лекция 4. металл воздушные электрохимические...
TRANSCRIPT
![Page 1: лекция 4. металл воздушные электрохимические технологии](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052301/55a7ac441a28ab6e638b487f/html5/thumbnails/1.jpg)
Химические источники энергии
Лекция 4. Металл-воздушные электрохимические технологии
![Page 2: лекция 4. металл воздушные электрохимические технологии](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052301/55a7ac441a28ab6e638b487f/html5/thumbnails/2.jpg)
Лекция 4
Как устроены и работают металл-воздушныеэлементы
![Page 3: лекция 4. металл воздушные электрохимические технологии](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052301/55a7ac441a28ab6e638b487f/html5/thumbnails/3.jpg)
Схема металл-воздушного элемента
Козадеров О.А. 2015 г.
![Page 4: лекция 4. металл воздушные электрохимические технологии](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052301/55a7ac441a28ab6e638b487f/html5/thumbnails/4.jpg)
Газовый кислородный электрод
Устройство Электродные реакции
Козадеров О.А. 2015 г.
кислая среда
Pt, O2 | H3O+
О2 + 4Н+ + 4е- = 2Н2О (Е0 = 1,23 В)
щелочная среда
Pt, O2 | OH-
О2 + 2Н2О + 4е- = 4ОН- (Е0 = 0,4 В)
нейтральная среда
Pt, O2 | H2O
О2 + 2Н2О + 4е- = 4ОН- (Е0 = 0,4 В)
![Page 5: лекция 4. металл воздушные электрохимические технологии](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052301/55a7ac441a28ab6e638b487f/html5/thumbnails/5.jpg)
Газодиффузионный электрод (ГДЭ)
Козадеров О.А. 2015 г.
![Page 6: лекция 4. металл воздушные электрохимические технологии](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052301/55a7ac441a28ab6e638b487f/html5/thumbnails/6.jpg)
Срез ГДЭ (СЭМ-фотография)
Козадеров О.А. 2015 г.
![Page 7: лекция 4. металл воздушные электрохимические технологии](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052301/55a7ac441a28ab6e638b487f/html5/thumbnails/7.jpg)
Газодиффузионный электрод
Козадеров О.А. 2015 г.
Углеродная бумага (СЭМ-фотография)
гидрофобныйслой
частично смачивающийсяслой
![Page 8: лекция 4. металл воздушные электрохимические технологии](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052301/55a7ac441a28ab6e638b487f/html5/thumbnails/8.jpg)
Металл-воздушный элемент
Козадеров О.А. 2015 г.
Электрохимическая система
(–) Металл | Электролит | O2 (+)
![Page 9: лекция 4. металл воздушные электрохимические технологии](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052301/55a7ac441a28ab6e638b487f/html5/thumbnails/9.jpg)
Цинк-воздушные элементы
Козадеров О.А. 2015 г.
![Page 10: лекция 4. металл воздушные электрохимические технологии](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052301/55a7ac441a28ab6e638b487f/html5/thumbnails/10.jpg)
Цинк-воздушные элементы
Козадеров О.А. 2015 г.
Катод газодиффузионный воздушный электрод пористый, с высокоразвитой поверхностью с каталитическим слоем
диоксид марганца серебро
Анод металлический Zn
Электролит водный раствор щелочи
Электрохимическая система(–) Zn | KOH | O2 (+)
![Page 11: лекция 4. металл воздушные электрохимические технологии](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052301/55a7ac441a28ab6e638b487f/html5/thumbnails/11.jpg)
Электрохимические процессы
Козадеров О.А. 2015 г.
катодная реакция
О2 + 2Н2О + 4е- = 4ОН- (Е0 = 0,4 В)
анодная реакция
токообразующая реакция
2 04Zn 4OH Zn OH 2e E 1,22 В
2
42 2
1Zn O 2OH H O Zn OH
2
![Page 12: лекция 4. металл воздушные электрохимические технологии](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052301/55a7ac441a28ab6e638b487f/html5/thumbnails/12.jpg)
Схема работы цинк-воздушного элемента
Козадеров О.А. 2015 г.
