Токарные работы по дереву: особенности точения на токарном станке

Обработка дерева на токарных станках

В старину красивые вещи из дерева могли делать только мастера своего дела при помощи ручного инструмента, но когда был изобретён современный токарный станок, и его приспособили для столярных работ, положение дел изменилось. Теперь любой человек, изучивший азы работы на станке, способен, используя точение дерева, создавать почти произведения искусства.

В последние годы деревообработка стала не только производством каких-либо деревянных изделий на предприятиях, но и увлечением многих тысяч любителей выточить поделку из дерева на своём личном токарном станке для деревообработки.

Если делать какую-либо деталь из дерева ручным инструментом, то такое занятие займёт много времени, ту же самую поделку на станке можно сделать гораздо быстрее, и даже качественней. Вручную красивые вещи из дерева может сделать только мастер своего дела, но любой желающий может освоить азы такого ремесла как токарная обработка дерева, и у него будут получаться весьма красивые поделки. Попробуем немного рассказать об этом ремесле.

Устройство и принцип работы токарного станка по дереву

Главное отличие токарного станка по дереву от его собрата, на котором обрабатываются заготовки по металлу, заключается в том, что у него вместо механического устройства для подвода резца к обрабатываемой детали установлен подручник — приспособление для упора стамесок.

Токарный станок для деревообработки устроен несложно. На станине устройства располагаются передняя и задняя бабки. В передней бабке расположен шпиндель, в него вставляют разные приспособления, с помощью которых крепится левый конец деревянной заготовки. Задняя бабка служит для упора правого конца длинной заготовки. Между левой и правой бабкой устанавливается подручник, который служит для упора инструмента, которым будет обрабатываться заготовка.

Шпиндель приводится в движение электродвигателем. Скорость вращения может регулироваться. Кстати, некоторые токарные работы можно исполнять на фрезерных станках, но об этом рассказ должен быть в отдельной статье.

Заготовка закрепляется в патроне, который установлен на шпинделе. Потом она поджимается задней бабкой. Если устройство подпора задней бабки неподвижное, то его перед установкой заготовки смазывают машинным маслом. Прежде чем начинать устанавливать заготовку, нужно в ней точно вычислить и отметить центр. Его проще всего найти, если воспользоваться угловым центроискателем. Если заготовка будет закреплена не по центру, то при вращении шпинделя это вызовет её «биение», и качественно выточить деталь не удастся.

Выбор материала и его подготовка

Дерево — податливый материал для изготовления самых разных поделок. Тем не менее, нужно учитывать, что не все породы дерева одинаково легко поддаются токарной обработке. Легче всего на токарном станке обрабатываются заготовки из ореха, граба, бука, липы, березы и груши. Хвойные породы, а также дуб и ясень поддаются точению значительно труднее. Подбирая материал для заготовки, следует выбирать такие болванки, на которых нет трещин, выпадающих сучков, просмолок и прочих дефектов.

Следует учесть, что разные породы дерева имеют свою внутреннюю неповторимую красивую текстуру. Зная, какая у каждого из видов деревьев внутренняя текстура, легче подбирать необходимую болванку для изготовления той или иной поделки. Из ореховой древесины можно выточить красивую пудреницу, круглую шкатулку, а из дерева акации получается великолепная солонка. Текстуру дерева нужно учитывать при выточке того или иного изделия.

Прежде чем поставить болванку на токарный станок, нужно как можно больше подогнать её размер под будущее изделие ручным инструментом, например, топором. Толстое полено незачем устанавливать в центры, если предстоит выточить тонкую деталь. Его следует обтесать. Если заготовка в сечении имеет квадратную форму, то углы тоже можно срезать ручным инструментом, придав болванке более округлую форму.

Приспособления для крепления деревянной заготовки

Наиболее часто употребляемое приспособление для крепления болванки — поводковый патрон. Чаще всего для токарных работ по дереву используется два вида таких приспособлений.

Первый вариант такого устройства — патрон с зубцами. Крепится заготовка в таком приспособлении следующим образом: следует просверлить небольшое отверстие в отмеченном центре болванки, вставить в него центральный зуб патрона, конечно, предварительно сняв его (патрон) со шпинделя, после чего следует слегка ударить по хвостовику приспособления, тем самым вгоняя остальные зубцы в древесину.

Таким способом размечается место установки болванки в патрон. Устанавливаем его на шпиндель, после чего устанавливаем заготовку согласно разметке, поджимаем пинолью задней бабки — можно начинать точение дерева.

Второй вариант поводкового крепления деревянной болванки — использование планшайбы. Такое приспособление представляет собой металлический круглый диск. В середине расположено отверстие для надевания и крепления на шпинделе токарного станка.

По всей площади диска в правильном порядке располагаются сквозные отверстия. Через эти отверстия болтами или шурупами (саморезами) заготовка и крепится к планшайбе. Предварительно нужно отметить центр заготовки, а потом её устанавливать. Без использования планшайбы не обойтись, когда требуется точение дерева торца заготовки, и задней бабкой для упора уже не воспользоваться.

Инструмент для точения дерева

Чаще всего для обработки древесины на станках используются токарные стамески. По сравнению с обычными стамесками токарные имеют более удлинённые ручки, их резцы изготавливаются только из высококачественной инструментальной стали. То есть стамеска состоит из двух частей — ручки и, насаженного на неё, металлического полотна с заточенным под определённым углом или обоюдоострым лезвием.

Для разных задач существуют разные типы стамесок. Новичку в токарных делах для того, чтобы начать работать с деревом, достаточно научиться владеть вот этими двумя стамесками:

  • рейером — у этой стамески полукруглое лезвие, которое изготавливается из толстой пластины, она предназначена для черновой обтачки заготовки;
  • мейселем — этот вид стамесок предназначен для чистовой обработки детали, лезвие заточено наискось, причём с обеих сторон.
Читайте также:
Что такое валик это. валик

Большую часть остальных типов токарных стамесок причисляют к фасонным инструментам. Ими придаётся окончательный вид выточенной детали. К примеру, на выточенной солонке можно вырезать декоративные канавки. Вот некоторые виды таких стамесок:

  • стамеска-крючок — таким резцом можно выточить в торце заготовки углубление;
  • стамеска-гребёнка — с её помощью можно нарезать внутреннюю и внешнюю резьбу или же нанести множество декоративных канавок;
  • стамеска-кольцо — ею можно делать то же самое, что и при помощи крючка.

Видов фасонных резцов существует великое множество. Опытные токари под конкретную задачу придумывают свои резцы, и изготавливают их сами.

Технология работы на токарном станке

Желательно, чтобы рабочее место перед токарным станком было оборудовано для конкретного работника — под его рост. Обрабатываемая деталь должна находиться на уровне локтя. Прежде чем начать работать, токарь должен занять устойчивую и удобную стойку перед станком.

Деревянную заготовку нужно надежно закрепить либо в центрах, либо на планшайбе. Дальше следует подвести подручник поближе к заготовке, провернуть вал с болванкой — она не должна его задевать. Верхняя часть подручника должна располагаться миллиметров на пять ниже оси вращения.

Теперь можно запустить двигатель. Чем более чистовая работа производится, тем больше должна быть скорость вращения шпинделя. Упираем тело полотна стамески в подручник, медленно приближаем резец к вращающейся заготовке. Снимать стружку надо тонким слоем, нельзя позволять резцу глубоко проникать в тело болванки — это небезопасно. Одной рукой держат полотно стамески, а другой — её рукоять. Желательно плотно прижимать локоть к телу, таким манером создается более сильный и неподвижный упор.

Соблюдение правил безопасности при работе на токарном станке — обязательное условие

Не освоив правила безопасности работы на станке, не стоит и подходить к нему, иначе работник может здоровье потерять, а не получить удовольствие от классно изготовленной детали. Основные требования безопасности при проведении токарных работ по дереву изложены ниже:

  • токарь должен быть одет в спецодежду, которая должна быть плотно застёгнута на все пуговицы;
  • волосы должны быть убраны в головной убор;
  • обязательно надевание защитных очков и опускание защитного экрана;
  • ручки стамесок не должны иметь трещины;
  • заготовка должна быть надёжно закреплена в патроне;
  • заготовка не должна иметь повреждений;
  • станок должен быть заземлен;
  • все настроечные манипуляции (замер размера, пододвигание подручника к детали и т. д.) должны выполняться при выключенном станке.

