background image

 

 

      

Rozdział 5 Chemiczne źródła energii elektrycznej - Ogniwa galwaniczne 

 

Ogniwem galwanicznym nazywamy układ złożony z dwóch elektrod (półogniw) i 

elektrolitu. Anodę ogniwa stanowi elektroda ujemna, katoda zaś jest elektrodą dodatnią. Na 

anodzie zachodzi utlenianie substancji stanowiącej materiał elektrodowy lub też 

dostarczonej do powierzchni elektrody z roztworu elektrolitu. Na katodzie zachodzi 

redukcja substancji elektrodowej lub substancji dostarczonej do powierzchni elektrody z 

roztworu. Jeśli proces rozładowania przebiega nieodwracalnie i nie można na drodze 

elektrolizy doprowadzić ogniwa do stanu początkowego, to mówimy o „ogniwie 

pierwotnym”. Jeśli natomiast po rozładowaniu ogniwa można na drodze elektrolizy 

doprowadzić ogniwo do stanu początkowego, nazywamy go „ogniwem wtórnym,” lub  

akumulatorem. Inaczej mówiąc – akumulatory są to ogniwa odwracalne. 

Wraz z rozwojem elektroniki  rośnie zapotrzebowanie na przenośne źródła prądu, którymi 

są ogniwa galwaniczne. W zależności od warunków eksploatacji dobiera się ogniwa o 

optymalnych do potrzeb parametrach. Jednym z podstawowych parametrów 

charakteryzujących ogniwo, jest napięcie pomiędzy anodą i katodą. Wydawałoby się, że 

można go z góry określić obliczając siłę elektromotoryczną za pomocą wzorów 

omawianych w rozdziale 1, jednakże realne napięcie( U) na zaciskach ogniwa  jest zawsze 

niższe od teoretycznej siły elektromotorycznej ogniwa SEM, bowiem następuje spadek 

napięcia związany z oporem omowym ogniwa ( IR) oraz z nadpotencjałem 

η

 reakcji 

elektrodowych biegnących w ogniwie: 

 

  

 

∆U = SEM –Σ η – IR   

 

(5.1) 

 

 Charakterystyka ogniwa wtórnego zawiera zazwyczaj informacje o maksymalnej i 

minimalnej wartości napięcia – ta ostatnia informacja mówi nam o tym do jakiego napięcia 

można rozładować ogniwo bez obawy jego całkowitego zniszczenia. 

Ważną charakterystyką ogniwa jest też jego pojemność, czyli wielkość zmagazynowanego 

ładunku elektrycznego. Jeśli z ogniwa możemy pobierać prąd I w czasie t

r

 to pojemność 

ogniwa wyrazimy  jako: 

  

 

Q

og

 = It

 

 

 

 

(5.2) 

Praktycznie wielkość tą oceniamy  rozładowując ogniwo poprzez zwarcie jego zacisków za 

pomocą zewnętrznego oporu R  i rejestrując przebieg zależności U- t. Ponieważ jednak w 

takim wypadku natężenie prądu zmienia się również w czasie pomiaru, pojemność ogniwa 

background image

określamy jako całkę: 

Wynika stąd, że pojemność ogniwa zależy od warunków jego eksploatacji ( ilości 

pobieranego z ogniwa prądu, I).  Również energia właściwa  ogniwa zależy od warunków 

jego pracy co należy uwzględnić przy porównywaniu tych wartości dla różnych ogniw . 

Inną ważną charakterystyką ogniw i akumulatorów jest ich szybkość samowyładowania. 

Samo- wyładowanie polega na samorzutnym zmniejszeniu pojemności ogniwa w trakcie 

przechowywania go przez określony czas, lub podczas długotrwałego wyładowywania go 

niskim prądem. Obliczyć ją można posługując się następującym wzorem:  

 

  

 

Sw= [(Q

0

 – Q

t

 ) / Q

0

 t

p

 ] 100%   

(5.4 )  

Gdzie: Sw- szybkość samowyładowania, Q

0

 – pojemność początkowa ogniwa, Q

t

pojemność ogniwa po okresie przechowywania t, t- czas przechowywania wyrażony w 

godzinach miesiącach lub latach. 

W przypadku akumulatorów określa się również sprawność energetyczną. Jest to 

procentowy stosunek ilości energii elektrycznej otrzymanej w trakcie wyładowania 

akumulatora, do ilości energii elektrycznej zużytej podczas ładowania akumulatora.  

Przydatność ogniwa do pracy w określonych warunkach określa też zakres temperatur, w 

jakich ogniwo może funkcjonować i okres czasu przechowywania, po którym ogniwo nie 

traci swoich podstawowych charakterystyk, t. zw. „żywotność ogniwa”. Ze względów 

praktycznych ważna jest też znajomość wytrzymałości mechanicznej ogniwa oraz jego 

odporności na wstrząsy. 