Recent advances in zinc–air batteries by Yanguang Li and Hongjie Dai
Chem. Soc. Rev., 2014, 43, 5257-5275
http://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2014/cs/c4cs00015c
![Page 13: лекция 4. металл воздушные электрохимические технологии](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052301/55a7ac441a28ab6e638b487f/html5/thumbnails/13.jpg)
Электрохимические процессыесли электролит насыщен цинкат-ионами
Козадеров О.А. 2015 г.
катодная реакция
О2 + 2Н2О + 4е- = 4ОН- (Е0 = 0,4 В)
анодная реакция
токообразующая реакция
0
2Zn 2OH ZnO H O 2e E 1,26В
2
1Zn O ZnO
2
![Page 14: лекция 4. металл воздушные электрохимические технологии](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052301/55a7ac441a28ab6e638b487f/html5/thumbnails/14.jpg)
Кривые разряда щелочных элементов(в сравнении)
Козадеров О.А. 2015 г.
![Page 15: лекция 4. металл воздушные электрохимические технологии](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052301/55a7ac441a28ab6e638b487f/html5/thumbnails/15.jpg)
Побочные процессы
Козадеров О.А. 2015 г.
коррозия цинка
пассивация цинка
карбонизация щелочного электролита
2KOH + CO2 → K2CO3 + H2O
KOH + CO2 → KHCO3
2
42 2
2
2Zn 6H O 2OH 2Zn OH 3H
1Zn O ZnO
2
![Page 16: лекция 4. металл воздушные электрохимические технологии](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052301/55a7ac441a28ab6e638b487f/html5/thumbnails/16.jpg)
Применение
Козадеров О.А. 2015 г.
![Page 17: лекция 4. металл воздушные электрохимические технологии](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052301/55a7ac441a28ab6e638b487f/html5/thumbnails/17.jpg)
Цинк-воздушный элемент-«таблетка»
Козадеров О.А. 2015 г.
![Page 18: лекция 4. металл воздушные электрохимические технологии](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052301/55a7ac441a28ab6e638b487f/html5/thumbnails/18.jpg)
Алюминий-воздушные элементы
Козадеров О.А. 2015 г.
![Page 19: лекция 4. металл воздушные электрохимические технологии](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052301/55a7ac441a28ab6e638b487f/html5/thumbnails/19.jpg)
Алюминий-воздушные элементы
Козадеров О.А. 2015 г.
Катод газодиффузионный воздушный электрод пористый, с высокоразвитой поверхностью с каталитическим слоем
диоксид марганца
серебро
Анод металлический Al
Электролит водный раствор щелочи или водный раствор NaCl
Электрохимические системы
(–) Al | KOH | O2 (+)
(–) Al | NaCl | O2 (+)
![Page 20: лекция 4. металл воздушные электрохимические технологии](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052301/55a7ac441a28ab6e638b487f/html5/thumbnails/20.jpg)
Электрохимические процессы
Козадеров О.А. 2015 г.
Катодная реакция
O2 + 2H2O + 4e– = 4OH– (E0 = 0,40 В)
Анодные реакции
Al + 4OH– = Al(OH)4– + 3e– (E0 = –2,33 В)
Al + 3OH– = Al(OH)3 + 3e– (E0 = –2,31 В)
Токообразующие реакции
4Al + 3O2 + 6H2O + 4OH– = 4Al(OH)4–
4Al + 3O2 + 6H2O = 4Al(OH)3
![Page 21: лекция 4. металл воздушные электрохимические технологии](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052301/55a7ac441a28ab6e638b487f/html5/thumbnails/21.jpg)
Схема алюминий-воздушного элемента
Козадеров О.А. 2015 г.
![Page 22: лекция 4. металл воздушные электрохимические технологии](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052301/55a7ac441a28ab6e638b487f/html5/thumbnails/22.jpg)
Побочные процессы
Козадеров О.А. 2015 г.
коррозия алюминия
2Al + 6H2O + 2OH– = 2Al(OH)4– + 3H2
пассивация алюминия
карбонизация щелочного электролита
2KOH + CO2 → K2CO3 + H2O
KOH + CO2 → KHCO3
![Page 23: лекция 4. металл воздушные электрохимические технологии](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052301/55a7ac441a28ab6e638b487f/html5/thumbnails/23.jpg)
ПрименениеНПП Квант (Россия)
Козадеров О.А. 2015 г.
