Прыклады пытанняў па абмеркаванні электрахімічнага прымянення ў электрамабілях
Пендахулуан
Электрахімія — гэта раздзел хіміі, які вывучае сувязь паміж электрычнай энергіяй і хімічнымі зменамі. Адным з рэальных прымяненняў электрахіміі з'яўляецца выкарыстанне акумулятараў або электрахімічных элементаў у электрамабілях. Гэтыя акумулятары з'яўляюцца важнымі кампанентамі, якія забяспечваюць працу электрамабіляў. У наступным артыкуле будзе растлумачана функцыя акумулятараў у электрамабілях, а таксама прыведзены некалькі прыкладаў праблем і дыскусій, звязаных з прымяненнем электрахіміі ў электрамабілях.
Электрамабілі і электрахімія
Электрамабіль — гэта транспартны сродак, які выкарыстоўвае электрычнасць у якасці крыніцы энергіі. Гэтая электрычная энергія захоўваецца ў акумулятарах або электрахімічных элементах унутры аўтамабіля. Акумулятары для электрамабіляў, як правіла, з'яўляюцца літый-іённымі (Li-ion) акумулятарамі, якія маюць высокую шчыльнасць энергіі і больш працяглы тэрмін службы, чым іншыя тыпы акумулятараў.
У кантэксце электрахіміі літый-іённыя акумулятары працуюць на аснове акісляльна-аднаўленчай (акісляльна-аднаўленчай) рэакцыі. Калі акумулятар зараджаецца, іоны літыя перамяшчаюцца ад катода да анода. І наадварот, калі акумулятар выкарыстоўваецца для харчавання электрамабіля, іоны літыя перамяшчаюцца ад анода назад да катода, генеруючы электрычны ток, які сілкуе электрарухавік аўтамабіля.
Прыклады пытанняў для абмеркавання
Ніжэй прыведзены некаторыя прыклады пытанняў і дыскусій, звязаных з ужываннем электрахіміі ў электрамабілях.
Пытанне 1: Разлік энергіі, якая захоўваецца ў батарэі
Пытанне:
Акумулятар электрамабіля мае ёмістасць 75 кВт·г (кілават-гадзін). Разлічыце колькасць электрычнай энергіі, якая захоўваецца ў акумулятары, у джоўлях (Дж).
Абмеркаванне:
Энергію ў кілават-гадзінах можна пераўтварыць у джоўлі з дапамогай наступнага пераўтварэння:
\[1 кВт·г = 3.6 × 10^6 Дж]
Такім чынам, энергія, якая захоўваецца ў батарэі, складае:
\[ 75 \text{кВт·г} \times 3.6 \times 10^6 \text{Дж/кВт·г} = 270 \times 10^6 \text{Дж} = 270 \text{МДж} \]
Такім чынам, колькасць электрычнай энергіі, якая захоўваецца ў батарэі, складае 270 мільёнаў джоўляў або 270 МДж (мегаджоўляў).
Пытанне 2: Эфектыўнасць выкарыстання энергіі
Пытанне:
Электрамабіль выкарыстоўвае 270 МДж энергіі, каб праехаць 300 км. Разлічыце яго энергаэфектыўнасць у км/МДж.
Абмеркаванне:
Эфектыўнасць выкарыстання энергіі можна разлічыць, падзяліўшы пройдзеную адлегласць на выкарыстаную энергію:
\[ Эфектыўнасць = \frac{\text{Пройдзеная адлегласць}}{\text{Выкарыстаная энергія}} \]
Падстаўце вядомыя значэнні:
Эфектыўнасць = 300 км/270 МДж прыблізна 1.11 км/МДж
Такім чынам, энергаэфектыўнасць электрамабіля складае каля 1.11 км/МДж.
Пытанне 3: Ёмістасць акумулятара ў кулонах
Пытанне:
Акумулятар электрамабіля мае напружанне 400 В і ёмістасць 75 кВт·г. Разлічыце ёмістасць акумулятара ў кулонах (Кл).