Niektóre wielkości charakteryzujące pracę ogniw  zestawione zostały w tabeli 5.1. 

 

 

Tabela 5.1   Niektóre wielkości charakteryzujące ogniwa galwaniczne 

            

=

t

Idt

Q

0

(5.

3) 

background image

Wielkość 

symbol 

definicja 

jednostki 

Energia właściwa 

/dawniej gęstość 

energii/ teoretyczna i 

praktyczna 

Napięcie robocze 

Maksymalna gęstość 

prądu 

Pojemność, 

/zawartość ładunku/      

Moc 

Gęstość mocy w 

odniesieniu do masy 

/elektrody, ogniwa/ 

Wydajność 

energetyczna  

 

 

 

      E

 

 

 

     U 

 

     

J

max 

 

     

Q

q

    

      P 

 

     

P

 

 

   W

e

 

 

   

 

 -

∆G/Σm

 

 

 

 SEM-

Ση-IR 

 

     

I/A

  

 

    

I dt, 

 IU=I

2

⋅R, (R- opór) 

 

I U/m, (m- masa) 

 

[Q

E(teor..

/Q

Eprakt.

]100

 

 

Wh kg

-1

 lub Wh dm

-3

 

 

 

 

    V 

 

   A/m

2

 lub mA/cm

 

     A h 

    W, kW 

 

      W kg

-1

 

 

(q/nF,q- ładunek) 

 

 

 

 

  

 

 

      

 

 

 

 

 

 

       5.1   Nieodwracalne ogniwa galwaniczne - ogniwa pierwotne 

Najstarszym urządzeniem użytkowym jest ogniwo Leclanché. Nazwa „ogniwo 

Leclanché” dotyczy rodziny ogniw pierwotnych  złożonych z anody cynkowej i katody  

z ditlenku manganu (MnO

2

).Elektrolit stanowi ZnCl

2

 oraz NH

4

Cl w roztworze wodnym, 

zagęszczonym za pomocą skrobi do konsystencji żelu. Schemat ogniwa przedstawić 

można następująco: 

 

Zn

s

|ZnCl

2(aq), 

NH

4

Cl

(aq)

|MnO

2

(s),

C

(s)

 

 

 

Siła elektromotoryczna pojedynczego ogniwa SEM wynosi 1,55-1,74 V. Pomimo wielu 

ulepszeń, nadal współczesne ogniwo opiera się na tych samych podstawowych 

założeniach, które zaproponował w 1866 roku George Leclanché (rys. 5.1). 

background image

Rys.5.1 Schemat ogniwa Leclanché wg [1]. 

Obecnie ogniwo typu Leclanche jest skutecznie wypierane na rynku przez alkaliczne 

ogniwo cynkowe, w którym elektrolit chlorkowy został zastąpiony przez stężony 

roztwór KOH nasycony ZnO (cynkan potasu) natomiast obie elektrody pozostały 

niezmienione. Ogniwo to jest droższe, lecz wykazuje znacznie dłuższy okres 

eksploatacji. Zasadnicza różnica pomiędzy obydwoma typami ogniw cynkowo- 

manganowych sprowadza się w zasadzie do zmiany rodzaju elektrolitu ( KOH zamiast 

NH

4

Cl ), natomiast istota procesów elektrodowych, dzięki którym ogniwo może 

wykonywać pracę użyteczną, pozostaje bez zmian.  Główny proces  biegnący w ogniwie 

polega na reakcji utlenienia cynku do jonów cynkowych na anodzie: 

 

           Zn 

(s)

→ Zn

2+ 

(aq)

+ 2e 

 

 

 

 

oraz jednoczesnej redukcji na katodzie tlenku manganu MnO

2

 do MnO

⋅OH

(s)

 ( lub 

Mn

2

O

3

 H

2

O

(s)

 ), a więc  na redukcji  Mn ( IV) do Mn(III) 

  

 

4MnO

2(s)

+4H

2

O + 4e 

→ 4MnO OH

(s) 

 + 4OH

-

(

 

aq)   

 

 

 

Sumaryczną reakcję rozładowania ogniwa można zapisać jako: 

 

   2Zn(s) + 4 MnO

2(s)

+ 4NH

4

Cl

(aq)

→ 4MnO⋅OH

(s)

 +  ZnCl

2

 + Zn(NH

3

)

4

Cl

2(s)

 

 

dla  klasycznego ogniwa Leclanché, lub : 

 

   2Zn(s) + 4 MnO

2(s)

 + 4 H

2

→ 4MnO⋅OH

(s)

 +  2Zn ( OH)

2

       

 

dla ogniwa alkalicznego.   

