РЕФЕРАТ
на тему:
«Конструктивное исполнение электродов и электродных блоков
в различных источникахэлектрического тока»
Выполнили:
студенты 2курса
Петров А.В.
Научный руководитель:
Пестриков В.Ф.
2008
ОГЛАВЛЕНИЕ
1.Конструктивное исполнение электродов в первичных химических источниках тока. 3
1.1.Марганцево-цинковые элементы с солевым электролитом. 3
1.2.Марганцево-цинковой системы со щелочным электролитом. 5
1.3.Ртутно-цинковые элементы и батареи. 7
1.4.Серебряно-цинковые первичные источники тока. 8
1.5.Литиевые источники тока. 9
1.6.Воздушно-цинковые первичные источники тока. 11
1.7.Химические источники тока с алюминиевыми и магниевыми анодами. 14
2.Конструктивное исполнение электродов в резервных химических источниках тока 18
2.1.Водоактивируемые источники тока. 18
2.2.Ампульные источники тока. 19
2.3.Тепловые источники тока. 25
3.Конструктивное исполнение электродов во вторичных химических источниках тока. 28
3.1.Свинцовые аккумуляторы и батареи. 28
3.2.Никель-кадмиевые аккумуляторы и батареи. 40
3.3.Никель-металлогидридные аккумуляторы и батареи. 46
3.4.Серебряно-цинковые аккумуляторы… 49
3.5.Никель-цинковые аккумуляторы… 50
3.6.Воздушно-цинковые перезаряжаемые xимическиеисточники тока. 51
3.7.Бромно-цинковые аккумуляторные установки. 54
3.8.Высокотемпературные аккумуляторы и батареи. 55
3.9.Марганцево-цинковые перезаряжаемые источники тока. 57
Литература… 59
1. Конструктивное исполнение электродов в первичныххимических источниках тока1.1. Марганцево-цинковые элементы с солевымэлектролитом
Выпускаются в трех конструктивных вариантах: стаканчиковом(цилиндрическом и призматическом), галетном и плоском тонком. Наиболеераспространенными являются цилиндрические элементы.
/>Цилиндрическиеэлементы. Корпус 1 цилиндрического элемента (рис.2.2.1) изготовляется из цинкаи является отрицательным электродом. В центре элемента располагается положительныйэлектрод (агломерат), представляющий собой брикет из спрессованных активноймассы 2 и угольного стержня — токоотвода}. Агломерат отделен от дна стаканаизолирующей прокладкой 6 или картонной шайбой 5. Между агломератом и корпусомнаходится электролит 4 (толщиной 0,15-1 мм). У элементов старых конструкций с электролитом на основе раствора хлорида аммония агломерат (в виде сухогобрикета) оборачивался тканью или бумагой, вставлялся в стакан и заливалсяраствором электролита с загустителем. Элементы следующего поколения (известныепод названием «Марс») содержали мокрый сепаратор в виде пористогокартона, исходно пропитанного раствором электролита с нанесенным со стороныцинка слоем пасты. Элементы с электролитом на основе раствора хлорида цинка(известные у нас под названиями «Орион», «Юпитер», «Уран»)имеют исходно сухой сепаратор в виде бумаги с нанесенным на сторону, обращеннуюк цинку, слоем загустителя (крахмал, поливиниловый спирт) с ингибитором коррозии.Весь электролит в этом случае исходно находится в объеме агломерата и переходитв сепаратор уже в собранном элементе. На агломерате находятся разделительнаяпрокладка и газовая камера 7, в которую поступают газы, выделяющиеся приразряде и саморазряде ХИТ. В элементах старых конструкций газовая камеразакрывалась картонной крышкой и заливалась герметизирующей композицией наоснове битума. В более новых конструкциях элемент закрывается пластмассовойкрышкой. Угольный токоотвод пропитывается гидро-фобизирующими составами, обычнона основе парафина, для уменьшения потери воды из электролита, однако он сохраняетпористость и способен сбрасывать давление из газовой камеры. Сверху угольныйстержень имеет плотно обжимающий его металлический колпачок, предназначенный, кромеобеспечения хорошего электрического контакта с токосъемными зажимамиоборудования, для предотвращения попадания на них электролита и неизбежнойкоррозии. В