Химические способы аккумуляции энергии

E = 2.041 + 0.059 a _H2SO4/a _H2O

Где а  – активност0ь серной кислоты и воды соответственно.

В 37%-ном растворе серной кислоты Е = 2.12 В.

Активная  масса заряженного отрицательно электрода состоит из свинцового порошка (губки), к которому добавляют  депассиваторы(сульфат бария) и органические вещества (гуминовые кислоты) – расширители, затрудняющие спекание и усадку губки свинца. Активная масса положительно заряженного электрода состоит из порошка диоксида свинца.

Активная  масса помещается либо в свинцовые  решетки – токоотводы (пастированные  или намазные электроды), либо в перфорированные  свинцовые коробки (коробчатые электроды), либо в перфорированные полимерные трубки со свинцовыми токоотводами в  центрах трубок (панцирные электроды). Для улучшения механических и литейных свойств в состав токоотводов обычно добавляют небольшие количества сурьмы. Кроме того, применяются поверхностные электроды, у которых активная масса формируется непосредственно на поверхности свинцовых пластин.[3]

Для  свинцовых аккумуляторов характерно сильное разбавление электролита  во время разряда из-за потребления  серной кислоты и образования  воды. В заряженных аккумуляторах концентрация серной кислоты равна 28 - 40 % (в зависимости от типа). Чем меньше объем электролита по сравнению с количеством активных масс электродов, тем сильнее снижается концентрация при разряде; в конце разряда она колеблется от 12 до 24 %. Степень снижения концентрации для данного аккумулятора однозначно связана с количеством протекшего электричества. Поэтому измерение концентрации или плотности электролита служит удобным и точным средством определения степени заряженности аккумулятора. В этом отношении свинцовый аккумулятор выгодно отличается от других аккумуляторов. В ходе разряда объем электролита уменьшается примерно на 1 мл на каждый ампер-час. .[4]

В последнее  время также активно разрабатываются  свинцово-водородные аккумуляторы.

Экономия свинца в свинцовых аккумуляторах может быть обеспечена при замене отрицательного свинцового электрода на водородный.

Электрохимическая система:

PbO₂ | H₂SO₄ | H₂, Me.

Работа  свинцово-водородного аккумулятора аналогична работе никель-водородного  аккумулятора (работа никель-водородного аккумулятора рассмотрена ниже). При разряде аккумулятора выделяется водород, который заполняет все свободное пространство аккумулятора, при этом возрастает давление. На положительном электроде образуется протонированный диоксид свинца. При разряде аккумулятора реакции идут в обратном направлении. В качестве материала отрицательного электрода используется уголь с платиновым катализатором. Предварительные оценки показывают, что удельная энергия аккумулятора приближается к удельной энергии никель-водородного аккумулятора, но свинцово-водородный аккумулятор дешевле. 

2.3.2. Щелочные никель-кадмиевые и никель-железные аккумуляторы. 

Электрохимические системы щелочных аккумуляторов  включают в себя гидроксид никеля, кадмий или железо и гидроксид калия или натрия.

Токообразующие  реакции:

2NiOOH + Cd + 2H₂O = 2 Ni(OH)₂ + Cd(OH)_2,

2NiOOH + Fe + 2H₂O = 2 Ni(OH)₂ + Fe(OH)_2.

Щелочные  аккумуляторы выпускаются в ламельном  и безламельном исполнениях. В первом случае активные вещества заключены в перфорированные коробки-ламели. Во втором случае применяются спеченные электроды, это повышает затраты на аккумулятор. Электролитом служит раствор гидроксида калия.

Никель-кадмиевые  аккумуляторы имеют более высокую  удельную мощность, меньший саморазряд, чем никель-железные аккумуляторы. В отличие от никель-железных аккумуляторов, никель-кадмиевые аккумуляторы сохраняют работоспособность и при температурах ниже нуля. Ресурс аккумуляторов составляет 100 – 500 циклов, срок службы 8 – 10 лет.  

2.3.3. Никель-цинковые аккумуляторы. 

Интерес к аккумуляторам этого типа сильно возрос в последнее время в  связи с разработкой электромобилей. Сейчас они выпускаются небольшими сериями. Токообразующая реакция аккумулятора может быть записана уравнением

2NiOOH + Zn + 2H₂O = 2 Ni(OH)₂ + ZnO

В качестве электролита используется гидроксид калия. Аккумулятор работает при температурах, близких к комнатным.

Ухудшение характеристик таких аккумуляторов  связано с отравляющим действием  цинкат-ионов на положительный электрод, перемещением активной массы цинка, разрушением сепаратора и другими факторами.

Для повышения  ресурса используют стабильные сепараторы. 

2.3.4. Никель-водородные аккумуляторы. 

Никель-водородные аккумуляторы были предложены в СССР в 1964 году . Сейчас они выпускаются во многих странах небольшими сериями. [2]

Токообразующая  реакция:

2NiOOH + H2 = 2 Ni(OH)2.

Аккумулятор состоит из металлокерамического оксидно-никелевого электрода, матричного электролита (гидроксид калия в асбесте или в титанате калия) и пористого водородного отрицательного электрода с катализатором (платиной или скелетным никелем).

К недостаткам  аккумулятора следует отнести высокий  саморазряд из-за взаимодействия водорода с гидроксидом никеля. 

Помимо  упомянутых, большой интерес представляют низкотемпературные галогенно-цинковые, а также высокотемпературные серно-натриевые аккумуляторы. 

