PILE GALVANICE

PILE GALVANICE

Pilele galvanice sunt sisteme care produc energie electrica din energie chimica.In cazul cel mai simplu ele sunt constituie dintr-un lant electrochimic format din doua metale reunite printr-un electrolit.In cazul general lantul lor electrochimic este format din mai multe faze conductoare in contact, din care cel putin una este un conductor ionic (solutie de electrolit), iar cele doua faze terminale sunt metale.

Pentru cazul cel mai simplu cand elementul este format din doi conductori electronici M1 si M2 uniti prin solutia unui electrolit el se va nota prin:

M1/solutie de electrolit/M2

Prima pila galvanica a fost construita de A. Volta la sfarsitul secXVIII, fiind alcatuit dintr-o serie de placi de cupru si zinc despartite prin bucati de stofa imbibate in solutie de acid sulfuric:

Zn/H2SO4/Cu

La scurt timp dupa descoperirea pilei lui Volta,aceasta sursa de energie a fost utilizata de catre Nicholson si Carlisle pentru descompunerea apei in hidrogen si oxigen, iar in 1807 de catre Davy in experimentele privitoare in descompunerea alcaliilor.In prima jumatate a secXIX numerosi cercetatori, printre care amintim pe Daniell si Faraday, au depus eforturi pentru a imbunatati aceste noi surse de energie, aparand numeroase tipuri de pile care toate se caracterizeaza prin puterea foarte mica pe care o dezvoltau.

O etapa importanta in dezvoltarea surselor electrochimice de energie este anul 1859 cand Plante a inventat acumulatorul cu plumb care are calitatea de a se reincarca si de a debita puteri mari, putand fi utilizat astfel ca sursa importanta de energie electrica intr-o serie de cazuri practice.In anul 1868 surse electrochimice de energie se imbogatesc cu inventia lui Leclanche reprezentata de pila zinc-piroluzita care devine rapid una din cele mai populare surse electrochimice de energie.Surse electrochimice de energie electrica au puterea relativ mica daca se raportarea      energiei debitate la greutatea sau la volumul lor.Fiind totusi de neinlocuit in numeroasele aplicatii, practic, s-au depus eforturi foarte mari de a li se mari puterea specifica, mai ales in secolul nostru.

Sursele electrochimice de energie se clasifica dupa tipul de reactie la electrozi, si anume, daca reactiile sunt ireversibile sursa se numeste pila primara, iar daca reactia este reversibila se numeste pila secundara sau acumulator.In caz ca reactantii sunt transportati tot timpul la electrozi,iar produsii de reactie sunt eliminati simultan, sursa devine o asa-numita pila cu combustibil, denumita si pila de combustie.Mai sunt intalnite si pile hibride.

Atunci cand criteriul de clasificare il constituie cantitatea de energie liberata, sursele galvanice se pot grupa in urmatoarele categorii:

a)pile miniaturizare, capabile de a genera 100mWh-2mWh, destinate microconsumatoarelor cum sunt ceasornicele electrice,calculatoarele de buzunar, diverse proteze medicale

b)pile pentru echipament portativ, situate in domeniul 2Wh-1000Wh, destinate surselor de lumina utilizate in fotografie, jucarii electrice, radioreceptoare portative etc

c)pile utilizate ca startere , surse de lumina si pentru aprindere in autovehicule conventionale, avand energia cuprinsa intre 100Wh-600Wh

d)pile galvanice pentru electrotractiune,avand energia cuprinsa intre 20 si 630kWh atunci cand se utilizeaza la actionarea stivuitoarelor, locomotive sau altele si 3MWh cand sunt destinate submarinelor

e)pile galvanice stationare, avand energia cuprinsa intre 250Wh si 5MWh ai destinate alimentarii unor dispozitive e alarmare, stocarea energiei electrice, alimentarea unor statii de releu

f)pile galvanice destinate nivelarii sarcinii, avand energii cuprinse intre 5 si 100MWh si destinate consumului de varf si stocarii in perioadele de minim de consum

Teoretic, aproape toate elementele chimice si compusii lor sunt capabile sa formeze o pila galvanica atunci cand sunt cuplate judicios intr-un electron pozitiv, cu conditia ca reactantul anodic sa aiba cel putin o singura stare de oxidare mai inalta si astfel sa piarda electroni in reactie, iar reactantul catodic sa aiba cel putin o stare de oxidare mai joasa si astfel sa castige electroni in reactie.