элементах и батареях больших емкостей, где токовывод осуществляетсяне через непосредственный контакт с угольным стержнем, а через провода, имеютсяприспособления для аварийного сброса давления, например с помощью стеклянных трубок,подходящих к внешнему слою герметизирующей заливки. Снаружи элемент оклеивалсябумагой или одевался в картонный футляр. Контакт отрицательного выводаосуществлялся непосредственно через цинковое донышко, которое в этом случаеобрабатывалось абразивом. В более дорогих элементах положительный и отрицательныйвыводы (верх угольного стержня и дно цинкового стаканчика) закрывались плотноприлегающими крышками, корпус помешался в картонный или полимерный футляр,предотвращающий попадание электролита в аппаратуру при сквозной коррозиицинкового стаканчика, и закрывался сверху жакетом из жести. При сборке батарейна основе стаканчи-ковых элементов последние дистанцируются с помощью картонныхили полимерных прокладок, коммутация батареи производится с помощью пайки. Элементысоединяются обычно последовательно, но имеются случаи и параллельного и дажепараллельно-последовательного соединения.
Галетные ХИТ. Схема галетного МЦ-элемента приведена на рис.2.2.2.Он состоит из отрицательного электрода — цинковой пластинки 1, положительногоэлектрода — агломерата 2 из активной массы, обернутого тонкой бумагой 4,сепаратора 3, пропитанного электролитом. На внешнюю сторону цинковой пластинкинаносится непроницаемый для электролита токопроводящий слой 5, состоящий из полимерногосвязующего с графитом. Все слои прижимаются друг к другу термоусаживаемымполимерным кольцом 6, обеспечивающим герметизацию элемента. При сборке батарейэлементы />размещаются в столбик друг на друге, при этом положительныйэлектрод одного элемента прижат к токопроводящему слою другого элемента.
Галетные батареи характеризуются более высокими удельнымиемкостью и энергией, чем батареи из цилиндрических элементов, и меньшим расходомцинка, чем стаканчиковые элементы вообще, так как в последнем случае цинкиспользуется не только как активный, но и как конструкционный материал.
Тонкие плоские элементы. В начале 70-х годов XX в. в США иЯпонии были разработаны тонкие пластичные плоские элементы (толщиной не более 1,5 мм), которые могут изгибаться. Элемент состоит из фольгового анода, целлофанового сепаратора,пропитанного электролитом (содержащим хлориды аммония и цинка и полиакриламид),тонкого катода обычного состава и коллектора тока. Из этих элементов собираетсябатарея. Например, батарея для аппарата «Поляроид» состоит из четырехэлементов и имеет номинальное напряжение 6. В и емкость 250 мА ч при токе 10 мА.1.2. Марганцево-цинковой системы со щелочнымэлектролитом
В подавляющем большинстве элементы марганцево-цинковойсистемы со щелочным электролитом выпускаются стандартной цилиндрической идисковой формы; галетные батареи и элементы с плоскими электродами распространенынамного меньше.
/>Цилиндрическиеэлементы. Габариты цилиндрических элементов совпадают с габаритами элементовмарганцево-цинковой системы с солевым электролитом. В то же время, конструкциящелочных элементов отличается от конструкции солевых аналогов: щелочныеэлементы имеют как бы вывернутую конструкцию (рис.2.3.1). В элементах со щелочнымэлектролитом цинк всегда находится в виде порошка, поэтому вместо цинкового стаканчикаиспользуют стальной никелированный цилиндрический корпус, служащий токоотводомположительного электрода. Активная масса положительного электрода подпрессовываетсяк внутренней стенке корпуса. Удельная электрическая проводимость щелочногоэлектролита (как правило, 32% -наго раствора едкого кали) заметно больше, чемпроводимость солевого электролита в элементах Лекланше, поэтому запасэлектролита в щелочных элементах меньше, чем в солевых.
