektrochemickým systémem: Cu, Zn v roztoku CuSO₄ )
– suchý galvanický článek (tzv. Leclanché: MnO2 a Zn se znehybněným elektrolytem NH₄Cl (salmiak) a Hg pro aktivaci Zn elektrody (Protože se u nich při reakci uvolňuje H₂O, tak často „vytékaly“. Byly to běžně používané baterie za totalitního režimu.)
– zinkochloridový systém (dnes např. Wonder)
Depolarizace: vzdušná nebo chemická (burel MnO₂)
Elektrody: kladná – uhlík, záporná – zinek (Leclanche a zinkochloridové články mají elektrodu ve formě kalíšku)
Kapacita článku: kapacita je dána množstvím chem. látek zapracovaných do článku (větší článek má větší kapacitu); svůj vliv uplatňuje také depolarizátor, který určuje do jaké míry se chem. látky v článku spotřebují – možnost dostupnosti pro chemickou (elektrochemickou) reakci, nebo ještě lépe – kdy přestane reakce probíhat.
Jmenovité napětí: 1,5 V
Obvykle jsou články uzavřené, mechanicky pevné, otřesuvzdorné. Hlavní nevýhodou je, že články pouze dodávají el. energii, ale nejdou dobíjet (po vybití je musíme vyhodit, narozdíl od akumulátorů, které jdou dobíjet).
– Alkalické burelové články: elektrody jako Leclanché (uhlík, zinek), elektrolyt – hydroxid draselný KOH, článek je uzavřen v dvojitém ocelovém pouzdru. Elektroda je ve formě prášku smíchaná s elektrolytem na pastu. V jednom ocelovém pouzdře – to druhé je pouze obal a s článkem to nemá nic společného. Podobný obal (plech) může mít i Leclanche nebo jiné typy.
– Články s kysličníkem rtuti (oxid rtuti) nebo stříbra: kladná elektroda – rtuťová (směs oxidu rtuťnatého a grafitu), elektrolyt – KOH nebo NaOH, využití v knoflíkových bateriích (minimální rozměry).

 Sekundární galvanické články neboli akumulátory:
Nejdříve základní pojmy:
 Jmenovitá kapacita = vybíjecí proud násobený časem
 Jmenovité napětí = napětí na jednom článku při zatížení středním vybíjecím proudem. Bývá 1 až 2 V.
 Vnitřní odpor = poměr změny výstupního napětí ku změně zatěžovacího proudu (u dobrého nabitého akumulátoru je asi 0,001 až 0,01 ohmů)
 Doba života akumulátoru je dána počtem úplných cyklů nabití a vybití, který elektrody vydrží.
 Další provozní elektrické hodnoty akumulátorů: vybíjecí a nabíjecí proud (asi jedna desetina ampérhodin akumulátoru), doba nabíjení, vybíjecí napětí
Pro jednotlivé druhy článků jsou stanoveny tyto hodnoty příslušnou normou a technickými podmínkami výrobce.
 Stav akumulátoru: kontrola měřením hustoty elektrolytu, výstupního napětí popř. vnitřního odporu (POZOR vždy nutné měřit při zátěži)
 Nejpoužívanější akumulátory: olověné, nikloželezové, niklokadmiové, stříbrokadmiové, stříbrozinkové

