Sumber arus kimia (disingkat HIT) adalah perangkat di mana energi reaksi redoks diubah menjadi energi listrik. Nama lain mereka adalah sel elektrokimia, sel galvanik, sel elektrokimia. Prinsip operasinya adalah sebagai berikut: sebagai hasil interaksi dua reagen, terjadi reaksi kimia dengan pelepasan energi dari arus listrik searah. Di sumber arus lain, proses pembangkitan listrik terjadi sesuai dengan skema multi-tahap. Pertama, energi panas dilepaskan, kemudian diubah menjadi energi mekanik, dan baru kemudian menjadi energi listrik. Keuntungan dari HIT adalah proses satu tahap, yaitu listrik diperoleh segera, melewati tahap memperoleh energi termal dan mekanik.
Sejarah
Bagaimana sumber pertama saat ini muncul? Sumber kimia disebut sel galvanik untuk menghormati ilmuwan Italia abad kedelapan belas - Luigi Galvani. Dia adalah seorang dokter, ahli anatomi, fisiologi dan fisikawan. Salah satu petunjuknyapenelitian adalah studi tentang reaksi hewan terhadap berbagai pengaruh eksternal. Metode kimia menghasilkan listrik ditemukan oleh Galvani secara kebetulan, selama salah satu percobaan pada katak. Dia menghubungkan dua pelat logam ke saraf yang terbuka di kaki katak. Hal ini mengakibatkan kontraksi otot. Penjelasan Galvani sendiri tentang fenomena ini tidak benar. Namun hasil eksperimen dan pengamatannya membantu rekan senegaranya Alessandro Volta dalam studi selanjutnya.
Volta menguraikan dalam tulisannya teori terjadinya arus listrik sebagai akibat dari reaksi kimia antara dua logam yang bersentuhan dengan jaringan otot katak. Sumber arus kimia pertama tampak seperti wadah berisi garam, dengan pelat seng dan tembaga terendam di dalamnya.
HIT mulai diproduksi dalam skala industri pada paruh kedua abad kesembilan belas, berkat orang Prancis Leclanche, yang menemukan sel mangan-seng utama dengan elektrolit garam, dinamai menurut namanya. Beberapa tahun kemudian, sel elektrokimia ini diperbaiki oleh ilmuwan lain dan merupakan satu-satunya sumber arus kimia utama sampai tahun 1940.
Desain dan prinsip operasi HIT
Perangkat sumber arus kimia mencakup dua elektroda (konduktor jenis pertama) dan elektrolit yang terletak di antara keduanya (konduktor jenis kedua, atau konduktor ionik). Sebuah potensial elektronik muncul pada batas antara mereka. Elektroda tempat zat pereduksi dioksidasidisebut anoda, dan zat pengoksidasi yang direduksi disebut katoda. Bersama dengan elektrolit, mereka membentuk sistem elektrokimia.
Sebuah produk sampingan dari reaksi redoks antara elektroda adalah pembangkitan arus listrik. Selama reaksi seperti itu, zat pereduksi dioksidasi dan menyumbangkan elektron ke zat pengoksidasi, yang menerimanya dan dengan demikian tereduksi. Kehadiran elektrolit antara katoda dan anoda adalah kondisi yang diperlukan untuk reaksi. Jika Anda hanya mencampur bubuk dari dua logam yang berbeda bersama-sama, tidak ada listrik yang akan dilepaskan, semua energi akan dilepaskan dalam bentuk panas. Elektrolit diperlukan untuk memperlancar proses transfer elektron. Paling sering, itu adalah larutan garam atau lelehan.
Elektroda terlihat seperti pelat atau kisi logam. Ketika mereka direndam dalam elektrolit, perbedaan potensial listrik muncul di antara mereka - tegangan rangkaian terbuka. Anoda cenderung menyumbangkan elektron, sedangkan katoda cenderung menerimanya. Reaksi kimia dimulai di permukaannya. Mereka berhenti ketika sirkuit dibuka, dan juga ketika salah satu reagen habis. Pembukaan rangkaian terjadi ketika salah satu elektroda atau elektrolit dilepas.
Komposisi sistem elektrokimia
Sumber arus kimia menggunakan asam dan garam yang mengandung oksigen, oksigen, halida, oksida logam yang lebih tinggi, senyawa nitroorganik, dll. sebagai zat pengoksidasi. Logam dan oksida rendahnya, hidrogen adalah zat pereduksi di dalamnyadan senyawa hidrokarbon. Bagaimana elektrolit digunakan:
- Larutan asam, basa, garam, dll.