2.3.5. Хлор-цинковые аккумуляторы. 

Хлорный электрод имеет положительное значение потенциала и высокую электрохимическую активность, поэтому был предметом изучения специалистами, работающими в области химических источников тока.

Однако  хлор весьма и весьма токсичен, поэтому  очень важно обеспечить его безопасное хранение. Хлор может храниться в виде твердого хлоргидрата, который образуется при взаимодействии хлора с водой при температуре ниже 10 градусов Цельсия. Твердый хлоргидрат безопасен в обращении и занимает небольшой объем.

Токообразующая  реакция:

Cl₂∙6H2O + Zn = ZnCl2 + 6H2O.

Аккумулятор состоит из отрицательного цинкового  электрода и положительного электрода (пористый графит, активированный окислением, платинированный титан).

Аккумуляторная  энергоустановка состоит из батарей  аккумуляторов, контуров циркуляции растворов  хлора и хлорида цинка, емкости для хранения гидрата хлора и системы терморегулирования. Для уменьшения опасности дендритообразования в электролит вводят добавки хлоридов натрия и калия. Система должна работать в узких пределах температур, так как при температуре выше 9˚С не образуется хлоргидрат, а при температуре ниже -10˚С раствор замерзает после заряда.

Самым большим недостатков аккумуляторов  данного типа следует считать наличие высокотоксичного реагента – хлора. 

2.3.6. Металловоздушные аккумуляторы. 

На положительном электроде данных аккумуляторов протекает обратимая реакция, суммарное уравнение которой в щелочном растворе можно записать в виде

O₂ + 2H₂O + 4e^- = 4OH^-

При разряде  расходуется кислород воздуха, при  заряде – выделяется кислород в  окружающую среду. Осуществление этой реакции связано с определенными трудностями. Для ускорения реакции разряда необходимы активные катализаторы. При разряде наряду с выделением кислорода происходит окисление катализатора, которое приводит к ухудшению его активности. Поэтому разработать обратимый и стабильный катализатор пока не удается. Ионизация кислорода воздуха при разряде аккумулятора происходит на воздушном электроде, имеющем гидрофобный слой, к которому подается воздух, и активный слой с катализатором ионизации кислорода. В схеме с дополнительным электродом между воздушным и металлическим электродом вводится металлическая сетка или высокопористая пластина, которые не препятствуют прохождению ионов от отрицательного к положительному электроду и устойчивы в растворе щелочи. При заряде аккумулятора сетка включается в цепь, и на ней выделяется кислород, а воздушный угольный электрод с активным катализатором не работает, поэтому его характеристики не ухудшаются.

К особенностям аккумулятора следует отнести необходимость  очистки воздуха, поступающего на электроды, от диоксида углерода с помощью раствора щелочи. 

2.3.7. Серно-натриевые аккумуляторы. 

В 1967 году сотрудники фирмы «Форд» сообщили о разработке нового аккумулятора, в котором окислителем служила сера, восстановителем – натрий, а электролитом β-алюминат натрия.

Большой интерес к этим аккумуляторам  объясняется высоким значением теоретической удельной энергии, легкодоступностью и невысокой ценой реагентов и исходных компонентов электролита.

Электрохимическая система может быть записана в виде

C, Na₂S_x, S | β -Al₂O₃ | Na.

Интервал  рабочих температур 300 – 350˚С. При этих температурах сера, натрий и продукты реакции – сульфиды натрия Na₂S_x при х ≥ 3 находятся в расплавленном состоянии.

Токообразующая  реакция:

2Na + xS = Na₂S_x.

Процесс восстановления серы обычно проводят до Na₂S₃. При дальнейшем восстановлении образуются продукты, которые при температурах 300 – 350˚С находятся в твердом состоянии, что осложняет работу аккумулятора.

Разработка  аккумулятора на первом этапе в значительной мере тормозилась из-за малого ресурса электролита, обусловленного ростом электронной проводимости и появлением микротрещин. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3. Экспериментальная часть. 

(PbOH)OOCCH₃ + CH₃COOH = Pb(OOCCH₃)₂ + H₂O 

Pb(OOCCH₃)₂ + 4NaOH = Na₂Pb(OH)₄ + 2CH₃COONa + 3H₂O 

Na₂Pb(OH)₄ + SC(NH₂)₂ + H₂O = PbS + 2NH₄OH + Na₂CO₃ 

1.132 г (0.004 моль) (PbOH)OOCCH₃ растворили в 50 мл дистиллированной воды. К раствору добавили 1 мл 50%-ной CH₃COOH. Затем к раствору приливали заранее приготовленный раствор 30%-ного NaOH (8.1 г) так, чтобы выпадающий NaOH количественно переходил в Na2Pb(OH)4. Одновременно приготовили раствор 1.7 г тиомочевины в 75 мл дистиллированной воды. После фильтрования слили оба раствора и при перемешивании нагревали смесь в стакане до кипения. Жидкость окрашивалась в коричневый цвет, потом на дне и стенках образовалось блестящее зеркало PbS. Для полного отделения PbS кипятили в течение 15 минут.

Тяжелый кристаллический  осадок отсасывали на фильтре Шотта, промывали холодной водой до отсутствия щелочной реакции и высушивали в сушильном шкафу.[6]

Выход реакции  составил 93 %. 
 
 
 

Для подтверждения структуры полученного вещества была сделана порошкограмма, которая выглядит следующим образом: 

 

Данные к порошкограмме.