Напряжение разомкнутой цепи и рабочее напряжение

Справочная информация > ХИТ - химические источники тока > Принципиальное устройство химических источников тока >

Плотность тока

На каждом из электродов электрохимической ячейки при контакте с электролитом устанавливается определенный электродный потенциал Е, называемый также' окислительно-восстановительным потенциалом данной электродной реакции. Чем больше восстановительные функции реагента, тем отрицатель-псе потенциал, а чем больше окислительные функции — тем он более положителен. Понятие «электродный потенциал» (или «потенциал отдельного электрода») не является простым. Тем не менее воспользуемся этим понятием и в первых главах для характеристики отдельных электродов. Значения потенциалов различных электродов приведены в табл. П. 1 и П. 2  (см. Приложение).
Напряжение разомкнутой цепи £/Р;Ц гальванического элемента представляет собой разность потенциалов между положительным и отрицательным  электродами  в  отсутствие тока:



Согласно этому определению НРЦ всегда положительно, но зависит от природы электродов и электролита (см. табл. П. 3), но не от габаритных размеров и конструктивных особенностей ячейки. Значение НРЦ связано с термодинамической электродвижущей силой (ЭДС), обозначаемой £т. Значения НРЦ для разных источников тока, как правило, равны или меньше значений ЭДС.

При работе гальванического элемента разность потенциалов между электродами меняется. Разность потенциалов при прохождении тока называют рабочим напряжением заряда или разряда (или просто напряжением) и обозначают U. Чем больше ток, тем ниже напряжение разряда Uvи тем выше напряжение заряда U3; при очень малых токах Uvи U3приближаются к значению UVtц.

Существуют две причины изменения напряжения при прохождении тока: омические падения потенциала из-за внутреннего сопротивления (главным образом, в слое электролита между электродами) и поляризация электродов т). Поляризация (перенапряжение)—явление изменения по-тенцала электродов под влиянием прохождения тока от исходного равновесного (бестокового) значения Е до нового значения. Мерой поляризации служит модуль разности потенциала электрода под током и равновесного потенциала



Катодный ток вызывает сдвиг потенциала в отрицательную» сторону, а анодный — в положительную (подробнее о причинах поляризации см. § 4.3). В результате при разряде ХИТ потенциалы электродов сближаются, а при заряде раздвигаются, т. е. напряжение соответственно уменьшается или увеличивается. Такое же действие на напряжение оказывает омическое падение потенциала.

В силу изложенного и с учетом формул напряжение разряда может быть представлено в виде формулы



Как омические, так и поляризационные потери энергии связаны не только со значением тока разряда или заряда, но и с размерами электродов, вернее, с площадью 5 поверхности их контакта с электролитом, на которой происходит электродная реакция (рабочей поверхности). Количественно потери зависят от плотности тока , равной отношению тока к площади поверхности .S (Js=I/S, единица измерения —А/м2). С ростом плотности тока поляризация растет (в отличие от омического падения потенциала эта зависимость нелинейна). При малых плотностях тока поляризация мала и потенциалы электродов приближаются к бестоковым значениям. Поэтому выгоднее добиваться увеличения разрядного тока ХИТ путем увеличения площади поверхности электродов, а не путем увеличения плотности тока. Для этого применяют тонкие электроды, у которых отношение площади поверхности к объему (массе) велико.

В ХИТ часто используют пористые электроды. В них рабочая поверхность увеличивается за счет внутренних пор, заполненных электролитом. Площадь истинной поверхности такого электрода 2 во много раз превышает площадь видимой (геометрической или габаритной) поверхности S. Вследствие этого истинная плотность тока во много раз меньше плотности тока , рассчитанной по площади видимой поверхности (габаритной плотности). Соответственно уменьшается и поляризация электрода. Из-за трудностей измерений значение 2 пористого электрода не всегда известно. Поэтому в литературе по ХИТ под терминами «площадь поверхности электродов» и «плотность тока» обычно подразумевают 5.
Плотность тока при разряде большинства ХИТ находится в пределах от 10 А/м2 до 1 кА/м2, но иногда применяют и значения, выходящие за эти пределы.