Dæmi um spurningar sem fjalla um rafefnafræðilega notkun í rafmagnsbílum
Pendahuluan
Rafefnafræði er grein innan efnafræðinnar sem rannsakar tengslin milli raforku og efnabreytinga. Ein raunveruleg notkun rafefnafræðinnar er notkun rafhlöðu eða rafefnafræðilegra frumna í rafmagnsbílum. Þessar rafhlöður eru nauðsynlegir íhlutir sem styðja við rekstur rafmagnsbíla. Eftirfarandi grein mun útskýra virkni rafhlöðu í rafmagnsbílum, sem og nokkur dæmi um vandamál og umræður sem tengjast notkun rafefnafræði í rafmagnsbílum.
Rafbílar og rafefnafræði
Rafbíll er ökutæki sem notar rafmagn sem orkugjafa. Þessi raforka er geymd í rafhlöðum eða rafefnafræðilegum frumum inni í bílnum. Rafhlöður rafbíla eru almennt litíum-jón (Li-ion) rafhlöður, sem hafa mikla orkuþéttleika og lengri líftíma en aðrar gerðir rafhlöðu.
Í rafefnafræði virka litíumjónarafhlöður með oxunar-afoxunarviðbrögðum (reduxation reaction). Þegar rafhlaðan er hlaðin færast litíumjónir frá katóðu að anóðu. Aftur á móti, þegar rafhlaðan er notuð til að knýja rafknúið ökutæki, færast litíumjónir frá anóðu aftur að katóðu og mynda rafstraum sem knýr rafmótor bílsins.
Dæmi um umræðuspurningar
Hér að neðan eru nokkur dæmi um spurningar og umræður sem tengjast notkun rafefnafræði í rafmagnsbílum.
Spurning 1: Útreikningur á orku sem geymd er í rafhlöðu
Spurning:
Rafhlaða rafbíls hefur afkastagetu upp á 75 kWh (kílóvattstundir). Reiknaðu magn raforku sem geymd er í rafhlöðunni í joulum (J).
Umræða:
Orka í kílóvattstundum er hægt að umbreyta í joula með eftirfarandi umreikningi:
[1 kWh = 3.6 x 10⁶ J]
Þannig að orkan sem geymd er í rafhlöðunni er:
[75 kWh x 3.6 x 10⁶ J/kWh = 270 x 10⁶ J = 270 MJ]
Þannig að magn raforku sem geymd er í rafhlöðunni er 270 milljónir joula eða 270 MJ (megajoule).
Spurning 2: Orkunotkunarhagkvæmni
Spurning:
Rafbíll notar 270 MJ af orku til að aka 300 km. Reiknaðu orkunýtni hans í km/MJ.
Umræða:
Hægt er að reikna út orkunýtni með því að deila vegalengdinni með orkunotkuninni:
\[ Nýtni = \frac{\text{Ferð vegalengd}}{\text{Orkunotkun}} \]
Skiptu út þekktum gildum:
[Nýjungarnýtni = \frac{300 \text{km}}{270 \text{MJ}} \u.þ.b. 1.11 \text{ km/MJ} \]
Orkunýting rafbílsins er því um 1.11 km/MJ.
Spurning 3: Rafhlaðarafköst í Coulomb
Spurning:
Rafhlaða í rafbíl hefur 400 V spennu og afkastagetu upp á 75 kWh. Reiknið afkastagetu rafhlöðunnar í kúlómbum (C).
Umræða:
Orka í joulum er hægt að reikna út með formúlunni:
\[ E = Q \times V \]
Þar sem \(E \) er orkan í joulum, \(Q \) er hleðslan í coulomb og \(V \) er spennan í voltum. Fyrst breytum við orkunni úr kWh í joulum eins og gert var í fyrsta dæminu:
[75 kWh = 270 x 10⁶ J]
Síðan notum við formúluna hér að ofan til að reikna út álagið:
[Q = \frac{E}{V} = \frac{270 \times 10^6 \text{J}}{400 \text{V}} = 675000 \text{C} \]
Rafhlaðan er því 675000 kúlómb.
Spurning 4: Rafefnafræðileg viðbrögð í litíum-jón rafhlöðum
Spurning:
Útskýrðu rafefnafræðilegu viðbrögðin sem eiga sér stað í litíum-jón rafhlöðu við hleðslu og afhleðslu.
Umræða:
Í litíum-jón rafhlöðum felur hleðslu- og afhleðsluferlið í sér flutning litíumjóna á milli anóðu og katóðu í gegnum rafvökvann.
1. Við hleðslu:
– Viðbrögð við katóðuna:
[ \text{LiCoO}_2 + \text{Li}^{+} + \text{e}^{-} \rightarrow \text{Li}_2 \text{CoO}_2 \]
– Viðbrögð við anóðuna:
\[ \text{LiC}_6 \rightarrow 6C + \text{Li}^{+} + \text{e}^{-} \]
Við þessar aðstæður færast litíumjónir frá katóðunni (LiCoO2) að anóðunni (venjulega úr grafíti, C) og rafeindir flæða um ytri hringrás að anóðunni til að viðhalda rafmagnshlutleysi.
2. Við tæmingu:
– Viðbrögð við katóðuna:
[ \text{Li}_2 \text{CoO}_2 \rightarrow \text{LiCoO}_2 + \text{Li}^{+} + \text{e}^{-} \]
– Viðbrögð við anóðuna:
\[ 6C + \text{Li}^{+} + \text{e}^{-} \rightarrow \text{LiC}_6 \]
Við þessar aðstæður færast litíumjónir frá anóðunni aftur að katóðunni og rafeindir flæða aftur í gegnum ytri hringrásina frá anóðunni að katóðunni til að framkvæma ytri verk eins og að knýja rafmótor.
Spurning 5: Rafmagn og hleðslutími
Spurning:
Ef hleðslustöð hefur 50 kW afköst, hversu langan tíma tekur það að hlaða 75 kWh rafhlöðu rafbíls að fullu frá tómri hleðslu?
Umræða:
Hægt er að reikna út hleðslutíma með því að deila afkastagetu rafhlöðunnar með afli hleðslustöðvarinnar:
\[ Tími = \frac{\text{Rafhlöðugeta}}{\text{Úttaksafl}} \]
Skiptu út þekktum gildum:
Tími = 75 kWh/50 kW = 1.5 klukkustundir
Þannig að það tekur 1.5 klukkustund að hlaða rafhlöðuna að fullu úr tómri hleðslu.
Niðurstaða
Notkun rafefnafræði í rafknúnum ökutækjum er raunverulegt dæmi um hvernig hægt er að beita efnafræði til að leysa nútíma orkuvandamál. Litíum-jón rafhlöður, aðal orkugeymsluþátturinn í rafknúnum ökutækjum, starfa eftir rafefnafræðilegum meginreglum sem fela í sér oxunar-afoxunarviðbrögð. Með ýmsum útreikningum á afkastagetu og orkunýtni getum við öðlast dýpri skilning á því hvernig rafknúin ökutæki starfa og virka. Dæmin sem rædd eru hér að ofan eiga að veita almenna yfirsýn yfir útreikninga og grunnhugtök sem tengjast notkun rafefnafræði í rafknúnum ökutækjum.