Существуют и другие пункты требований по безопасности, которые могут быть изложены либо в производственной инструкции, либо в документации завода-изготовителя токарного станка.

Видео по теме: Точение изделий из дерева на токарном станке

Разновидности, принцип работы и характеристика токарных работ по дереву

Токарные работы по дереву: виды и особенности. Разновидности токарного оборудования, описание. Виды резцов, приемы токаря. Этапы работы с деревом на станке.

Токарная работа по дереву разнообразна. Ее вид зависит от возможностей оборудования, целей и средств выполнения. Тип резца определяет, какая будет обработка, при этом очень важно, чтоб они были как следует наточены и имели правильную, подходящую форму. Безусловно, необходимо соблюдать процесс работы, существуют различные методы для обработки плоским или отрезным резцом, вытачивания декоративных деталей или полостей.

Изучение станка: разновидности токарного оборудования для работ по дереву

Токарное оборудование представлено огромным арсеналом. Самые примитивные модели начали производиться еще более двух с половиной тысяч лет назад, потом они постепенно модифицировались и улучшались. Во времена Советского Союза было выпущено сотни видов токарного оборудования, предназначенного для работ по дереву.

Широкий ассортимент видов станков определяется прежде всего разнообразием деревянных изделий. По форме, размеру, типу, материалу он могут быть различными. Например, для обработки плоской поверхности большого размера потребуется один станок, а для извлечен отверстий декоративного типа больше подойдет другой. Для домашнего использования, конечно, стремятся приобрести максимально универсальный механизм, который позволил бы обрабатывать все и сразу. Зачастую выбирают комплексный прибор, который позволяет работать не только по дереву, но и по металлу. А вот для промышленных целей, когда речь идет об обработке деталей в большом числе, но типизированной формы, выбирают станки профессиональные, мощные, но с ограниченным функционалом. При выборе следует внимание обращать в первую очередь на назначение прибора, а уже потом выяснять его технические характеристики и думать, насколько они подходят для ваших целей.

Сфера использования токарных станков — точение фасованных, цилиндрических и конических форм тел вращения. Следовательно, обрабатывается только тело, которое вращается на специальном прикрепленном устройстве в конструкции. Возможно проведение обработки внутренних и внешних частей — меняется только используемый зажим и резец. Также при помощи современных токарных станков по дереву возможно делать отверстия, использовать их наподобие сверл, но только в случае, если дырка находится на оси детали или несколько смещена по ее оси. В любом случае сфера применения оборудования широкая, современные вариации могут использоваться практически для всех работ.

Пилильные станки по дереву — самая популярная и часто используемая вариация. Этот механизм применяется для распилки целых бревен и поверхностей заготовок. Также используется для придания необходимой формы плоским деталям. Пилильные станки разделяются на несколько больших подгрупп:

  • Пилорамы — устройство для проведения поперечной или продольной распилки заготовок. Используются линейные пилы, которые вращаются поступательно по отношению к заготовкам. Используется в основном на производственных складах, а не в домашних мастерских, так как довольно громоздкое и большое. Кроме того, не говорит в его пользу большой расход энергии — экономичность мала;
  • Круглопильные устройств работают как в ручном, так и автоматическом режиме. Они необходимы для тщательной распилки деревянных заготовок на вертикальной и наклонной плоскостях. Детали обрабатываются при помощи специальным образом закрепленных круглых пил. В зависимости от качества пил, их мощности и размеров меняется сфера использования оборудования;
  • Ленточные механизмы также управляются ручным или автоматическим способом. Их преимущество состоит в том, что разрезание дерева происходит при линейных движениях ленты. Возможность использовать не только при обработке, но и для придания черновой формы заготовкам. Обработка ленточными станками довольно экономная, они не занимают много места в пощении, не требует специальных навыков сотрудника для работы.
Читайте также:
Фальш-камин в гостиной – достойная альтернатива живому огню

Строгальные станки — вторая разновидность. Их используют для снятия внешнего слоя при помощи инструментария. Односторонние механизмы могут снимать кромку только с довольно массивных изделий, при этом воздействуют они только на верхнюю часть. Двухсторонние в свою очередь задействуют верхнюю и нижнюю части заготовки. В отличии от односторонних эти приборы более производительны, но вместе с тем работа потребует знаний от оператора станка, устройства сложней в обслуживании. К типу строгальных относятся так называемые фуговальные варианты, которые снимаются фаски по углам.

Непосредственно токарные станки могут быть различных видов и вариаций — зависит от габаритов, точности, типа используемых заготовок.

Но распространенной и применяемой на производстве классификацией является степень универсальности и автоматизирование. По последнему параметру оборудование делится на:

  • ручное — детали подаются самостоятельно, скорость шпинделя варьируется при помощи ручного управления;
  • автоматизированное — процессы контролирует сотрудник, но благодаря копированным механизмам происходит уменьшение затраты времени;
  • автоматические — наиболее безопасные и быстрые устройства, так как работы происходят вне зависимости от человека, популярны варианты с ЧПУ управлением.

Токарные станки разделяют по сфере использования. Универсальные подойдут для обработки практически любой детали, конической или плоской формы, размеров 50 или 5 сантиметров. А вот специализированное работает только с деталями определенных размеров и формы. Специальное — еще более узкая категория, так как оно предназначается для работы с одной деталью.

Сверлильные варианты делают отверстия, по своему типу бывают вертикальными, горизонтальными и радиальными — в зависимости от используемой плоскости. Фрезерные применяют для работы с фасонными и плоскими поверхностями, также разделяются по используемой площадке. Гнутарные — оптимальный вариант для придания особенной, нестандартной формы элементам.

Каждый вид станка используется по-разному, хотя механизмы схожи. Требуется внимательно изучить особенности оборудования перед началом работы, так как даже интуитивно понятный механизм может иметь собственные особенности.

Виды точения: какие приемы используются?

Токарное дело – обширная область знаний. Специалист должен выбрать не только подходящее оборудование, но и знать особенности выполнения всех приемов. Основных видов токарных работ насчитывается около десятка, но следует понимать, что каждый вид обработки может касаться деталей различного диаметра, размера, фактуры. Следовательно, сосчитать точно, какие виды точения и приемы есть не представляется возможным. Основные виды точения:

  • обработка наружных поверхностей цилиндрической формы;
  • точение наружных поверхностей конического образца;
  • обработка уступов и торцов деталей;
  • обработка поверхностей цилиндров и кубов с внутренней стороны;
  • отрезка заготовки;
  • вытачивание канавок и отверстий;
  • сверление отверстий;
  • работы, сопутствующие сверлению — развертывание и зенкерование сторон;
  • нарезание внутренней и наружной резьбы;
  • обработка фасонных плоскостей;
  • накатывание рифлении и другое.

Как видно из списка, приемов токарных работы множество. Рабочий в обязательном порядке должен не только знать досконально их все, но и быть в курсе правил безопасности при выполнении обтачивания или нарезания определенных заготовок.

Какие понадобятся резцы для работы?

Видов резцов на стандартном станке насчитывается около 15 штук. Каждый из них предназначен для выполнения определенного приема точения. Использовать неподходящий резец, который выполняет идентичные функции, нельзя. Это может дать эффективный результат, но приведет к поломке оборудования.

Резцы — наиболее важная деталь механима. В ручных и автоматизированных станках они сменятся специалистом при каждом ходе. Исключение составляют лишь специализированные варианты, которые можно настроить так, чтоб резец сменялся автоматически на необходимый на шаг-два вперед. Это свойство значительно экономит время. Автоматические токарные станки изменяют резец автоматически, то есть без участия человека. Это очень удобно, так как отсутствует риск получить травму, особенно при проверке работоспособности, кроме того, существенно экономится время и ресурсы.

