Тепловые элементы химических источников тока

БАТАРЕЯ ЭЛЕМЕНТОВ ТЕПЛОВЫХ ХИМИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ ТОКА Российский патент 2016 года по МПК H01M2/02

Описание патента на изобретение RU2573860C1

Изобретение относится к области электротехники, а именно к термоактивируемым химическим источникам тока (ТХИТ), направлено на обеспечение поддержания температурного режима, необходимого для разряда элементов ТХИТ, и может быть использовано в источниках электропитания как для средств управления, так и для активного питания силовых электрических агрегатов.

Известна батарея элементов ТХИТ (RU 2091918, опубл. 27.09.1997 г.) [1]. Согласно изобретению эта батарея содержит блок элементов ТХИТ, каждый из которых состоит из расчетного количества твердых слоев анода, катода, электролитной смеси и нагревательных элементов, ограниченных с внешней стороны общим корпусом со слоями тепло- и электроизоляции. Требуемое условие обеспечения поддержания температурного режима, необходимого для разряда элементов ТХИТ, осуществляется введением в состав сборки элементов ТХИТ и нагревательных элементов дополнительных термоаккумулирующих таблеток, представляющих собой смесь галогенидных солей с температурой плавления, соответствующей рабочей температуре, при которой осуществляется разряд элементов ТХИТ. Однако такое решение поддержания температурного режима на длительное время (более 60 мин) требует значительное количество термоаккумулирующей смеси, что существенно снижает удельные электрические характеристики батареи элементов ТХИТ.

Известна также батарея элементов ТХИТ (RU 408113, опубл. 27.12.2010)[2]. Данная батарея содержит блок элементов ТХИТ, каждый из которых состоит из расчетного количества твердых слоев анода, катода, электролитной смеси и нагревательных элементов, ограниченных с внешней стороны общим корпусом со слоями тепло- и электроизоляции. Требуемое условие обеспечения поддержания температурного режима, необходимого для разряда элементов ТХИТ, осуществляется введением в конструкцию корпуса батареи элементов ТХИТ дополнительной нагревательной втулки по периметру сборки элементов ТХИТ. Однако такое техническое решение не позволяет существенно стабилизировать температурный режим длительное время из-за того, что дополнительное количество тепла, полученное от нагревательной втулки, будет отведено из объема батареи элементов ТХИТ теплопроводностью изоляции примерно за такое же время, что и от штатных нагревательных элементов. Длительность поддержания рабочей температуры обеспечивается перегревом блока элементов ТХИТ.

Наиболее близкой к заявляемой относится батарея элементов ТХИТ (RU 84628, опубл. 10.07.2009) [3]. Известная батарея содержит внутреннюю и внешнюю герметичные оболочки с полостью между ними и два слоя теплоизоляции, образующих корпус, в котором расположены сборка электрохимических элементов, электрически подключенные к первому и второму выводам батареи элементов ТХИТ, причем первый слой теплоизоляции расположен между сборкой элементов и внутренней оболочкой, а второй — в полости между оболочками. Требуемое условие обеспечения поддержания температурного режима, необходимого для разряда элементов ТХИТ, осуществляется конструкцией корпуса, представляющего собой герметичный сосуд с двумя стенками, между которыми находится слой изоляции с требуемыми теплоизолирующими свойствами. Однако подобное техническое решение не позволяет обеспечить поддержание температурного режима более 30 минут из-за того, что при малой толщине теплоизоляционного слоя происходит быстрый прогрев до температуры, близкой к рабочей, и, как следствие, теплоизоляция перестает работать. При большой толщине теплоизоляции последняя поглощает значительное количество тепла, что также не гарантирует стабилизацию температурного режима. Данное техническое решение относится к пассивной технологии поддержания температурного режима.

Задача настоящего изобретения заключается в разработке батареи элементов ТХИТ, обеспечивающей надежность работы батареи на время эксплуатации более 1 часа.