Din variatia de energie libera a reactiilor se poate calcula tensiunea electromotoare a unei pile, care din punct de vedere tehnic si economic trebuie sa fie de ordinul unui volt sau mai mult.In mod obisnuit se face un compromis intre nevoia de a obtine o tensiune cat mai mare in conditiile debitarii unei puteri maxime si a avea in acelasi timp un sistem de electrozi stabil, care sa fie compatibil cu un electron pozitiv.

Experienta celor 180 de ani cu pile galvanice a aratat insa ca se pot selectiona un numar foarte restrans de electrozi eficace atat din punct de vedere tehnic cat si economic.Ca anozi s-au folosit in decursul timpului urmatoarele metale: plumbul, zincul, fierul si cadmiul la care recent s-au mai adaugat si magneziul, aluminiul si litiul, iar catozii sunt constituiti mai ales din oxizi de plumb, nichel, mangan, argint, mercur si cupru sau oxigenul insusi.Recent au inceput sa fie utilizati unii compusi organici cu caracter semiconductor (ftalocianinele)

O explorare a literaturii de specialitate si a patentelor in domeniul surselor electrochimice de energie electrica arata sute de combinatii de electrozi ca fiind propusi pentru realizarea de pile aparente.

Totusi,asa cum am aratat si in paragraful precedent, exista un numar extrem de redus de surse puse efectiv in functiune in cursul timpului.Aceasta situatie arata ca punerea in functiune a unei surse electrochimice de energie, depinde de o serie de factori:

a)Electrolitul care este conductorul ionic ce transporta curentul electric in sursa cu ajutorul ionilor.Trebuie sa fie stabil chimic in contact cu electrozii si de asemenea sa transporte cu usurinta curentul.In acest scop cei mai potriviti electroliti sunt H2SO4 sau KOH in solutii apoase, in special pentru surse care debiteaza curenti mari.Pentru surse ce debiteaza curenti mici se pot folosi ca electroliti solutii apoase de sarurisau chiar apa de mare.

b)Posibilitatea aparitiei reactiilor secundare.Reactiile secundare pot sa apara la anodul sau la catodul pilei in prezenta unor impuritati sau a unor componente de constructie a pilei, ceea ce are ca rezultat descarcarea acestuia.De aceea trebuie sa se faca o selectie extrem de riguroasa a materialelor componente ale unei pile pentru a evita riscul aparitiei reactiilor secundare.Aceasta reactie va conduce la o reducere a gamei de materiale ce pot fi utilizate la constructia unei pile.

c)Polarizarea electrozilor.Reprezinta pierderile de tensiune a unei pile in timpul functionarii.Aceste pierderi includ caderile ohmice, polarizarea de difuzie, polarizarea de transfer de sarcina.Excluderea acestora va restrange si ea gama de materiale utile la constructia pilelor.

d)Structura si forma electrozilor joaca si ea un rol foarte primordial in functionarea eficienta a unei pile.In mod obisnuit se folosesc electrozi pastati sau sintetizati e mare suprafata, care sunt presati pe gratare suport.O grija deosebita trebuie sa o fie data granulozitatii si puritatii materialelor componente ale electrozilor.Experienta empirica arata ca buna functionare a unei pile depinde in primul rand de calitatile fizico-chimice ale electrozilor.

e)Separarea electrozilor.Cele mai multe pile necesita procedee de izolare fizica a electrozilor fara a reduce semnificativ conductibilitatea electrolitului.In acest scop se folosesc separatori.Ei trebuie sa asigure conductia ionica, trebuie sa reziste la potentiale inalte de oxidare, la temperaturi ridicate si la actiunea electrolitilor utilizati.

f)Costul si disponibilitatea materialelor.Din punct de vedere economic costul si disponibilitatea materialelor folosite la constructia unei pile, au o importanta crucila, indiferent de performantele tehnice ale acesteia.