5 баллов

В ближайшие 50 лет ожидается все более широкое распространение электромобилей. В настоящее время в качестве источников энергии для транспорта все шире используют свинцово-кислотные аккумуляторы. При правильной перезарядке свинцово-кислотный аккумулятор способен генерировать до 45 ватт-часов электроэнергии на 1 кг веса. В разработке электромобилей наиболее многообещающим решением на длительную перспективу являются перезаряжаемые легкие литий-ионные аккумуляторы. Они в 3 раза легче свинцово-кислотных аккумуляторов. В литиевых аккумуляторах отрицательным электродом является литий. В качестве материала положительного электрода используют кристаллы типа шпинели LiMn₂O₄. Структура шпинели включает подрешетку кислородсодержащих ионов с плотнейшей кубической упаковкой, стабилизированную ионами лития в тетраэдрических положениях и ионами марганца в октаэдрических положениях. В LiMn₂O₄ половина ионов марганца имеет степень окисления +3, а вторая половина +4.

Схему гальванического элемента в свинцовом аккумуляторе записывают следующим образом:

Pb(тв.) | PbSO₄(тв.) | H₂SO₄(водн.р-р) | PbSO₄(тв.) | PbO₂(тв.) | (Pb(тв.))
Схему гальванического элемента в литиевом аккумуляторе записывают следующим образом:
Li(тв.) | Li⁺-проводящий твердый электролит(ы) | LiMn₂O₄(тв.)
При разрядке образуется продукт внедрения состава Li₂Mn₂O₄. Зарядка аккумулятора ведет к образованию продуктов Li(тв.) и LiMn₂O₄.

IV-3-1 Запишите уравнения полуреакций, происходящих на электродах свинцово-кислотного аккумулятора при разрядке.

На отрицательном электроде:
На положительном электроде:

IV-3-2 Запишите уравнения полуреакций, происходящих на электродах литиевого аккумулятора при разрядке.

На отрицательном электроде:
На положительном электроде:

IV-3-3 Запишите координационные числа ионов лития и ионов марганца в структуре шпинели LiMn₂O₄.

Типичный семейный автомобиль имеет массу 1000 кг. На каждые 50 км ему требуется 5 кВт^. час энергии, на что расходуется 5.0 л (3.78 кг) бензина. В бак массой 10 кг заправляют 50 л бензина, а расход топлива составляет 1 л на 10 км пути.

IV-3-4 Насколько тяжелее станет такой автомобиль, если бензиновый бак заменить (a) свинцово-кислотным и (b) литиевым аккумуляторами, вырабатывающими такое же количество энергии? Производительность двигателя от типа источника энергии не зависит.

(a) Дополнительный вес автомобиля со свинцово-кислотным аккумулятором:
Ответ дан в формате PDF и ваши расчеты

(b) Дополнительный вес автомобиля с литиевым аккумулятором:

Ответ дан в формате PDF и ваши расчеты

Научный комитет 34-ой МХО
Председатель:
Prof.dr. B. Zwanenburg University of Nijmegen
Теоретический тур:
Prof.dr.ir. H. van Bekkum Delft University of Technology
Prof.dr. H.P.J. Bloemers University of Nijmegen
Prof.dr. F.B. van Duijneveldt University of Utrecht
Prof.dr. J.B.F.N. Engberts University of Groningen
Dr. G.A. van der Marel University of Leiden
Prof.dr. E.W. Meijer Eindhoven University of Technology
Prof.dr. A. Meijerink University of Utrecht
Prof.dr. A. Oskam University of Amsterdam
Prof.dr. J. Schoonman Delft University of Technology
Prof.dr. A.J. Schouten University of Groningen
Ms. Prof.dr. N.H. Velthorst Free University, Amsterdam
Prof.ir. J.A. Wesselingh University of Groningen

Практический тур:
Prof.dr. J.F.J. Engbersen Twente University of Technology
Dr. E. Joling University of Amsterdam
Dr. A.J.H. Klunder University of Nijmegen
Dr. A.J. Minnaard University of Groningen
Dr. J.A.J.M. Vekemans Eindhoven University of Technology
Mr.Ing. T. van Weerd University of Nijmegen
Dr. W.H. de Wolf Free University, Amsterdam

Консультанты:
Drs. P. de Groot
Drs. A.M Witte
Drs. W. Davids

Секретариат: University of Nijmegen
Dr. R. Ruinaard
J. Brinkhorst
Ms. M.V. Versteeg