Химические способы аккумуляции энергии

Курсовая работа

на тему

Химические способы аккумуляции энергии. синтез pbs.

Оглавление.

1. Введение…………………………………………………………………………………………...3

2. Литературный обзор. Химические способы аккумуляции энергии…………………………...4

2.1. Электрохимическая энергетика.Основные понятия………………………………………….4

2.2. Виды химических источников тока……………………………………………………………5

2.3. Электрохимические аккумуляторы……………………………………………………………7

2.3.1. Свинцовые аккумуляторы……………………………………………………………………7

2.3.2. Щелочные никель-кадмиевые и никель-железные аккумуляторы……………………….10

2.3.3. Никель-цинковые аккумуляторы…………………………………………………………...10

2.3.4. Никель-водородные аккумуляторы…………………………………………………….......11

2.3.5. Хлор-цинковые аккумуляторы………………………….......................................................11

2.3.6. Металловоздушные аккумуляторы…………………………………………………………12

2.3.7. Серно-натриевые аккумуляторы…………………………………………………………....12

3. Экспериментальная часть……………………………………………………………………….14

4. Заключение……………………………………………………………………………….............16

5. Список использованной литературы……………………………………………………...........17

1. Введение.

Сейчас трудно представить повседневную жизнь без использования электричества, топлива и других источников энергии. Однако в последние годы проблемы энергетики все больше беспокоят прогрессивное человечество. Беспокойство вызывает как то, что минеральные ресурсы в скором времени будут истощены, так и то, что такое интенсивное потребление энергии может привести к экологической катастрофе, которая превратит Землю в планету, совершенно неприспособленную для жизни.[1] Поэтому разработка новых методов получения энергии и исследование уже известных представляет большой научно-исследовательский интерес. Одной из перспективных отраслей энергетики на данный момент является электрохимическая энергетика. В данной работе Я постаралась рассмотреть различные химические источники энергии, в частности аккумуляторы, как используемые в промышленности уже давно, так и на данный момент находящиеся в разработке.

2. Литературный обзор. Химические способы аккумуляции энергии.

2.1. Электрохимическая энергетика. Основные понятия и явления.

Электрохимическая энергетика охватывает процессы и устройства генерации и аккумулирования электрической энергии с помощью электрохимических методов.[2] Генерация электрической энергии происходит путем преобразования химической энергии в электрическую. Электрохимическим методом можно также обратно преобразовать электрическую энергию в химическую и таким образом накапливать электрическую энергию в химической форме.

Процессы собственного преобразования химической энергии в электрическую и электрической энергии в химическую осуществляются в электрохимических элементах.

Простейший электрохимический элемент состоит из двух электродов, разделенных ионным проводником или электролитом. На границе между электродом и ионным проводником возникает скачок потенциала, называемый электродным потенциалом. На электродах протекают реакции окисления восстановителя и восстановления окислителя.

Совокупность окислителя, восстановителя и ионного проводника называется электрохимической системой элемента.

Стоит отметить, насколько необходимо разделять окислитель и восстановитель для протекания электрохимического процесса. Для этого приведем простой пример. Если опустить цинковую и медную палочки в раствор смеси цинковой и медной солей, пройдет реакция

Zn + Cu²⁺ = Zn²⁺ + Cu

Цинк отдаст электроны и окислится до иона цинка, а медь получит электроны и восстановится до металла. Раствор при этом нагреется, то есть химическая энергия реакции перейдет не в электрическую, а в тепловую!

С другой стороны, если окислитель и восстановитель просто пространственно разделить, например цинковую палочку опустить в раствор цинковой соли, а медную палочку – в раствор медной соли, растворы разделить перегородкой сквозь которые могут проходить ионы, то ни окисление, ни восстановление протекать не смогут, пока цинк и медь не будут соединены проводником, по которому электроны будут проходить с одного электрода (Zn) на другой (Сu).[3]

2.2. Виды химических источников тока.

В зависимости от эксплуатационных особенностей и от электрохимической системы (совокупности реагентов и электролита) электрохимические элементы делятся на:

а) гальванические элементы.