Для решения поставленной задачи сконструирована батарея элементов тепловых химических источников тока, содержащая внутреннюю и внешнюю герметичные оболочки с полостью между ними и два слоя теплоизоляции, образующих корпус, в котором расположена сборка из электрохимических элементов, чередующихся с нагревательными элементами, сборка электрически подключена к первому и второму выводам батареи, причем первый слой теплоизоляции расположен между сборкой элементов и внутренней оболочкой, а второй — в полости между оболочками, при этом корпус батареи снабжен дополнительным резистивным нагревательным элементом и управляемым коммутатором, причем резистивный нагревательный элемент расположен между внутренней оболочкой и вторым слоем теплоизоляции, выводы резистивного нагревательного элемента электрически подключены к выводам батареи, причем один из выводов резистивного нагревательного элемента подключен к одному из выводов батареи через коммутатор.

Резистивный нагревательный элемент и управляющий коммутатор образуют электротехнический стабилизатор температуры, который за счет использования части электрической энергии батареи элементов ТХИТ поддерживает рабочую температуру внутри корпуса батареи. Управляющий коммутатор представляет собой электронное или механическое устройство, обеспечивающее включение и прерывание электрической цепи резистивного нагревательного элемента при достижении рабочей температуры внутри корпуса батареи ТХИТ.

Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 изображено поперечное сечение батареи элементов ТХИТ, на фиг. 2 — кривые, иллюстрирующие изменение температуры во времени внутри корпуса батареи элементов ТХИТ, кривая 1 — без использования стабилизатора температуры, кривая 2 — с использованием стабилизатора температуры. В корпусе 1 размещена сборка 2 элементов заявленной батареи. Корпус 1 имеет внешнею 3 и внутреннею 4 герметичные оболочки, между которыми расположен слой 5 ячеистого теплоизоляционного материала типа ТЗМК или ВПЯМ в аргоновой атмосфере. Внутренняя оболочка 4 со стороны сборки 2 элементов батареи снабжена дополнительным контурным слоем 6 ячеистой теплоизоляции типа ТЗМК или ВПЯМ. Между оболочкой 4 и слоем теплоизоляционного материала 5 помещен резистивный нагревательный элемент 7, электрически соединенный с выводами 8 и 9 батареи элементов ТХИТ. Соединение резистивного нагревательного элемента с выводом 9 осуществляется через управляющий коммутатор 10.

При запуске батареи элементов ТХИТ за счет нагревательных элементов, расположенных в составе сборки элементов ТХИТ, обеспечивается температурный режим, необходимый для генерации тока. Для батарей элементов ТХИТ интервал рабочих температур находится в области от 450°С до 700°С. В дальнейшем температура внутри корпуса батареи изменяется, как показано кривой 1 фиг.2, и при снижении температуры ниже минимальной рабочей (450°С) генерация тока прекращается.

При использовании стабилизатора температуры изменение температуры осуществляется, как это представлено на кривой 2 фиг. 2, что обеспечивает высокую надежность разряда элементов ТХИТ до полного использования заложенной в них электрической емкости.

Похожие патенты RU2573860C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 573 860 C1

Реферат патента 2016 года БАТАРЕЯ ЭЛЕМЕНТОВ ТЕПЛОВЫХ ХИМИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ ТОКА

Изобретение относится к области электротехники, а именно к термоактивируемым химическим источникам тока. Батарея содержит внутреннюю и внешнюю герметичные оболочки с полостью между ними и два слоя теплоизоляции, образующих корпус, в котором расположена сборка из электрохимических элементов, чередующихся с нагревательными элементами, причем сборка электрически подключена к первому и второму выводам батареи, первый слой теплоизоляции расположен между сборкой элементов и внутренней оболочкой, а второй — в полости между оболочками, при этом корпус батареи снабжен дополнительным резистивным нагревательным элементом и управляемым коммутатором, причем резистивный нагревательный элемент расположен между внутренней оболочкой и вторым слоем теплоизоляции, выводы резистивного нагревательного элемента электрически подключены к выводам батареи, а один из выводов резистивного нагревательного элемента подключен к одному из выводов батареи через коммутатор. Технический результат: обеспечение надежности работы батареи на время эксплуатации более часа. 2 ил.

