GIÁO TRÌNH NGUỒN ĐIỆN HÓA HỌC

Nguồn điện hóa học là thiết bị sản sinh dòng điện nhờ vào năng lượng hóa học của các phản ứng oxi hóa – khử.Nguồn điện hóa học được ứng dụng rộng rãi như một nguồn điện độc lập cung cấ

CHƯƠNG 4 NGUỒN ĐIỆN HÓA HỌC

1 • Tổng quan về nguồn điện hóa học

2 • Nguồn điện sơ cấp

3 • Nguồn điện thứ cấp

4 • Pin nhiên liệu

Nguồn điện hóa học là thiết bị sản sinh dòng điện nhờ vào năng lượng hóa học của các phản ứng oxi hóa – khử.

Nguồn điện hóa học được ứng dụng rộng rãi như một nguồn điện độc lập cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện trong nhiều lĩnh vực khác nhau

Nguồn điện hóa học có thể cung cấp năng lượng từ vài chục mWh (trong đồng hồ đeo tay, máy tạo nhịp tim đặt trong cơ thể…) cho đến hàng trăm kWh (chạy ôto) hoặc đến hàng chục MWh (trạm phát điện bằng pin nhiên liệu)

4.1 TỔNG QUAN VỀ NGUỒN ĐIỆN HÓA HỌC

4.1.1 PHÂN LOẠI NGUỒN ĐIỆN HÓA HỌC

Pin (Nguồn điện sơ cấp - Primary batteries)

Ắc quy (Nguồn điện thứ cấp - Secondary batteries)

Pin nhiên liệu (Fuel cells)

Nguyên lí cấu tạo chung của nguồn điện hóa học

4.1.2 CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐẶC TRƯNG

CHO NGUỒN ĐIỆN HÓA HỌC

a Hiệu điện thế

Hiệu điện thế của pin là điện áp danh định mà pin tạo ra khi

hoạt động, được tính bằng Volt (V)

Hiệu điện thế của pin luôn luôn nhỏ hơn sức điện động:

Ucell = Ec – Ea – ∑ - iRcell

∑ - tổng phân cực của battery gồm có phân cực điện

hóa, phân cực nồng độ và phân cực hóa học

i – cường độ dòng điện

Rcell – điện trở trong của battery

=+ 0.34 𝑉 ¿

b Dung lượng và dung lượng riêng

Dung lượng là điện lượng mà pin có thể tạo ra tại điện áp danh định, thường được tính bằng đơn vị miliampe giờ (mA.h)

Dung lượng riêng là điện lượng tích

trữ trên một đơn vị khối lượng

(Ah/kg) hoặc trên một đơn vị thể tích

chiếm chỗ của nguồn điện (Ah/dm3

hoặc Ah/m3)

Dung lượng riêng của các vật liệu

trong nguồn điện hóa học phổ biến

như chì (260 Ah/kg), kẽm (820 Ah/kg),

Liti (3860 Ah/kg)

c Mật độ năng lượng

Mật độ năng lượng là năng lượng riêng, tức là năng lượng trên một đơn vị khối lượng hoặc đơn vị thể tích

d Chu kỳ sống (Cycle life) – dành cho ắc quy

Nó cho ta biết số chu kì nạp và phóng điện (sạc/xả) hoàn chỉnh ắc quy có thể hỗ trợ (chu cấp) trước khi mà dung lượng của nó giảm xuống dưới 80-85% dung lượng ban đầu của nó Nói chung, chu kỳ sống của ắc quy là số chu kỳ sạc/

xả hoàn chỉnh trước khi ắc quy bắt đầu giảm rõ rệt hiệu suất của nó

4.2 NGUỒN ĐIỆN SƠ CẤP (PRIMARY BATTERIES)

4.1.1 PIN MANGAN-KẼM

 Hàng năm, trên thế giới sản xuất hơn 10 tỷ thỏi pin mangan-kẽm Theo một vài số liệu 90% nguồn điện hóa học sản xuất trên thế giới là hệ Zn-MnO2

 Kẽm là chất khử tốt (-0.76 V), tương đối bền đối ăn mòn, tương đối rẻ và không độc hại Dung lượng riêng lý thuyết của kẽm là 830 Ah/kg

 Pin mangan-kẽm được sản xuất ở 2 dạng: pin muối và pin kiềm

a Pin muối (Pin Leclanché)

Sơ đồ mạch: (-)ZnZnCl2, NH4ClMnO2 (+)Anode – kẽm (≥ 99.94%), là vỏ của nguồn điện Chứa lượng nhỏ Pb, Ga hoặc Cd (khoảng vài 0.10 và 0.01%) đóng vai trò chất ức chế ăn mòn kẽm