Proces anodowy w ogniwie alkalicznym składa się z 2 podstawowych etapów:  

elektrochemicznego  

     Zn + 2 OH

-

  

→ Zn(OH)

2

 + 2e 

 

i chemicznego: 

 

    Zn(OH)

2

 + 2 OH

-

 

→ [Zn(OH)

4

]

2-

 

 

 

Rzeczywisty przebieg reakcji w trakcie pracy ogniwa jest bardziej skomplikowany, 

bowiem równocześnie zachodzą reakcje chemiczne, które mogą zakłócać prawidłową 

background image

pracę ogniwa, np. w ogniwie Leclanché mogą powstawać trudno rozpuszczalne 

wodorotlenki cynku w pobliżu anody: 

 

   

 

 

Zn

2+

(aq) 

+ 2OH

→ Zn(OH)

2(s) 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

natomiast w ogniwie alkalicznym, gdy stężenie cynkanów staje się zbyt wysokie może 

osadzać się na powierzchni anody tlenek cynku na skutek reakcji: 

 

   

 

 

[Zn(OH)

4

2-

 

→ ZnO + H

2

O + 2 OH

 

Ponadto w takim przypadku spowolnieniu ulega 2-gi etap procesu anodowego co w 

efekcie prowadzi do koagulacji Zn(OH)

2

 na powierzchni cynku. Obydwa te procesy 

powodują utratę aktywności anody wskutek jej odizolowania od elektrolitu nie 

przewodzącą  warstewką tlenków i wodorotlenków cynku. Określa się to mianem 

„starzenia” ogniwa prowadzącego do samorozładowania ogniwa w trakcie 

magazynowania. 

Również reakcji katodowej towarzyszą dalsze przemiany chemiczne np: 

 

   

2MnOOH + 2 H

+

 → Mn

2+

 + MnO

2

 + 2 H

2

 

Powyższe reakcje ilustrują tylko częściowo złożoność przemian zachodzących w 

ogniwie Leclanché. 

Stałe, tlenkowe materiały elektrodowe wykazują znikome przewodnictwo elektronowe. 

W celu zwiększenia przewodnictwa elektronowego ditlenek manganu miesza się z 

grafitem lub sadzą acetylenową. Grafit wprowadzany do masy katody posiada zdolność 

adsorpcji tlenu, w związku z czym w rzeczywistości katodę stanowią 2 zwarte elektrody 

MnO

2

 i C/O

2

 , a ponieważ przewodnictwo elektrody węglowej jest wyższe , w 

konsekwencji potencjał   elektrody w dużym stopniu   zależy od potencjału elektrody 

węglowej . Potencjał elektrody MnO

2

/MnOOH jest nie stabilny i jego wartość zależy od 

struktury MnO

2

 użytego do sporządzenia katody. Ditlenek manganu występuje w 

przyrodzie w kilku odmianach krystalograficznych różniących się od siebie m.in. 

aktywnością tlenu. Z tego powodu do budowy ogniwa najlepiej jest używać MnO

2

 

otrzymanego na drodze elektrolizy ( „elektrolityczny MnO

2

”). W trakcie pracy ogniwa 

potencjał MnO

2

 zmienia się stopniowo, bowiem MnO

2

 i MnO

⋅OH tworzą roztwór stały 

zaś szybkość rozładowania katody kontrolowana jest przez szybkość dyfuzji protonów 

w ziarnach MnO

. Dopuszczalne obciążenie prądowe katody wynosi 0,1 Adm

-2

 

(potencjał spada o około 0,3 V ). Po przerwie w pracy ogniwa, potencjał jego znowu się 

background image

podnosi, jednak już nie osiąga wartości pierwotnej. 

 Poważny problem techniczny w cynkowych ogniwach alkalicznych stanowi 

zabezpieczenie obudowy cynkowej przed korozją w kontakcie ze stężonym ługiem.   

W szczególnych przypadkach stosowane bywają ogniwa z depolaryzacją powietrzną, w 

których anodę stanowi cynk lub glin, elektrolitem jest stężony roztwór KOH, natomiast 

reakcją katodową jest redukcja tlenu z powietrza na katodzie wykonanej z grafitu .  

Coraz szersze zastosowanie praktyczne znajdują też ogniwa z elektrolitem stałym. 

Jednym z głównych warunków  jakie musi spełniać taki elektrolit jest wysokie 

przewodnictwo jonowe i zerowe przewodnictwo elektronowe w możliwie szerokim 

zakresie temperatur. Jedną z zalet ogniwa z elektrolitem stałym jest  brak 

niebezpieczeństwa wycieku elektrolitu  jednakże do wad należy niezbyt wysokie 

przewodnictwo, szczególnie w niższych temperaturach . 

Początkowo  jako elektrolit stały były wykorzystywane halogenki srebra ( chlorki, 

bromki lub jodki ), których przewodnictwo jonowe jest dostatecznie wysokie ( 

szczególnie w podwyższonych temperaturach). anodę w tych ogniwach stanowi srebro, 

natomiast katodą jest odpowiedni halogenek zmieszany z grafitem, np. ogniwo 

srebrowo- bromowe zapiszemy jako: Ag/ AgBr / Br

2

 .Wadą takiego ogniwa jest 

zarówno niezbyt wysokie przewodnictwo jonowe jak i  wysoki koszt zarówno samego 

srebra, jak i jego soli.  