Формула изобретения RU 2 573 860 C1

Батарея элементов тепловых химических источников тока, содержащая внутреннюю и внешнюю герметичные оболочки с полостью между ними и два слоя теплоизоляции, образующих корпус, в котором расположена сборка из электрохимических элементов, чередующихся с нагревательными элементами, причем сборка электрически подключена к первому и второму выводам батареи, первый слой теплоизоляции расположен между сборкой элементов и внутренней оболочкой, а второй — в полости между оболочками, отличающаяся тем, что корпус батареи снабжен дополнительным резистивным нагревательным элементом и управляемым коммутатором, причем резистивный нагревательный элемент расположен между внутренней оболочкой и вторым слоем теплоизоляции, выводы резистивного нагревательного элемента электрически подключены к выводам батареи, при этом один из выводов резистивного нагревательного элемента подключен к одному из выводов батареи через коммутатор.

Химические источники тока

Химические источники тока

Хими́ческие исто́чники то́ка (аббр. ХИТ) — устройства, в которых энергия протекающих в них химических реакций непосредственно превращается в электрическую энергию.

Содержание

История создания

Первый химический источник тока был изобретён итальянским учёным Алессандро Вольта в 1800 году. Это был элемент Вольта — сосуд с солёной водой с опущенными в него цинковой и медной пластинками, соединенными проволокой. Затем учёный собрал батарею из этих элементов, которая впоследствии была названа Вольтовым столбом. Это изобретение впоследствии использовали другие учёные в своих исследованиях. Так, например, в 1802 году русский академик В. В. Петров сконструировал Вольтов столб из 2100 элементов для получения электрической дуги. В 1836 году английский химик Джон Дэниель усовершенствовал элемент Вольта, поместив цинковый и медный электроды в раствор серной кислоты. Эта конструкция стала называться «элементом Даниэля».

В 1859 году французский физик Гастон Плантэ изобрёл свинцово-кислотный аккумулятор. Этот тип элемента и по сей день используется в автомобильных аккумуляторах.

В 1865 году французский химик Ж. Лекланше предложил свой гальванический элемент (элемент Лекланше), состоявший из цинкового стаканчика, заполненного водным раствором хлористого аммония или другой хлористой соли, в который был помещён агломерат из оксида марганца(IV) MnO₂ с угольным токоотводом. Модификация этой конструкции используется до сих пор в солевых батарейках для различных бытовых устройств.

В 1890 году в Нью-Йорке Конрад Губерт, иммигрант из России, создаёт первый карманный электрический фонарик. А уже в 1896 году компания National Carbon приступает к массовому производству первых в мире сухих элементов Лекланше «Columbia».

Принцип действия

Основу химических источников тока составляют два электрода (катод, содержащий окислитель и анод, содержащий восстановитель), контактирующих с электролитом. Между электродами устанавливается разность потенциалов — электродвижущая сила, соответствующая свободной энергии окислительно-восстановительной реакции. Действие химических источников тока основано на протекании при замкнутой внешней цепи пространственно разделённых процессов: на катоде восстановитель окисляется, образующиеся свободные электроны переходят, создавая разрядный ток, по внешней цепи к аноду, где они участвуют в реакции восстановления окислителя.

В современных химических источниках тока используются:

• в качестве восстановителя (на аноде) — свинец Pb, кадмий Cd, цинк Zn и другие металлы;
• в качестве окислителя (на катоде) — оксид свинца(IV) PbO₂, гидроксооксид никеля NiOOH, оксид марганца(IV) MnO₂ и другие;
• в качестве электролита — растворы щелочей, кислот или солей.

Классификация

По возможности или невозможности повторного использования химические источники тока делятся на:

• гальванические элементы (первичные ХИТ), которые из-за необратимости протекающих в них реакций, невозможно перезарядить;
• электрические аккумуляторы (вторичные ХИТ) — перезаряжаемые гальванические элементы, которые с помощью внешнего источника тока (зарядного устройства) можно перезарядить;
• топливные элементы (электрохимические генераторы) — устройства, подобные гальваническому элементу, но отличающееся от него тем, что вещества для электрохимической реакции подаются в него извне, а продукты реакций удаляются из него, что позволяет ему функционировать непрерывно.

