Темы докладов, страница 130 - гдз по физике 8 класс учебник Громов, Родина

Глава 3. Электрические явления. Параграф 31. Гальванические элементы. Аккумуляторы. Вопросы - страница 130.

Условие.

Прошлое и будущее гальванических элементов.

Решение.

Прошлое гальванических элементов

История гальванических элементов — это история поиска портативных и стабильных источников электрической энергии, начавшаяся с фундаментальных открытий в конце XVIII века.

• Опыты Гальвани и «животное электричество»

  В 1780-х годах итальянский врач и физик Луиджи Гальвани обнаружил, что мышцы препарированной лягушки сокращаются при контакте с двумя разными металлами. Он ошибочно предположил, что источником электричества является сама животная ткань. Хотя его теория была неверна, его наблюдения положили начало изучению электрических явлений в живых организмах и химии.

• Вольтов столб — первый химический источник тока

  Алессандро Вольта, соотечественник Гальвани, усомнился в теории «животного электричества». Он предположил, что ток возникает из-за контакта двух разнородных металлов через проводящую жидкость (электролит). В 1800 году он создал первое устройство, способное производить непрерывный электрический ток, — «Вольтов столб». Он состоял из стопки чередующихся дисков из меди ($\text{Cu}$) и цинка ($\text{Zn}$), разделенных тканью, смоченной в солевом или кислотном растворе. Это был первый в мире гальванический элемент, или химическая батарея.

• Элемент Даниэля-Якоби — решение проблемы поляризации

  Основным недостатком Вольтова столба была быстрая поляризация — на медном электроде выделялся водород, что увеличивало внутреннее сопротивление и снижало ЭДС. В 1836 году английский химик Джон Фредерик Даниэль (и независимо от него русский физик Б.С. Якоби) создал элемент, лишенный этого недостатка. В элементе Даниэля-Якоби цинковый электрод (анод) был погружен в раствор сульфата цинка ($ZnSO_4$), а медный электрод (катод) — в раствор сульфата меди ($CuSO_4$). Растворы были разделены пористой перегородкой. Это обеспечивало стабильное напряжение около 1.1 В. Протекающие реакции:
  На аноде (окисление): $Zn - 2e^{-} \rightarrow Zn^{2+}$
  На катоде (восстановление): $Cu^{2+} + 2e^{-} \rightarrow Cu$

• Элемент Лекланше и «сухой» элемент

  В 1866 году французский инженер Жорж Лекланше предложил новый, более практичный элемент. Он состоял из цинкового стакана (анод), угольного стержня (катод), окруженного диоксидом марганца ($MnO_2$) в качестве деполяризатора, и раствора хлорида аммония ($NH_4Cl$) в качестве электролита. Этот элемент стал прообразом современных «сухих» батареек. В 1880-х годах Карл Гасснер усовершенствовал его, заменив жидкий электролит на пасту, что сделало элемент герметичным и портативным. Так появились первые коммерчески успешные сухие солевые (цинк-углеродные) батарейки.

• Щелочные и другие элементы XX века

  В середине XX века были разработаны щелочные (алкалиновые) элементы. В них вместо кислого электролита ($NH_4Cl$) используется щелочной (гидроксид калия, $KOH$). Это позволило значительно увеличить емкость и срок хранения по сравнению с солевыми элементами. Также появились ртутные и серебряно-цинковые элементы («таблетки»), отличавшиеся высокой энергоемкостью и стабильностью напряжения, но ртутные были выведены из оборота из-за токсичности.

Ответ: Прошлое гальванических элементов представляет собой эволюционный путь от случайных наблюдений Гальвани к созданию первого источника постоянного тока (Вольтов столб), последующему усовершенствованию для повышения стабильности (элемент Даниэля) и практичности (элемент Лекланше), и, наконец, к массовому производству портативных сухих солевых и более емких щелочных батареек, которые стали основой для питания портативной электроники XX века.

Будущее гальванических элементов

Будущее химических источников тока тесно связано с решением глобальных задач: электрификацией транспорта, хранением энергии от возобновляемых источников (солнце, ветер) и миниатюризацией электроники. Основной упор делается на перезаряжаемые элементы (аккумуляторы).

• Доминирование и улучшение литий-ионной технологии

  Литий-ионные (Li-ion) аккумуляторы, появившиеся в 1990-х, сегодня являются стандартом для большинства портативных устройств и электромобилей благодаря высокой плотности энергии, отсутствию «эффекта памяти» и долгому сроку службы. Будущее этой технологии связано с ее усовершенствованием: разработкой новых материалов для катода (с меньшим содержанием дорогого кобальта) и анода. Например, замена графитового анода на кремниевый ($\text{Si}$) может теоретически увеличить емкость в 10 раз, однако главной проблемой остается механическое разрушение кремния при циклах заряда-разряда.

• Твердотельные аккумуляторы

  Это одно из самых перспективных направлений. В таких аккумуляторах жидкий органический электролит заменяется на твердый (керамический или полимерный). Это решает сразу несколько проблем: повышает безопасность (твердый электролит не горит), позволяет использовать высокоэнергетические металлические аноды (например, из чистого лития), увеличивает плотность энергии и срок службы. Ожидается, что твердотельные аккумуляторы станут следующим поколением источников питания для электромобилей.

• Пост-литиевые технологии

  Ученые активно ищут альтернативы литию, который является относительно редким и дорогим металлом.
  Натрий-ионные (Na-ion) аккумуляторы: натрий гораздо более распространен и дешев. Хотя их плотность энергии ниже, чем у Li-ion, они идеально подходят для стационарных систем хранения энергии (например, на электростанциях), где масса и объем не так критичны.
  Литий-серные (Li-S) аккумуляторы: обладают очень высокой теоретической удельной энергоемкостью, превосходящей Li-ion в несколько раз. Сера дешева и распространена. Основные трудности — низкая электропроводность серы и быстрая деградация из-за «полисульфидного челнока».
  Металл-воздушные аккумуляторы (например, литий-воздушные, цинк-воздушные): теоретически обладают самой высокой плотностью энергии, так как катодом в них выступает кислород из атмосферы, который не нужно хранить внутри батареи. Это «дышащие» батареи. Их развитие сталкивается с серьезными технологическими барьерами, связанными с деградацией электродов и электролита.

• Экологичность и переработка

  Важнейшим направлением будущего является создание «зеленых» аккумуляторов из распространенных и нетоксичных материалов, а также развитие эффективных технологий переработки. Это позволит создать замкнутый цикл производства и использования, снизив нагрузку на окружающую среду и зависимость от добычи редких металлов, таких как литий, кобальт и никель.

Ответ: Будущее гальванических элементов (и аккумуляторов) сосредоточено на совершенствовании доминирующей литий-ионной технологии, переходе к более безопасным и энергоемким твердотельным аккумуляторам, а также на разработке пост-литиевых систем (натрий-ионных, литий-серных, металл-воздушных), которые будут использовать более дешевые и распространенные материалы. Ключевыми целями являются увеличение плотности энергии, повышение безопасности, снижение стоимости и обеспечение экологической устойчивости и возможности полной переработки.