В современной литературе химические источники тока обычно называют гальваническими элементами. Различают первичные элементы (батарейки) и вторичные элементы (аккумуляторы).
Принцип действия любого химического источника тока (ХИТ) заключается в преобразовании химической энергии окислительно-восстановительной реакции в электрическую, причем в случае первичного гальванического элемента или элемента разового использования, химические процессы являются необратимыми, то есть после расхода реагентов такое ХДС больше не сможет работать. Вторичные элементы или элементы многократного использования, используют обратные реакции. В режиме работы (разряжения) аккумулятор является источником тока, в режиме зарядки он потребляет энергию внешнего источника.
Для создания ХДС необходимо иметь два электрода, соединенных проводником, один из которых должен быть способным отдавать электроны, а другой - принимать. Например, такую систему можно составить из двух пластин, изготовленных из различных металлов (то есть, с различными стандартными электродными потенциалами), один из которых (с меньшим стандартным электродным потенциалом) будет окиснюватися (Me - ze-® Mez+), другой - восстанавливаться (Mez+ + ze- ® Me). Обе пластины должны быть погружены в раствор электролита, который будет выполнять функцию переноса заряда от одного металла в другой. То есть в этой конструкции электроны от восстановителя к окисника не передаются в процессе непосредственного контакта с помощью металлического проводника.
Электрод (активная масса) или полуэлемент - это система, которая содержит электропроводящие материалы в контакте с электролитом.
Электрод, на котором идет окисления, называют анодом (А). Электрод, на котором идет восстановление, называют катодом (К). При работе химических источников тока анод считают отрицательно заряженным электродом, а катод - положительно заряженным электродом.
Для раздельного течения процессов окисления и восстановления две пластины (т.е. электроды) нужно разделить пространственно. С этой целью используют так называемую диафрагму (или сепаратор). Кстати, простейший гальванический элемент можно создать даже из подручных материалов, например, если собрать столбик из монет, чередуя монеты из желтого и белого металла, проложив между ними бумагу, смоченный в растворе соли. При этом ЭДС такого элемента будет пропорциональна количеству монет.
Химические источники тока изобретены на основе исследований Л.Гальвані и А.Вольта в конце 18 ст. Физиолог Луиджи Гальвани во время опытов случайно заметил, если проводником соединить два металлы, например медь и железо, и наложить на мышцы мертвого животного, то мышцы начинают сокращаться. Однако, Гальвани объяснил это явление свойствами живой ткани, а не свойствами металлов. Исследования продолжил физик Александро Вольта, собрав электрическое круг из двух металлов, между которыми был прослойка сукна, смоченного раствором присоленої воды, Вольта предложил первый гальванический элемент. Первые варианты конструкции имели положительные электроды из меди или серебра, а негативные - из цинка или олова. Создав впервые в мире ХДС, сам А.Вольта никогда не связывал его действие с химическими процессами между электродами и электролитом, а природу возникновения электродвижущей силы объяснял контактом между металлами. Эта теория была подвергнута критике сторонниками химической и термодинамической теории ЭДС гальванических элементов в первой половине 19 в.
В историческом развитии ХДС одним из главных достижений был элемент Даниэля, усовершенствованный российским ученым Б.С.Якобі (1836 г.).
Этот гальванический элемент имел цинковый отрицательный электрод (анод), погружен в раствор ZnS04, а положительный медь (катод) - погруженный в CuS04. Между растворами была пористая перегородка (предел). Элемент Даниэля-Якоби имел сравнительно простую конструкцию, но с его помощью можно было получать ощутимую емкость. И поэтому он нашел практическое использование в телеграфном связи, электротехнике и в военном деле. Элемент Даниэля-Якоби был ярким доказательством возникновения ЭДС за счет химических реакций на границе металл-раствор. В первой половине 19 в. в разных странах было разработано ряд гальванических элементов, в которых использовали растворы кислот и щелочей. Такие элементы имели сравнительно большие разрядные характеристики, но срок их действия был малым через значительную химическую активность рабочих электролитов. Новым мощным импульсом в развитии ХДС было открыть элемент Лекланше, в котором положительным электродом использован твердый деполяризатор - диоксид марганца. Этот элемент в различных конструктивных модификациях используют и в последнее время. Сравнительная простота конструкции, доступность активных материалов и большой спрос дали возможность изготавливать несколько миллиардов элементов в год.