В гальванических элементах происходит непосредственно преобразование химической энергии в электрическую. Окислитель и восстановитель входят в состав электродов, которые расходуются в процессе работы элемента. В качестве примера можно привести следующую электрохимическую систему элементов:

(+) HgO | КОН | Zn (-)

При замыкании внешней цепи в элементе генерируется постоянный ток в результате протекания следующих процессов:

окисления цинка (восстановителя):

Zn + 2OH ^– → ZnO + H₂O + 2e ^–

восстановления оксида ртути (окислителя) :

HgO + H₂O + 2e ^– = Hg + 2OH ^–

Движения гидроксид-ионов в растворе и движения электронов во внешней цепи от зоны протекания реакции окисления в зону протекания реакции восстановления.

Суммируя реакции, получаем

HgO + Zn = ZnO + Hg.

Таким образом, в результате протекания в элементе вышеуказанной реакции во внешней цепи генерируется постоянный ток, то есть химическая энергия превращается в электрическую. Вышеуказанная реакция называется токообразующей.

После расхода окислителя и восстановителя элемент выходит из строя, поскольку он является элементом одноразового действия.

б) топливные элементы

Если вместо расходуемых электродов в элементе применяют нерасходуемые, а реагенты хранят вне элемента и подают в него в процессе работы, то такое устройство называют топливным элементом. В топливных элементах электроды служат проводниками и катализаторами электрохимических реакций. В качестве примера рассмотрим работу кислородно-водородного топливного элемента с щелочным электролитом (водным раствором KOH).

Токообразующей в топливном элементе будет реакция образования воды из водорода и кислорода:

H₂ + ½ O₂ = H₂O.

Схему топливного элемента можно записать в виде

(+) O₂, Me₁ | KOH | Me₂, H₂(-),

где Me₁ и Me₂ – нерастворимые электроды, катализирующие реакции.

При замыкании внешней цепи на аноде происходит электрохимическое окисление водорода (топлива):

H₂ + 2OH^– - 2e^–= 2H₂O.

На катоде идет электрохимическое восстановление кислорода (окислителя) :

½ O₂ + H₂O+ 2e^– = 2OH^–.

Гидроксид-ионы двигаются в элементе от катода к аноду, а электроны во внешней цепи от анода к катоду.

Поскольку во внешней цепи перемещаются электроны, то есть возникает электрический ток, то в топливном элементе химическая энергия превращается в электрическую энергию.

Для осуществления токообразующей реакции необходимо разделить окислитель и топливо, обеспечить протекание полуреакций и направленное движение электронов и ионов. Все эти функции выполняет топливный элемент. Электроды топливного элемента обеспечивают протекание электрохимических реакций, подвод и отвод электронов, электролит – движение ионов и разделение окислителя и восстановителя.

В отличие от гальванического элемента топливный элемент может работать длительно. Он преобразует химическую энергию в электрическую, пока в него поступают реагенты.

в) электролизная ячейка.

Процесс преобразования электрической энергии в химическую происходит в электролизных ячейках, в которых под действием электрического тока протекают химические реакции (электролиз). Например, при электролизе вода разлагается на водород и кислород:

H₂O = H₂ + ½O₂.

Простейшая электролизная ячейка, как и элемент, состоит из двух электродов и ионного проводника (электролита) между ними. Под действием электрического тока на катоде ячейки идет электрохимическое восстановление окислителя, на аноде – электрохимическое окисление восстановителя. В электролите двигаются ионы между электродами.

Например, при электролизе воды в ячейке с щелочным электролитом на катоде идет реакция

2H₂O + 2e^- = H₂ + 2OH^-,

На аноде – реакция

2OH^- - 2e^- = ½O₂ + H₂O.

В электролите (растворе KOH) гидроксид-ионы двигаются от катода к аноду.

г) электрохимический аккумулятор.