Obecnie prowadzone są intensywne prace mające na celu szerokie wykorzystanie 

polimerów przewodzących jonowo w charakterze elektrolitu stałego .Czytelnik 

zainteresowany tą tematyką może pogłębić swą wiedzę zapoznając się z bogatą 

literaturą specjalistyczną ,  (niektóre pozycje przytoczone są na końcu rozdziału).W 

tabeli 5.2. podano kilka przykładów najbardziej popularnych ogniw lektrochemicznych 

 
 
 
 
 
 
 

    

  Tabela 5.2 

 

 

Charakterystyka niektórych ogniw pierwotnych 

 

background image

 

Ogniwo 

Napięcie  

SEM/robocze(V

Temp.Pracy 

      (

0

C) 

Energia 

właściwa 

Teor./prakt  

(Wh/kg) 

Okres skład. 

 (lata) 

Koszt energii 

 za Wh 

(centy USA) 

Leclanche 

Zn|NH

4

Cl,ZnCl

2

MnO

2

(C) 

 

1,60/1,0-1,4 

-5, +50 

 

390/65 

1 - 2 

 

0.37 

Cynkowe-

alkaliczne 

Zn|KOH| MnO

2

 (C) 

 

  

1,55/ 1,0 –1,35 

20,+70 

 

  390/75 

2-3 

 

1,1 

Cynkowo- rtęciowe 

Zn|KOH|HgO 

 

 

1,35/1,2-1,3 

0, + 55 

 

230/100 

 

2,5 

 

7,4 

Litowo-manganowe 

Li|LiClO

4

|MnO

2

 

 

 

3,40/2,2 – 2,8 

-20, +70 

 

1027/265 

>5 

 

1,4 

Lit-chlorek tionylu 

Li|SOCl

 

 

3,65/3,0- 3,5 

-55, +75 

 

1875/ 400 

>10 

 

 0,23 

metal-powietrze 

Zn,Al|(KOH)|O

2     

 

 

1,65/ 0,9- 1,3 

-10, +70 

 

1090 / 280 

 

<0,1 

 

5.2

  Ogniwa wtórne –akumulatory 

 

 Przykładem ogniwa wtórnego może być powszechnie znany akumulator ołowiowy, 

używany m.in. w transporcie samochodowym. W trakcie pracy akumulatora następuje jego 

rozładowanie, czemu odpowiadają reakcje sumaryczne: 

anodowa: 

 

 

    Pb + HSO

4

-

  

→  PbSO

4(s)

 + 2e +H

+   

 

 

 

 

 

katodowa:   

      PbO

2

 

(s)

 + HSO

4

-

 + 3H

+

 + 2e

→ PbSO

4

 

(s)

 + 2H

2

O

(c)

   

 

 

 

background image

Ogólnie można przyjąć, że w roztworze jony Pb

4+

  występują w postaci jonów 

kompleksowych, np. [PbO(OH)]

+

, które ulegają redukcji na katodzie: 

  

 

[PbO(OH)]

+

 + 3 H

+

 + 2e—> Pb

2+

 + 2 H

2

 

 

przy czym jony Pb

2+

 reagują następnie z H

2

SO

4

 tworząc na elektrodzie trudno 

rozpuszczalny siarczan ołowiu II. Proponowany też jest mechanizm reakcji stało fazowej, 

polegającej na redukcji PbO

2

. Najbardziej jednak prawdopodobny jest równoległy bieg  

tych dwu reakcji. 

Akumulatory ołowiowe nadal pozostają najczęściej używanymi odwracalnymi 

chemicznymi źródłami energii elektrycznej. Są one stosunkowo proste w obsłudze, cechuje 

je niski koszt i dostatecznie wysoka energia właściwa ( do 40 Wh

⋅kg

-1

).Wartości 

maksymalnego i minimalnego napięcia zależą od typu akumulatora. W przypadku 

akumulatora ołowiowego wynosi ono 1,8 i 1,4 V. Oznacza to, że gdy napięcie na zaciskach 

akumulatora spadnie do wartości 1,4 V, musi on ulec ponownemu naładowaniu, w trakcie 

którego następuje odwrócenie biegu podanych wyżej reakcji elektrochemicznych. Zaletą 

akumulatora ołowiowego jest przede wszystkim jego niski koszt, natomiast wadą  jest m.in. 

duży ciężar oraz stosunkowo krótki żywot, bowiem podobnie, jak to ma miejsce w 

przypadku innych ogniw galwanicznych, pojemność naładowanego akumulatora 

ołowiowego pozostawionego w stanie rozwartym, maleje w przybliżeniu o 0,5-2% na dobę. 