Следует заметить, что деление элементов на гальванические и аккумуляторы до некоторой степени условное, так как некоторые гальванические элементы, например щелочные батарейки, поддаются подзарядке, но эффективность этого процесса крайне низка.

Некоторые виды химических источников тока

Гальванические элементы

Смотри также Категория:Гальванические элементы.

• Свинцово-плавиковый элемент
• Медно-окисный гальванический элемент
• Висмутисто-магниевый элемент
• Ртутно-висмутисто-индиевый элемент
• Литий-хромсеребряный элемент
• Литий-висмутатный элемент
• Литий-окисномедный элемент
• Литий-йодсвинцовый элемент
• Литий-йодный элемент
• Литий-тионилхлоридный элемент
• Литий-оксидванадиевый элемент
• Литий-фторомедный элемент
• Литий-двуокисносерный элемент
• Диоксисульфатно-ртутный элемент
• Серно-магниевый элемент
• Хлористосвинцово-магниевый элемент
• Хлорсеребряно-магниевый элемент
• Хлористомедно-магниевый элемент
• Йодатно-цинковый элемент
• Магний-перхлоратный элемент
• Магний-м-ДНБ элемент
• Цинк-хлоросеребряный элемент
• Хлор-серебряный элемент
• Бром-серебряный элемент
• Йод-серебряный элемент
• Магний-ванадиевый элемент
• Кальций-хроматный элемент

Резервные тепловые химические источники тока: этапы развития и перспективы

Необходимость модернизации серийно выпускаемых тепловых батарей первого и второго поколений, входящих в изготавливаемые в настоящее время комплексы вооружений. Особенности разработки технологии новых анодных материалов с потенциалом чистого лития.

• посмотреть текст работы

• скачать работу можно здесь

• полная информация о работе

• весь список подобных работ

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Резервные тепловые химические источники тока этапы развития и перспективы

А.Г. Денискин

Для современных артиллерийских и ракетных систем различного класса требуются автономные резервные источники электроэнергии для питания бортовой электронной аппаратуры, обеспечивающие технические и тактические характеристики конкретных видов вооружений. К таким источникам тока предъявляются достаточно жёсткие требования.

Они должны выдерживать значительные механические воздействия (ударные, вибрационные и линейные перегрузки), храниться и работать в различных климатических условиях при температурах от — 60 о С до + 60 о С; сохранять в течение длительного времени (более 20 лет) без потерь заданные электрические характеристики без необходимости в каких-либо регламентных работах, иметь достаточно высокие удельные энергию и мощность, а также минимальные весовые и габаритные характеристики.

Основой теплового химического источника тока (тепловой батареи) является электрохимический элемент, в котором электролит в незадействованном состоянии находится в твёрдой фазе, и для перевода электрохимического элемента в рабочее состояние требуется его разогрев до температур 450 — 600 о С. Такой разогрев в тепловых батареях осуществляется пиротехническими нагревательными элементами, каждый из которых непосредственно примыкает к электрохимическому элементу для осуществления его быстрого разогрева.

Необходимый уровень напряжения обеспечивается количеством последовательно соединенных электрохимических элементов в блоке батареи. Параллельно соединенные блоки обеспечивают заданные требования по току. тепловой батарея анодный

Высокие рабочие температуры в тепловых батареях и высокая ионная проводимость электролитов-расплавов позволяют эффективно использовать в электрохимических парах высокоэнергоёмкие электродные материалы: щелочные и щелочно-земельные металлы для анодов и соединения тяжелых металлов для катодов. Использование материалов с высокими электродными потенциалами обеспечивает в тепловых батареях высокое для первичных химических источников тока напряжение разомкнутой цепи 2 — 3 В с элемента и способность разряжаться значительными плотностями тока (до нескольких А/см 2 ).

По применяемым в тепловых батареях электрохимическим системам и особенностям технологии их изготовления можно выделить три поколения тепловых батарей, разработанных «НПП «Квант».