Устройство, в котором происходит как процесс преобразования химической энергии в электрическую, так и обратный процесс преобразования электрической энергии в химическую, получил название электрохимического аккумулятора или просто аккумулятора. Из определения следует, что аккумулятор сочетает в себе как гальванический элемент, так и электролизную ячейку. Процесс преобразования электрической энергии в химическую называется зарядом аккумулятора, в этом режиме аккумулятор работает как электролизная ячейка. В процессе заряда происходит накопление энергии в виде химической энергии окислителя и восстановителя. Процесс преобразования химической энергии в электрическую получил название разряда аккумулятора. В этом режиме аккумулятор работает как гальванический элемент. [4.]

Рассмотрим в качестве примера процессы в свинцовом аккумуляторе, электрохимическую систему которого можно представить в виде

(+) PbO₂ | H₂SO₄ | Pb(-).

Процесс заряда и разряда выражается следующим уравнением:

PbO₂ + Pb + H₂SO₄ = 2PbSO₄ + 2H₂O

Уравнение реакции является суммой уравнений реакций, происходящих на положительном и отрицательном электродах аккумулятора.

(+) PbO₂ + H₂SO₄ + 2H⁺ + 2e^- = 2PbSO₄ + 2H₂O

(-) Pb + H₂SO₄ – 2e- = PbSO₄ + 2H⁺

Поскольку тема работы звучит как «Химические основы аккумуляции (т.е. накапливания) энергии», в дальнейшем будут рассмотрены именно аккумуляторы энергии.

2.3. Электрохимические аккумуляторы.

В настоящий момент в массовом масштабе выпускаются свинцовые, никель-кадмиевые и никель-железные аккумуляторы, никель-цинковые и никель-водородные аккумуляторы.

2.3.1. Свинцовые аккумуляторы.

Первый действующий образец свинцового аккумулятора, созданный в 1859 г. французским исследователем Планте, состоял из двух свинцовых листов, разделенных полотняным сепаратором, свернутых в спираль и вставленных в банку с серной кислотой. При первом заряде на положительном электроде образовывался поверхностный слой двуокиси свинца. Для увеличения емкости аккумулятора проводился многократный его заряд и разряд; при этом происходило развитие поверхности электродов. В 1880 г. Фор предложил изготавливать электроды путем намазки на свинцовые листы пасты из окислов свинца и серной кислоты. За счет этого была значительно повышена емкость электродов. В 1881 г. Фолькмар предложил использовать в качестве основы пастированных пластин не листы, а свинцовую решетку; впоследствии, по патентуСелона, свинцовая решетка была заменена решеткой из более жесткого свинцово-сурьмяного сплава.[5]

Электрохимическая система свинцовых аккумуляторов состоит из диоксида свинца, свинца и раствора серной кислоты:

PbO₂ | H₂SO₄ | Pb

Токообразующая реакция записывается уравнением

PbO₂ + Pb + H₂SO4 = 2PbSO4 + 2H₂O

Стандартный потенциал свинцового электрода по отношению к водородному электроду равен – 0.356 В, диоксидсвинцового + 1.685 В. ЭДС аккумулятора, т.е. разность его потенциалов в отсутствие протекания тока во внешней цепи в зависимости от концентрации серной кислоты в электролите равна

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.

4. Заключение.

Таким образом, были исследованы различные способы аккумуляции энергии, а именно различные аккумуляторы, рассмотрены механизмы работы, устройство, характеристики этих аккумуляторов. Кроме того, с высоким выходом получен кристаллический сульфид свинца, структура которого подтверждена методом порошкографии.

5. Список использованной литературы.

[1] http://human-earth.narod.ru/energy.htm .

[2] Коровин Н.В. "Электрохимическая энергетика" М.:Энергоатомиздат, 1991.

[3] Зарецкий С.А., Сучков В.Н., Животинский П.Б. "Электротехническая технология неорганических веществ и химические источники тока" М.:Высшая школа 1980.

[4] Дасоян М. А. «Химические источники тока», 2 изд., Л., 1969.

[5] Вайнел Д. В. «Аккумуляторные батареи» пер. с англ., 4 изд., М. — Л., 1960.

[6] Брауэр Г., "Руководство по неорганическому синтезу" т. 3,М.:Мир 1985