Абмеркаванне:
Энергію ў джоўлях можна вылічыць па формуле:
\[ E = Q \ памножанае на V \]
Дзе \(E \) — энергія ў джоўлях, \(Q \) — зарад у кулонах, а \(V \) — напружанне ў вольтах. Спачатку мы пераўтвараем энергію з кВт·г у джоўлі, як гэта было зроблена ў першай задачы:
\[75 кВт·г = 270 × 10^6 Дж]
Затым мы выкарыстоўваем прыведзеную вышэй формулу для разліку нагрузкі:
Q = E/V = 270 × 10^6 Дж/400 В = 675000 C
Такім чынам, ёмістасць акумулятара складае 675 000 кулонаў.
Пытанне 4: Электрахімічныя рэакцыі ў літый-іённых акумулятарах
Пытанне:
Растлумачце электрахімічныя рэакцыі, якія адбываюцца ў літый-іённым акумулятары падчас зарадкі і разрадкі.
Абмеркаванне:
У літый-іённых акумулятарах працэс зарадкі і разрадкі ўключае рух іонаў літыя паміж анодам і катодам праз электраліт.
1. Падчас зарадкі:
– Рэакцыя на катодзе:
\[ \text{LiCoO}_2 + \text{Li}^{+} + \text{e}^{-} \rightarrow \text{Li}_2\text{CoO}_2 \]
– Рэакцыя на анодзе:
\[ \text{LiC}_6 \rightarrow 6C + \text{Li}^{+} + \text{e}^{-} \]
У гэтых умовах іёны літыя рухаюцца ад катода (LiCoO2) да анода (звычайна вырабленага з графіту, C), а электроны цякуць праз знешні ланцуг да анода, падтрымліваючы электрычную нейтральнасць.
2. Пры апаражненні:
– Рэакцыя на катодзе:
\[ \text{Li}_2\text{CoO}_2 \rightarrow \text{LiCoO}_2 + \text{Li}^{+} + \text{e}^{-} \]
– Рэакцыя на анодзе:
\[ 6C + \text{Li}^{+} + \text{e}^{-} \rightarrow \text{LiC}_6 \]
У гэтых умовах іёны літыя рухаюцца ад анода назад да катода, а электроны цякуць назад па знешнім ланцугу ад анода да катода, выконваючы знешнюю працу, напрыклад, прыводзячы ў рух электрарухавік.
Пытанне 5: Магутнасць і час зарадкі
Пытанне:
Калі зарадная станцыя мае магутнасць 50 кВт, колькі часу патрабуецца, каб цалкам зарадзіць акумулятар электрамабіля ёмістасцю 75 кВтг?
Абмеркаванне:
Час зарадкі можна разлічыць, падзяліўшы ёмістасць акумулятара на выходную магутнасць зараднай станцыі:
\[ Час = \frac{\text{Ёмістасць батарэі}}{\text{Выхадная магутнасць}} \]
Падстаўце вядомыя значэнні:
\[ Час = \frac{75 \text{кВт·г}}{50 \text{кВт}} = 1.5 \text{ гадзін} \]
Такім чынам, час, неабходны для поўнай зарадкі акумулятара з пустога стану, складае 1.5 гадзіны.
Выснова
Прымяненне электрахіміі ў электрамабілях — гэта канкрэтны прыклад таго, як хімію можна прымяніць для вырашэння сучасных энергетычных праблем. Літый-іённыя акумулятары, асноўны кампанент назапашвання энергіі ў электрамабілях, працуюць па электрахімічных прынцыпах, якія ўключаюць акісляльна-аднаўленчыя рэакцыі. Дзякуючы розным разлікам ёмістасці і энергаэфектыўнасці мы можам атрымаць больш глыбокае разуменне таго, як працуюць і працуюць электрамабілі. Прыведзеныя вышэй прыклады задач павінны даць агульны агляд разлікаў і асноўных паняццяў, звязаных з прымяненнем электрахіміі ў электрамабілях.