Olověné akumulátory

Kladná elektroda: olověné desky (obrovského povrchu jako „houba“) pokryté PbO2 (část do série-roste napětí, a část do paralely-rostre kapacita)
 Záporná elektroda: čisté olovo
 Elektrolyt: zředěná H₂SO₄
– Vzdálenost mezi deskami je co nejmenší (malý vnitřní odpor). Mezi deskami jsou separátory (tenké mikroporézní destičky z umělých hmot).
 Vybíjení akumulátoru: z H₂SO₄ a Pb vzniká síran olovnatý PbSO₄ a voda. PbSO₄ se usazuje na deskách. Napětí při vybíjení se udržuje dlouho na 2 V na článek, dolní mez vybíjení je 1,75 V na článek. Hustota elektrolytu klesá na 1,1 g/cm³. V tomto okamžiku je nutné akumulátor znovu nabít (okamžitě).
PbSO₄ časem rekrystalizuje a je pak nerozpustný.
 Samovybíjení – samovolná tvorba PbSO₄  -> Když chceme akumulátor na delší dobu odstavit, musíme jej připojit na nabíječku a asi jednou mesíčně úplně vybít.
 Nabíjení akumulátoru: Chemické procesy probíhají opačným směrem než u vybíjení. Kladný pól zdroje připojujeme na plus pól baterie. Princip: Působením sil elektrického pole se rozkládají molekuly vody a síranu olovnatého a vznikají molekuly H₂SO₄. Zvyšuje se měrná hustota elektrolytu do té doby než se všechen PbSO₄ rozpustí. Před nabíjením je třeba odšroubovat zátky, aby vzniklé plyny mohly unikat ven (odvětrání místnosti). Proč? Po spotřebě    se začne nabíjecí proud spotřebovávat na elektrolýzu vody na vodík a kyslík => výbušný plyn => nutnost větrání. (Nabíjecí proud je jednocestně nebou dvoucestně usměrněný.)
 Životnost: Autobaterie – 4 až 6 roků (životnost asi 350 cyklů). Ale například speciální záložní akumulátory v elektrárnách vydrží až 10-15 let (životnost až 1000 cyklů je dosažena speciální konstrukcí). Dobu „života“ lze zvýšit pečlivou údržbou a vhodným provozem (Např. při delším ostavení připojit baterii na tzv. udržovací proud).
 Kapacita akumulátoru: Závisí na velikosti ploch elektrod. Mřížka z tvrdého olova Pb se zalije pastou, následuje tzv. formování (několik cyklů nabití a vybití akumulátoru před uvedením do provozu).
 Závislost kapacity na teplotě: Při nízkých teplotách klesá kapacita (značně). Např. Plně nabitý akumulátor má při teplotě -20°C kapacitu využitelnou jen na 25%.

Závady olověných akumulátorů a jejich příčiny

• Sulface – Projev: bílé zbarvení elektrod (krystalizace PbSO₄), malý výkon baterie, zvýšené plynování při nabíjení
  Náprava: Výměna (Pokud nejde o vyloženě zanedbaný stav tak lze nabíjet 1/3 nabíjecího proudu do úplného nabití.)
• Nabíjení velkým proudem – Projev: vysoká teplota elektrolytu, poškození separátorů, velké opotřebení kladné elektrody
• Přebíjení – podobné jako předchozí nabíjení velkým proudem
• Nedostatečné nabíjení – není rozpuštěn všechen síran olovnatý PbSO₄ – hrozí sulface
• Nadměrné nabití – Projev: rychlá sulface, deformace desek
• Doplňování elektrolytu kyselinou H₂SO₄ – Nemělo by se to dělat a když už, tak určitě při nabité baterii – může probíhat sulface vlivem nadměrné koncentrace kyseliny
• Doplňování elektrolytu obyčejnou vodou – vnešení nečistot => ztráta kapacity
• Nízká hladina elektrolytu – možnost poškození obnažených částí desek.
  Náprava: doplníme destilovanou vodou

Alkalické akumulátory

1. a) Nikloželezové (NiFe) a niklokadmiové (NiCd)
   Elektrolyt: vodný rostok hydroxidu draselného (1,2 g/cm³ při 20°C)
   Elektrody jsou ze železného plechu, ve kterém jsou kapsy nebo trubičky, do kterých je zalisována účinná hmota.
   Kladná deska: oxid nikelnatý
   Záporná deska: práškové železo Fe nebo kadmium Cd
   Jmenovité napětí na článek: 1,2 V
2. b) Stříbrozinkové
   Elektrolyt: vodný rostok hydroxidu draselného (1,40 – 1,42 g/cm³ při 20°C)
   Kladná elektroda: čistě porézní stříbro
   Záporná elektroda: sloučenina zinku
   Jmenovité napětí na článek: 1,5 V
   Velká měrná kapacita: 70 Ah/kg (ampérhodin na kilogram)
3. c) Stříbrokadmiové
   Podobný jako stříbrozinkový akumulátor.
   Kladná stříbrná elektroda je tvořena směsí oxidu stříbra a grafitu.
   Jmenovité napětí na článek: 1 V