Первое поколение. В качестве анодных материалов использовался кальций или магний, активным материалом катодов был либо бихромат калия, либо сульфат свинца, нанесенный из расплава на никелевую сетку. Электролитом служила смесь хлоридов лития и калия, нанесенная из расплава на стеклотканую основу. В качестве нагревателя использовался состав, состоящий из порошка циркония и хромата бария, нанесенный на асбестовую подложку или находящийся в порах асбестовой матрицы. Тепловые батареи этого поколения обеспечивали сохраняемость в течение 12 лет и работоспособность в широком интервале температур окружающей среды. Однако они имели и существенный недостаток ? низкую устойчивость к механическим воздействиям и небольшую удельную энергию (до 4 Втч/кг). Несмотря на это, сфера их использования в военной технике всё более расширялась и перед нами ставились новые задачи по их совершенствованию.

Второе поколение. Принципиальным отличием второго поколения тепловых батарей являлось изготовление электролита и катода методом прессования. Электролит загущался наполнителем из оксида алюминия -модификации с температурой плавления больше 2000 о С, обеспечивающим его устойчивость к механическим воздействиям.

Анодным материалом второго поколения тепловых батарей оставался кальций. Такой электрохимический элемент состоял из трех жестких деталей, которые при активации тепловой батареи не меняли свои геометрические размеры. Слабым местом оставался эластичный циркониевый пиронагреватель, который при сгорании давал «усадку» и не имел электронной проводимости, что требовало специальных коммутирующих элементов и дополнительных конструктивных решений с целью повышения стойкости батареи к механическим перегрузкам.

Тепловые батареи второго поколения работали при всех видах механических воздействий, возникающих при эксплуатации всех ракетных систем, их удельные характеристики были в 2 раза больше чем у батарей первого поколения, увеличились до 17 — 20 лет сроки сохраняемости.

Третье поколение. Тепловые батареи третьего поколения начали разрабатываться в «НПП «Квант» в конце 80-х годов.

В качестве отрицательного электрода (анода) впервые использовался литий в виде интерметаллического соединения с кремнием, устойчивого к рабочим температурам в батарее до 630 о С.

В качестве активного вещества катода был применён дисульфид железа — обогащённый природный минерал серный колчедан.

В электролитной смеси использовался загуститель с большой удельной поверхностью, что позволило улучшить её ионную проводимость и увеличить разрядные токи.

Были разработаны новые малогазовые пиротехнические составы с хорошей электронной проводимостью, что упростило конструкцию батареи. В качестве горючего использовался специальный порошок железа, а в качестве окислителя перхлорат калия, разработана автоматизированная технология формования из них пиротехнических нагревателей, обеспечивающая высокую точность выделяемой тепловой энергии.

Была разработана высокоэффективная тепловая изоляции с использованием в качестве основного материала оксида кремния с размерами частиц 4 — 7 нм.

Основные составные части батареи защищены 8-ю патентами России.

Удельные характеристики тепловых батарей третьего поколения в 2 — 4 раза выше удельных характеристик тепловых батарей второго поколения.

Тепловые батареи этого поколения обеспечивают питание ракетных комплексов: «С-300», «С-400», «Смерч», «Булава», «Торнадо», «Искандер», «Пакет», «Аврора», «Загон», «Ярс» и др.

В последнее десятилетие была проведена большая работа по модернизации серийно выпускаемых тепловых батарей первого и второго поколений, входящих в изготавливаемые в настоящее время комплексы вооружений для перевода их на материалы и технологии, используемые в батареях третьего поколения.

Она позволила повысить надежность работы тепловых батарей, унифицировать технологию изготовления широкой номенклатуры батарей, а, в ряде случаев, увеличить их удельную энергию и уменьшить массу и габариты.

В настоящее время в связи с поставленной задачей модернизации вооружения и достижения тактико-технических параметров мирового уровня повышены требования к автономным источникам электрической энергии.

Эти требования касаются снижения времени выхода на рабочий режим, стабильности напряжения в процессе разряда как при постоянной нагрузке, так и переменных токовых импульсах в любое время разряда, продолжительности работы до 1 часа и повышении удельной энергии.

Осуществление этих требований возможно при комплексном подходе к поиску путей модернизации всех компонентов тепловых батарей.