Специализированные станки оснащены несколькими резцами, так как они работают с конкретной по форме, типу деталью. А вот универсальные оснащаются десятками резцов с различными размерами. В наиболее масштабных вариантах их может быть 15 разновидностей, при этом различных размеров. Виды:

  • прямой резец;
  • упорный механизм;
  • отогнутый проходной резец;
  • отрезной не проходной;
  • канавочный резец;
  • расточный механизм;
  • зенкер;

  • сверло;
  • резец для проведения резьбы;
  • развертка;
  • фасонный вариант;
  • метчик;
  • накатка.

Обратите внимание на то, что в резцах накатки указываются стрелка направления — судят, как перемещается инструментарий при вращении обрабатываемой детали.

Основные приемы работы со станком

Обязательны к выполнению приемы работы с токарным станком. От этого напрямую зависит безопасность пользователя. Важно:

  • проверить исправность механизма перед началом работы, в том числе крепление деталей и щитки;
  • при каждом использовании смазывать ходовой валик и винты;
  • проверить уровень заправки;
  • включить на холостом ходу — проверить рычаг, пусковой механизм, суппорт, скорости и передачи;
  • следить за направляющим и станиной;
  • не допускать резкого переключения на обратный ход, перехода коробки передач в другой режим.
Читайте также:
Спайдерное остекление фасадов: это вам не пауки в стеклянной банке!

Обязательно по окончанию работ провести чистку механизма. Убирают остатки стружки, протирают тканью, смоченной в керосине.

Этапы работы с деревом на токарном станке

Этапы работы обязательны к выполнению. Не соблюдение ТБ грозит не только поломкой самого оборудования, но и риском для специалиста.

Настройка станка

Настройка станка происходит в выключенном режиме. Токарь проверяет безопасность работы узлов, смотрит, правильно ли они закреплены. Дополнительно оборудование смазывается маслом. После попадания в узлы происходит проверка на холостом ходу. Для этого не потребуется много времени, достаточно провести 3-5 кругов, при этом наблюдать, как закреплены детали, не возникает ли шума или треска. После проверки и настройки приступают в основной работе.

Выбор и подготовка заготовки

Выбор и подготовка древесины происходит на первом этапе. Брусок подбирают оптимальной формы, без трещин, подтверждений, признаков гниения и сучков. Центры меряют при помощи обычного карандаша. Для удобства работы производят центрирование — проводят из концов диагональные линии. Разметка помогает не только найти центр.

Если заготовка имеет отличную от цилиндрической форму, то ей придают напоминающую такую. Важно, чтоб деталь была не цельной, так как необработанный кусок может давать щепки. Для придания формы понадобится рубанок — достигать оптимальных показателей точности необязательно. В случае необходимости воспользуйтесь прибором центроискателем.

Крепление заготовки

Выполнение насечек обязательно, их делают при помощи керна. Надежность проверяют путем просмотра работы задней бабки. Она должна плотно прижимать головку, не отклоняться от положения станины.

Под ручник устанавливается так, чтоб кромка выступала примерно на половину сантиметра. Крепление дополнительно проверяется включением болванки — она не должна щелкать.

Черновая обработка

Черновая обработка проводится с использованием резца, но без проверки точности. Проводится кручение рукоятки на минимальной передаче и обработка. Этот метод позволяет снять первичный слой заготовки и подготовить ее к дальнейшей работе.

Процесс работы при креплении между двумя центрами

Это востребованный метод, выполнить может новичок. Смысл состоит в том, что деталь закрепляется между бабками, обтачивать можно довольно внушительные заготовки по размерам, так как диаметр и длина практически не ограничиваются. Способ безопасный в сравнении с другими.

Обтачивание до цилиндрической формы

Точить до цилиндрической формы позволяет резец с режущей кромкой полукруглого вида — ровно без нажима снимают материал с передней части. По мере движения материал убирается, а резец продвигается вперед.

Проверка размера

Проверка размера проводится после вытачивания. Главные факторы риска — сильный нажим, смещение заготовки, торопливость работы.

Выравнивание плоским резцом

Обработка плоским инструментом не затруднительна. Полотно входит в под ручник, при том одной рукой поддерживают ручку, поднимая деталь.

Глубина поддерживается на оной уровне — поднимайте инструмент на одинаковую высоту. Только в таком случае плоскость выйдет ровной, идентичной по гладкости рубанку.

Использование отрезного резца

Точеные детали определенной длины с идеальным срезом получаются при помощи отрезного резца. Проставляют пометку на заготовке, потом ставят перпендикулярно. Резец буквально вдавливается в древесину.

Выполнение декоративных элементов

Делают желобки и валики после разметки. Затем заготовку вращают, наметки проводятся карандашом в этом состоянии. Декоративные элементы выполняют плоскими резцами с косой кромкой. Сначала выполняют канавку на 3 миллиметра, а потом, наклоняя инструмент, расширяют. Форма придается постепенным вращение валика.

Желобки делают полукруглым инструментом. Его медленно перемещают по линиям, увеличивая глубину. Оканчивают процедуру косым резцом.

Вытачивание при зажиме с одного конца

Таким методов вытачивают бокалы, тарелки, шкатулки. Деталь надевается на один патрон, держателем выступает фиксатор, шпонка, шуруп, чашечный держатель.

Вытачивание полостей

Предварительно делают обточку на межцентровом креплении. Параметры наносят насечкой. Задняя бабка блокируется, фиксируется заготовка на передней части. Обработка проводится полукруглым резцом с подручником, установленным перпендикулярно. Работают только с движущейся вертикально частью, а не горизонтально.

Шлифовка изделия

Шлифовку проводят наждачной бумагой. Изделие помещают на бабку, включают минимальные обороты и подкладывают наждачку к поверхности.

Какие поделки можно изготовить на токарном станке: идеи реализации

Своими руками можно выполнить ряд интересных предметов декора. К примеру:

  • круглые декоративные тарелки;
  • ровные поверхности журнальных столов, шкатулок;
  • вазы, статуэтки любого размера;

Для домашней мастерской выбирайте универсальные станки, которые дают возможность работать в одним или двумя зажимами.

Техника безопасности

Обработка проводится в спецодежде, защищающей тело. Волосы убираются. Глаза защищаются, все украшения снимаются. Проверяется заземление оборудования, проверка закрепления заготовки.

Даже при помощи недорогого станка можно создавать удивительные предметы. Так при должном упорстве освоить его может каждый.

Химические источники тока: основные характеристики

Уже более двух столетий человечество использует энергию химических реакций между различными веществами для получения постоянного тока.

Принцип работы

Окислительно-восстановительная реакция, протекающая между веществами, обладающими свойствами окислителя и восстановителя, сопровождаются выделением электронов, движение которых образует электрический ток. Однако, чтобы использовать его энергию, необходимо создать условия для прохождения электронов через внешнюю цепь, в противном случае она при простом смешивании окислителя и восстановителя выделяется во внешнюю среду теплом.

Поэтому все химические источники тока имеют два электрода:

анод, на котором происходит окисление;

катод, осуществляющий восстановление вещества.

Электроды на расстоянии помещены в сосуд с электролитом — веществом, проводящим электрический ток за счет процессов диссоциации среды на ионы.

Принцип преобразования химической энергии в электрическую

На рисунке показано, что электроды размещены в отдельных сосудах, соединенных солевым мостиком, через который создается движение ионов по внутренней цепи. Когда внешняя и внутренняя цепь разомкнуты, то на электродах протекают два процесса: переход ионов из металла электрода в электролит и переход ионов из электролита в кристаллическую решетку электродов.

Скорости протекания этих процессов одинаковы и на каждом электроде накапливаются потенциалы напряжения противоположных знаков. Если их соединить через солевой мостик и приложить нагрузку, то возникнет электрическая цепь. По внутреннему контуру электрический ток создается движением ионов между электродами через электролит и солевой мостик. По внешней цепи возникает движение электронов по направлению от анода на катод.

Практически все окислительно-восстановительные реакции сопровождаются выработкой электроэнергии. Но ее величина зависит от многих факторов, включающих объемы и массы используемых химических веществ, примененных материалов для изготовления электродов, типа электролита, концентрации ионов, конструкции.

Наибольшее применение в современных химических источниках тока нашли:

для материала анода (восстановителя) — цинк (Zn), свинец (Pb), кадмий (Cd) и некоторые другие металлы;

для материала катода (окислителя) — оксид свинца PbO2, оксид марганца MnO2, гидроксооксид никеля NiOOH и другие;

электролиты на основе растворов кислот, щелочей или соли.

