Окислитель, восстановитель и электролит – вот три кита, на которых стоит химическая генерация тока. За несколько столетий мы научились не только извлекать электричество из молекул, но и возвращать его обратно, собирая в аккумуляторах. Как это работает?
Фото: Dorling Kindersley thoughtco.com
Самую сложную техническую систему можно до предела упростить. Надо только выделить главные элементы, без которых работать ничего не будет. В случае химических источников тока, к которым и относятся различные гальванические элементы, – то есть батарейки, – ключевыми компонентами выступают восстановитель, электролит и окислитель. Уберем любого из этой тройки, и конструкция перестанет быть жизнеспособной. Важен еще один принцип: окислитель и восстановитель должны уметь преобразовывать энергию собственных химических связей в электрический ток. Или, проще говоря, обмениваться электронами. Далеко не все реакции на такое способны. Например, взаимодействие кислот со щелочами не сопровождается передачей электронов, поэтому для генерации тока не годится.
Начнем с восстановителей. Эти химические элементы или соединения отличаются щедростью – они при каждом удобном случае жертвуют свои электроны. В периодической таблице Менделеева самые сильные восстановители – это металлы, и чем они активнее, тем лучше выступают в роли донора электронов.
Пора познакомиться с окислителями. В среде химиков элементы, способные окислять других, называются «грабителями». Они забирают электроны у тех, кто ими готов делиться, то есть у восстановителей. Типичными окислительными свойствами обладают неметаллы, но ими химия не ограничивается – в зависимости от условий «грабить» могут и сложные соединения, и даже металлы.
Самое главное в любом гальваническом элементе – не позволить веществам вступить в прямую реакцию, иначе теряется сама суть генерации электрического тока из энергии химических связей. Задача разработчиков – «обмануть» природу, заставив вещества реагировать между собой, но обмениваться электронами через внешнюю цепь, то есть совершая для нас полезную работу. Для этого необходим электролит – среда, через которую окислитель и восстановитель будут «жонглировать» ионами. Электролит удивителен способностью заставить опосредованно реагировать друг с другом вещества, которые ранее друг на друга смотрели с безразличием.
К примеру, цинк и серебро. На воздухе эти металлы реагировать не будут, как бы мы ни старались. А если эту парочку поместить в раствор соли, да еще и соединить внешней электрической цепью… Как только эти два металла попадают в среду, способную переносить ионы (массу), в дело вступает электродвижущая сила. Она выбирает из двух металлов, кто будет окислителем, а кто восстановителем. Главный критерий отбора – электродный потенциал кандидата: у кого он меньше, тот и будет восстановителем, или, по-другому, анодом. В паре цинк-серебро у первого металла потенциал меньше, поэтому ему и достается роль источника электронов. Соответственно, серебро занимает вакантное место окислителя, или катода, и охотно принимает «цинковые» электроны. Они движутся по внешней цепи от анода к катоду, и их можно заставить совершать полезную работу. Например, подключить к лампочке или, если позволяет мощность, к электромотору.
Как определить электродный потенциал металла? Вспомните школу: наверняка в химическом классе над доской висела длинная таблица с названием «Электрохимический ряд напряжения металлов». Чем левее располагается металл в этом ряду, тем меньше у него электродный потенциал. И крайним левым оказывается литий – самый лучший на данный момент материал для анода и основа всех современных аккумуляторов.
Не стоит забывать и про важность электролита, который может быть не только жидким, но и твердым, главное, чтобы он электрический ток проводил. В самом простом случае в качестве электролита используют водный раствор кислоты или щелочи, через который движутся ионы металла от анода к катоду.
Построенный цинково-серебряный гальванический элемент, или просто батарейка, хорош всем, кроме способности к перезарядке. Для того чтобы научить батарейку не только отдавать электричество, но и накапливать его, требуется несколько иная химия.
Аккумуляторная химия основывается на обратимых реакциях. Например, когда хозяйка на кухне гасит соду уксусом, запускается превращение, из продуктов которого никак не получить обратно исходные вещества, – это необратимая реакция. Вообще, если в ходе какой-нибудь химической реакции получается газ, то это явный признак превращения без обратного эффекта.
