Три вида ХИТ

1) Первичные элементы — после израсходования активных веществ выбрасываются, т.к. зарядка неэффективна.

Пример — марганцево-цинковый элемент Лекланше.

(+)C, MnO2водный NH4Cl с крахмаломZn (-).

Анодный процесс:

Zn Zn2+ + 2e;

Катодный процесс:

NH4+ + e + MnO2 HMnO2 + NH3;

Суммарно:

Zn + 2NH4Cl + 2MnO2 2HMnO2 + 2NH3 + ZnCl2.

2) Вторичные (перезаряжаемые) элементы — аккумуляторы. После израсходования активных веществ могут быть опять заряжены от внешнего источника постоянного тока, то есть можно провести обратный процесс (разновидность электролиза).

Пример старый — свинцовый аккумулятор PbO2, PbSO4р-р H2SO4PbSO4, Pb.

Работу разберите самостоятельно.

Пример современный (в учебниках еще нет, но именно такие аккумуляторы работают в мобильных телефонах и портативных компьютерах) — «литий-ионный» аккумулятор:

(+)C, Li1-xCoO2р-р LiPF6 в смеси эфировLixC (-).

Отрицательный полюс (при зарядке — катод, при разряде — анод):

LixC xLi+ + xe + C;

Положительный полюс (при зарядке — анод, при разряде — катод):

хLi+ + хe + Li1-xCoO2 LiCoO2.

Суммарно:

LixC + Li1-xCoO2 = C + LiCoO2.

Аккумулятор поставляется в разряженном виде, с LiCoO2.

LiCoO2 — это немолекулярное вещество со слоистой структурой. Ионы лития между слоями [CoO6/3]2 подвижны и могут обратимо внедряться и извлекаться благодаря переменной степени окисления кобальта.

Для выработки 1 °F электричества в свинцовом аккумуляторе нужно 0,5 моль свинца (103,5 г), а в литиевом — 6,9 г лития. При этом литий — еще и гораздо более сильный восстановитель, чем свинец, поэтому эдс свинцового аккумулятора около 2 В, а литий-ионного — около 4 В. Таким образом, литиевый аккумулятор запасает на единицу своей массы в десятки раз больше энергии, чем свинцовый.

• 3) Топливные элементы. Это ХИТ, в которые можно непрерывно подавать восстановитель и окислитель в виде газов или жидкостей, обычно при повышенных температурах. Например:
  • (+)O2, Ptтвердый проводник ионов О2-Ni, CH4(-)
  • (или вместо Pt — Ni1-xLixO — полупроводниковый электрод, а вместо твердого электролита — расплав K2CO3+Li2CO3).

На аноде:

CH4 + 4О2- СО2 + 2Н2О + 8е На катоде:

О2 + 4е 2О2;

Суммарно:

CH4 + 2О2 СО2 + 2Н2О, что равносильно сжиганию топлива, но с прямой выработкой электроэнергии, без горелок, котлов, турбин и генераторов.

Понятно, что ХИТ типа 1 и 2 — это не источники энергии, а средства хранения энергии. Ведь ни цинка, ни лития в природе нет. Для их получения должны работать электростанции на угле, нефти, газе или на атомной энергии. А вот топливные элементы могли бы дать прямое преобразование энергии ископаемого топлива в электроэнергию и резко повысить эффективность энергетики. С точки зрения большой энергетики у ХИТ есть лишь один серьезный недостаток: если на тепловых и атомных электростанциях энерговыделение происходит в объеме, и мощность приблизительно пропорциональна кубу линейного размера, то у ХИТ работает поверхность электродов, которая пропорциональна квадрату линейного размера. Поэтому у ХИТ больше расход материалов на единицу мощности, и наибольшее распространение имеют мелкие ХИТ.