Способы классификации

Одна часть химических источников тока может повторно использоваться, а другая нет. Этот принцип взят за основу их классификации.

Классификация химических элементов

Электродвижущая сила гальванических элементов, в зависимости от конструкции, достигает 1,2÷1,5 вольта. Для получения больших значений их объединяют в батареи, соединяя последовательно. При параллельном подключении батарей увеличивается ток и мощность.

Принято считать, что первичные химические источники тока не поддерживают повторную зарядку, хотя более точно это положение можно сформулировать по-другому: ее проведение экономически не целесообразно.

Резервные первичные химические источники тока хранятся в состоянии, когда электролит изолирован от электродов. Это исключает протекание окислительно-восстановительной реакции и обеспечивает готовность к вводу в работу. Они не используются повторно. Срок хранения резервных химических источников тока ограничен в 10÷15 лет.

Аккумуляторы успешно перезаряжаются приложением внешней электрической энергии. Благодаря этой возможности их называют вторичными источниками тока. Они способны выдерживать сотни и тысячи циклов заряда-разряда. ЭДС аккумулятора может быть в пределах 1,0÷1,5 вольта. Их тоже объединяют в батареи.

Электрохимические генераторы работают по принципу гальванических элементов, но у них для проведения электрохимической реакции вещества поступают извне, а все выделяющиеся продукты удаляются из электролита. Это позволяет организовать непрерывный процесс.

Основные рабочие характеристики химических источников тока

1. Величина напряжения на разомкнутых клеммах

В зависимости от конструкции единичный источник может создавать только определенную разность потенциалов. Для использования в электрических устройствах их объединяют в батареи.

2. Удельная емкость

За определенное время (в часах) один химический источник тока может выработать ограниченное количество тока (в амперах), которые относят к единице веса либо объема.

3. Удельная мощность

Характеризует способность единицы веса или объема химического источника тока вырабатывать мощность, образованную произведением напряжения на силу тока.

4. Продолжительность эксплуатации

Еще этот параметр называют сроком годности.

5. Значение токов саморазряда

Эти побочные процессы электрохимических реакций приводят к расходу активной массы элементов, вызывают коррозию, снижают удельную емкость.

6. Цена на изделие

Зависит от конструкции, применяемых материалов и ряда других факторов.

Лучшими химическими источниками тока считаются те, у которых высокие значения первых четырех параметров, а саморазряд и стоимость низкие.

Принципы заряда аккумуляторов

Среди вторичных химических источников тока большую популярность набирают литий ионные модели, которые стали массово применяться для питания электронных устройств. У них материалом положительного электрода используется LiMO2 (M Co, Ni, Mn), а отрицательного — графит.

При заряде ионы лития от приложенной внешней энергии выделяются из металла катода, проходят через электролит и проникают в пространство между слоями графита, накапливаясь там.

Когда энергия зарядного устройства отсутствует, а к электродам подключена нагрузка, то ионы лития в электролите двигаются в противоположную сторону.

Если заряд и разряд не проводятся, то энергия в аккумуляторе не расходуется, а сохраняется. Но ее количество ограничивается свойствами применяемых материалов. К примеру, у литий-ионных аккумуляторов значение удельной электроемкости составляет 130÷150 мАч/г. Оно лимитировано свойствами материала анода. Для графита емкость выше примерно в два раза.

Ученые сейчас ищут способы повышения емкости аккумулятора, изучают возможности использования химической реакции, проходящей между литием и кислородом воздуха. Для этого разрабатываются конструкции с воздушным, не расходуемым катодом, используемые в отдельных аккумуляторах. Этот метод может до 10 раз увеличить плотность энергии.

Эксплуатация химических источников тока требует знания основ электротехники, электрохимии, материаловедения и физики твердых тел.

Химические источники тока. Виды и особенности. Устройство и работа

Химические источники тока (ХИТ) — эта тема имеет высокое практическое значение. Это кардиостимуляторы, электромобили, которые пытаются сохранить экологию, портативные устройства, включая фото и видеотехнику, компьютерную технику, навигаторы. За последние годы прогресс химических источников тока произошел большой, от известных свинцовых аккумуляторов, которые постепенно вытесняются литий-ионными, литий-полимерными и другими аккумуляторами.

В этой области борьба идет за мощность, емкость, которая позволяет максимально долго использовать источники тока. Дополнительным стимулом к их развитию является создание гибких источников тока. Научная составляющая в этой области лежит в плане разработки материалов для таких химических элементов.

Устройство и работа

Химические источники тока состоят из электродов и электролита, который находится в емкости. Электрод, на котором окисляется восстановитель, называется анодом. Электрод, на котором восстанавливается окислитель, называется катодом. В общем получается электрохимическая система.

Попутным результатом такой реакции стало возникновение тока. Восстановитель передает электроны на окислитель, который восстанавливается. Электролит, который находится между электродами, нужен для прохождения реакции. Если перемешать порошки различных двух металлов, то электричество не возникнет, энергия появится в виде теплоты. Электролит необходим для упорядочения процесса движения электронов. Электролит состоит обычно из раствора соли или расплавленного вещества.

Электроды имеют вид решеток или пластин из металла. При помещении их в раствор электролита получается разность потенциалов пластин. Анод отдает электроны, а катод их принимает. На поверхности возникают химические реакции. Когда цепь размыкается, то реакции прекращаются. Если реагенты закончились, то реакция также больше не идет. Если удалить один из электродов, то цепь размыкается.

Из чего состоят химические источники тока

В качестве окислителей применяются соли и кислородосодержащие кислоты, а также нитроорганические вещества, кислород. В качестве восстановителей применяются металлы, оксиды, углеводороды.

Электролит может состоять из:
  • Соли, щелочи и кислоты, растворенные в воде.
  • Соли в растворе, с возможностью электронной проводимости.
  • Расплавленные соли.
  • Твердые вещества с подвижным ионом.
  • Электролиты в виде матрицы. Это растворы жидкости, расплавы, которые находятся в порах электроносителя.
  • Электролиты с ионным обменом. Твердые вещества с закрепленными ионогенными группами, с одним знаком. С другим знаком ионы подвижны. Эта характеристика позволяет создать однополярную проводимость.

Гальванические элементы

Напряжение на ячейке составляет 0,5-4 вольта. В химических образцах источника применяют гальваническую батарею, которая состоит из элементов. Может использоваться параллельная схема нескольких элементов. При последовательной схеме в цепь включены одинаковые батареи. Они должны обладать одинаковыми свойствами, с одной конструкцией, технологией, типоразмером. Для схемы параллельного соединения подойдут элементы с различными свойствами.

Классы
Химические источники тока делятся по следующим свойствам:
  • Размерности.
  • Конструктивным особенностям.
  • Применяемым химическим веществам.
  • Источнику реакции.

Эти свойства создают эксплуатационные параметры источников, которые подходят для определенной области использования.