Перспективными направлениями повышения удельных энергетических характеристик являются, в первую очередь, разработка технологии новых анодных материалов с потенциалом чистого лития. Учитывая, необходимость работы таких анодов при температурах до 600 о С, создание таких литийсодержащих композитов является сложной технологической задачей, над решением которой «НПП Квант» работает совместно с ОАО «Энергия». Создано современное оборудование, на котором уже получены первые образцы новых анодных композиционных материалов, синтезируемых на базе системы литий-бор, а также высокопористых металлических матриц, содержащих чистый литий. Потенциал таких анодов остаётся более стабильным, до израсходования всего химически несвязанного лития.

На рис. 1 приведены сравнительные разрядные кривые электрохимического элемента с анодами из композита литий-бор и сплава литий-кремний.

Рис. 1, Разрядные кривые электрохимических элементов электрохимических систем Li-Si/FeS₂ и Li-B/FeS₂ диаметром 21 мм с массой анодов 0,1 г для батареи БТ-300.

Из графика отчётливо видны преимущества электрохимического элемента с анодом из композита литий-бор, который по ёмкости более чем в 2 раза превышает ёмкость элемента с анодом из сплава литий-кремний.

Были изготовлены миниатюрные батареи БТ-300 для перспективных средств вооружений с диаметром корпуса 27 мм с анодами из сплава Li-Si и композита Li-B, которые разряжались плотностью тока около 1 А/см 2 . Результаты испытаний этих батарей представлены в табл. 1.

Таблица 1. Сравнительные характеристики батарей БТ-300 с анодами из сплава Li-Si (16 рабочих элементов) и композита Li-B (15 рабочих элементов)

Время выхода на режим, С

Максимальное напряжение, В

Изменение напряжения за 20 с, В

Время работы до 24,0 В, с

Удельная ёмкость анода, Ас/г

Как видно из табл. 1, время выхода на режим, падение напряжения за 20 с и время разряда до напряжения 24 В у образцов батарей с анодами из сплава Li-B почти вдвое меньше, чем у образцов батарей с анодами из сплава Li-Si.

В табл. 2 приведены сравнительные характеристики тепловой батареи диаметром 70 мм с временем работы 610 с, требованием к которой является обеспечение больших импульсных токовых нагрузок до 100 А на всём протяжении времени разряда.

Таблица 2. Сравнительные результаты испытаний макетных образцов тепловых батарей 70 мм, Н = 172 мм с электрохимическим элементом 50 мм с различным составом анодов

Температура, о С

Напряжение на 1,5-й с, В

Напряжение на 602-й с, В

Напряжение на 610-й с, В

Время работы до 49 В, с

* максимальный ток от от 63 до 110 А при R_Н = 0,2 Ом.

На 1,5 секунде после задействования батарея должна выдерживать импульс тока не менее 60 А, обеспечиваемый с большим запасом батареей с анодами из композита литий-бор, что особенно заметно при самой нижней отрицательной температуре. Требования по напряжению на 602-й секунде при разряде на нагрузку 2,45 Ом во всём интервале температур обеспечивает только батарея с анодами из композита литий-бор, у которой в конце разряда на 610-й секунде напряжение значительно выше по сравнению с напряжением батареи с анодами из сплава литий-кремний.

Рис. 2. Разрядные кривые элементов диаметром 35 мм двух электрохимических систем до U_КОН = 0,8 U_МАКС: кривая 1 — Li-B/твёрдый электролит/соль меди, кривая 2 — Li-Si/LiCl,KCl/FeS₂.

Наряду с созданием новых анодных материалов на НПП «Квант» ведётся разработка новых электролитных композиций, в которых основную долю составляют так называемые твёрдые электролиты — вещества, обладающие высокой проводимостью по иону лития, но остающиеся при этом твёрдыми при рабочих температурах батарей. Данные композиции обладают двумя преимуществами: прессованные электроды из них механически более прочны, что обеспечивает устойчивость батарей, работающих при больших механических перегрузках, а также, позволяют использовать другие высокоактивные катодные материалы с высокими электродными потенциалами. Рабочее напряжение электрохимического элемента с катодными материалами на основе солей никеля и меди достигает величины 2,5 — 3 В, что позволяет снизить габариты и массу батарей, уменьшив количество элементов в блоке.

