Химические источники электрической энергии

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 
Федеральное государственное бюджетное 
образовательное учреждение высшего образования 
«Казанский национальный исследовательский 
технологический университет» 
 
 
 
 
 
 
 
 
ХИМИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ 
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ 

 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Казань 
Издательство КНИТУ 
2020 

УДК 621.35(075) 
ББК 31.251я7

Х46

Печатается по решению редакционно-издательского совета  
Казанского национального исследовательского технологического университета 

Рецензенты: 
д-р хим. наук, проф. РАН Д. Г. Яхваров 
д-р физ.-мат. наук, проф. В. В. Парфенов 

Х46 

Авторы: А. Ф. Дресвянников, М. Е. Колпаков,  
И. О. Григорьева, Ж. В. Межевич, М. К. Кадиров,  
С. Ю. Ситников 
Химические источники электрической энергии : учебное пособие / 
А. Ф. Дресвянников [и др.]; Минобрнауки России, Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2020. – 300 с. 

ISBN 978-5-7882-2836-5

Рассмотрены теоретические основы и технологии получения химических источников тока, принципы и особенности их эксплуатации, схемы 
наиболее распространенных классических и современных электрохимических 
устройств, их характеристики и сферы применения.  
Предназначено для студентов, обучающихся по направлениям 18.03.01 
«Химическая технология» и 27.03.01 «Стандартизация и метрология». 
Подготовлено на кафедре технологии электрохимических производств. 

ISBN 978-5-7882-2836-5
© Дресвянников А. Ф., Колпаков М. Е., 
Григорьева И. О., Межевич Ж. В., 
Кадиров М. К., Ситников С. Ю., 2020

© Казанский национальный исследовательский 

технологический университет, 2020

УДК 621.35(075) 
ББК 31.251я7

В В Е Д Е Н И Е

Химические источники тока (ХИТ) – это устройства, позволяющие получать электрическую энергию за счет химических реакций. 
В таких устройствах химическая энергия используемых в них активных 
веществ непосредственно преобразуется в электрическую энергию при 
протекании окислительно-восстановительных реакций на электродах. 
Основой работы ХИТ является химическая реакция взаимодействия 
окислителя и восстановителя. В процессе взаимодействия окислитель, 
восстанавливаясь, присоединяет электроны, а восстановитель, окисляясь, отдает электроны. Чтобы энергия этой реакции не выделялась 
в виде тепла, а превращалась в электрическую энергию, процессы окисления и восстановления должны быть пространственно разделены.  
Другие устройства предполагают превращение химической энергии в электрическую опосредованно, с промежуточным образованием 
тепловой и механической энергии. Например, при сжигании топлива 
его химическая энергия превращается в тепло, за счет которого вода 
переходит в водяной пар, поток пара вращает турбину, которая генерирует электроэнергию. 
Современную жизнь невозможно представить без использования 
химических источников тока, – значение ХИТ в технике и быту очень 
велико. Они широко применятся в качестве автономных источников 
электроэнергии для питания электронной аппаратуры, компьютеров, 
радиотелефонов, часов; незаменимы на транспорте, в промышленности, космических аппаратах, военной технике. Большое количество аппаратов нуждается в автономном питании электрической энергией, не 
связанном со стационарными электростанциями, а высокая надежность 
химических источников тока делает их незаменимыми для всякого рода 
аварийных устройств. Например, для освоения космоса необходимы 
долговечные совершенные источники электрического тока. Несмотря 
на то, что солнечные батареи частично обеспечивают работу автономных космических кораблей, при входе корабля в зону, где нет доступа 
к солнечной энергии, без альтернативных источников тока его работа 
была бы невозможна. Другим примером необходимости использования 
химических источников тока являются источники бесперебойного питания (ИБП), которые необходимы для корректной работы компьютерных сетей в случае нештатных ситуаций. 