Деление на классы электрохимических источников основывается на отличии в способе действия устройства. По этим свойствам их различают:
  • Первичные источники – для однократного применения. В них заключен определенный запас веществ, который будет израсходован при реакции. Когда произойдет разряд, ячейка исчерпывает свою способность к работе. Первичные источники, основанные на химических реакциях, называются элементами. Наиболее простой элемент – это батарейка типа АА.
  • Химические источники тока , которые имеют возможность перезаряжаться, называются аккумуляторами, это вторичные многоразовые элементы. Израсходованные химические элементы могут регенерироваться и снова накопить энергию, путем подключения к ним тока. Это называется зарядкой элементов. Такие элементы применяют длительное время, так как их легко зарядить. В процессе разряда вырабатывается электрический ток. К таким источникам можно причислить элементы питания различных видов приборов и устройств, таких как смартфоны, ноутбуки и т.д.
  • Тепловые химические источники тока – это приборы постоянного действия. В результате их работы постоянно поступает новая порция веществ и удаляется использованный продукт реакции.
  • В смешанных элементах находится запас реагента. Другой реагент поступает в устройство снаружи. Время действия устройства имеет зависимость от резерва первого вещества. Комбинированные элементы применяются в качестве аккумуляторов, когда имеется возможность регенерации их заряда через прохождение тока от внешнего питания.
  • Химические источники тока, которые могут возобновлять заряд , заряжаются разными способами. В них можно заменять израсходованные реагенты. Такие источники действуют не постоянно.
Свойства
Основные характеристики ХИТ можно перечислить в таком виде:
  • Разрядное напряжение. Это свойство имеет зависимость от определенной электрохимической системы. А также оказывает влияние процент концентрации электролита, температура, ток.
  • Мощность.
  • Разрядный ток, зависящий от сопротивления цепи.
  • Емкость, наибольшее количество энергии, которое источник выдает при общем разряде.
  • Запас энергии – наибольшая энергия, которая получена при полном разряде устройства.
  • Энергетические свойства и характеристики. Для батарей аккумуляторов это число циклов заряда и разряда, без уменьшения емкости и напряжения (ресурс).
  • Температурный интервал работы.
  • Сохраняемый срок – наибольший допускаемый период времени от изготовления до первого разряда элемента.
  • Время службы – наибольший допускаемый срок работы и хранения. Для элементов на топливе имеют значение сроки работы при постоянной и периодической работе.
  • Полная энергия, отданная за все время работы.
  • Механическая, вибрационная прочность.
  • Возможность функционирования в любом положении.
  • Надежная работа.
  • Простота в уходе.
Сахарная батарея

Чтобы произвести литий-ионные аккумуляторы в Японии закупают материалы в других странах. Это негативно сказывается на экономическом положении страны. Поэтому ученые ищут способы изготовления аккумуляторов из того сырья, которое имеется в наличии. Таким сырьем в Японии стал сахар. Аккумулятор на сахаре в Японии по свойствам имеет надежность и энергоемкость выше обычных аналогов, и стоимость его ниже.

Большой спрос на литий, который вызван резким распространением переносных аккумуляторов, озаботил производителей аккумуляторов, так как этот элемент добывается только в странах с политической нестабильностью. Это явилось вторым фактором поиска альтернативных материалов для недорогих аккумуляторов с высокой надежностью. Сахароза легко преобразуется в дешевый материал для анодного сырья в литий-ионных батареях.

Сахар нагревают в условиях вакуума под давлением до 1500 градусов. Он превращается в порошок, состоящий из углерода, который может повысить заряд на 20% больше аналогичных изделий. Это явилось первым шагом в разработке дешевых батарей. Пока такие виды батарей не составляют конкуренции современным аккумуляторам. Но ученые предполагают, что в будущем подобные разработки вытеснят дорогие изделия.

Требования

Конструктивные особенности химических источников тока должны создавать условия, которые способствовали бы максимальной эффективности химических реакций.

К таким условиям можно отнести:
  • Недопущение утечек тока.
  • Постоянная работа.
  • Герметичность.
  • Раздельное помещение реагентов.
  • Качественное контактирование электролита с электродами.
  • Хороший отвод тока из объекта химической реакции до наружного вывода с наименьшими потерями.
К химическим элементам предъявляются требования:
  • Повышенные значения свойств.
  • Максимальный диапазон температуры работы.
  • Наибольшее напряжение.
  • Минимальная себестоимость электричества.
  • Постоянное значение напряжения.
  • Хорошее сохранение заряда.
  • Безопасное функционирование.
  • Простое обслуживание, или ее отсутствие.
  • Долговременная работа.
Эксплуатация источников тока

Основное достоинство первичных элементов состоит в отсутствии надобности обслуживания. Перед работой нужно просто осмотреть их, определить срок годности. При включении в цепь нельзя путать полярность и допускать повреждения контактов. Сложные конструкции источников требуют особого ухода. Цель его заключается в удлинении срока службы до максимума.

Уход за аккумуляторами требует выполнения следующих мероприятий:
  • Обеспечение чистоты.
  • Контроль параметра напряжения отключенной цепи.
  • Обеспечение необходимого уровня электролита, доливки дистиллированной воды.
  • Проверка концентрации электролита ареометром.

При использовании батареек (гальванических элементов) нужно выполнять требования, которые относятся к применению электрических приборов.

Сфера использования
В современное время химические источники тока используются в:
  • Транспорте.
  • Переносных устройствах.
  • Космической технике.
  • Оборудовании научных исследований.
  • Медицинских приборах.
Применяются в бытовой сфере:
  • Батарейки (сухие).
  • Батареи аккумуляторов электроники.
  • Аккумуляторы на автомобилях.

Большое распространение нашли литиевые химические источники тока. Это обусловлено наличием у лития максимальной удельной энергии. Он отличается наиболее отрицательным потенциалом электрода из металлов. Батареи литий ионного типа опередили все другие источники по размеру значений удельной энергии. В настоящее время ученые разрабатывают различные усовершенствования литиевых аккумуляторов. Разработки ведутся в направлении получения конструкций корпуса сверхмалой толщины, которые будут использоваться для питания смартфонов и подобных им гаджетов, а также создание сверхмощных батарей аккумуляторов.

В последнее время серьезные работы ученых ведутся по изобретению и модернизации топливных батарей – устройств, которые создают электрическую энергию, за счет проведения химических реакций веществ, постоянно подающихся к электродам снаружи. Для окисления берут кислород, а в качестве топлива пытаются использовать водород. На основе таких батарей уже действуют некоторые опытные образцы на электростанциях.

Понятие о химических источниках тока. Основные характеристики химических источников тока.

Понятие о химических источниках тока.

Химическими источниками тока (ХИТ) называются устройства, в которых химическая энергия активных веществ при подключении нагрузки превращается в электрическую. В современных средствах связи химические источники тока широко применяются в качестве основных и резервных источников питания.

По характеру работы все известные ХИТ делятся на две группы: первичные и вторичные.

Первичные химические источники тока предназначены для разового непрерывного или прерывистого разряда, т.е. допускают лишь однократное использование заключенных в них активных веществ. К ним относятся марганцево-цинковые и ртутно-цинковые элементы.

Марганцево-цинковые элементы и батареи имеют сравнительно малую стоимость, сохраняют работоспособность в широком диапазоне температур, просты в эксплуатации и хранении, находят широкое применение в качестве источников питания телефонной, измерительной и различного рода вспомогательной аппаратуры и приборов. К ним относятся цилиндрические солевые элементы типа «343» и «373» напряжением 1,55В; призматические солевые элементы и батареи ГБ-10У-1,3 (напр.10В), 3336У (напр.4,1В), «Крона» (напр. 9В)

Ртутно-цинковые элементы и батареи имеют высокую стоимость, хуже работают при отрицательных температурах. Они применяются в малогабаритных переносных радиостанциях (6РЦ63 напр. 7,5В).

Вторичные химические источники тока(электрические аккумуляторы) предназначены для многократного использования за счет восстановления химической энергии активных веществ путем пропускания через них электрического тока в направлении, обратном направлению тока при разряде. Работоспособность аккумуляторов восстанавливается их зарядом, т.е. пропусканием постоянного тока через аккумулятор в направлении, противоположном направлению тока разряда. Работа аккумулятора состоит из чередующихся между собой зарядов и разрядов. Разрядом называют процесс превращения химической энергии в электрическую. Один заряд и один разряд составляют рабочий цикл.

Аккумуляторная батарея – два или большее число аккумуляторов, соединенных последовательно или параллельно и расположенных в одном корпусе (каркасе, отсеке).

Аккумулятор состоит из двух электродов (блоков пластин), погруженных в раствор электролита. Положительные и отрицательные пластины изолируются друг от друга сепарацией.

Электролит – вещество с активной проводимостью, в которое помещены электроды, обеспечивающие протекание на них электрохимических реакций.

По составу электролита аккумуляторы делятся на две группы: щелочные и кислотные.

Щелочные аккумуляторы – это простые, удобные и надежные в эксплуатации источники электроэнергии. Их характерной особенностью является то, что они не подвергаются разборке в течение всего срока службы. Конструкция их надежная и долговечная; срок службы при правильной эксплуатации и надлежащем уходе достигает десяти лет и более. Применяются для питания переносных радиостанций и бортовой сети КШМ.

