16.5 Батареи и топливные элементы (Batteries and Fuel Cells)

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• описывать электрохимию ряда распространённых батарей;
• отличать работу топливного элемента от работы батареи.

За двумя минувшими столетиями исследований в области электрохимии появилось множество технологических продуктов, и ни один из них не настолько очевиден повседневно, как батарея. Батарея (battery) — это гальванический элемент, специально сконструированный так, чтобы наилучшим образом служить источником электрической энергии для конкретных применений. Одной из первых успешных батарей был элемент Даниэля (Daniell cell), работа которого основана на самопроизвольном окислении цинка ионами меди(II) (рис. 16.8):

\[ \ce{Zn(s) + Cu^{2+}(aq) -> Zn^{2+}(aq) + Cu(s)} \]

Рис. 16.8. Иллюстрация элемента Даниэля, взятая из публикации в журнале 1904 года (слева), и упрощённая схема, поясняющая электрохимию этого элемента (справа). В конструкции 1904 года пористый глиняный горшок одновременно служил сосудом для содержимого одной из полуячеек и солевым мостиком, соединяющим её со второй полуячейкой.

Современные батареи существуют во множестве форм для самых разных применений — от крошечных кнопочных батареек, обеспечивающих скромные потребности в энергии наручных часов, до очень крупных батарей, используемых для резервного питания муниципальных электросетей. Одни батареи предназначены для однократного применения и не подлежат перезарядке (первичные элементы, primary cells), другие основаны на удобно обратимых ячеечных реакциях, что позволяет перезаряжать их от внешнего источника тока (вторичные элементы, secondary cells). В этом разделе кратко изложены основные электрохимические аспекты нескольких знакомых большинству потребителей батарей, а также представлено родственное электрохимическое устройство — топливный элемент, способный в ряде применений обеспечивать улучшенные характеристики.

Дополнительно

Посетите сайт, чтобы узнать больше о батареях.

Батареи одноразового применения

Распространённой первичной батареей является сухой элемент (dry cell); в нём цинковый стакан служит одновременно корпусом и анодом (отрицательный полюс «–»), а графитовый стержень — катодом (положительный полюс «+»). Цинковый стакан заполнен электролитной пастой, содержащей оксид марганца(IV), хлорид цинка(II), хлорид аммония и воду. Графитовый стержень погружён в эту пасту, замыкая ячейку. Самопроизвольная ячеечная реакция включает окисление цинка:

\[ \text{реакция на аноде:}\quad \ce{Zn(s) -> Zn^{2+}(aq) + 2 e-} \]

и восстановление марганца(IV):

\[ \text{реакция на катоде:}\quad \ce{2 MnO2(s) + 2 NH4Cl(aq) + 2 e- -> Mn2O3(s) + 2 NH3(aq) + H2O(l) + 2 Cl-} \]

которые вместе дают ячеечную реакцию:

\[ \text{ячеечная реакция:}\quad \ce{2 MnO2(s) + 2 NH4Cl(aq) + Zn(s) -> Zn^{2+}(aq) + Mn2O3(s) + 2 NH3(aq) + H2O(l) + 2 Cl-} \qquad E_{\text{ячейки}} \approx 1{,}5\ \text{В} \]

Напряжение (потенциал ячейки) сухого элемента составляет приблизительно \(1{,}5\ \text{В}\). Сухие элементы выпускаются различных типоразмеров (например, D, C, AA, AAA). Все типоразмеры сухих элементов содержат одни и те же составные части и поэтому развивают одинаковое напряжение, но более крупные элементы содержат большее количество окислительно-восстановительных реагентов и, соответственно, способны передавать большее количество заряда. Подобно другим гальваническим элементам, сухие элементы можно при необходимости соединять последовательно, получая батареи с большим выходным напряжением.

Рис. 16.9. Схематическое изображение типичного сухого элемента.

Дополнительно

Посетите сайт, чтобы узнать больше о цинк-углеродных батареях.