- Larutan tidak berair dengan konduktivitas ionik, diperoleh dengan melarutkan garam dalam pelarut organik atau anorganik.
- garam cair.
- Senyawa padat dengan kisi ionik di mana salah satu ionnya bergerak.
- Matriks elektrolit. Ini adalah larutan cair atau lelehan yang terletak di pori-pori benda padat non-konduktif - pembawa elektron.
- elektrolit penukar ion. Ini adalah senyawa padat dengan kelompok ionogenik tetap dengan tanda yang sama. Ion dari tanda lainnya bersifat mobile. Sifat ini membuat konduktivitas elektrolit seperti itu menjadi unipolar.
Baterai Galvanis
Sumber arus kimia terdiri dari sel galvanik - sel. Tegangan di salah satu sel ini kecil - dari 0,5 hingga 4V. Tergantung pada kebutuhan, baterai galvanik digunakan dalam HIT, terdiri dari beberapa sel yang terhubung seri. Terkadang koneksi paralel atau seri-paralel dari beberapa elemen digunakan. Hanya sel primer atau baterai identik yang selalu disertakan dalam rangkaian seri. Mereka harus memiliki parameter yang sama: sistem elektrokimia, desain, opsi teknologi, dan ukuran standar. Untuk koneksi paralel, diperbolehkan menggunakan elemen dengan ukuran berbeda.
Klasifikasi HIT
Sumber arus kimia berbeda dalam:
- ukuran;
- desain;
- reagen;
- sifat reaksi pembentukan energi.
Parameter ini menentukan properti kinerja HIT yang cocok untuk aplikasi tertentu.
Klasifikasi elemen elektrokimia didasarkan pada perbedaan prinsip pengoperasian perangkat. Tergantung pada karakteristik ini, mereka membedakan:
- Sumber arus kimia utama adalah elemen sekali pakai. Mereka memiliki persediaan reagen tertentu, yang dikonsumsi selama reaksi. Setelah debit penuh, sel seperti itu kehilangan fungsinya. Dengan cara lain, HIT primer disebut sel galvanik. Akan benar untuk menyebutnya sederhana - elemen. Contoh paling sederhana dari sumber daya primer adalah "baterai" A-A.
- Sumber arus bahan kimia yang dapat diisi ulang - baterai (juga disebut sekunder, HIT reversibel) adalah sel yang dapat digunakan kembali. Dengan melewatkan arus dari sirkuit eksternal ke arah yang berlawanan melalui baterai, setelah pengosongan total, reagen yang dihabiskan diregenerasi, lagi-lagi mengumpulkan energi kimia (pengisian). Berkat kemampuan untuk mengisi ulang dari sumber arus konstan eksternal, perangkat ini digunakan untuk waktu yang lama, dengan jeda untuk mengisi ulang. Proses menghasilkan energi listrik disebut pengosongan baterai. HIT tersebut termasuk baterai untuk banyak perangkat elektronik (laptop, ponsel, dll.).
- Sumber arus kimia termal - perangkat kontinu. PADAdalam proses kerjanya, ada aliran reagen bagian baru yang terus menerus dan penghilangan produk reaksi.
- Sel galvanik gabungan (semi-bahan bakar) memiliki stok salah satu reagen. Yang kedua dimasukkan ke dalam perangkat dari luar. Kehidupan perangkat tergantung pada pasokan reagen pertama. Sumber kimia gabungan dari arus listrik digunakan sebagai baterai, jika memungkinkan untuk memulihkan muatannya dengan melewatkan arus dari sumber eksternal.
- HIT terbarukan yang dapat diisi ulang secara mekanis atau kimiawi. Bagi mereka, dimungkinkan untuk mengganti reagen bekas dengan bagian baru setelah pengosongan total. Artinya, mereka bukan perangkat berkelanjutan, tetapi, seperti baterai, mereka diisi ulang secara berkala.
Fitur HIT
Karakteristik utama dari sumber tenaga kimia meliputi:
- Tegangan sirkuit terbuka (ORC atau tegangan pelepasan). Indikator ini, pertama-tama, tergantung pada sistem elektrokimia yang dipilih (kombinasi zat pereduksi, zat pengoksidasi dan elektrolit). Juga, NRC dipengaruhi oleh konsentrasi elektrolit, tingkat pelepasan, suhu, dan banyak lagi. NRC tergantung pada nilai arus yang melewati HIT.
