2.1. Классификация и основные характеристики ХИТ
Химическими источниками тока (ХИТ) называют электрохимические системы, превращающие химическую энергию в электрическую [2–8].
По характеру работы ХИТ различают:
1) первичные источники тока, их активные вещества однократно используются;
2) вторичные ХИТ или аккумуляторы. Активные вещества, потраченные при разряде, могут быть восстановлены зарядом от внешнего источника постоянного тока;
3) топливные элементы или электрохимические генераторы. Активные вещества подводятся к электродам непрерывно, чем обусловливается бесперебойная работа элемента [4–6].
Важными характеристиками элементов являются их электродвижущая сила (ЭДС) или напряжение разомкнутой цепи (Uрц), т.е. разность потенциалов электродов, измеренная при отсутствии тока во внешней цепи, и напряжение при работе источника, т.е. при замкнутой цепи. Различают начальное, конечное и среднее напряжение при разряде или заряде.
Напряжение при разряде Uр меньше Uрц поскольку потенциалы электродов при разряде меньше, чем при разомкнутой цепи, а часть ЭДС теряется на преодоление внутреннего сопротивления элемента.
где Еа и Ек– потенциалы электродов при разряде; I – ток разряда; r – внутреннее сопротивление ХИТ; R – внешнее сопротивление или нагрузка при разряде.
При заряде напряжение больше Uрц.
где Е`а и `Ек – потенциалы электродов при заряде; I` – ток заряда.
Внутренне омическое сопротивление источника складывается из омического сопротивления электродов, сопротивления электролита и сепараторов. Его значение зависит от режима разряда. При разряде малыми токами внутреннее сопротивление не велико, а при больших плотностях тока может оказаться значительным. Внутреннее сопротивление стремятся сделать небольшим. Для этого уменьшают межэлектродное расстояние, используют электролит с высокой проводимостью и выбирают реакции, протекающие с большей скоростью.
Следующие важные характеристики ХИТ – емкость и энергия. Емкость – количество электричества, которое отдает химический источник тока при разряде в заданных условиях. Если элемент разряжается током I (А) в течение времени τ (ч), то емкость равна (в А ∙ ч):
При разряде на внешнее сопротивление (R) сила тока во времени меняется и емкость определяется как
При разряде напряжение падает, поскольку растут со временем поляризация и омическое сопротивление. График изменения Uр за время разряда ХИТ τр и изменения Uз за время его заряда τз при постоянной силе тока называют разрядно-зарядной характеристикой аккумулятора (рис. 1).
Рис.