Щелочные батареи (alkaline batteries, рис. 16.10) были разработаны в 1950-х годах для улучшения характеристик сухого элемента и построены вокруг той же окислительно-восстановительной пары. Как следует из названия, в батареях этого типа используются щелочные электролиты, чаще всего гидроксид калия. Реакции таковы:

\[ \begin{aligned} \text{анод:}\quad & \ce{Zn(s) + 2 OH-(aq) -> ZnO(s) + H2O(l) + 2 e-} \\ \text{катод:}\quad & \ce{2 MnO2(s) + H2O(l) + 2 e- -> Mn2O3(s) + 2 OH-(aq)} \\ \hline \text{ячейка:}\quad & \ce{Zn(s) + 2 MnO2(s) -> ZnO(s) + Mn2O3(s)} \qquad E_{\text{ячейки}} = +1{,}43\ \text{В} \end{aligned} \]

Щелочная батарея способна отдать примерно в три-пять раз больше энергии, чем цинк-углеродный сухой элемент сходного размера. Щелочные батареи склонны к утечкам гидроксида калия, поэтому при длительном хранении их следует извлекать из устройств. Хотя некоторые щелочные батареи являются перезаряжаемыми, большинство — нет. Попытки перезарядить щелочную батарею, не предназначенную для перезарядки, часто приводят к разрыву корпуса и вытеканию электролита — гидроксида калия.

Рис. 16.10. Щелочные батареи были разработаны как улучшенная замена цинк-углеродных батарей (сухих элементов).

Дополнительно

Посетите сайт, чтобы узнать больше о щелочных батареях.

Перезаряжаемые (вторичные) батареи

Никель-кадмиевые батареи (nickel-cadmium, NiCd, рис. 16.11) состоят из катода, покрытого никелем, анода, покрытого кадмием, и электролита — гидроксида калия. Положительные и отрицательные пластины, разделённые сепаратором, предотвращающим короткое замыкание, скатывают в рулон и помещают в корпус. Такая конструкция называется «рулетной» («jelly-roll»); она позволяет NiCd-элементу отдавать значительно больший ток, чем щелочная батарея сходного размера. Реакции таковы:

\[ \begin{aligned} \text{анод:}\quad & \ce{Cd(s) + 2 OH-(aq) -> Cd(OH)2(s) + 2 e-} \\ \text{катод:}\quad & \ce{NiO2(s) + 2 H2O(l) + 2 e- -> Ni(OH)2(s) + 2 OH-(aq)} \\ \hline \text{ячейка:}\quad & \ce{Cd(s) + NiO2(s) + 2 H2O(l) -> Cd(OH)2(s) + Ni(OH)2(s)} \qquad E_{\text{ячейки}} \approx 1{,}2\ \text{В} \end{aligned} \]

При правильном обращении NiCd-батарею можно перезаряжать около 1000 раз. Кадмий — токсичный тяжёлый металл, поэтому NiCd-батареи ни в коем случае нельзя разламывать или сжигать; утилизировать их следует в соответствии с действующими правилами обращения с токсичными отходами.

Рис. 16.11. NiCd-батареи имеют «рулетную» конструкцию («jelly-roll»), которая значительно увеличивает ток, отдаваемый батареей, по сравнению со щелочной батареей сходного размера.

Дополнительно

Посетите сайт, чтобы получить больше сведений о никель-кадмиевых перезаряжаемых батареях.

Литий-ионные батареи (lithium ion batteries, рис. 16.12) — одни из самых популярных перезаряжаемых батарей; их используют во множестве портативных электронных устройств. Реакции таковы:

\[ \begin{aligned} \text{катод:}\quad & \ce{Li_{1-x}CoO2 + x Li+ + x e- -> LiCoO2} \\ \text{анод:}\quad & \ce{x LiC6 -> x Li+ + x e- + x C6} \\ \hline \text{ячейка:}\quad & \ce{Li_{1-x}CoO2 + x LiC6 -> LiCoO2 + x C6} \qquad E_{\text{ячейки}} \approx 3{,}7\ \text{В} \end{aligned} \]

Переменная стехиометрия ячеечной реакции приводит к разбросу напряжений, но при типичных условиях \(x\) обычно не превышает \(0{,}5\), а напряжение ячейки составляет примерно \(3{,}7\ \text{В}\). Литиевые батареи популярны потому, что они могут отдавать большой ток, легче сопоставимых по характеристикам батарей других типов, дают почти постоянное напряжение при разряде и медленно теряют заряд при хранении.