Кроме того, в щелочных элементах отсутствует типичная длясолевых элементов опасность выпадения осадка. В результате в щелочном элементеможно разместить больше активной массы положительного электрода, чем в солевомэлементе того же объема. Так, в щелочной элемент типоразмера D можно поместить37-41 г диоксида марганца, тогда как в солевой элемент помещается только 22-28 г. Во внутреннюю полость, образованную активной массой положительного электрода, вставляетсясепаратор, пропитанный электролитом. В качестве сепарационных материаловиспользуются гидратцеллюлозные пленки (целлофан) или нетканые полимерныематериалы. По оси элемента расположен латунный токоотвод отрицательногоэлектрода, а все пространство между этим токоотводом и сепаратором плотнозабивается анодной пастой, состоящей из цинкового порошка, пропитанного загущеннымэлектролитом. Объемная доля цинкового порошка составляет всего 30-45%, так чтов аноде имеется достаточный запас электролита, что предотвращает анодную пассивациюпри разряде большими токами и при низких температурах. Часто уже приизготовлении элементов в качестве электролита используется щелочь,предварительно насыщенная цинкитами, что позволяет избежать расходования щелочив начале эксплуатации. Кроме того, наличие цинкитов в электролите замедляетскорость коррозии цинка.
Дисковые элементы. Состав компонентов дисковых элементованалогичен составу компонентов цилиндрических ХИТ. Элемент состоит из дисковыханода, катода и сепаратора с электролитом и бумажной прокладки между ними. Фиксациякомпонентов осуществляется с помощью специального полихлорвинилового кольца, агерметизация — фасонной пластмассовой шайбой, в паз которой входит токоотводанода. Токоотводом катода служит корпус элемента. 1.3. Ртутно-цинковые элементы и батареи/> />
Производятся дисковые и цилиндрические РЦ-элементы. Схема дискового элементаприведена на рис.2.4.1. Активная масса положительного электродазапрессовывается в стальной корпус, цинковый порошок — в стальную крышку,которая внутри покрыта слоем олова. Электроды разделяются несколькими слоямисепараторов, пропитанных раствором электролита. Элемент герметизируется с помощьюрезиновой или пластмассовой прокладки, способной пропускать водород в случаекоррозии цинка. Для предотвращения выделения водорода после окончания разряда вкатод закладывают количество оксида ртути большее, чем это соответствуетэквивалентному количеству цинка, поэтому разряд ХИТ лимитируется запасом цинка.
Схема цилиндрического элемента приведена на рис.2.4.2. Цилиндрическийэлемент содержит те же компоненты, что и дисковый, и принципиально егоустройство отличается от устройства дискового элемента только формой. Имеютсятакже ХИТ со спиральным анодом, который выполнен в виде тонкой цинковой фольгии прослойки бумаги, пропитанной раствором электролита. 1.4. Серебряно-цинковые первичные источники тока
/>
Серебряно-цинковые элементы выпускаются в дисковой(пуговичной или монетной) форме (рис.2.5.1). Конструкция СЦ-элементов близка кконструкции дисковых РЦ-элементов, но имеет особую герметизацию. Активная массаотрицательного электрода, состоящая из порошка цинка, ртути и гелеобразногоэлектролита, запрессовывается в позолоченную или покрытую оловом стальнуюкрышку. Активная масса положительного электрода состоит из Ag2O, графита (1-3%массовой доли) и других указанных ранее добавок. Активная массазапрессовывается в никелированный стальной корпус. Между анодом и катодомнаходится сепаратор, состоящий из нескольких слоев пленок из гидрат-целлюлозыили другого материала, набухающего в щелочи, и полиэтилена с привитой метакриловойкислотой (permion). Электролитом служит 20--40% -ней раствор КОН или NaOH сдобавкой оксида цинка. Раствор NaOH применяется в элементах, работающих принизких скоростях разряда. Электролит пропитывает пористый сепаратор. Вэлементах применяется специальное изолирующее кольцо, обеспечивающее надежнуюгерметизацию.