Кислотные (свинцовые) аккумуляторы обладают малым внутренним сопротивлением, большим напряжением разряда ( ), относительно низкой стоимостью, меньшей механической прочностью, небольшим сроком службы, большим саморазрядом, сложны в уходе и хранении, выделяют вредные пары кислот. Применяются в основном в качестве стартерных для запуска двигателей внутреннего сгорания

химических источников тока.

ХИТ имеют следующие основные электрические характеристики.

Электродвижущая сила (напряжение разомкнутой цепи, E) – разность потенциалов между выводами ХИТ при разомкнутой внешней цепи. Значение ЭДС зависит только от химического состава электродов и плотности электролита и не зависит от количества активных масс. ЭДС ХИТ массового применения не превышает 1,3 В.

Внутренне сопротивление (r)сопротивление, которое ХИТ оказываетпроходящему через него постоянному току. r = 0,3/Q (Ом)

Напряжение(U) – разность потенциалов на выводах ХИТ при замкнутой внешней цепи.

Напряжение разряда (Uр) – напряжение, измеряемое на зажимах ХИТ при замкнутой внешней цепи. Определяется из уравнения:

где Е – э.д.с., В; I р– ток разряда, А; r– внутреннее сопротивление источника, Ом. Из уравнения видно, что напряжение при разряде всегда меньше напряжения разомкнутой цепи примерно на величину падения напряжения на внутреннем сопротивлении источника тока. По величине напряжения разряда судят о степени заряженности ХИТ. При Uр менее 1В аккумулятор считается разряженным.

Напряжение заряда (Uз) – напряжение, которое необходимо приложить к выводам аккумулятора для его заряда. Напряжение заряда должно превышать э.д.с. аккумулятора: Uз = 1,5 Е = 1,8В.

Емкость(Q) – количество электричества, отдаваемое ХИТ при разряде до минимального допустимого напряжения. Емкость измеряется в ампер-часах и определяется по формуле:

Q = I р t р, где I р – ток разряда, А; t р- время разряда, ч.

Номинальная емкость Qн – емкость, которую должен отдать новый ХИТ в номинальном режиме разряда. Она зависит от количества активных веществ.

Саморазряд – потеря емкости за счет токов внутри ХИТ и между его электродами при разомкнутой внешней цепи. Оценивается уменьшением емкости ХИТ в процентах от номинальной в месяц (за сутки).

Наработкойназывается продолжительность работы аккумулятора в циклах от начала его эксплуатации до возникновения первого отказа.

Срок службы аккумулятора определяется календарной продолжительностью его эксплуатации от ее начала до возникновения первого отказа или снижения емкости до 40% от номинальной.

Основные химические источники электроэнергии

Химические источники тока — это устройства и приборы которые в процессе химической окислительно-восстановительной реакции выделяют напряжение. Также они называются электрохимическими, гальваническими элементами. Основной принцип действия их основан на взаимодействии химических реагентов которые вступая, в реакцию друг с другом вырабатывают электроэнергию, в виде постоянного тока. Этот процесс происходит без механического или теплового воздействия, что является основными факторами играющими превосходящую роль среди других генераторов постоянного напряжения. Химические источники тока, сокращённо ХИТ, уже давно нашли применение не только в быту, но и на производстве.

Немного истории создания ХИТ

Ещё в восемнадцатом веке итальянский учёный Луиджи Гальвани придумал простейший элемент который химическим способом выделял электрический ток. Однако он был не только учёным, но и физиком, врачом, физиологом. Он интересовался и проводил опыты которые были направлены на изучение реакции животных на внешние раздражители. Как и всё гениальное первый химический источник энергии был получен Луиджи абсолютно случайно, во время многочисленных экспериментов над лягушками. После присоединения двух пластин из металла к лягушачьей мышце на лапке, было замечено мускульное сокращение. Гальвани посчитал это нервной реакцией на внешний раздражитель и изложил это в результатах своих исследований, попавших в руки другого великого учёного Алессандро Вольта. Он и выложил свою теорию о возникновении напряжения в результате химической реакции, возникшей между двумя металлическими пластинами в среде мускульной ткани лягушки.

Первый химический источник электрического тока представлял собой емкость с соляным составом, в который было погружено две пластины из разных материалов. Одна из меди, другая из цинка. Именно это устройство в будущем, а конкретнее во второй половине девятнадцатого века, было применено при изобретении и создании марганцево-цинкового элемента внутри которого был тот же солевой электролит.

Принцип действия

Устройства вырабатывающее электрический ток содержит два электрода, которые помещаются между электролитом. Именно на их границе соприкосновения и появляется небольшой потенциал. Один из них называют катодом, а другой анодом. Все эти элементы вместе образуют электрохимическую систему.
Во время возникновения окислительно-восстановительной реакции между электродами один элемент отдаёт мельчайшие частицы электроны другому. Поэтому она и не может происходить вечно, а со временем просто теряются свойства каждого элемента этой цепи.
Электроды могут быть представлены в виде пластин или решёток из металла. После погружения их в среду с электролитом меду их выводами возникает разность потенциалов, которая именуется напряжением разомкнутой цепи. Даже при удалении хотя бы одного из электродов с электролита процесс генерации напряжения прекращается.

Состав электрохимических систем

В качестве электролита используются следующие химические вещества:

  1. Водные растворы на основе щелочей, кислот, солей и т. д.;
  2. Растворы с ионной проводимостью на неводной основе, которые получены при растворении солей в неорганических или органических растворителях;
  3. Твердые соединения, содержащие ионную решетку, где один из ионов является подвижным;
  4. Матричные электролиты. Это особый вид жидких растворов и расплавов, которые находятся в порах твёрдого непроводящего элемента — электроносителя;
  5. Расплавы солей;
  6. Ионообменные электролиты с униполярной системой проводимости. Твёрдые тела с фиксированной ионогенной группой одного знака.

Классификация гальванических элементов и их подбор

Генераторы электрического тока получающегося во время химической реакции разделяются по:

  • Размерам;
  • Конструктивным особенностям;
  • Способу и реагенту, за счёт которого, и получается электроэнергия.

Все элементы вырабатывающее ток во время химической реакции делятся на:

  1. Заряжаемые, которые в процессе эксплуатации могут неоднократно заряжаться от источника постоянного тока, они называются аккумуляторами;
  2. Не заряжаемые, то есть источники одноразового использования которые после завершения химической реакции просто приходят в негодность и должны быть утилизированы. Попросту это гальванический элемент или батарейка.

Для того чтобы подобрать источник электроэнергии, основанный на химической реакции, нужно понимать его характеристики, к которым относятся:

  • Напряжение между анодом и катодом при разомкнутой цепи. Этот показатель чаще всего зависит от выбранной электрохимической системы, а также концентрации и вылечены всех составляющих;
  • Мощность источника;
  • Показатель силы тока;
  • Емкость;
  • Электротехнические показатели, то есть количество циклов заряда и разряда;
  • Диапазон рабочих температур;
  • Срок хранения между тем временем как элемент был создан и до начала его эксплуатации;
  • Полный срок службы;
  • Прочность, то есть защита корпуса от различных механических повреждений и влияний, а также вибраций;
  • Положение работы, некоторые из них работают только в горизонтальных положениях;
  • Надёжность;
  • Простота в эксплуатации и обслуживании. В идеале отсутствие необходимости малейшего вмешательства в работу в течение всего срока эксплуатации.

При выборе нужной батареи или аккумулятора обязательно нужно учесть его электрические номиналы такие как напряжение и ток, а также ёмкость. Именно она является ключевой для сохранения работоспособности, подключаемого к источнику прибора.