Jedną z głównych tego przyczyn jest korozja anody ołowiowej: 

 

       

 

Pb  + H

2

SO

4

  

 PbSO

4

 + H

 

Jedną z częstych przyczyn uszkodzenia akumulatora ołowiowego bywa zwarcie płyt katody 

i anody w trakcie ładowania prowadzonego w niewłaściwy sposób. Ponadto akumulator ten 

ulega uszkodzeniu, jeśli poziom kwasu siarkowego spadnie poniżej podanej wartości 

minimalnej bowiem elektrody akumulatora stale muszą kontaktować się z roztworem 

H

2

SO

4

 o określonym stężeniu. Tych wad pozbawiony jest akumulator żelazowo-niklowy, w 

którym elektrolit stanowi stężony roztwór KOH. Jednak jest on znacznie droższy i dlatego 

jest stosowany tylko w szczególnych przypadkach - np. dla zasilania sieci elektrycznej 

łodzi podwodnych. Sumaryczną reakcję zachodzącą w czasie pracy tego akumulatora 

podaje równanie: 

 

       

Fe + 2NiOOH + 2H

2

O = Fe(OH)

2 + 

2 Ni( OH )

2

   

 

 Zastosowanie do zasilania przenośnych urządzeń elektrycznych  znajdują też akumulatory 

niklowo-kadmowe, w których  reakcją anodową jest utlenianie kadmu: 

 

background image

 Cd + 2OH

-

 → Cd(OH)

2

(s) + 2e 

 

 

 

 Uwalniane w tej reakcji elektrony są zużywane do redukcji wodorotlenku Ni(III) zgodnie z 

reakcją sumaryczną: 

       

Cd + 2NiOOH + 2H

2

O = Cd(OH)

2  

 +

 

2 Ni( OH )

2

   

 

Jak widać, ani w procesie pracy akumulatora, ani też w trakcie jego ładowania nie 

uczestniczą żadne produkty gazowe, dzięki czemu może on być hermetycznie zamknięty, 

co umożliwia zastosowanie go w przenośnych urządzeniach elektronicznych np. na 

łodziach podwodnych Jednakże poważną wadą tego rodzaju akumulatorów jest wyższy 

koszt i toksyczność materiałów elektrodowych .  Zastąpienia szczególnie  toksycznego 

kadmu  dokonano w ogniwie nikiel-wodorek metalu (o oznaczeniu handlowym (Ni|MH). 

Reakcją katodową jest ta sama reakcja redukcji NiOOH co w przypadku ogniwa niklowo-

kadmowego , natomiast reakcją anodową zachodząca podczas rozładowania ogniwa jest 

przemiana wodorku specjalnych materiałów stopowych metali według schematu: 

 

       

 

 

MH 

(s)  

+ OH

-

 

(aq)

 

→ M 

(s) 

 +H

2

(c) 

 + e  

 

 

 

W zależności od użytego stopu SEM ogniwa leży w granicach 1,32-1,35 V. 

           Zastosowanie praktyczne znajdują  też odwracalne ogniwa litowe, w których anodę 

stanowi lit metaliczny. Dzięki użyciu litu jako anody ogniwa te charakteryzują się znacznie 

wyższym napięciem niż ogniwa, w których anodę stanowi Zn . Jednakże lit w kontakcie z 

wodą powoduje jej natychmiastowy rozkład, toteż w tego typu ogniwach nie można 

stosować roztworów wodnych. W ogniwach litowych elektrolit stanowi roztwór  soli litu ( 

np. LiClO

4

, LiPF

6

 i in. ) w rozpuszczalnikach organicznych takich jak węglan propylenu ( 

skrót „PC”), węglan etylenu (skrót EC), γ-butyrolakton (skrót BL). Wykorzystuje się 

również elektrolity polimerowe zawierające modyfikacje poli-(oksyetylenu) (skrót PEO)) z 

solami litu np. LiPF

6,  

LiCF

3

SO

3

, LiBF

4

, LiAsF

6

.   

W odwracalnych ogniwach litowych rozróżniamy dwa typy materiałów katodowych: 

katody nieorganiczne i   katody polimerowe. Jako katody nieorganiczne wykorzystuje się  

tlenki lub siarczki metali przejściowych o ogólnym wzorze M

x

Z

y

, gdzie Z – oznacza  atom 

tlenu lub siarki.  Reakcja katodowa polega na wprowadzeniu kationu litu do materiału 

stanowiącego osnowę: 

 

       

 

M

x

Z

y

 + nLi

+

 + ne

-

 

→Li

n

M

x

Z

y

   

       

Przemiana ta przebiega w sposób odwracalny. Proces taki nazywa się interkalacją od 

background image

łacińskiego słowa intercalo dodawać. W trakcie interkalacji do materiału osnowy wchodzi 

interkalant, w naszym przypadku kation Li

+

. Struktura krystalograficzna osnowy ulega 

tylko nieznacznym przemianom i charakterystyczne fragmenty struktury zostają 

zachowane. 

