Пример прашања за електрохемиски апликации во електрични автомобили
Пендахулуан
Електрохемијата е гранка на хемијата што ја проучува врската помеѓу електричната енергија и хемиските промени. Една реална примена на електрохемијата е употребата на батерии или електрохемиски ќелии во електричните автомобили. Овие батерии се основни компоненти што ја поддржуваат работата на електричните автомобили. Следната статија ќе ја објасни функцијата на батериите во електричните автомобили, како и неколку примери на проблеми и дискусии поврзани со примената на електрохемијата во електричните автомобили.
Електрични автомобили и електрохемија
Електричен автомобил е возило кое користи електрична енергија како извор на енергија. Оваа електрична енергија се складира во батерии или електрохемиски ќелии во автомобилот. Батериите на електричните автомобили се генерално литиум-јонски (Li-ion) батерии, кои имаат висока густина на енергија и подолг век на траење од другите видови батерии.
Во контекст на електрохемијата, литиум-јонските батерии работат врз основа на редокс (редукциско-оксидациска) реакција. Кога батеријата е полна, литиумските јони се движат од катодата до анодата. Обратно, кога батеријата се користи за напојување на електрично возило, литиумските јони се движат од анодата назад до катодата, генерирајќи електрична струја што го напојува електричниот мотор на автомобилот.
Пример прашања за дискусија
Подолу се дадени неколку примерни прашања и дискусии поврзани со примената на електрохемијата кај електричните автомобили.
Прашање 1: Пресметка на енергија складирана во батерија
Прашање:
Батеријата на електричен автомобил има капацитет од 75 kWh (киловат-часови). Пресметајте ја количината на електрична енергија складирана во батеријата во џули (J).
Пембахасан:
Енергијата во киловат-часови може да се претвори во џули користејќи ја следнава конверзија:
\[ 1 kWh = 3.6 пати 10^6 J
Значи, енергијата складирана во батеријата е:
75 kWh пати 3.6 пати 10^6 J/kWh = 270 пати 10^6 J = 270 MJ]
Значи, количината на електрична енергија складирана во батеријата е 270 милиони џули или 270 MJ (мегаџули).
Прашање 2: Ефикасност на користењето на енергијата
Прашање:
Електричен автомобил користи 270 MJ енергија за да помине 300 km. Пресметајте ја неговата енергетска ефикасност во km/MJ.
Пембахасан:
Ефикасноста на користењето на енергијата може да се пресмета со делење на поминатото растојание со употребената енергија:
\[ Ефикасност = \frac{\text{Поминато растојание}}{\text{Употребена енергија}} \]
Заменете познати вредности:
\[ Ефикасност = \frac{300 \text{km}}{270 \text{MJ}} \approx 1.11 \text{km/MJ} \]
Значи, енергетската ефикасност на електричниот автомобил е околу 1.11 km/MJ.
Прашање 3: Капацитет на батеријата во Кулони
Прашање:
Батеријата на електричен автомобил има напон од 400 V и капацитет од 75 kWh. Пресметајте го капацитетот на батеријата во кулони (C).
Пембахасан:
Енергијата во џули може да се пресмета со помош на формулата:
\[ E = Q \ пати V \]
Каде што E е енергијата во џули, Q е полнежот во кулони, а V е напонот во волти. Прво, ја претвораме енергијата од kWh во џули како што беше направено во првиот проблем:
\[ 75 kWh = 270 пати 10^6 J
Потоа, ја користиме горенаведената формула за да го пресметаме оптоварувањето:
\[ Q = \frac{E}{V} = \frac{270 пати 10^6 \text{J}}{400 \text{V}} = 675000 \text{C} \]
Значи, капацитетот на батеријата е 675000 кулони.
Прашање 4: Електрохемиски реакции во литиум-јонски батерии
Прашање:
Објаснете ги електрохемиските реакции што се случуваат во литиум-јонска батерија за време на полнењето и празнењето.
Пембахасан:
Кај литиум-јонските батерии, процесот на полнење и празнење вклучува движење на литиумски јони помеѓу анодата и катодата низ електролитот.
1. При полнење:
– Реакција на катодата:
\[ \text{LiCoO}_2 + \text{Li}^{+} + \text{e}^{-} \десна стрелка \text{Li}_2\text{CoO}_2 \]
– Реакција на анодата:
\[ \text{LiC}_6 \rightarrow 6C + \text{Li}^{+} + \text{e}^{-} \]
Под овие услови, литиумските јони се движат од катодата (LiCoO2) до анодата (обично направена од графит, C) и електроните течат низ надворешно коло до анодата за да се одржи електричната неутралност.
2. При празнење:
– Реакција на катодата:
\[ \text{Li}_2\text{CoO}_2 \rightarrow \text{LiCoO}_2 + \text{Li}^{+} + \text{e}^{-} \]
– Реакција на анодата:
\[ 6C + \text{Li}^{+} + \text{e}^{-} \rightarrow \text{LiC}_6 \]
Под овие услови, литиумските јони се движат од анодата назад кон катодата, а електроните се враќаат низ надворешното коло од анодата до катодата за да извршат надворешна работа, како што е погон на електричен мотор.
Прашање 5: Напојување и време на полнење
Прашање:
Ако станицата за полнење има излезна моќност од 50 kW, колку време е потребно за целосно да се наполни батерија на електричен автомобил од 75 kWh од празна состојба?
Пембахасан:
Времето на полнење може да се пресмета со делење на капацитетот на батеријата со излезната моќност на станицата за полнење:
\[ Време = \frac{\text{Капацитет на батеријата}}{\text{Излезна моќност}} \]
Заменете познати вредности:
\[ Време = \frac{75 \text{kWh}}{50 \text{kW}} = 1.5 \text{ часа} \]
Значи, времето потребно за целосно полнење на батеријата од празна состојба е 1.5 часа.
Заклучок
Примената на електрохемијата кај електричните возила е конкретен пример за тоа како хемијата може да се примени за решавање на современите енергетски проблеми. Литиум-јонските батерии, примарната компонента за складирање на енергија кај електричните возила, работат на електрохемиски принципи што вклучуваат редокс реакции. Преку различни пресметки на капацитетот и енергетската ефикасност, можеме да стекнеме подлабоко разбирање за тоа како функционираат и се однесуваат електричните возила. Се очекува примерите на проблеми дискутирани погоре да дадат општ преглед на пресметките и основните концепти поврзани со примената на електрохемијата кај електричните возила.