Современные химические источники тока и их применение

Современный быт человека тяжело приставить без этих мобильных генераторов энергии, с которыми он сталкивается в течение всей жизни, начиная с детских игрушек и заканчивая, допустим, автомобилем.
Сферы применения различных батареек и аккумуляторов настолько разнообразны что перечислить их очень сложно. Работа любого мобильного телефона, компьютера, ноутбука, часов, пульта дистанционного управления была бы невозможна без этого переносного и очень компактного устройства для создания стабильного электрического заряда.
В медицине широко используются источники химической энергии при создании любого аппарата, помогающего человеку полноценно жить. Например, для слуховых аппаратов и электрокардиостимуляторов которые могут работать только от переносных источников напряжения, чтобы не сковывать человека проводами.
В производстве применяются целые системы аккумуляторных батарей для обеспечения напряжением цепей отключения и защит в случае пропадания входящего высокого напряжения на подстанциях. И также широко применяется это питание во всех транспортных средствах, военной и космической технике.
Одним из видов распространённых батарей являются литиевые источники электрического тока, так как именно этот элемент обладает высоким показателем удельной энергии. Дело в том что только этот химический элемент, оказывается, обладает сильным отрицательным потенциалом среди всех известных и изученных человеком веществ. Литий-ионные батареи выделяются среди всех остальных элементов питания по величине вырабатываемой энергии и низким габаритам, что позволяет применять их в самых компактных и мелких электронных устройствах.

Способы утилизации химических источников энергии

Проблема утилизации разных по габаритах химических источников напряжения является экологической проблемой всей планеты. Современные источники содержат в себе до тридцати химических элементов которые могут нанесите ощутимый вред природным ресурсам, поэтому для их утилизации разработаны целые программы и построены специализированные цеха по переработке. Некоторые методы позволяют не только качественно перерабатывать эти вредные вещества, но и возвращать в производство, тем самым защитив окружающую среду. В целях извлечения цветных металлов из батарей и аккумуляторов в настоящий момент разработаны и применены в цивилизованных странах, следящих и заботящихся об окружающей среде, целые пирометаллургические и гидрометаллургические комплексы. Самый же распространённый способ утилизации отработанных химических источников тока является метод, работающий на соединении этих процессов. Главным его достоинством считается высокая степень извлечения с минимальным количеством отходов.
Этот метод пирометаллургической, гидрометаллургической и механической переработки включает в себя восемь основных стадий:

  1. Измельчение;
  2. Магнитная сепарация;
  3. Обжиг;
  4. Дополнительное измельчение;
  5. Выделение крупных и мелких элементов с помощью грохочения;
  6. Водное очищение и выщелачивание;
  7. Сернокислотное выщелачивание;
  8. Электролиз.

Организация правильного сбора и утилизации ХИТ позволяет максимально уменьшить негативное влияние как на окружающую природу, так и на здоровье самого человека.

Видео о химических источниках тока

Химия и ток

Какими в будущем станут привычные нам аккумуляторы и другие источники питания

В современной жизни химические источники тока окружают нас повсюду: это батарейки в фонариках, аккумуляторы в мобильных телефонах, водородные топливные элементы, которые уже используются в некоторых автомобилях. Бурное развитие электрохимических технологий может привести к тому, что уже в ближайшее время вместо машин на бензиновых двигателях нас будут окружать только электромобили, телефоны перестанут быстро разряжаться, а в каждом доме будет свой собственный электрогенератор на топливных элементах. Повышению эффективности электрохимических накопителей и генераторов электроэнергии посвящена одна из совместных программ Уральского федерального университета с Институтом высокотемпературной электрохимии УрО РАН, в партнерстве с которыми мы публикуем эту статью.

На сегодняшний день существует множество разных типов батареек, среди которых все сложнее ориентироваться. Далеко не каждому очевидно, чем аккумулятор отличается от суперконденсатора и почему водородный топливный элемент можно использовать, не опасаясь нанести вред окружающей среде. В этой статье мы расскажем о том, как для получения электроэнергии используются химические реакции, в чем разница между основными типами современных химических источников тока и какие перспективы открываются перед электрохимической энергетикой.

Химия как источник электричества

Сначала разберемся, почему химическую энергию вообще можно использовать для получения электричества. Все дело в том, что при окислительно-восстановительных реакциях происходит перенос электронов между двумя разными ионами. Если две половины химической реакции разнести в пространстве, чтобы окисление и восстановление проходили отдельно друг от друга, то можно сделать так, чтобы электрон, который отрывается от одного иона, не сразу попадал на второй, а сначала прошел по заранее заданному для него пути. Такую реакцию можно использовать как источник электрического тока.

Впервые эта концепция была реализована еще в XVIII веке итальянским физиологом Луиджи Гальвани. Действие традиционного гальванического элемента основано на реакциях восстановления и окисления металлов с разной активностью. Например, классической ячейкой является гальванический элемент, в котором происходит окисление цинка и восстановление меди. Реакции восстановления и окисления проходят, соответственно, на катоде и аноде. А чтобы ионы меди и цинка не попадали на «чужую территорию», где они могут прореагировать друг с другом непосредственно, между анодом и катодом обычно помещают специальную мембрану. В результате между электродами возникает разность потенциалов. Если соединить электроды, например, с лампочкой, то в получившейся электрической цепи начинает течь ток и лампочка загорается.

Схема гальванического элемента

Основным недостатком гальванического элемента является ограниченное время его работы. Как только реакция пройдет до конца (то есть будет полностью израсходован весь постепенно растворяющийся анод), такой элемент просто перестанет работать.

Пальчиковые щелочные батарейки

Возможность перезарядки

Первым шагом к расширению возможностей химических источников тока стало создание аккумулятора — источника тока, который можно перезаряжать и поэтому использовать многократно. Для этого ученые просто предложили использовать обратимые химические реакции. Полностью разрядив аккумулятор в первый раз, с помощью внешнего источника тока прошедшую в нем реакцию можно запустить в обратном направлении. Это восстановит исходное состояние, так что после перезарядки батарею можно будет использовать заново.

Автомобильный свинцово-кислотный аккумулятор

Литий-ионный аккумулятор для мобильного телефона

Твердый электролит

В качестве другого менее очевидного способа повышения эффективности и безопасности батарей, химики предложили не ограничиваться в химических источниках тока жидкими электролитами, а создать полностью твердотельный источник тока. В таких устройствах вообще нет жидких компонентов, а есть слоистая структура из твердого анода, твердого катода и твердого же электролита между ними. Электролит при этом одновременно выполняет и функцию мембраны. Носителями заряда в твердом электролите могут быть различные ионы — в зависимости от его состава и тех реакций, которые проходят на аноде и катоде. Но всегда ими являются достаточно маленькие ионы, которые могут относительно свободно перемещаться по кристаллу, например протоны H + , ионы лития Li + или ионы кислорода O 2- .

Водородные топливные элементы

Возможность перезарядки и специальные меры безопасности делают аккумуляторы значительно более перспективными источниками тока, чем обычные батарейки, но все равно каждый аккумулятор содержит внутри себя ограниченное количество реагентов, а значит, и ограниченный запас энергии, и каждый раз аккумулятор необходимо заново заряжать для возобновления его работоспособности.

Чтобы сделать батарейку «бесконечной», в качестве источника энергии можно использовать не те вещества, которые находятся внутри ячейки, а специально прокачиваемое через нее топливо. Лучше всего в качестве такого топлива подойдет вещество, максимально простое по составу, экологически чистое и имеющееся в достатке на Земле.

Наиболее подходящее вещество такого типа — газообразный водород. Его окисление кислородом воздуха с образованием воды (по реакции 2H2 + O2 → 2H2O) является простой окислительно-восстановительной реакцией, а транспорт электронов между ионами тоже можно использовать в качестве источника тока. Протекающая при этом реакция является своего рода обратной реакцией к реакции электролиза воды (при котором под действием электрического тока вода разлагается на кислород и водород), и впервые такая схема была предложена еще в середине XIX века.

Но несмотря на то, что схема выглядит довольно простой, создать основанное на этом принципе эффективно работающее устройство — совсем не тривиальная задача. Для этого надо развести в пространстве потоки кислорода и водорода, обеспечить транспорт нужных ионов через электролит и снизить возможные потери энергии на всех этапах работы.

Принципиальная схема работы водородного топливного элемента

Водородный топливный элемент Toyota

Joseph Brent / flickr

Кроме реакции окисления водорода для топливных элементов предложено использовать и другие типы реакций. Например, вместо водорода восстановительным топливом может быть метанол, который кислородом окисляется до углекислого газа и воды.

