Химические источники электрической энергии (290,00 руб.)

Стр.2

Стр.295

Стр.296

Стр.297

Стр.298

УДК 621.35(075) ББК 31.251я7 Х46 Печатается по решению редакционно-издательского совета Казанского национального исследовательского технологического университета Рецензенты: д-р хим. наук, проф. РАН Д. Г. Яхваров д-р физ.-мат. наук, проф. В. В. Парфенов Х46 Авторы: А. Ф. Дресвянников, М. Е. Колпаков, И. О. Григорьева, Ж. В. Межевич, М. К. Кадиров, С. Ю. Ситников Химические источники электрической энергии : учебное пособие / А. Ф. Дресвянников [и др.]; Минобрнауки России, Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2020. – 300 с. ISBN 978-5-7882-2836-5 Рассмотрены теоретические основы и технологии получения химических источников тока, принципы и особенности их эксплуатации, схемы наиболее распространенных классических и современных электрохимических устройств, их характеристики и сферы применения. Предназначено для студентов, обучающихся по направлениям 18.03.01 «Химическая технология» и 27.03.01 «Стандартизация и метрология». Подготовлено на кафедре технологии электрохимических производств. УДК 621.35(075) ББК 31.251я7 ISBN 978-5-7882-2836-5 © Дресвянников А. Ф., Колпаков М. Е., Григорьева И. О., Межевич Ж. В., Кадиров М. К., Ситников С. Ю., 2020 © Казанский национальный исследовательский технологический университет, 2020

Стр.2

СОДЕРЖАНИЕ Глава 1. ОСНОВЫ ТЕОРИИ, ТИПЫ ХИМИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ ТОКА И ИХ БАЗОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ................................................................................................................. 5 1.1. Основные понятия электрохимии ..................................................................................................... 5 1.2. Термодинамика гальванического элемента .............................................................................. 8 1.3. Разновидности и основные характеристики ХИТ ............................................................... 16 1.3.1. Электрические характеристики ХИТ ................................................................................. 23 1.3.2. Эксплуатационные характеристики ХИТ ........................................................................ 29 Глава 2. ПЕРВИЧНЫЕ ХИМИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА .............................................................. 33 2.1. Марганцево-цинковые элементы .................................................................................................. 34 2.2. Первичные ХИТ с цинковыми анодами ..................................................................................... 42 2.3. Первичные ХИТ с литиевыми анодами ...................................................................................... 44 2.4. Первичные ХИТ с воздушными электродами ........................................................................ 55 2.4.1. Первичные воздушно-цинковые ХИТ ............................................................................... 58 2.4.2. Механически перезаряжаемые ХИТ .................................................................................. 61 2.4.3. Электрически перезаряжаемые ХИТ ................................................................................. 64 Глава 3. ВТОРИЧНЫЕ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ .......................................................... 67 3.1. Материалы, используемые в аккумуляторах (батареях) ................................................. 69 3.2. Виды аккумуляторов .............................................................................................................................. 70 3.3. Свинцово-кислотные аккумуляторные батареи ................................................................... 75 3.3.1. Механизм токообразующих процессов в свинцовом аккумуляторе ............ 78 3.3.2. Современные типы свинцово-кислотных аккумуляторов ................................... 80 295

Стр.295

3.3.3. Характеристики свинцово-кислотных аккумуляторов ........................................... 87 3.3.4. Современные технологии свинцово-кислотных аккумуляторов ................... 89 3.4. Щелочные аккумуляторы .................................................................................................................... 92 3.4.1. Никель-кадмиевые аккумуляторы (Ni–Cd) .................................................................... 94 3.4.2. Никель-металлгидридные аккумуляторы (Ni–MH) ................................................ 104 3.4.3. Никель-железные (Ni–Fe) аккумуляторы .................................................................... 115 3.4.4. Никель-цинковые аккумуляторы (Ni–Zn) .................................................................... 123 3.4.5. Серебряно-цинковые аккумуляторы (Ag–Zn) ......................................................... 129 3.4.6. Никель-водородные аккумуляторы (Ni–H) ................................................................ 139 Глава 4. ЛИТИЙ-ИОННЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ ........................................................................................ 147 4.1. Принцип работы литий-ионных аккумуляторов ................................................................ 149 4.1.1. Отрицательный электрод ....................................................................................................... 151 4.1.2. Положительный электрод ...................................................................................................... 153 4.1.3. Сепаратор ......................................................................................................................................... 157 4.1.4. Электролит ....................................................................................................................................... 160 4.2. Перспективные химические источники электрической энергии ............................ 165 4.3. Особенности эксплуатации литий-ионных аккумуляторов ........................................ 176 4.4. Утилизация литий-ионных аккумуляторов ............................................................................ 179 Глава 5. ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ .............................................................................................................. 183 5.1. Основные типы топливных элементов .................................................................................... 186 5.2. Полимерные электролиты ............................................................................................................... 204 5.2.1. Структура перфторсульфонированных мембран ................................................... 205 296

Стр.296

5.2.2. Механизмы деградации перфторсульфонированных мембран ................... 208 5.3. Метод спиновых ловушек в исследовании ТЭ in situ .................................................... 210 5.4. Некоторые результаты исследования ТЭ ............................................................................... 214 Глава 6. ВОДОРОДНАЯ ЭНЕРГЕТИКА ....................................................................................................... 219 6.1. Получение водорода ........................................................................................................................... 221 6.1.1. Электролиз воды и водных растворов .......................................................................... 223 6.1.2. Щелочной электролизер ........................................................................................................ 227 6.1.3. Электролизер с твердополимерным электролитом .............................................. 233 6.1.4. Твердооксидный электролизер ......................................................................................... 237 6.1.5. Совершенствование методов электролиза воды ................................................... 238 6.2. Хранение водорода ............................................................................................................................. 240 6.2.1. Классификация методов хранения водорода .......................................................... 241 6.2.2. Хранение газообразного водорода ................................................................................ 242 6.2.3. Хранение жидкого водорода .............................................................................................. 244 6.2.4. Хранение и транспортирование водорода в химически связанном состоянии ....................................................................................................................................................... 245 6.2.5. Гидридная система хранения водорода ...................................................................... 246 6.2.6. Криоадсорбционное хранение водорода ................................................................... 249 Глава 7. СУПЕРКОНДЕНСАТОРЫ ................................................................................................................. 253 7.1. Классификация суперконденсаторов ....................................................................................... 256 7.1.1. Электрохимические двухслойные суперконденсаторы ..................................... 257 7.1.2. Псевдосуперконденсаторы ................................................................................................... 259 7.1.3. Гибридные суперконденсаторы ......................................................................................... 260 297

Стр.297

7.2. Материалы для электродов ДСК ................................................................................................. 261 7.3. Технологии изготовления суперконденсаторов ................................................................ 266 Глава 8. СВЯЗЬ ХИМИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ (ХИЭЭ) С ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ УСТАНОВКАМИ И ЭНЕРГЕТИКОЙ В ЦЕЛОМ ................................... 271 8.1. Комбинированные системы электроснабжения на возобновляемых источниках энергии ....................................................................................................................................... 275 8.2. Комбинированная энергетическая система на основе ДГУ, НЭ и ВИЭ ............... 277 8.3. Солнечные батареи .............................................................................................................................. 280 8.4. Аккумуляторные батареи ................................................................................................................. 282 8.5. Инверторы напряжения .................................................................................................................... 285 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ....................................................................................................................................... 288

Стр.298