Новым достижением в развитии источников тока было создание Г.Планте в 1860г. ХДС многократного действия - свинцового аккумулятора. Аккумулятор представлял собой два письма свинца, разделенные сепаратором из губчатой резины. Электролитом была 10% -ная сульфатная кислота.
Важным этапом развития ХДС было создание элементов и аккумуляторов с литиевым и натриевым негативными электродами. Использование щелочных металлов в источниках тока стало возможным благодаря апротонним неводным електролітам, в которых эти металлы химически устойчивы и имеют высокий отрицательный потенциал.
В связи с тем, что ХДС получили чрезвычайно широкое распространение в технике, в настоящее время разработано множество материалов для выработки различных составляющих ХДС, сформулированы основные требования к этим материалам для достижения оптимального качества.
Так, в качестве материала анода преимущественно используют металлы с высоким отрицательным потенциалом (цинк, кадмий, свинец и др.), для катода-соединения, металлы или смеси с положительным потенциалом (Ag2O, NiOOH, MnO2, AgCl, CuCl и др.).
В качестве электролитов используют растворы кислот, щелочей, солей, расплавы или твердые вещества, которые обеспечивают прохождение электрического тока и участвуют в электродных реакциях. Природа и состав электролита в значительной степени зависят от требований по эксплуатации ХДС. Наиболее распространенными являются электролитами растворы H2S04 (свинцовые аккумуляторы), КОН (щелочные ХДС), солей в воде и органических растворителях. Требования к электролитов ХДС: достаточно высокая удельная электропроводность, ионы электролита не должны активно реагировать с электродами, имела агрессивность в отношении деталей источника тока.
Для изготовления диафрагмы (сепаратора) используют химически стойкие пористые диэлектрические материалы, которые предотвращают контакта между электродами. В сепараторах электролит заполняет поры и обеспечивает электропроводность пространства между электродами. В зависимости от типа ХДС и особенностей электролизных реакций, сепаратор должен механически поддерживать активную массу, противодействовать деформации электродов, появлению дендритов, проникновению продуктов разряда электродных материалов к противоположным электродов, а также иметь газопроницаемость. Если электролит находится только в сепараторе, его называют матричным. В этом случае сепаратор является електролітоносієм, а электролит в нем содержится капиллярными силами у поверхности электродов. В отдельных ХДС сепараторы изготавливаются с ультра-микропористых мембран, что представляют собой высокомолекулярные соединения (матрицы) с іоноелектронними свойствами.
Корпус источника тока представляет собой герметичную или напівгерметичну сосуд из металла, полимера, стекла. Выбор материала корпуса определяется свойствами электролита, активных масс и продуктов реакций. Токоотводы (перемычки) изготавливают из металлических проводников коррозиестойких к электролита, активных масс и с наименьшим электрическим сопротивлением.
Особую группу химических источников тока (ХИТ) образуют топливные элементы (электрохимические генераторы), что используют обычные компоненты топлив. На аноде топливных элементов окисляющиеся свайные (Н2, СО, СН4, спирты, бензин, керосин), а на катоде восстанавливаются окислители (О2 воздуха, Н2О2, Cl2 и т. д.). По сравнению с другими источниками электроэнергии на борту летательных аппаратов, топливные элементы имеют очень высокий коэффициент полезного действия и высокую мощность на единицу массы и объема.
Чтобы более детально понять химические процессы, на которых основывается действие гальванического элемента, рассмотрим конкретный пример - медно-цинковый гальванический элемент (Рис. 5).
Он состоит из двух пластин, изготовленных из цинка и меди, которые погружены в растворы сульфата цинка и сульфата купруму, соответственно, соединенных проводником. Стакана с растворами соединены "солевым мостом" (изогнутая стеклянная трубка, заполненная обычно раствором KCl или NH4NO3) Такая система дает возможность пространственного разделения окислительно-восстановительной реакции: процесс окисления протекает на одном металле (цинка), а процесс восстановления на другом металле (меди). Таким образом, электроны передаются от восстановителя к окисника внешним электрическим кругом. Таким образом, благодаря протеканию этой окислительно-восстановительной химической реакции в медно-цинковом гальваническом элементе образуется непрерывный поток электронов (электрический ток).
На границе цинка с раствором сульфата цинка происходит процесс превращения атомов цинка на ионы, которые гідратуються и переходят в раствор.