Hoạt chất cathode – EMD (electrochemical maganese dioxide) với than chì hoặc bồ hóng và K2Cr2O7 và Cr2(SO4)3, ngăn ngừa sự chảy nước của chất điện giải khi tăng nhiệt độ.Chất điện li – NH4Cl, ZnCl2 hoặc NH4Cl với ZnCl2

Cathode: 2MnO2 + 2H2O + 2e = 2MnO(OH) + 2OH−

2MnO 2 + Zn + 2H 2 O = Zn(OH) 2 + 2MnO(OH)

SĐĐ = 1.5V

CẤU TRÚC PIN MUỐI

b Pin kiềm (Alkaline battery)

7-10

Chất kết dính 0-1

* Dẫn xuất của cellulose, polyacrylate,

polyvinyl alcohol và các polymer khác

Ở giai đoạn đầu của quá trình phóng điện diễn ra sự oxi hóa kẽm cho ra zincat

Anode: Zn + 4OH− - 2e = ZnO22- + 2H2O

Cathode: 2MnO2 + 2H2O + 2e = 2MnOOH + 2OH−

Phản ứng tổng: Zn + 2OH − + 2MnO 2 = ZnO 2 2- + 2MnOOH

Sau khi dung dịch bão hòa bởi zincat thì bắt đầu quá trình thứ hai:

Anode: Zn + 2OH− -2e = Zn(OH)2

Zn(OH)2 = ZnO + H2O

Cathode: 2MnO2 + 2H2O + 2e = 2MnOOH + 2OH−

Phản ứng tổng: Zn + 2MnO 2 + H 2 O = ZnO + 2MnOOH

SĐĐ = 1.413V

CẤU TRÚ PIN KIỀM

Màng ngăn cách được tẩm dung dịch điện giải hidratcellulose (cellophan) hoặc vật liệu polymer.

Vì khối chất đặc hơn và ứng dụng vỏ thép nên pin kiềm

có cùng kích cỡ thường nặng hơn pin muối 25-50%.

Ưu điểm của điện cực Li:

i) Li là kim loại có thế điện cực rất âm trong nước

-3.055V Trong dung môi hữu cơ thế điện cực dương hơn một chút -2.887V trong propylene carbonate Vì vậy, khi nó kết hợp với điện cực dương thích hợp thì

sẽ cho pin với điện thế lớn

ii) Mật độ tích trữ điện (năng lượng riêng) của pin Li rất

cao vì khối lượng nguyên tử thấp 1F được giải phóng khi hòa tan 7g Li

iii) Pin Li cho dòng điện phóng khá cao

iv) Một vài pin Li có thể sạc được

c Pin Liti

Đặc điểm Li/MnO 2 Li/SO 2 Li/SOCl 2 Li/CF x Li/CuO Li/I 2 Điện thế

+ Hệ Li-MnO2: Pin hệ Li-MnO2 là hệ pin Li phổ biến nhất trong người tiêu dùng, chiếm khoảng 80% thị trường pin Li

(-) LiLiClO4, propylene carbonate + dimethoxyethaneMnO2 (+) Phản ứng tạo dòng điện: xLi + MnO2 = LixMnO2 (Mn bị khử

từ số oxi hóa +4 xuống +3 bởi Li)

Pin Li-MnO2 6V có cấu hình mỏng (kết nối bipolar với 2 tế bào trong chuỗi) (a) hình cắt ngang (b) các thành phần (c) Hình dạng ngoài.

4.3 NGUỒN ĐIỆN THỨ CẤP (SECONDARY BATTERIES)

4.3.1 Ắc quy acid-chì

a Nguyên lí hoạt động

Sơ đồ mạch: PbO2H2SO4Pb

Dung dịch điện li: dung dịch H2SO4

Chất hoạt động bản dương: PbO2

b Cấu tạo

+ Vỏ bình: làm từ nhựa cứng hay ebonit đúc liền khối, không dẫn điện và chịu được axit Vỏ bình có các vách ngăn tạo thành các ngăn riêng cho từng ắc quy đơn, ở đáy có các yên, các lá cực đặt lên yên

để được bảo vệ không bị chập mạch điện do cặn chất hoạt động lắng xuống đáy bình.

Các lá cực: làm bằng hợp kim chì-antimon Các lá cực có gân dọc, ngang hoặc xiên tạo thành những ô chứa chất hoạt động là PbO2 ở cực dương và chì xốp ở cực âm

Các lá chắn không dẫn điện,

nhưng có độ thẩm thấu lớn để

thuận tiện cho quá trình phản

ứng xảy ra khi các cation và

anion xuyên qua chúng để đến

các điện cực.