Элементы имеют плоскую разрядную кривую. Разрядноенапряжение при 20. °С находится в диапазоне 1,45-1,55. В, конечное напряжение — 1,0 В. При увеличении тока и снижении температуры напряжение элемента падает,что особенно заметно при температурах ниже 0 °С. Элементы характеризуютсявысокой удельной энергией (100-120 Вт ч/кг и 400-500 кВт ч/м3). 1.5. Литиевые источники тока/> />
Главная особенность конструкции всех без исключения типов литиевых элементов — ихабсолютно надежная герметичность. Даже малейшая разгерметизация литиевого элементачревата не только вытеканием электролита и его вредным воздействием на питаемуюаппаратуру (как в элементах с водными растворами электролитов), но и попаданиемвоздуха и паров воды в элемент и полным выводом элемента из строя, а такжеповышением его пожара — и взрывоопасное™. Поэтому технология изготовлениялитиевых элементов предусматривает сложные операции по сварке и другим типамсоединения разнородных материалов, сложные конструкции гермовыводов и т.п.
Раньше довольно много литиевых элементов выпускалось вгабаритах, идентичных габаритам элементов традиционных электрохимическихсистем, в частности, выпускались цилиндрические элементы типоразмеров ААА (286),АА (316), С (343), D (373), а также дисковые элементы. Учитывая опасность,которая может возникнуть при случайной замене традиционных элементовнапряжением 1-1,5. В на литиевые элементы напряжением 3. Во (что вполневозможно при эксплуатации бытовых приборов), в последнее время все больше фирмвыпускают литиевые элементы оригинальной конструкции, не допускающей их монтажв аппаратуру, рассчитанную на использование, например, щелочных марганцево-цинковыхэлементов. Поэтому кроме традиционных цилиндрической и дисковой форм литиевыеэлементы выпускают призматической формы и даже более оригинальных форм. Традиционныеэлементы цилиндрической и дисковой конфигурации часто имеют нестандартныевыводы — в виде аксиальных иглообразных штырьков, плоских лепестков,предусматривающих впаивание элементов в схему и т.п. На рис.2.6.1 приведеныпримеры конструктивного оформления выводов некоторых литиевых элементов.
Конструктивные типы литиевых элементов определяются общимиправилами: для эксплуатации при повышенных токовых нагрузках предназначаютсяэлементы с тонкими электродами, в основном рулонной конструкции, для получениямаксимальной удельной энергии используют набивные элементы. Схема устройстварулонных и набивных литиевых элементов показана на рис.2.6.2, а, б, на рис.2.6.2,в — схема конструкции дискового элемента.
Как правило, единичные литиевые элементы имеют емкость от0,05 до 20. А*ч. Обычно потребителю не приходится коммутировать эти элементы вбатареи; как правило, потребляющая аппаратура устроена таким образом, что в неепомещаются или единичные элементы, или батареи заводского изготовления. Вбольшинстве случаев современная аппаратура рассчитана на напряжение до 9. Во,что соответствует батареям из 3-6 последовательно соединенных литиевыхэлементов.
Литиевые электроды изготавливают в основном из тонких листов(лент), которые напрессовывают или накатывают на токоотводы из сеток илипластин из меди, нержавеющей стали или никеля.