Эффективность топливных элементов

Несмотря на все преимущества водородных топливных элементов (такие как экологичность, практически неограниченный КПД, компактность размеров и высокая энергоемкость), они обладают и рядом недостатков. К ним относятся, в первую очередь, постепенное старение компонентов и сложности при хранении водорода. Именно над тем, как устранить эти недостатки, и работают сегодня ученые.

Повысить эффективность топливных элементов в настоящее время предлагается за счет изменения состава электролита, свойств электрода-катализатора, и геометрии системы (которая обеспечивает подачу топливных газов в нужную точку и снижает побочные эффекты). Для решения проблемы хранения газообразного водорода используют материалы, содержащие платину, для насыщения которых предлагают использовать, например, графеновые мембраны.

В результате удается добиться повышения стабильности работы топливного элемента и времени жизни его отдельных компонентов. Сейчас коэффициент преобразования химической энергии в электрическую в таких элементах достигает 80 процентов, а при определенных условиях может быть и еще выше.

Огромные перспективы водородной энергетики связывают с возможностью объединения топливных элементов в целые батареи, превращая их в электрогенераторы с большой мощностью. Уже сейчас электрогенераторы, работающие на водородных топливных элементах, имеют мощность до нескольких сотен киловатт и используются как источники питания транспортных средств.

Альтернативные электрохимические накопители

Помимо классических электрохимических источников тока, в качестве накопителей электроэнергии используют и более необычные системы. Одной из таких систем является суперконденсатор (или ионистор) — устройство, в котором разделение и накопление заряда происходит за счет образования двойного слоя вблизи заряженной поверхности. На границе электрод-электролит в таком устройстве в два слоя выстраиваются ионы разных знаков, так называемый «двойной электрический слой», образуя своеобразный очень тонкий конденсатор. Емкость такого конденсатора, то есть количество накопленного заряда, будет определяться удельной площадью поверхности электродного материала, поэтому в качестве материала для суперконденсаторов выгодно брать пористые материалы с максимальной удельной площадью поверхности.

Ионисторы являются рекордсменами среди зарядно-разрядных химических источников тока по скорости заряда, что является несомненным преимуществом данного типа устройств. К сожалению, они также являются рекордсменами и по скорости разряда. Энергоплотность ионисторов в восемь раз меньше по сравнению со свинцовыми аккумуляторами и в 25 раз меньше по сравнению с литий-ионными. Классические «двойнослойные» ионисторы не используют электрохимическую реакцию в своей основе, и к ним наиболее точно применим термин «конденсатор». Однако в тех вариантах исполнения ионисторов, в основе которых используется электрохимическая реакция и накопление заряда распространяется в глубину электрода, удается достичь более высоких времен разрядки при сохранении быстрой скорости заряда. Усилия разработчиков суперконденсаторов направлены на создание гибридных с аккумуляторами устройств, сочетающих в себе плюсы суперконденсаторов, в первую очередь высокую скорость заряда, и достоинства аккумуляторов — высокую энергоемкость и длительное время разряда. Представьте себе в ближайшем будущем аккумулятор-ионистор, который будет заряжаться за пару минут и обеспечивать работу ноутбука или смартфона в течение суток или более!

Несмотря на то, что сейчас плотность энергии суперконденсаторов пока в несколько раз меньше плотности энергии аккумуляторов, их используют в бытовой электронике и для двигателей различных транспортных средств, в том числе и в самых современных разработках.

Таким образом, на сегодня существует большое количество электрохимических устройств, каждое из которых перспективно для своих конкретных приложений. Для повышения эффективности работы этих устройств ученым необходимо решить ряд задач как фундаментального, так и технологического характера. Большинством этих задач в рамках одного из прорывных проектов занимаются в Уральском федеральном университете, поэтому о ближайших планах и перспективах по разработке современных топливных элементов мы попросили рассказать директора Института высокотемпературной электрохимии УрО РАН, профессора кафедры технологии электрохимических производств химико-технологического института Уральского федерального университета Максима Ананьева.

N + 1: Ожидается ли в ближайшем будущем какая-то альтернатива наиболее популярным сейчас литий-ионным аккумуляторам?

Максим Ананьев: Современные усилия разработчиков аккумуляторов направлены на замену типа носителя заряда в электролите с лития на натрий, калий, алюминий. В результате замены лития можно будет снизить стоимость аккумулятора, правда при этом пропорционально возрастут массо-габаритные характеристики. Иными словами, при одинаковых электрических характеристиках натрий-ионный аккумулятор будет больше и тяжелее по сравнению с литий-ионным.

Кроме того, одним из перспективных развивающихся направлений совершенствования аккумуляторов является создание гибридных химических источников энергии, основанных на совмещении металл-ионных аккумуляторов с воздушным электродом, как в топливных элементах. В целом, направление создания гибридных систем, как уже было показано на примере суперконденсаторов, по-видимому, в ближайшей перспективе позволит увидеть на рынке химические источники энергии, обладающие высокими потребительскими характеристиками.

Уральский федеральный университет совместно с академическими и индустриальными партнерами России и мира сегодня реализует шесть мегапроектов, которые сфокусированы на прорывных направлениях научных исследований. Один из таких проектов — «Перспективные технологии электрохимической энергетики от химического дизайна новых материалов к электрохимическим устройствам нового поколения для сохранения и преобразования энергии».

Группа ученых стратегической академической единицы (САЕ) Школа естественных наук и математики УрФУ, в которую входит Максим Ананьев, занимается проектированием и разработкой новых материалов и технологий, среди которых — топливные элементы, электролитические ячейки, металлграфеновые аккумуляторы, электрохимические системы аккумулирования электроэнергии и суперконденсаторы.

Исследования и научная работа ведутся в постоянном взаимодействии с Институтом высокотемпературной электрохимии УрО РАН и при поддержке партнеров.

Какие топливные элементы разрабатываются сейчас и имеют наибольший потенциал?

Одними из наиболее перспективных типов топливных элементов являются протонно-керамические элементы. Они обладают преимуществами перед полимерными топливными элементами с протонно-обменной мембраной и твердооксидными элементами, так как могут работать при прямой подаче углеводородного топлива. Это существенно упрощает конструкцию энергоустановки на основе протонно-керамических топливных элементов и систему управления, а следовательно, увеличивает надежность работы. Правда, такой тип топливных элементов на данный момент является исторически менее проработанным, но современные научные исследования позволяют надеяться на высокий потенциал данной технологии в будущем.

Какими проблемами, связанными с топливными элементами, занимаются сейчас в Уральском федеральном университете?

Сейчас ученые УрФУ совместно с Институтом высокотемпературной электрохимии (ИВТЭ) Уральского отделения Российской академии наук работают над созданием высокоэффективных электрохимических устройств и автономных генераторов электроэнергии для применений в распределенной энергетике. Создание энергоустановок для распределенной энергетики изначально подразумевает разработку гибридных систем на основе генератора электроэнергии и накопителя, в качестве которых выступают аккумуляторы. При этом топливный элемент работает постоянно, обеспечивая нагрузку в пиковые часы, а в холостом режиме заряжает аккумулятор, который может сам выступать резервом как в случае высокого энергопотребления, так и в случае внештатных ситуаций.

Наибольших успехов химики УрФУ и ИВТЭ достигли в области разработки твердо-оксидных и протонно-керамических топливных элементов. Начиная с 2016 года на Урале вместе с ГК «Росатом» создается первое в России производство энергоустановок на основе твердо-оксидных топливных элементов. Разработка уральских ученых уже прошла «натурные» испытания на станции катодной защиты газотрубопроводов на экспериментальной площадке ООО «Уралтрансгаз». Энергоустановка с номинальной мощностью 1,5 киловатта отработала более 10 тысяч часов и показала высокий потенциал применения таких устройств.

В рамках совместной лаборатории УрФУ и ИВТЭ ведутся разработки электрохимических устройств на основе протонпроводящей керамической мембраны. Это позволит в ближайшем будущем снизить рабочие температуры для твердо-оксидных топливных элементов с 900 до 500 градусов Цельсия и отказаться от предварительного риформинга углеводородного топлива, создав, таким образом, экономически эффективные электрохимические генераторы, способные работать в условиях развитой в России инфраструктуры газоснабжения.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: