Elektrik akkumulyatoru

Əziz dostum, görkəmli alim, kimya elmləri doktoru, Bakı Dövlət Universitetinin keçmiş professoru Dəmir Heydər oğlu Qəmbərovun unudulmaz xatirəsinə ithaf edirəm.

Ekoloji enerjilənmə problemi

Enerjilənmə bəşər cəmiyyətinin bütün inkişaf tarixi ərzində onun əsas problemlərindən biri olmuşdur. Od əldə etmək və onu qoruyub saxlamaq üsulunu mənimsəyə bilmiş ibtidai icma quruluşundan çağdaş sivil cəmiyyətə qədər milyon illərlə uzanan inkişaf yolu keçmiş bəşəriyyət özünün enerjilənmə problemini də daima inkişaf etdirmişdir.Çağdaş dünyada heç bir dövlətin öz enerjilənmə problemini təkbaşına həll etməyə haqqı yoxdur. Belə ki, bu təkbaşçılıq daima hərəkətdə olan atmosfer və dünya okeanı vasitəsi ilə Yer kürəsinin ekoloji tarazlığını poza bilər - ekoloji fəlakətə gətirib çıxara bilər.

Çağdaş zamanda enerjilənmə problemini qlobal miqyasda həll etmək üçün real addımlar atılır. Azərbaycan Respublikasının neft siyasəti buna ən bariz misaldır. Neft siyasəti nəinki müstəqil Azərbaycan Respublikasının enerjilənmə problemini tam həll edir, həm də onun bütün iqtisadi problemlərinin həllində önəmli bir faktordur. Təəssüf ki, bu kimi tədbirlər bütövlükdə ekoloji problemləri daha da dərinləşdirir. Deməli çağdaş zamanda ümumbəşəri miqyasda enerjilənmə problemindən daha vacib ekoloji enerjilənmə problemidir.

Ekoloji enerjilənmə problemini ekoloji təmiz enerjinin: istehsalı, akkumulyasiyası və istismarı olmaqla 3 hissəyə bölmək olar.

Bir sıra təbii enerji mənbələri - Günəş, külək, çaylarda axın, termal sular, dünya okeanında qabarma və çəkilmələr və s. ekoloji təmiz enerji istehsalına imkan verir. Təbii enerji mənbələri arasında Günəş və külək müstəsna əhəmiyyət kəsb edir.

Günəş yer kürəsinin hər kvm sahəsinə təqribən 160 vatt işıq enerjisi göndərir. Bu enerjinin 10%-i bəşəriyyətin enerjiyə olan ehtiyacını bir neçə qat artıqlaması ilə ödəyərdi.

Elm və texnikanın çağdaş inkişaf səviyyəsində işıq enerjisini elektrik enerjisinə çevirən yarımkeçirici enerjiçevirici qurğuların faydalı iş əmsalı 20%-ə çatdırıla bilmişdir. Yaponiya – bu sahədə dünyanın ən qabaqcıl ölkəsi – öz enerji ehtiyacını Günəş enerjisi hesabına ödəmək istəsə öz ərazisinin 20%-ini enerjiçevirici elektron qurğularla örtməli olardı.

İlin fəsillərinin, gündüz və gecənin bir-birini əvəz etməsindən, iqlim dəyişmələrindən asılı olaraq Günəşdən, küləkdən, eləcə də istənilən ekoloji təmiz enerji mənbəyindən alınan enerji qeyri sabitdir. Deməli, bu enerji növünün hökmən akkumulyasiya edilməsi zərurəti vardır.

ABŞ, Almaniya və digər yüksək inkişaf etmiş ölkələrdən mövzusu Günəş və külək enerjisi olan beynəlxalq konfranslara təqdim olunmuş layihələrdən məlum olur ki, Günəş və küləkdən alınan elektrik enerjisinin hər kilovatt-saatı 1000–3000 dollara başa gəlir və bu növ elektrik enerjisinin bu qədər baha başa gəlməsinin səbəbi onun akkumulyasiyasının mütləq zərurət olmasıdır.

Çağdaş təbiətşünaslar yaxşı bilirlər ki, atmosferdə “İstixana” effekti, ozonosferanın deşilməsi, Arktika və Antarktida buzlarının əriməsi kimi ekoloji təhlükələrdən sovuşmaq üçün bəşəriyyətin yalnız bir çıxış yolu var: avtomobillər və yanacaqla işləyən dartıcı qurğular elektromobillərlə və elektrodartıcı qurğularla əvəz edilməlidir, o qurğularla ki, onlar akkumulyasiya olunmuş elektrik enerjisi ilə işləyirlər. Deməli, ekoloji enerjilənmə probleminin 2-ci hissəsi onun 1-ci hissəsinin özünəməxsusluğundan doğur və 3-cü hissəsinin tam həllini verir.

Elektrik akkumulyatorunda tutumun dönərliyi

Sonsuz və tükənməz təbiətdə hadisə və proseslər təbii proseslərin dönməzliyi qanunu əsasında tamamilə müəyyən bir istiqamətdə - potensial enerjinin azaldığı istiqamətdə baş verir. Tutaq ki, təbii proses hər hansı bir elektrokimyəvi quğuda gedir. Bu o deməkdir ki, elektrokimyəvi qurğu potensial (kimyəvi) enerjiyə malikdir və qurğunun bir elementində oksidləşmə, digər elementində reduksiya prosesi gedir və bu proseslər qurğunun kimyəvi enerji ehtiyyatı sıfıra bərabər olana qədər davam edəcəkdir. Qurğunun öz başlanğıc vəziyyətinə qayıtması üçün onda əks prosesin getməsi vacibdir. Təbii proseslərin dönməzliyi qanununa görə əks proses yalnız kənar qüvvələr tərəfindən yaradıla bilər, yəni məcburi proses ola bilər. Əgər qurğuda məcburu proses yaradılıbsa, onda qurğunun təbii posesdə oksidləşməyə məruz qalmış elementində reduksiya, reduksiyaya məruz qalmış elementində isə oksidləşmə prosesi gedəcək və məcburi prosesin intensivliyindən və müddətindən asılı olaraq qurğu yenidən kimyəvi enerji ehtiyyatı kəsb edəcək və öz başlanğıc vəziyyətinə qayıdacaq. Deməli, elektrokimyəvi qurğunun kəsilməz işləməsi, onda, təbii prosesin və bunun əksi olan məcburi prosesin bir-birini ardıcıl əvəz etməsidir. Əgər elektrokimyəvi qurğu olaraq qurğuşunlu akkumulyator götürsək bütün yuxarıda deyilənlər öz əksini onun elektrokimyəvi tənliyində (EKT) tapar:

2PbSO4 + 2H2O I PbO2 + Pb + 2H2SO4 (1)

Qeyd edək ki, (1) EKT-də sağdan sola istiqamət təbii prosesə (akkumulyatorun boşalması) soldan sağa istiqamət məcburi prosesə (akkumulyatorun yüklənməsi) uyğundur. Bu şərtilik bütün sonrakı EKT-lərdə də gözləniləcək.

Çağdaş dünyada çoxlu sayda elektrik akkumulyatoru mövcuddur və hər bir akkumulyatorun (1) EKT-yə uyğun öz fərdi EKT-si vardır. Bizim fikrimizcə bütün akkumulyatorların eyni bir iş mexanizminə (oksidləşmə-reduksiya reaksiyaları) malik olması, bütün akkumulyatorları əhatə edə biləcək ümumiləşmiş EKT hazırlamaq üçün təkan ola bilər.

Fərz edək ki, hər hansı elektrik akkumulyatoru kimyəvi elemtlərin dövrü qanuni ilə məlum olan 2 A və K metalları əsasında hazırlanmışdır. Bu o deməkdir ki, bizim əlimizdə AOn + KOk + ellit sistemindən ibarət enerji ilə yüklənməyə hazır olan elektrik akkumulyatoru vardır. Burada O kimyəvi element olan oksigen deyildir, A və K metallarının 1-ci dərəcədən oksidləşməsini göstərən simvoldur.

A və K metallarının oksidləşmə dərəcəsi uyğun olaraq O simvolunun indeksləri olan n və k ədədləridir. Deməli, AOn və KOk, A və K metallarının ellit elektrolitində oksidləşməsi nəticəsində alınmış uyğun mürəkkəb maddələrdir. AOn və KOk maddələrinin elektrod potensialları jAOn є jKOk şərtini odəyir, deməli akkumulyatorun elektrik hərəkət qüvvəsi (EHQ) E= jAOn - jKOk = 0.

AOn anod olmaq şərti ilə akkumulyatoru sabit cərəyan dövrəsinə qoşaq. Dövrədə yükləmə cərəyanının İy şiddətini qərarlaşdıraq. Məlumdur ki, elektrik dövrəsinin qapandığı andan etibarən anodda oksidləşmə dərəcəsi artacaq və müəyyən t müddətindən sonra AOn ® AOn+p olacaq, katodda isə əksinə oksidləmə dərəcəsi azalacaq, KOk ® KOk-q olacaq. Həmin bu t müddətində elektrolitin kimyəvi tərkibi dəyişə bilər ellit® ELLİT. Deməli indi bizim əlimizdə AOn+p + KOk-q + ELLİT sistemindən ibarət elektrik enerjisi ilə yüklənmiş akkumulyator vardır. Akkumulyatorun tutumu C və elektrik hərəkət qüvvəsi E uyğun olaraq C=İyÇt, E=jAOn+p – jKOk-q düsturları ilə təyin olunur.

Akkumulyatoru dövrədən çıxaraq və onun sıxaclarını (qütblərini) hər hansı R müqaviməti ilə qapayaq. Om qanununa görə yeni elektrik dövrəsində boşalma cərəyanının İb=E/(R+r) (r - akkumulyatorun daxili müqavimətidir) şiddəti qərarlaşacaq və akkumulyator yükləmə zamanı əldə etdiyi elektrik enerjisini sərf edərək boşalmağa başlayacaq. Boşalmanın sonunda biz AOn + KOk + ellit sistemindən ibarət, yüklənməyə hazır olan həmin akkumulyatoru yenidən əldə edəcəyik. Bütün proses - akkumulyatorun 1 tam dövr işləməsi (istismarı) EKT-də

AOn + KOk + ellit IAOn+p + KOk-q + ELLİT (2)

kimi ifadə olunacaq. (2) EKT ixtiyari 2 metal əsasında hazırlanmış akkumulyatorun işləməsində baş verən bütün elektrokimyəvi prosesləri ifadə edir. Ona görə də (2) tənliyini bütün akkumulyatorlar üçün birləşmiş EKT adlandırmaq olar. İşləyərək müəyyən sayda tam dövr həyata keçirmiş akkumulyatoru elektrik dövrəsindən çıxaraq. Yenə də bizim əlimizdə AOn + KOk + ellit sistemindən ibarət həmin elektrik akkumulyatoru vardır. Yenə də onu, bu dəfə KOk anod olmaq şərti ilə sabit cərəyan dövrəsinə qoşaq. Akkumulyatordan keçən elektrik cərəyanının bu yeni istiqamətini “əks istiqamət” adlandıraq. Əks istiqamətin fiziki və elektrofiziki parametrlərini ə indeksi ilə işarə edək (t - tə, C - Cə, E - Eə, r - rə, ELLİT - ELLİTə). Tamamilə aydındır ki, əks istiqamətdə akkumulyatorun 1 tam dövr işləməsi EKT-də

KOk + AOn + ellit I KOk+e + AOn-f + ELLİTə (2)

kimi ifadə edilər. (2ў) tənliyi də ixtiyari 2 metal əsasında hazırlanmış akkumulyatorun işləməsində baş verən bütün elektokimyəvi prosesləri ifadə edir. Odur ki, bu tənliyi də bütün akkumulyatorlar üçün birləşmiş EKT adlandırmaq olar. (2) və (2ў) tənliklərinin müqayisəsi göstərir ki, onların sol tərəfləri eyniliklə bir-birinə bərabərdir.

AOn + KOk + ellit є KOk + AOn + ellit (3).

Sağ tərəflərin müqayisəsində isə

AOn+p + KOk-q + ELLİT № KOk+e + AOn-f + ELLİTə (4)

münasibətini alırıq. (4) bərabərsizliyindən Cə № C (4ў), Eə № E (4ўў), rə № r (4ўўў) alınır. (4), (4ў), (4ўў), (4ўўў) münasibətləri göstərir ki, eyni bir elektrik akkumulyatoru enerjiyükləmə qurğusuna qoşulma istiqamətindən asılı olaraq 2 müxtəlif sabit cərəyan mənbəyinə çevrilə bilər. Bu nəticəni şərti olaraq “elektrik akkumulyatorunda tutumun dönərliyi” adlandırmaq olar. Unutmaq olmaz ki, (2) və (2ў) tənliklərinin sağ tərəfləri eyni dərəcədə dayanıqlı sistem deyildir. Hər hansı elektrik akkumulyatoru layihələşdirilərkən bu şərt mütləq nəzərə alınır. Belə ki, dünya təcrübəsində hər hansı akkumulyatorun 2 istiqamətdə istismarı nəzərdə tutulmayıb.

Elektrokimyəvi tənliyin deqradasiyası

Ümumiləşmiş (2) və ya (2ў) tənliklərinin, eləcə də hər bir mövcud akkumulyatorun fərdi EKT-sinin nəzəri təhlili göstərir ki, kimyəvi dinamika baxımından akkumulyatorda baş verən proseslər tam dönəndir. Bu o deməkdir ki, hər bir elektrik akkumulyatoru qeyri-məhdud müddətdə xidmət göstərməlidir. Təcrübə göstərir ki, istənilən akkumulyatorun xidmət müddəti olduqca qısadır və nəzəriyyə ilə təcrübənin bu qədər ziddiyyətli uyuşmazlığının səbəbi işləyən akkumulyatorda baş verən dönməyən proseslərdir, o proseslər ki, onların təsiri EKT-də nəzərə alınmayıb. Tərəfimizdən dönməyən proseslərin təsirinin EKT-də nəzərə alınması şərti olaraq EKT-nin deqradasiyası adlandırılmışdır. Biz hesab edirik ki, bütün uyğun hallarda olduğu kimi bu halda da nəzəriyyə ilə təcrübənin uyuşmazlığı “deqradasiya” kateqoriyası ilə səciyyələnə bilər, o anlayışla ki, elmi terminologiyada çoxdan istifadə olunur. Beləliklə, şərtləşək ki, “EKT-nin deqradasiyası” dedikdə təcrübi nəticələrlə EKT-nin nəticələrinin ziddiyyət təşkil edən tərəfləri nəzərdə tutulur.

Haqqında söhbət açdığımız deqradasiyanın (D) bir neçə arqumentə malik olan funksiya kimi təsəvvür etmək olar. Tamamilə aydındır ki, D funksiyasının arqumentlərindən biri akkumulyatorun xidmət müddətidir - t. Digər biri bütün xidmət müddətində akkumulyatorun öz qutblərinə görə bir istiqamətdə istismar edilməsidir. Bu arqumenti şərti olaraq “istiqamət” adlandıraq və kimi işarə edək. Onda D funksiyasının qeyri aşkar şəkli D=D(t®) kimi göstərilər və o “deqradasiya funksiyası” adlana bilər. Deqradasiya funksiyasının müəyyənləşmə şərtlərindən aydındır ki, istiqamət arqumentinin özü akkumulyatorun istismar müddətinin - t funksiyasıdır® = j(t). Beləliklə aşağıdakı münasibətlər doğrudur:

D=D(t,®)=-D(t,¬)=D(t,j(t))=D(f(t))=-D(f(tə)) (5).

(5) münasibətlərini (2) və (2ў)-də nəzərə alsaq, onlar uyğun olaraq aşağıdakı şəklə düşər:

AOn + KOk + ellit I AOn+p + KOk-q + ELLİT + D(f(t)) (6)

KOk + AOn + ellit I KOk+e + AOn-f + ELLİTə - D(f(tə)) (6ў)

(6) və (6ў) tənlikləri göstərir ki, oz qütblərinə görə 2 istiqamətdə işləmək imkanına malik olan elektrik akkumulyatoru, akkumulyatorun qütbülüyü və kimyəvi dinamika ilə bağlı olan dönməyən proseslərinin təsirindən qismən də olsa azad olar.

Bir metalın elektrik akkumulyatoru

Biz hesab edirik ki, AєK (7) eyniliyi xüsusi bir hal kimi ciddi əhəmiyyət kəsb edir. Onu “1 metalın elektrik akkumulyatoru” adlandırmağı şərtləşək. Doğrudan da, əgər AєK olsa, onda AOnєKOk, nєk və həm də ELLİTєELLİTə olar, (2) və (2ў) tənlikləri uyğun olaraq

AOn + AOn + ellit I AO2n + A + ELLİT (8)

AOn + AOn + ellit I A + AO2n + ELLİT (8ў)

şəklinə düşər. (8) və (8ў) tənlikləri (6) və (6ў) tənliklərindən onunla fərqlənir ki, onların sağ tərəfləri də eyniliklə bir-birinə bərabərdir.

AO2n + A + ELLİTє A + AO2n + ELLİT (9)

Əgər (9) eyniliyini (8) və (8ў) tənlikərində nəzərə alsaq, onların hər ikisi

2AOn + ellit I AO2n + A + ELLİT (10)

tənliyinə çevrilər və eyni zamanda Cə є C (10ў), Eə є E (10ўў), rə є r (10ўўў) eynilikləri ödənər.

Beləliklə kimyəvi dinamika baxımından tutumun dönərliyi effekti, kimyəvi elementlərin dövrü qanunu ilə məlum olan ixtiyari 1 metalın elektrik akkumulyatoruna dəfələrlə tətbiq oluna bilər. Əgər (5) münasibətlərini (10) tənliyində tə = t şərti ilə nəzərə alsaq dövrədə cərəyanın düz və əks istiqamətlərinə uyğun olaraq

2AOn + ellit I AO2n + A + ELLİT + D(f(t)) (11)

2AOn + ellit I AO2n + A + ELLİT - D(f(t)) (11ў)

tənliklərini alarıq. (11) və (11?) tənliklərindən t + tə = 2t müddəti üçün

2AOn + ellit I AO2n + A + ELLİT (12) є (10)

tənliyi alınar. (12) є (10) tənliyi təsdiq edir ki, 2 istiqamətdə bərabər müddətlərlə istismar olunan 1 metalın elektrik akkumulyatoru, akkumulyatorun qütbülüyü və kimyəvi dinamika qanunları əsasında baş verən dönməyən proseslərin təsirindən (anod elektrodun cərəyandaşıyıcısının korroziyası) tamamilə azad olar. Başqa sözlə desək real akkumulyator kimyəvi dinamikanın (EKT) vəd etdiyi “əbədiyyət” kəsb edər.

1 metalın elektrik akkumulyatoru 2 istiqamətdə istismar oluna bildiyindən belə istiqamətlərdə anod və katod vaxtaşırı yerlərini dəyişərlər. Bununla da anod elektrodun cərəyandaşıyıcısı korroziyadan (dönməyədən proseslərin təsirindən) tamamılə azad olar.

(8) və (8ў) tənlikləri 1 metalın elektrik akkumulyatoru üçün optimal konstruksiya müəyyən edir: ilkin istehsalda anod və katod elektrodlar forma, quruluş, kütlə və kimyəvi tərkib etibarı ilə bir-birinin tam eyni olaraq hazırlanmalıdır.

“1 metalın elektrik akkumulyatoru” anlayışını “1 metal əsasında hazırlanmış elektrik akkumulyatoru” anlayışından fərqləndirmək vacibdir. 1 metalın elektrik akkumulyatoru (7) eyniliyi ilə müəyyən olunur! İlkin istehsalda (7) eyniliyindən hər cür kənaraçıxma 1 metalın elektrik akkumulyatorunu deyil, 1 metal əsasında hazırlanmış elektrik akkumulyatorunu verir. Çağdaş dünyada 1 metalın elektrik akkumulyatoru istehsal olunmur! 1 metal əsasında qurulmuş elektrik akkumulyatorunun (məs.: Qurğuşun - sulfat akkumulyatoru Pb əsasında, Nikel - metalhidrayd akkumulyatoru Ni əsasında, Litium - ion akkumulyatoru Li əsasında və s.) istehsalı isə kifayət qədərdir.

Nəticə – tutumun dönərliyinin qurğuşunlu akkumulyatorda özünəməxsusluğu

Qurğuşunlu akkumulyator 1859-cu ildə fransız fiziki Plante tərəfindən təklif olunub, 1881-ci ildə For tərəfindən təkminləşdirilib. 1937-ci ilə qədər qurğuşunlu akkumulyator sahəsində 20.000-dən çox beynəlxalq patent qeydə alınıb. Bu gün qəti bir əminliklə deyə bilərik ki, göstərilən tarixi dövr ərzində 100.000-lərlə tədqiqatçı alim – zəka sahibi qurğuşunlu akkumulyatorun bu və ya digər sirrinə vaqif olmağa cəhd göstərib.

Çağdaş dünya istehsalında qurğuşunlu akkumulyatorun: məhlul elektrolit (elektrolit olaraq 25-30%-li sulfat turşusu məhlulu götürülür) və matris (helşəkilli) elektrolit (elektrolit olaraq şüşə və ya polipropilen liflər tərəfindən udulmuş şəkildə sıxlaşdırılmış sulfat turşusu götürülür) olmaqla 2 növ texnologiyasından istifadə olunur. Son 10 illiklərdə dünya miqyasında aparılmış nəzəri və təcrübi elmi axtarışların məhsulu olan matris elektrolit texnoligiyası ilə yaxından tanış olmaq üçün internet vasitəsi ilə də axtarış aparılmışdır. OPTİMA(İsveçrə), PANASONİC(Yaponiya, ABŞ), KSERO(Avstraliya), YUASA(İngiltərə), ATOMAX(Çin) kimi firmalardan informasiya əldə edilmişdir. Tutumun dönərliyi effekti yuxarıda sadalanan, eləcə də NİKAİ, BEVE, FEE TAT, SUNCA kimi firmaların xidmət müddətini başa çatdırmış akkumulyatorlarına tətbiq edilmiş, 100-lərlə akkumulyator sınaqdan keçirilmişdir. Nəticədə, müəyyən edilmişdir ki:

- matris elektrolit texnologiyasının qurğuşunlu akkumulyatoru (1 metal - PB - əsasında hazırlanmış akkumulyator olsa belə) tutumun dönərliyi effektindən yayınmır;

- tutumun dönərliyi effektinin tətbiqindən sonra matris elektrolit texnologiyasının qurğuşunlu akkumulyatoru öz elektrofiziki parametrlərini yüksək riyazi dəqiqliklə təkrar edir

Cə C, Eə E, rə r

Bir metal əsasında hazırlanmış Nikel-metalhidrayd akkumulyatoru üzərində aparılmış oxşar təcrübi tədqiqat nəticə vemədi. Uğursuzluğun səbəbi araşdırıldıqda məlum oldu ki, anod və katod elektrodların cərəyandaşıyıcıları forma-quruluş etibarı ilə bir-birindən fərqlənir. Deməli, tutumun dönərliyi effekti qurğuşunlu akkumulyatorda özünəməxsusluğu ilə səciyyələnir.

Biz bu fikirdəyik ki, elektrik akkumulyatorunda tutumun dönərliyi effektini dünya miqyasında təkcə qurğuşunlu akkumulyatorun istehsalına və istismarına tətbiq etməklə (Azərbaycan Respublikasının a20020030 saylı, 25.03.2002 tarixli və a20020081 saylı 22.04.2002 tarixli patentləri) qısa bir zaman kəsimində (cəmi bir neçə il ərzində) elektrik akkumulyatorunun elə bir bolluğunu yaratmaq olar ki, bu bolluq dünya miqyasında avtomobilləri və yanacaqla işləyən dartıcı qurğuları elektromobillərlə və elektrodartıcı qurğularla əvəz etməyi, Günəş və külək enerjisindən optimal qaydada faydalanmağı təmin edər. Bu isə öz növbəsində atmosferdə “İstixana” effektinin artması, Arktika və Antarktida buzlarının əriməsi, Ozonosferanın deşilməsi, ətraf mühitin ağır metalların, birinci növbədə qurğuşunun, istehsal tullantıları ilə çirklənməsi təhlükələrinin qarşısını alar, bir sözlə, Yer kürəsinin çağdaş ekoloji vəziyyətini nəinki saxlamaq, hətta onun hiss ediləcək dərəcədə yaxşılaşmasına nail olmaq olar.

Əbülfəz ABDULLASOY,

fizika-riyaziyyat elmləri namizədi

Xalq qəzeti.-2009.-9 yanvar.- S.7.