W katodach polimerowych materiał elektrodowy stanowią polimery przewodzące 

elektronowo takie jak polipirol, polianilina, czy politiofen. Reakcja katodowa przebiega 

zgodnie ze schematem: 

 

       

P

m+

A

m

+ ne

-

 + nLi

→P

 (m-n)+

A

m

-

Li

n

+

   

   

gdzie P – oznacza polimer przewodzący elektronowo, A

-

 - oznacza anion. Z uwagi na 

ochronę środowiska zastąpienie katod nieorganicznych, zawierających związki metali 

przejściowych, przez katody polimerowe uważane jest za korzystne. 

Jako anody w odwracalnych ogniwach litowych poza litem metalicznym mogą być 

używane anody stopowe. Najczęściej wykorzystuje się stop litu z glinem.   

Reakcja anodowa elektrody litowej polega na prostym roztwarzaniu metalu:  

 

                                    Li

→Li

+ e

-   

 

     

 

 

W miejsce metalicznego litu może być stosowana anoda grafitowa wykonana z grafitu 

pirolitycznego.   W trakcie ładowania ogniwa następuje proces interkalacji litu do grafitu, 

natomiast  w trakcie rozładowania ogniwa -jego deinterkalacja: 

       

LiC

6

 

→ Li

+

 +Li

1-x

C

6

 + xe

  

 

 

 

Ogniwa litowe, w których zastosowano zamiast anody metalicznej anodę grafitową noszą 

nazwę litowo-jonowych (ang.lithium-ion batteries). W obu przypadkach katodą jest 

materiał intekalowany typu Li

x

Me

y

Z

z

 (np.: Li

x

Mn

2

O

4

).  

 

Rys. 5.2. Schemat ogniwa odwracalnego z anodą litową (A) i ogniwa z anodą grafitową 

(B).   

 

Poniżej w tabeli podane zostały niektóre parametry charakteryzujące najczęściej używane 

akumulatory.   

 

 

 

 Tabela 5.3   Charakterystyka typowych ogniw wtórnych

background image

Nazwa 

akumulatora 

System 

elektrochemiczny 

anoda | elektrolit | 

katoda 

Napięcie [V] 

znamionowe 

------  

robocze 

Energi 

właściwa 

[Wh/kg] 

Ołowiowo-

kwasow-

rozruchowy 

-trakcyjny 

Pb|H

2

SO

4

|

PbO

2

 

2,0 

------------  

1,75 - 2,15         

 

 

30-40 

22-36 

 

Zasadowy 

nikiel-kadm 

Cd

|KOH|NiOOH 

 

   

1,00-1,32 

15-23 

20-40 

Zasadowy 

nikiel-żelazo 

Fe

|KOH|NiOOH 

 

1,20 

------------

1,00-1,38 

20-40 

Srebrowo-

cynkowy 

Zn

|KOH|Ag

2

     1,5 

------------ 

1,35-1,75 

80-100 

Ogniwo z 

ciekłym 

elektrolitem i 

separatorem 

1)Li

(s)

|LiAsF

6

-

PC

|MoS

2

,C

(s) 

2)Li

|LiAsF

6

,1,3dioksola

n

|LiMn

3

O

 

   1.8 

 

    2,9 

 

  

50 Wh/kg 

 

130Wh/kg 

*) trwałość mierzona liczbą cykli ładowania i rozładowania akumulatora ; 

 

5.3

  Ogniwa paliwowe 

 

  Osobny typ chemicznych źródeł energii elektrycznej stanowią ogniwa paliwowe . W 

tego rodzaju ogniwach reakcja chemiczna dostarczająca energii elektrycznej ( paliwo) 

biegnie w całej objętości ogniwa, natomiast elektrody wykonane są z materiałów 

inertnych  i służą jedynie do przenoszenia ładunków elektrycznych, którymi są elektrony. 

    Uwzględniając stan skupienia paliwa możemy podzielić ogniwa paliwowe na : ogniwa 

paliwowe  z paliwem gazowym, ciekłym lub stałym. Inna klasyfikacja zawiera informację 

background image

o temperaturze pracy ogniwa, a więc : ogniwa paliwowe nisko- ,średnio- i wysoko-

temperaturowe. 