Наглядным примером служат разрядные кривые элементов двух электрохимических систем на основе солей меди (кривая 1) и дисульфида железа (кривая 2), приведённые на рис. 2.

На электрохимической системе Li-B/твёрдый электролит/соль никеля были собраны макетные образцы аналога батареи БТ-300 с 12-ю рабочими элементами диаметром 21 мм. Результаты приведены в табл. 3.

Таблица 3. Характеристики макетных образцов аналога батареи БТ-300 (12 рабочих элементов) на электрохимической системе Li-B/твёрдый электролит/соль никеля

41. Гальванические элементы

Гальванические элементы являются источниками постоянного электрического напряжения и называются первичными элементами. Электрическая энергия, получаемая в этом случае, образуется за счет химических реакций, происходящих внутри элемента. Рассмотрим принцип действия простейшего гальванического элемента.

Элемент (фиг. 56) состоит из сосуда с раствором серной кислоты (H₂SO₄), в которую погружены две пластины: цинковая и медная. Как показал опыт, цинк в этом случае заряжается отрицательно, а медь — положительно. Элемент имеет два вывода — полюса; положительный (анод) и отрицательный (катод).

Цинковая пластина, опущенная в раствор серной кислота, будет растворяться в ней. Способность цинка легко отдавать свои электроны при-

водит к тому, что атом цинка, оставляя два своих электрона пластине (двухвалентный металл), переходит в раствор в виде положительного иона. Между цинковой пластиной и раствором возникает некоторая разность потенциалов, которая приостанавливает дальнейшее растворение цинковой пластины. Если опустить в раствор серной кислоты вторую цинковую пластину, то с ней произойдет то же, что с первой пластиной. Потенциал обеих пластин будет одинаков, а разность потенциалов между ними будет равна нулю. Опустим в раствор медную пластину. Обладая меньшей способностью растворения, медь по отношению к раствору будет иметь иную разность потенциалов, чем цинк. Теперь между медной и цинковой пластинами образуется разность потенциалов.

Разность потенциалов (э. д. с), между пластинами (электродами) равна 1,1 в.

При замыкании полюсов элемента металлическим проводником электроны цинковой пластины будут переходить на медную пластину. Вследствие потери электронов потенциал между цинковой пластиной и раствором уменьшается и новая порция ионов цинка перейдет с пластины в раствор, причем сама пластина вновь обогащается электронами. Положительные ионы цинка, попав в раствор, соединяются с отрицательными ионами кислотного остатка SO₄ — и образуют молекулу цинкового купороса ZnSO₄.

Положительный ион водорода Н₂++, подходя к медной пластине, берет у нее свободные электроны н, нейтрализуясь, выделяется в виде пузырьков, покрывая медную пластину. В результате работы элемента цинковая пластина, растворяясь в кислоте, пополняется электронами, а медная пластина, отдавая электроны, сохраняет положительный заряд и покрывается пузырьками водорода. Во внешней части цепи происходит движение электронов от цинковой пластины к медной, внутри электролита отрицательные ионы движутся от меди к цинку, а положительные ионы — от цинка к меди. Показания амперметра, включенного в цепь работающего медно-цинкового элемента, быстро уменьшаются. Это объясняется тем, что медная пластина совместно с водородом, который покрывает эту пластину, образует своеобразную гальваническую пару, своего рода особый элемент, э. д. с. которого направлена против э. д. с- самого элемента. Это явление носит название поляризации. Вследствие сильной поляризации медно-цинковый элемент не нашел себе применения на практике. К числу неполяризующихся элементов относится угольно-цинковый элемент. В качестве электродов у него служат угольная и цинковая пластины, электролитом— раствор нашатыря (NH₄Cl). Угольный стержень опущен в мешочек с перекисью марганца (МnО₂), которая устраняет поляризацию и называется деполяризатором. Э. д. с. элемента 1,45 в. Во время работы угольно-цинкового элемента водород, выделяющийся из раствора, вступает в реакцию с перекисью марганца:

в результате чего получается вода н поляризация элемента не происходит.

Часто угольно-цинковые элементы выполняются в виде так называемых сухих элементов.