По характеру работы ХИТ различают: первичные источники тока 
или элементы, активные вещества которых используют однократно; вторичные ХИТ или аккумуляторы, у которых израсходованные при разряде активные вещества могут быть регенерированы путем заряда от 
внешнего источника постоянного тока; топливные элементы или электрохимические генераторы, для непрерывной работы которых необходимо обеспечить подвод соответствующих веществ к электродам. 
Элементы могут использоваться до тех пор, пока в них имеется 
запас активных веществ, обеспечивающих образование электрической 
энергии. При полном израсходовании этих веществ элементы стано-
вятся непригодными для дальнейшего использования. 
Аккумуляторы могут служить неопределенно долгое время. При 
использовании активных веществ при разряде, эти вещества могут 
вновь образоваться при пропускании через аккумулятор в обратном 
направлении постоянного электрического тока от другого источника. 
Такой процесс регенерации израсходованных активных веществ называется процессом заряда аккумулятора. 
По мере развития новой техники и новых технологий области 
применения химических источников тока постоянно расширяются. 
В связи с истощением природных энергоресурсов, в решении энергетических проблем будущего, по мнению многих ученых, значительную 
роль будет играть химия – химические источники тока и водородное 
топливо. Поэтому, проблема создания ХИТ, которые будут обеспечивать продолжительную работу приборов в автономном режиме, остается актуальной. 
К настоящему времени разработаны многочисленные варианты 
ХИТ, отличающиеся размерами, конструктивными особенностями и 
природой протекающих в них токообразующих электрохимических реакций. В зависимости от конкретного исполнения меняются характеристики и эксплуатационные параметры. Такое многообразие вполне 
оправданно, так как химические источники тока используются в разнообразных условиях эксплуатации, и каждая область применения имеет 
свои специфические особенности. 
Настоящее учебное пособие предназначено для студентов (бакалавров и магистров), обучающихся в рамках направлений «Химическая 
технология», «Стандартизация и метрология». В пособии рассмотрены 
основные типы наиболее распространенных, а также перспективных в 
ближайшем будущем, химических источников тока, изложены теоретические основы, технологии получения, особенности эксплуатации ХИТ. 

Г л а в а  1 .  О С Н О В Ы  Т Е О Р И И ,  Т И П Ы  
Х И М И Ч Е С К И Х  И С Т О Ч Н И К О В  Т О К А  И  И Х
Б А З О В Ы Е  Х А Р А К Т Е Р И С Т И К И  

1 . 1 .  О с н о в н ы е  п о н я т и я  э л е к т р о х и м и и

Как известно, в электрохимии реализуются два принципиально различных направления. Первое – химическое превращение веществ при помощи электрического тока; второе – получение электрической энергии за 
счет проведения химических реакций. В том и другом случае в электрохимической системе протекают реакции, связанные с переносом электронов. 
Кроме того, существуют явления (электрокинетические), при которых 
окислительно-восстановительные реакции в явной форме не происходят, 
однако, по сути они тоже носят электрохимический характер.  
При протекании электрохимических реакций ассимилируются 
или освобождаются электроны, хотя в электрохимической системе в целом не происходит связывания или генерирования электронов. Поэтому в ней в эквивалентных количествах протекают два типа электрохимических превращений: 1) окисление – в результате этого процесса 
освобождаются электроны и 2) восстановление – в этом процессе присоединяются электроны. Оба типа реакций могут протекать пространственно раздельно или на общей поверхности. Если реакции пространственно отделены друг от друга, то освобождающиеся в результате 
окисления электроны поступают в зону восстановления через внешнюю цепь. 
Электрохимическая система, производящая электрическую энергию за счет протекающих в ней химических превращений, называется 
химическим источником тока или гальваническим элементом. Электрод, посылающий электроны во внешнюю цепь, называется отрицательным электродом или отрицательным полюсом элемента. Электрод, 
принимающий электроны из внешней цепи, называется положительным электродом или положительным полюсом элемента. 
Рассмотрим особенности электрохимических реакций на примере. Любая окислительно-восстановительная реакция в принципе может протекать по двум различным механизмам: химическому и 

электрохимическому. Если кусок цинка поместить в раствор, содержащий ионы меди (II), то происходит самопроизвольная реакция 

Zn+Cu2+=Zn2++Cu.
(1.1) 

При протекании этой реакции голубая окраска раствора, характерная для ионов меди(II), исчезает, а на поверхности цинка осаждается 
металлическая медь. Одновременно происходит растворение цинка. 
В этой реакции (1.1) происходит перенос электронов от атомов цинка 
к ионам меди(II). 
Энергетический эффект реакции (1.1) проявляется в форме теплоты. Чтобы энергия химической реакции (1.1) могла превращаться 
в электрическую энергию, необходимо изменить условия ее протекания. Для осуществления реакции по электрохимическому механизму 
необходимо построить электрохимическую цепь (систему), условия 
протекания химической реакции изменить так, чтобы электронные переходы были не беспорядочными, а происходили в определенном 
направлении. Использование энергии электрического тока возможно 
лишь в том случае, если путь перехода электронов будет достаточно 
большим по сравнению с размерами реагентов. Таким образом, чтобы 
осуществить реакцию (1.1) по электрохимическому механизму необходимо реализовать переход электронов от одного реагента к другому по 
достаточно длинному пути. Однако путь электрона не может быть 
большим, если реагирующие частицы контактируют друг с другом, поэтому для осуществления реакции (1.1) по электрохимическому механизму необходимо пространственное разделение ее участников. Однако, одного только пространственного разделения недостаточно, так 
как оно приведет к прекращению химических реакций. Для осуществления электрохимического механизма необходимы дополнительные 
условия. Электроны от донора к акцептору должны переходить по одному достаточно длинному пути. Этого можно достичь, если непосредственный контакт реагентов заменить их контактом с металлическими 
электродами, соединенными между собой проводником первого рода. 
Для того чтобы поток электронов был непрерывным, необходимо обеспечить прохождение электрического тока также и через реакционное 
пространство. Оно обычно осуществляется самими участниками реакции, если они находятся в ионизированном состоянии. В качестве проводника второго рода, в принципе, может быть использовано любое соединение с высокой ионной проводимостью, электрохимически 

неактивное в данных условиях. Иначе, при реализации электрохимического механизма непосредственный контакт между реагентами заменяется их взаимодействием с соответствующими электродами. 
Принципиальная схема такой электрохимической цепи (электрохимической системы) приведена на рис. 1.1. В левом пространстве системы цинковый электрод погружен в раствор сульфата цинка, а в правом – медный электрод в раствор сульфата меди. Растворы сульфатов 
цинка и меди разделяются проницаемой мембраной. Вместо мембраны 
можно использовать также, например, соляной мостик. После замыкания внешней цепи в электрохимической системе (рис. 1.1) реакция (1.1) 
протекает самопроизвольно. Цинковый электрод окисляется, а на медном электроде происходит восстановление ионов меди(II). 

Рис. 1.1. Схема электрохимической системы 

В рассматриваемых условиях самопроизвольного протекания реакции (1.1) электрохимическая система (рис. 1.1) работает как химический источник тока, а элемент внешней цепи (А) служит потребителем 
электрической энергии. 
Если же в качестве элемента внешней цепи (А) использовать источник постоянного тока, причем к отрицательному полюсу подключить цинковый электрод, а к положительному – медный электрод и задать между этими электродами разность потенциалов больше, чем 
электродвижущая сила такой цепи, то реакция (1.1) будет протекать 
в обратном направлении. В этих условиях электрохимическая система 
будет работать как электролизер. 

1 . 2 .  Т е р м о д и н а м и к а  г а л ь в а н и ч е с к о г о  
э л е м е н т а  

Электрохимическим (или гальваническим) элементом называется устройство для получения электрического тока за счет электрохимических реакций. Простейший электрохимический элемент состоит 
из двух металлических электродов (проводников первого рода), опущенных в электролит (проводник второго рода) и соединенных между 
собой металлическим контактом. Несколько таких элементов, соединенных последовательно, образуют электрохимическую цепь. 
Важнейшей количественной характеристикой гальванического 
элемента является электродвижущая сила (ЭДС), которая равна разности потенциалов правильно разомкнутого элемента (такого, у которого 
к конечным электродам элемента присоединены проводники первого 
рода из одного и того же материала).  
Если при прохождении электрического тока в разных направлениях на поверхности электрода протекает одна и та же реакция, но в 
противоположных направлениях, то такие электроды, а также элемент 
или цепь, составленные из них, называются обратимыми. ЭДС обратимых элементов является их термодинамическим свойством, то есть зависит только от температуры, давления, природы веществ, составляющих электроды и растворы, а также от концентрации этих растворов. 
Примером обратимого элемента является элемент Даниэля–Якоби: 

(-)CuçZnçZnSO4ççCuSO4çCu (+),

в котором каждый электрод обратим. При работе элемента идут следующие реакции:  

Zn®Zn2+ + 2e, 
 (1.2) 

Cu2+ + 2e®Cu. 

При пропускании тока бесконечно малой силы от внешнего источника на электродах протекают обратные реакции. 
Примером необратимого элемента является элемент Вольта: 

(-) ZnçH2SO4çCu (+). 

При работе элемента протекают реакции: 

Zn®Zn2+ + 2e, 
       (1.3) 

2H+ + 2e®H2. 
 (1.4) 

При пропускании тока от внешнего источника электродными реакциями будут 

2H+ + 2e®H2 , 
(1.5) 

Cu®Cu2+ + 2e.
(1.6) 

ЭДС электрохимического элемента является величиной положительной, так как она соответствует определенному самопроизвольно 
протекающему процессу, производящему положительную работу. Обратному процессу, который не может протекать самостоятельно, отвечала бы отрицательная ЭДС.  
При составлении цепи электрохимических элементов процесс в одном из элементов можно направить так, чтобы он сопровождался затратой 
работы извне (несамопроизвольный процесс), используя для этого работу 
другого элемента цепи, в котором идет самопроизвольный процесс. Суммарная ЭДС любой цепи равна алгебраической сумме положительных и 
отрицательных величин. Поэтому очень важно при записи схемы цепи 
учитывать знаки ЭДС, пользуясь принятыми правилами. 
ЭДС электрохимической цепи считается положительной, если 
при записи цепи правый электрод заряжен положительно относительно 
левого (катионы при работе цепи проходят в растворе от электрода, записанного слева, по направлению к электроду, записанному справа, и 
в этом же направлении движутся во внешней цепи электроны). 
Пусть в электрохимической системе обратимо и изотермически 
протекает реакция 

nA A + nB B +  ...  ±nF  ÛnL L + nM M +  ...  ±
.              (1.7) 

Электрическая энергия, вырабатываемая элементом, равна полезной работе А¢ суммарного процесса. Полезная работа А¢ обратимого 

Q

процесса максимальна и при р,Т=const равна убыли изобарного потенциала системы: 

А¢ = -DGр,T  =  nFEр,T,                                    (1.8) 

где Eр,T - обратимая ЭДС системы (Eр,T= -DGр,T / nF, EV,T = -DFV,T / nF). 

=-DS  = -nF
.
(1.9) 

Таким образом, измерив ЭДС элемента и ее температурный коэффициент, можно найти величины DG и DS для суммарного процесса, 
протекающего в гальваническом элементе. Этот процесс является самопроизвольным, следовательно, DG< 0. 
По уравнениям Гиббса-Гельмгольца можно вычислить изменение энтальпии процесса и изменение внутренней энергии: 

DG  =  DH  +  T
,  DF  =  DU  +  T
,      (1.10) 

DH  =  DG -T
 =  -nFEр  +  TnF
,  
     (1.11) 

DU =  DF  -  T 
 =  -nFEV  +  TnF 
, 
 (1.12) 

 nFEр = -DH  +  nFT 
=
+ nFT
,       (1.13) 

 nFEV = -DU + nFT 
= 
+ nFT
.        (1.14) 

Из приведенных уравнений следует, что соотношение между 
электрической энергией, обратимо генерируемой или поглощаемой 
в электрохимической системе, и тепловым эффектом протекающей в 
ней 
реакции 
зависит 
от 
знака 
и 
величины 
температурного 

P
T
G
÷÷
ø

ö
çç
è

æ
D
¶
¶

P
T
E
÷÷
ø

ö
çç
è

æ
¶
¶

P
T
G
÷÷
ø

ö
çç
è

æ
D
¶
¶

V
T
F
÷÷
ø

ö
çç
è

æ
D
¶
¶

P
T
G
÷÷
ø

ö
çç
è

æ
D
¶
¶

P
T
E
÷÷
ø

ö
çç
è

æ
¶
¶

V
T
F
÷÷
ø

ö
çç
è

æ
D
¶
¶

V
T
E
÷÷
ø

ö
çç
è

æ
¶
¶

P
T
E
÷÷
ø

ö
çç
è

æ
¶
¶
QP

P
T
E
÷÷
ø

ö
çç
è

æ
¶
¶

V
T
E
÷÷
ø

ö
çç
è

æ
¶
¶
QV

V
T
E
÷÷
ø

ö
çç
è

æ
¶
¶