 Największe zastosowanie praktyczne znajdują dwa pierwsze rodzaje ogniw, t.j. z 

paliwem gazowym i ciekłym. Elektrolitem używanym w ogniwach paliwowych 

najczęściej jest stężony roztwór KOH, aczkolwiek może też być stosowany 5 – 6 molowy 

roztwór H

2

SO

4

 ( jest on jednak bardziej agresywny i dlatego roztwór alkaliczny jest 

preferowany ). Jako paliwo gazowe w ogniwie najczęściej wykorzystywany jest wodór, 

dostarczany w sposób ciągły do elektrody będącej anodą , podczas gdy do drugiej 

elektrody (katody) dostarczany jest tlen  (lub powietrze).  Źródłem energii jest utlenianie 

wodoru (reakcja anodowa): 

 

                         H

2

(g)  →2H

+

 + 2e 

 

 

 

podczas gdy na katodzie biegnie reakcja redukcji tlenu: 

 

               O

2(g)

 + 2H

2

O + 4e → 4OH

-

   

 

A zatem sumarycznie w ogniwie biegnie  reakcja:  

 

            2 H

2

 + O

2

 = 2 H

2

 

 

 

 Elektrody wykonane są najczęściej z węgla aktywowanego o specjalnej konstrukcji 

porów (szersze od strony gazu, węższe od strony elektrolitu ). Reakcja pomiędzy gazami 

odbywa się na styku węższych porów z szerszymi. W tym też miejscu  na powierzchnię 

porów nanoszony jest katalizator (najczęściej Pt, Pt+Rh, Ag, Pd, Ni ), którego obecność 

jest niezbędna do prawidłowego przebiegu reakcji w ogniwie. 

 

Rys. 5.3 Schemat konstrukcji porów w elektrodzie stosowanej w wodorowo-

tlenowym ogniwie paliwowym. 

Rys. 5.4 Schemat wodorowego ogniwa paliwowego. 

 

 Produktem sumarycznej reakcji zachodzącej w omawianym ogniwie jest woda, dzięki 

czemu praca ogniwa nie powoduje żadnego zanieczyszczenia środowiska, co stanowi jego 

ogromną zaletę. Dlatego też wiąże się wielkie nadzieje z zastosowaniem tego rodzaju 

ogniw paliwowych w transporcie samochodowym w miejsce tradycyjnych silników 

spalinowych. Dzięki temu można wydatnie zmniejszyć zanieczyszczenie środowiska 

gazami wydechowymi. Jednakże na razie szerokiemu zastosowaniu w transporcie 

background image

samochodowym wodorowo- tlenowych ogniw paliwowych stoi na przeszkodzie znacznie 

wyższa cena energii (m.in. koszt czystego H

2

, możliwości jego bezpiecznego  

przechowywania, oraz ogólny koszt całego ogniwa ) , natomiast tego rodzaju ogniwa 

paliwowe znajdują powszechne zastosowanie w pojazdach kosmicznych. Poważnym 

problemem technicznym stojącym na przeszkodzie szerokiego stosowania ogniw 

wodorowych w praktyce jest problem przechowywania wodoru i tlenu . Istnieje kilka 

sposobów rozwiązania tego problemu, jak : zastąpienie stalowych butli do 

przechowywania gazowych H

2

 i O

2

 przez specjalnie utwardzane włókna szklane ( (waga 

!). stosowanie ciekłego H

2

 i O

2

 ( w ten sposób można powiększyć energię właściwą 

ogniwa o ponad jeden rząd wielkości! ), a wreszcie magazynowanie wodoru w postaci 

wodorków , np. LiH, MgH

2

, LiBH

4

 i in. Podczas kontaktu z wodą następuje uwalnianie 

czystego wodoru: 

   

 

 

 

 

LiH + H

2

O → LiOH + H

2

   

 

 

 

 

 

Spośród ogniw paliwowych z paliwem ciekłym na szczególną uwagę zasługują ogniwa 

hydrazynowe i metanolowe. W obu tych ogniwach reakcją katodową jest redukcja tlenu. 

W ogniwach hydrazynowych paliwem jest hydrazyna -N

2

H

4  

.W zależności od konstrukcji 

ogniwa stężenie hydrazyny waha się w granicach od 0,5 do 8 %

 

.Elektrolit stanowi  20 – 

40% roztwór KOH.  W trakcie pracy ogniwa na anodzie  zachodzi reakcja: 

 

   

                    N

2

H

+ 4OH

-

 → N

2

 + 4 H

2

O + 4e    ( E

0

 = - 1,16 V )   

 

 

zaś reakcją katodową  jest: 

 

   

 

 

 

O

2

 + 2H

2

O + 4e 

 4OH

-  

 

Natomiast sumaryczną reakcję w ogniwie stanowi reakcja: 

 

   

 

 

 

N

2

H

4

 + O

2

 = N

2

 + H

2

O  

 

 

 

 

 

Standardowa wartość SEM ogniwa w temperaturze 298K wynosi 1,56 V , lecz 

rzeczywiste napięcie robocze ogniwa wynosi 0,8 do 1,2 V . Zaletą tego ogniwa 

paliwowego jest, że w efekcie jego pracy powstają nietoksyczne produkty reakcji. 