Nové druhy článků

1) Elektrochemické palivové články
 Přeměňují chemickou energii na elektrickou. Přiváděné palivo se okysličuje tzv. studeným spalováním, při kterém se uvolňují valenční elektrony z atomů paliva a využívají se k vedení proudu. Jen malá část uvolněné energie se mění v teplo. Účinnost je až 70%. Velice ekologické. Paliva: vodík, methan, oxid uhelnatý methanol (Všechna ostatní paliva jako chlór, lithium, hořčík, sodík a alkohol se musí nejdříve reformovat, tj. termodynamicky přeměnit na paliva výše uvedená tzv. reformery.)
Článek typu vodík-kyslík:
Elektrody: porézní platina nebo pórovitého nikl (Komentář: Nikl je levnější náhradou elektrod vyrobených z porézní platiny, která je pro palivové články dnes nejběžněji používána. Porézní platina (tzv. platinová čerň) se nanáší buďto samostatně nebo společně s uhlíkovými sazemi, které zajišťují elektronovou vodivost. Nikl se kdysi používal převážně u palivových článků s alkalickým elektrolytem.)
Elektrolyt: roztok hydroxidu sodného KOH (někdy i kyselina fosforečná (PAFC), iontoměničová membrána (PEMFC), pevný oxid tedy keramika (SOFC) a podobně)
Činnost: Do pórů jedné z elektrod se přivádí kyslík, který tam reaguje s vodou. Vznikají hydroxidové skupiny OH, které váží elektrony z okolního kovu. Elektroda se tím nabije kladně. Vznikající záporné ionty OH^– přechází elektrolytem k druhé elektrodě, kde reagují za pomocí katalyzátoru s přiváděným vodíkem. Vzniká elektricky neutrální voda. Přebytečné elektrony (zbylé z OH^–) vytvářejí záporný potenciál druhé elektrody. Články pracují při tlaku 1-3 * 10⁵ Pa a teplotě 20-70°C.

2) Termoemisní generátory
 Přeměňují tepelnou energii na elektrickou. Principem připomínají diodu. Tepelná energie se získává spalováním.

3) Termoelektrické články
 Princip: Termoelektrický jev. Spojení dvou kovů (např. bismut a antimon). Spoj se ohřívá, rozpojená část se ochlazuje. Při teplotním rozdílu se objeví na rozpojených koncích napětí (např. využití u plynového kotle).

4) Sluneční baterie
 Princip: Fotoelektrický jev. Vzniká ve všech polovodičích při dopadu světla na P-N přechod.

5) Magneto-hydrodynamické generátory
 Princip: Průtok plynu přes komoru, kde je silné magnetické pole. Tyto plyny v silném magnetickém poli fungují jako vodič. Elektrony jsou odpuzovány od anody (jedna stěna komory) ke katodě (protější stěna komory). Plyn musí proudit co nejrychleji a být maximálně ionizovaný. Pro velkou účinnost je nutné vytvořit co nejsilnější magnetické pole (supravodivé magnety). Tato technologie zatím není příliš zvládnutelná a má zatím pouze vojenské využití (mobilní elektrické zdroje).

3.B Vnitřní odpor zdroje, konstrukce zatěžovací přímky

Vnitřní odpor – poměr změny výstupního napětí ku změně zatěžovacího proudu (u dobrého nabitého akumulátoru je asi 0,001 až 0,01 ohmů)
Na elektrickém zdroji můžeme naměřit dva druhy napětí

• ELEKTROMOTORICKÉ NAPĚTÍ – ozn. Ue. Změří se na svorkách nezatíženého zdroje ( ze zdroje neodebíráme proud).
• Je to největší napětí zdroje
  2) SVORKOVÉ NAPĚTÍ – ozn. U. Měří se na svorkách zatíženého zdroje (ze zdroje odebíráme proud). Protože el. zdroj má vnitřní odpor Ri je svorkové napětí menší než elektromotorické.

ELEKTROLYT:
Destilovaná voda je elektricky nevodivá. Vodivou se stane jestliže do ní dáme iontové sloučeniny. Jsou to soli, kyseliny a hydroxidy. Jejich molekuly se skládají z iontů. Jsou to kladně a záporně nabité atomy. Náboj získali tak, že z valenční vrstvy ztratili nebo do ní přibraly elektron.
Roztok těchto látek ve vodě se nazývá elektrolyt. Vodivost elektrolytu tedy způsobují ionty. El. proud do něho zavádíme pomocí elektrod. Kladná se nazývá anoda a záporná katoda. Kladné ionty jsou přitahovány zápornou elektrodou, dotknou se jí a přiberou chybějící elektron – stanou se z nich atomy, které se na elektrodě vyloučí.

Záporné ionty jsou přitahovány katodou, dotknou se jí a předají ji elektron – stanou se z nich atomy a vyloučí se na elektrodě. Na záporné elektrodě se v elektrolytu vyloučí buď H nebo kov. Toho se využívá při pokovování materiálů.