В качестве примера обратимой реакции обычно приводится синтез аммиака из водорода и азота. При изменении давления и температуры этот процесс «разворачивается» на 180 градусов, и уже из аммиака получается водород с азотом. В химии аккумуляторов все примерно так же, только инициатором обратных реакций выступает включение в розетку.
При разработке перезаряжаемого источника тока начинать надо с материалов анода и катода – без тщательного подбора получится в лучшем случае батарейка. Важнейшее требование – умение многократно обратимо превращаться из одного вещества в другое. Нетривиальная задача, впервые решенная в свинцово-кислотном аккумуляторе. Здесь никто не утруждал себя подбором разных металлов для окисления-восстановления: сделали анод из чистого свинца, а катод – из его оксида. Получилась неплохая парочка, до сих пор питающая стартеры автомобилей. В такой свинцовой системе возрастает роль электролита, в качестве которого работает водный раствор серной кислоты. Его сульфат-ионы реагируют в процессе генерации тока и со свинцом на аноде, и с его оксидом на аноде. В обоих случаях получается сульфат свинца – главный продукт разряда.
Интересно, что, когда аккумулятор уже больше ни на что не способен, концентрация серной кислоты в электролите снижается. Это следствие расхода кислоты на образование сульфатов и синтеза в процессе этого дополнительной воды. А так как плотность воды меньше, чем у серной кислоты, то снижается и итоговая плотность электролита – главный параметр нерабочего состояния аккумуляторной батареи. Что с ней делать? Подключить к зарядному устройству и запустить обратный процесс образования свинца и оксида свинца из сульфатов. Важно понимать, что поток электронов в процессе заряда движется в обратном направлении от катода к аноду. Аккумулятор накапливает электроэнергию, концентрация серной кислоты увеличивается, и плотность электролита приходит в норму.
Из одной пары свинцовых электродов или ячейки много тока не получить, поэтому инженеры десятками соединяют их в батареи, заметно увеличивая итоговую массу аккумулятора. Соединяя ячейки параллельно, инженеры повышают мощность генерируемого тока, а последовательное подключение увеличивает напряжение. В некоторых случаях это может трансформироваться в гротескные формы. Так, в годы холодной войны в Западном Берлине соорудили гигантскую 630-тонную аккумуляторную батарею мощностью 17 МВт, способную в течение часа снабжать город электричеством. Создана она была на случай аварийного отключения энергоснабжения: ГДР тогда всячески пыталась блокировать часть города.
Слабое место перезаряжаемого химического источника тока – электролит на водной основе. Все дело в его побочной способности выделять газы в процессе зарядки – водород и кислород. Это продукты реакции серной кислоты с материалами электродов. А как мы уже знаем, если выделяется газ, то реакция относится к типу необратимых, то есть паразитных для перезаряжаемого источника тока. Второй фундаментальный недостаток воды в качестве растворителя кислоты – ее разложение при напряжении 1,2–2,0 В. То есть на отдельной ячейке аккумуляторной батареи напряжение не может быть больше, иначе облака гремучей смеси водорода и кислорода взорвутся от малейшей искры.
Одним из решений этой проблемы стали неводные электролиты, которые в 90-х годах прошлого века вошли в основу литий-ионных аккумуляторов. Агрессивные кислотные электролиты – это вынужденное решение, заставляющее мириться с серьезными недостатками. В разряженном аккумуляторе серная кислота необратимо вступает в реакцию с материалами электродов, постепенно снижая емкость батареи. И здесь снова выделяются кислород с водородом. Такая газовая активность вынуждает монтировать на аккумуляторах отводные клапаны и не допускать длительного простоя в разряженном состоянии.
В ходе многолетней эволюции мастерство аккумуляторного производства принципиально не изменилось. Инженеры и исследователи только обновляют материалы и попутно борются с массой побочных эффектов. Именно от этой скрупулезной работы и зависит наше светлое энергетическое будущее.
Это новость от журнала ММ «Машины и механизмы». Не знаете такого? Приглашаем прямо сейчас познакомиться с этим удивительным журналом.