Niestety jednak hydrazyna jest materiałem drogim , a jej roztwór wodny  jest niestabilny, 

a więc w trakcie przechowywania ogniwa może mieć miejsce jej samorzutny rozkład, na 

przykład: 

   

 

 

N

2

H

4

 → N

2

 + 2 H

2

   ( ∆ G

0

 = - 128,3 kJ mol

-1

 ) 

 

 

 

background image

 

Innym przykładem ogniwa paliwowego z ciekłym paliwem może służyć ogniwo, w 

którym w charakterze paliwa wykorzystywany jest metanol. Główną zaletą takiego 

ogniwa jest niski koszt paliwa (metanolu) , jego dostępność i łatwość przechowywania. 

Jednakże reakcja anodowego utleniania   CH

3

OH jest dostatecznie skomplikowana, przy 

czym powstające w trakcie jej biegu produkty pośrednie adsorbują się na powierzchni 

elektrody z katalizatorem co prowadzi do zatrucia katalizatora- czyli spadku jego 

aktywności. Mechanizm reakcji anodowej jest zależny od tego, czy stosowany jest 

elektrolit kwaśny ( H

2

SO

4

 ) czy alkaliczny (KOH). Sumaryczne reakcje biegnące w 

ogniwie można zapisać w następujący sposób: 

gdy pH< 7 

   

 

 

CH

3

OH + H

2

O = CO

2

 + 6 H

+

 + 6e 

 

gdy pH>7 

   

 

 

CH

3

OH + 8 OH

-

 = CO

3

 + 6 H

2

O + 6e 

 

Rzeczywisty proces elektrodowy jest znacznie bardziej skomplikowany. Jego pierwszym 

etapem jest chemisoprcja dysocjacyjna metanolu , np. na platynie: 

   

 

 

CH

3

OH

→ HCO

ad

 + 3 H

ad

 

W trakcie reakcji powstają też inne półprodukty również zaadsorbowane na powierzchni 

elektrody, np.CH

2

O

ad  

 lub HCOOH

ad

.  Obecność zaadsorbowanych półproduktów reakcji 

na powierzchni katalizatora ( platyny) może prowadzić do utraty aktywności ( t.zw. 

„zatrucie katalizatora” ). Jednym ze sposobów przeciwdziałania temu niekorzystnemu 

zjawisku jest prowadzenie reakcji utleniania metanolu w podwyższonej temperaturze ( > 

60

0

 C ). 

 Jak łatwo zauważyć, wadą tego ogniwa jest fakt, iż produktem końcowym reakcji 

spalania w środowisku kwaśnym jest CO

2

 (efekt cieplarniany! ) lub, w środowisku 

alkalicznym, jony CO

3

2-

 , co prowadzi do niekorzystnej zmiany składu elektrolitu w 

trakcie pracy ogniwa.  

Jako katalizatory reakcji anodowej używana jest siatka Pt (rzadziej Pd)  często z 

domieszką innych metali jak Ru lub Sn . 

Praktyczną charakterystyką ogniwa paliwowego może być m. in. zużycie reagentów na 

jednostkę wytwarzanej energii elektrycznej. Dane takie dla wybranych ( najczęściej 

stosowanych) ogniw paliwowych zawiera tabela 5.4  . 

 

 

background image

 

 

 

    Tabela 5.4 

Zużycie reagentów na jednostkę wytwarzanej energii elektrycznej w ogniwach 

paliwowych różnego typu. 

 

                                    

Reagenty                  Napięcie       Zużycie reagentów              

Razem 

(Paliwo/ Utleniacz  )     /V            / g kWh

-1

                                                 

H

2

 – O

                       0,8                    47                                    

CH

3

OH- O

2

               0,7                    288                                     

N

2

H

4

 – O

2

                 0,8                     370                 

 

 

Literatura fachowa dotycząca konstrukcji i pracy  zarówno ogniw galwanicznych jak i 

ogniw paliwowych jest bardzo bogata . Poniżej przytoczone zostały jedynie kilka 

pozycji. 

 

Literatura 

1.

  T.R. Crompton, Battery Reference Book, Butterworth 1997 

 2   A. Cisak, L. Werblan, „Wysokoenergetyczne Niewodne Ogniwa Galwaniczne”, 

PWN,      Warszawa 1986 

 3. .A.J. Appleby, F.R. Foulkes, “Fuel Cell Handbook”, Krieger Publ. 

Company,Malabar,  Florida 1993  

                     4.. red .White R.E., “Modern Aspects of Electrochemistry” ,Springer-Verlag, Heidelberg 

2007 

5.

  red. B.Elvers “Handbook of Fuels” , John Wiley and Sons, New York- London, 

2007 

6.

  W.S. Bagocki, W.N. Florow, “Chemiczne Źródła Energii Elektrycznej”, WNT 

Warszawa 1965 

7.

  V. Pop , H. Bergveld, D. Danilov,P. Retingen, P. Notten, “Battery Managment 

Systems” ,Springer-Verlag, Heidelberg  2008