На фиг. 57 изображен сухой элемент с марганцевой деполяризацией. Элемент помещен в цинковую коробку 1, которая одновременно является отрицательным полюсом элемента. Коробка сверху оклеена картоном. В середине коробки находится угольный стержень 2, являющийся положительным полюсом элемента. Вокруг угольного стержня расположен агломерат — деполяризатор 3, состоящий из размолотых зерен перекиси марганца, графита н сажи, замоченных в растворе нашатыря. Деполяризатор помещается в мешочке из миткаля. Для изоляции деполяризатора от цинка на дно цинковой коробки положена картонная прокладка 4.

Снаружи мешочек с деполяризатором окружен пастой 5, состоящей из дешевых сортов муки, пропитанной раствором нашатыря. Для предохранения пасты от загнивания и высыхания в ее состав вводят хлористый цинк. Вверху мешочек с деполяризатором прикрывают картонной прокладкой 6, поверх которой насыпают слой опилок 7, прикрытый также картонной прокладкой.

От цинковой коробки и угольного стержня делаются два отвода. Для отв.ода газов, образующихся во время работы элемента, в верхней части его располагают стеклянную трубку 8. Верхнюю часть элемента заливают смолой 9.

Сухие элементы с марганцевой деполяризацией имеют э. Д. с. 1,4—1,6 в и внутреннее сопротивление 0,1—0,5 ом.

Количество электричества в ампер-часах, которое может отдать элемент при определенных условиях разряда, называется емкостью элемента. Испытания первичных элементов показывают, что емкость их зависит:

1) от величины разрядного тока: чем больше разрядный ток, тем меньшую емкость можно получить от элемента;

2) от режима работы элемента (непрерывный, с перерывами);

3) от температуры: чем ниже температура, тем меньше емкость элемента;

4) от величины напряжения, до которого производится разряд.

Обозначения сухих элементов с марганцевой деполяризацией: С — сухой; Л — летний (работа от —20 до +60°); X — хладостойкий (работа от —40 до +40°); У — универсальный (работа от —40 до +60°).

Первые цифры 1—4 показывают размер элемента; буквы определяют характеристику элемента; последние цифры показывают емкость в ампер-часах.

Например, ЗСЛ-30 означает: элемент третьего размера, сухой, летний, емкостью 30 а • ч.

Кроме элементов с марганцевой деполяризацией, наша промышленность выпускает сухие элементы с марганцево-воздушной деполяризацией (СМВД). Деполяризатор этих элементов состоит из смеси графита, активированного угля и марганцевой руды.

В отличне от элементов с марганцевой деполяризацией у элементов СМВД верхняя часть деполяризатора остается не-обвязанной и прикрыта сверху картоном. Такая конструкция элемента позволяет деполяризатору при помощи стеклянных трубок сообщаться с наружным воздухом. Таким образом, деполяризация у этих элементов происходит как за счет марганца, так и за счет кислорода воздуха. Емкость элементов СМВД почти в два раз больше емкости элементов с марганцевой деполяризацией. Во время работы элементов СМВД через стеклянные трубки идет испарение электролита. Для восстановления работы элемента через стеклянные трубки наливают раствор нашатыря (около 20 см3 иа один элемент). Элементы с марганцево-воздушной деполяризацией выпускаются двух типов: ЗСМВД (начальная емкость 45 ач, номинальный разрядный ток 50 ма) и 6СМВД (начальная емкость 150 ач, номинальный разрядный ток 150 ма).

Для питания цепи накала радиоламп наша промышленность выпускает сухие батареи БНС-100 (батарея на-кальная сухая емкость 100 а-ч, начальная э. д. с. 1,5 в, максимальный разрядный ток 150 ма, состоит из 12 сухих элементов) и БНС-МВД-500 (состоит из 4 элементов типа 6СМВД, э. д. с. 1,4 в емкость 500 а • ч).

Для питания цепи анода радиоламп служат анодные батареи. Чаще всего встречаются батареи БАС (батарея анодная сухая). Сухие элементы применяются также для питания цепей сигнализации, телефонии, карманных фонарей (тип КБС) и т. д.

Гальванические элементы и другие химические источники энергии на схемах условно обозначают как показано на фиг. 58.