электропитание осветительных приборов, переносной теле- и радиоаппаратуры, средств связи, различного электроинструментав интересах Министерства Обороны: электропитания приборов обеспечения стрельбы артиллерии, артиллерийских квантовых дальномеров, переносных станций радиолокационной разведки, переносных радиостанций спутниковой связи, автономного электропитания оборудования, приборов и военной техники, зарядки аккумуляторов в полевых условиях.
углеродный катод и алюминиевый анод
![Page 24: лекция 4. металл воздушные электрохимические технологии](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052301/55a7ac441a28ab6e638b487f/html5/thumbnails/24.jpg)
ПрименениеPhinergy (Израиль)
Козадеров О.А. 2015 г.
![Page 25: лекция 4. металл воздушные электрохимические технологии](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052301/55a7ac441a28ab6e638b487f/html5/thumbnails/25.jpg)
Магний-воздушные элементы
Козадеров О.А. 2015 г.
![Page 26: лекция 4. металл воздушные электрохимические технологии](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052301/55a7ac441a28ab6e638b487f/html5/thumbnails/26.jpg)
Магний-воздушные элементы
Козадеров О.А. 2015 г.
Катод газодиффузионный воздушный электрод пористый, с высокоразвитой поверхностью с каталитическим слоем
диоксид марганца серебро
Анод металлический Mg
Электролит водный раствор NaCl
Электрохимическая система(–) Mg | NaCl | O2 (+)
![Page 27: лекция 4. металл воздушные электрохимические технологии](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052301/55a7ac441a28ab6e638b487f/html5/thumbnails/27.jpg)
Процессы
Козадеров О.А. 2015 г.
Катодная реакция
O2 + 2H2O + 4e– = 4OH– (E0 = 0.40 В)
Анодная реакция
Mg + 2OH- = Mg(OH)2 + 2e– (E0 = –2.69 В)
Токообразующая реакция
2Mg + O2 + 2H2O = 2Mg(OH)2
Побочная реакция
2Mg + 2H2O = Н2 + 2Mg(OH)2
![Page 28: лекция 4. металл воздушные электрохимические технологии](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052301/55a7ac441a28ab6e638b487f/html5/thumbnails/28.jpg)
Устройство магний-воздушного элемента
Козадеров О.А. 2015 г.
![Page 29: лекция 4. металл воздушные электрохимические технологии](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052301/55a7ac441a28ab6e638b487f/html5/thumbnails/29.jpg)
Схема работы магний-воздушного элемента
Козадеров О.А. 2015 г.
Magnesium–air batteries: from principle to application
by Tianran Zhang, Zhanliang Tao and Jun Chen
Mater. Horiz., 2014, 1, 196-206
http://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2014/mh/c3mh00059a
![Page 30: лекция 4. металл воздушные электрохимические технологии](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052301/55a7ac441a28ab6e638b487f/html5/thumbnails/30.jpg)
Поляризационная кривая и кривая мощности магний-воздушного элемента
Козадеров О.А. 2015 г.
![Page 31: лекция 4. металл воздушные электрохимические технологии](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052301/55a7ac441a28ab6e638b487f/html5/thumbnails/31.jpg)
Применение
Козадеров О.А. 2015 г.
устройства электропитания для чрезвычайных ситуаций и стихийных бедствий
силовые устройства для регистраторов данных
зарядные устройства
устройства резервного питания
![Page 32: лекция 4. металл воздушные электрохимические технологии](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052301/55a7ac441a28ab6e638b487f/html5/thumbnails/32.jpg)
Литий-воздушные элементы
Козадеров О.А. 2015 г.
![Page 33: лекция 4. металл воздушные электрохимические технологии](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052301/55a7ac441a28ab6e638b487f/html5/thumbnails/33.jpg)
Различные типы литий-воздушных систем
Козадеров О.А. 2015 г.
![Page 34: лекция 4. металл воздушные электрохимические технологии](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052301/55a7ac441a28ab6e638b487f/html5/thumbnails/34.jpg)
Задание
Козадеров О.А. 2015 г.
пользуясь материалами лекции, рассчитать стандартное термодинамическое напряжение
цинк-воздушного элемента
алюминий-воздушного элемента
магний-воздушного элемента