+ Nắp đậy: nằm ở phía trên ngăn không cho bụi bẩn và các vật khác rơi vào ắc quy, đồng thời ngăn cho dung dịch điện

li không trào ra ngoài Trên nắp có các lỗ để đổ dung dịch điện li và kiểm tra nó có nút vặn chặt, nút có lỗ thông hơi Sau khi lắp ráp ắc quy, nắp được gắn chặt với vỏ bình Để xác định cực ở các đầu cọc được đánh dấu “+” và “-”

+ Dung dịch điện li: dung dịch acid sulphuric 36%

“Tôi tin rằng một ngày nào đó, nước sẽ được sử dụng như

nhiên liệu, rằng hydrogen và oxy, hai thành phần tạo nên nước, được sử dụng đơn lẻ hay kết hợp, sẽ cung cấp một nguồn nhiệt và ánh sáng vô tận với mức độ mà than đá không thể so sánh được Tôi tin rằng khi các mỏ than cạn kiệt, chúng

ta sẽ sưởi ấm mình nhờ năng lượng từ nước Nước sẽ là “than đá” của tương lai.”

4.4 PIN NHIÊN LIỆU (FUEL CELLS)

− Các vấn đề môi trường.

− Nguồn tài nguyên hữu hạn

− Phụ thuộc vào các nước có nguồn nhiên liệu hóa thạch dồi dào

• Khái niệm về một nền kinh tế hydrogen dựa trên nguồn năng lượng sạch, dồi dào phục vụ mục tiêu phát triển bền vững của nhân loại xuất hiện như một giải pháp đầy tiềm năng

Những lợi ích chính của nền kinh tế hydrogen

• Không gây ô nhiễm.

• Không thải ra khí gây hiệu ứng nhà kính.

• Không phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch.

• Hydrogen có thể được sản xuất từ nhiều nguồn khác

nhau.

PIN NHIÊN LIỆU HYDROGEN

• Biến đổi năng lượng hóa học của nhiên liệu, thí dụ như là hydrogen, trực tiếp thành năng lượng điện

• Tế bào nhiên liệu hoạt động liên tục khi nhiên liệu (hydrogen)

và chất ôxi hóa (oxygen) được đưa từ ngoài vào

• Mức thải ô nhiễm gần như "bằng 0", thân thiện với môi trường tuy nhiên giá thành của nó không hề nhỏ

• Các module pin nhiên liệu thường kết nối với nhau, song song hay trực tiếp để tạo ra các thiết bị có mức công suất phát điện khác nhau và lớn hơn

• PAFCs hiệu quả hơn 85% khi sử

dụng đồng thời điện và nhiệt,

nhưng kém hiệu quả hơn khi

chỉ tạo ra điện (37-42%)

• Vận hành trong khoảng 150

đến 200 độ C

• Phát điện cố định, bus

Five 200 kW Phosphoric Acid Fuel Cells Installed at the Anchorage Mail Processing Center in Alaska.

ALKALINE FUEL CELLS (AFC)

Phản ứng trên anode: H2 – 2e = 2H+

Phản ứng trên cathode: O2 + 2H2O + 4e- = 4OH-

Tổng quát: 2H2 + O2 = 2H2O + điện năng 30

PROTON EXCHANGE MEMBRANE FUEL CELLS

POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANE FUEL CELLS

(PEMFC)

31

• Chỉ cần hydrogen và oxygen từ không khí và nước để hoạt động

• Hoạt động tại nhiệt độ tương đối thấp (80oC)

• Cần xúc tác kim loại hiếm (Pt)

• Ứng dụng giao thông vận tải

32

DIRECT METHANOL FUEL CELL (DMFC )

• Không gặp vấn đề lưu trữ Dễ vận chuyển

• DMFC thường được dùng để cung cấp năng lượng cho các ứng dụng pin nhiên liệu di động như điện thoại, máy tính xách tay

• Xúc tác Pt và methanol còn là một chất độc

Toshiba Launches Direct Methanol Fuel Cell in Japan as External Power

Electronic Devices

34

MOLTEN CARBONATE FUEL CELL (MCFC)

• Chuyển hóa thành hydrogen bên trong cell bởi quá trình internal reforming

• Nhiệt độ cao và chất điện li có tính

ăn mòn làm tăng tốc sự vỡ và ăn mòn, làm giảm tuổi thọ cell.

• Nhà máy, trạm phát điện lớn

Gills Onions in Oxnard, California, has been operating this 600kw molten carbonate fuel cell system supplied by FuelCell Energy since 2009 It runs on biogas from fermented onion juice and emits practically zero NOx, SOx, and particulate matter emissions while it quietly just gets its job done 24/7 (Photo credit: FuelCell Energy)

SOLID OXIDE FUEL CELL (SOFC)

Nhiệt độ hoạt động: 700–1000oC.Không cần xúc tác

Màng ion: vật liệu ceramic (trên nền dioxide ziconium)

Tại anode:

2H2 + 2O2- = 2H2O + 4eTại cathode:

O2 + 4e = 2O2- Tổng quát:

2H2 + O2 = 2H2O + điện năng

SOFC kết hợp với tuabin khí

SO SÁNH CÁC DẠNG PIN NHIÊN LIỆU