- Kekuatan.
- Arus pelepasan - tergantung pada resistansi rangkaian eksternal.
- Kapasitas - jumlah listrik maksimum yang dikeluarkan HIT saat habis penuh.
- Cadangan daya - energi maksimum yang diterima saat perangkat benar-benar habis.
- Karakteristik energi. Untuk baterai, pertama-tama, ini adalah jumlah siklus pengisian-pengosongan yang dijamin tanpa mengurangi kapasitas atau tegangan pengisian (sumber daya).
- Kisaran operasi suhu.
- Masa simpan adalah waktu maksimum yang diperbolehkan antara pembuatan dan pelepasan pertama perangkat.
- Useful life - total periode penyimpanan dan operasi maksimum yang diizinkan. Untuk sel bahan bakar, masa pakai terus menerus dan terputus-putus itu penting.
- Total energi yang hilang selama masa pakai.
- Kekuatan mekanis terhadap getaran, guncangan, dll.
- Kemampuan untuk bekerja di posisi apa pun.
- Keandalan.
- Perawatan mudah.
Persyaratan HIT
Desain sel elektrokimia harus menyediakan kondisi yang kondusif untuk reaksi yang paling efisien. Kondisi tersebut antara lain:
- mencegah kebocoran arus;
- bahkan bekerja;
- kekuatan mekanis (termasuk kekencangan);
- pemisahan reagen;
- kontak yang baik antara elektroda dan elektrolit;
- disipasi arus dari zona reaksi ke terminal luar dengan rugi-rugi minimal.
Sumber arus kimia harus memenuhi persyaratan umum berikut:
- nilai tertinggi dari parameter tertentu;
- kisaran suhu operasi maksimum;
- ketegangan terbesar;
- biaya minimumsatuan energi;
- stabilitas tegangan;
- biaya keamanan;
- keamanan;
- kemudahan perawatan, dan idealnya tidak perlu;
- umur panjang.
HIT Eksploitasi
Keuntungan utama sel galvanik primer adalah tidak memerlukan perawatan apa pun. Sebelum Anda mulai menggunakannya, cukup memeriksa penampilan, tanggal kedaluwarsa. Saat menghubungkan, penting untuk mengamati polaritas dan memeriksa integritas kontak perangkat. Sumber arus kimia yang lebih kompleks - baterai, membutuhkan perawatan yang lebih serius. Tujuan pemeliharaannya adalah untuk memaksimalkan masa pakainya. Merawat baterai adalah:
- jaga kebersihan;
- pemantauan tegangan sirkuit terbuka;
- menjaga level elektrolit (hanya air suling yang dapat digunakan untuk pengisian);
- kontrol konsentrasi elektrolit (menggunakan hidrometer - alat sederhana untuk mengukur massa jenis cairan).
Saat mengoperasikan sel galvanik, semua persyaratan yang berkaitan dengan penggunaan peralatan listrik yang aman harus diperhatikan.
Klasifikasi HIT menurut sistem elektrokimia
Jenis sumber arus kimia, tergantung pada sistemnya:
- timbal (asam);
- nikel-kadmium, nikel-besi, nikel-seng;
- mangan-seng, tembaga-seng, merkuri-seng, seng klorida;
- perak-seng, perak-kadmium;
- udara-logam;
- nikel-hidrogen dan perak-hidrogen;
- mangan-magnesium;
- litium dll.
Aplikasi modern HIT
Sumber arus kimia saat ini digunakan di:
- kendaraan;
- peralatan portabel;
- teknologi militer dan luar angkasa;
- peralatan ilmiah;
- obat (alat pacu jantung).
Contoh umum HIT dalam kehidupan sehari-hari:
- baterai (baterai kering);
- baterai untuk peralatan rumah tangga portabel dan elektronik;
- catu daya tak terputus;
- aki mobil.
Sumber arus kimia lithium sangat banyak digunakan. Ini karena litium (Li) memiliki energi spesifik paling tinggi. Faktanya adalah bahwa ia memiliki potensi elektroda paling negatif di antara semua logam lainnya. Baterai lithium-ion (LIA) berada di depan semua CPS lainnya dalam hal energi spesifik dan tegangan operasi. Sekarang mereka secara bertahap menguasai area baru - transportasi jalan. Di masa depan, pengembangan ilmuwan terkait dengan peningkatan baterai lithium akan bergerak ke arah desain ultra-tipis dan baterai tugas berat besar.