Рис. 16.12. В литий-ионной батарее заряд протекает за счёт переноса ионов лития между анодом и катодом.

Дополнительно

Посетите сайт, чтобы получить больше сведений о литий-ионных батареях.

Свинцово-кислотная батарея (lead acid battery, рис. 16.13) — тот тип вторичной батареи, который широко применяется в автомобилях. Она недорога и способна отдавать высокий ток, требуемый автомобильным стартером. Реакции для свинцово-кислотной батареи таковы:

\[ \begin{aligned} \text{анод:}\quad & \ce{Pb(s) + HSO4-(aq) -> PbSO4(s) + H+(aq) + 2 e-} \\ \text{катод:}\quad & \ce{PbO2(s) + HSO4-(aq) + 3 H+(aq) + 2 e- -> PbSO4(s) + 2 H2O(l)} \\ \hline \text{ячейка:}\quad & \ce{Pb(s) + PbO2(s) + 2 H2SO4(aq) -> 2 PbSO4(s) + 2 H2O(l)} \qquad E_{\text{ячейки}} \approx 2\ \text{В} \end{aligned} \]

Каждый элемент даёт \(2\ \text{В}\), поэтому шесть элементов соединяют последовательно, получая \(12\)-вольтовую автомобильную батарею. Свинцово-кислотные батареи тяжёлые и содержат едкий жидкий электролит — \(\ce{H2SO4(aq)}\), но часто остаются батареей выбора благодаря высокой плотности тока. Поскольку эти батареи содержат значительное количество свинца, их всегда необходимо утилизировать надлежащим образом.

Рис. 16.13. Свинцово-кислотная батарея в вашем автомобиле состоит из шести элементов, соединённых последовательно, и даёт \(12\ \text{В}\).

Дополнительно

Посетите сайт, чтобы получить больше сведений о свинцово-кислотных батареях.

Топливные элементы

Топливный элемент (fuel cell) — это гальванический элемент, в котором используются традиционные горючие топлива, чаще всего водород или метан, непрерывно подаваемые в ячейку вместе с окислителем. (Альтернативное, но не очень распространённое название топливного элемента — проточная батарея, flow battery.) Внутри ячейки топливо и окислитель претерпевают ту же окислительно-восстановительную химию, что и при горении, но через каталитический электрохимический процесс, существенно более эффективный. Например, в типичном водородном топливном элементе используют графитовые электроды с нанесёнными катализаторами на основе платины, ускоряющими две полуячеечные реакции:

\[ \begin{aligned} \text{анод:}\quad & \ce{2 H2(g) -> 4 H+(aq) + 4 e-} \\ \text{катод:}\quad & \ce{O2(g) + 4 H+(aq) + 4 e- -> 2 H2O(g)} \\ \hline \text{ячейка:}\quad & \ce{2 H2(g) + O2(g) -> 2 H2O(g)} \qquad E_{\text{ячейки}} \approx 1{,}2\ \text{В} \end{aligned} \]

Рис. 16.14. В этом водородном топливном элементе кислород воздуха реагирует с водородом, давая воду и электричество.

Топливные элементы такого рода обычно дают напряжение около \(1{,}2\ \text{В}\). По сравнению с двигателем внутреннего сгорания энергетическая эффективность топливного элемента, использующего ту же окислительно-восстановительную реакцию, как правило, более чем вдвое выше (~\(20\)–\(25\,\%\) для двигателя против ~\(50\)–\(75\,\%\) для топливного элемента). Водородные топливные элементы широко применяются в длительных космических миссиях; разработаны также прототипы для легковых автомобилей, хотя эта технология остаётся относительно незрелой.

Дополнительно

Посмотрите по этой ссылке, чтобы узнать больше о топливных элементах.