Положительные электроды изготавливают напрессовыванием, намазкойили иным способом нанесения активной массы на токоотвод. Токоотводыизготавливают из сеток (тканых или просечных), решеток, сплошных или пористыхпластин и т.п. Активная масса электродов с твердым окислителем представляетсобой смесь активного вещества, электропроводной добавки и связующего. Вкачестве электропроводных добавок используются почти исключительно углеродныематериалы — сажа, графит, углеродные волокна и т.п. Связующим в большинствеслучаев служат фторированные полимеры. Содержание каждой добавки в активноймассе колеблется от 3 до 15% (по массе). Положительные электроды элементов сжидким окислителем изготавливают из углеродных материалов.
Разноименные электроды во всех элементах с жидкимэлектролитом разделяются сепаратором. В элементах с электролитами на основепротонных органических растворителей сепаратор изготавливают из пористого полипропилена.Наибольшей популярностью пользуется материал «Celgard». 1.6. Воздушно-цинковые первичные источники тока/> />
Призматические ХИТ средней и большой ёмкости.
Воздушно-цинковые ХИТ средней и большой емкости (30-3300. Ач) выпускаются призматической формы в виде готовых к употреблению или требующихактивации (резервных) ХИТ.
Готовые к употреблению ХИТ имеют монолитные цинковые аноды,блочные или карманные угольные катоды, прикрепленные к крышке корпуса (банке). Доступвоздуха обеспечивается через отверстие в крышке банки («дыхательное»отверстие, которое закрывается газонепроницаемой пенкой при хранении ХИТ) иличерез выступающий торец угольного электрода. Электролитом служит 30-40%-ный растворКОН или 20% -ней раствор NaOH. На дне сосуда имеется известь, необходимая длярегенерации щелочи.
Некоторые фирмы выпускают ХИТ в прозрачных корпусах, чтопозволяет контролировать уровень электролита и степень использования цинка. Поцвету осадка можно судить и о расходе извести, поскольку цинкит кальция имеетболее темный цвет, чем известь. Дисковые (пуговичные) и цилиндрические хит малой емкости
Малогабаритные портативные ХИТ выпускаются в основном в дисковом(пуговичном) варианте.
/>
Они состоят из анодов с порошкообразным цинком, сепаратора сэлектролитом (30-40% -нам раствором КОН), тонкого катода с катализатором(обычно МпО"), гидрофобной (гидрозащитной) фторопластовой пористой пленкии воздухораспределительной мембраны (рис.2.7.5). Анод кроме цинка содержитэлектролит и ингибитор коррозии. Катод состоит из активированного угля, сажи,катализатора, гидрофобизатора (фторопласта) и металлической, обычно никелевой,сетки. Воздух поступает в ХИТ через отверстие в крышке, которое закрыто пленкойдо начала работы ХИТ. С помощью специальной мембраны воздух равномернораспределяется по поверхности катода. Пористая фторопластовая пленка обеспечиваетпоступление воздуха к катоду и предотвращает попадание электролита на тыльнуюсторону катода. ГНПП «Квант» выпускает небольшими сериями цилиндрическийХИТ типоразмера 373.
/>
Воздушно-марганцево-цинковые ХИТ. Схема конструкции одного элемента из батареи «КорундВЦ» приведена на рис.2.7.10 [2.7.3]. Элемент размещается в винипластовомкорпусе 3, нижняя часть которого содержит отрицательный электрод 5. Активнаямасса анода состоит из цинкового порошка, электролита и ингибитора коррозии. Цинковыйпорошок имеет высокую чистоту (см. § 2.3.3).
Активная масса катода представляет собой двухслойнуютаблетку, армированную стальной сеткой и содержащую,%: диоксид марганца 35-40,ацетиленовую сажу 20 и активируемый уголь 40-45. Во внешний слой вводитсягидрофобизатор (парафин или полиэтилен). Благодаря гидрофобизатору электролитне проникает в воздушную камеру. Катод отделяется от анода загущенным электролитом,содержащим КОН (12 моль/л), ZnO (0,6 моль/л) и загуститель (крахмал и пшеничнаямука).
/>
Через дно корпуса выходит спиральный токоотвод 7 отрицательного электрода, закрепленныйгерметизирующим слоем эпоксидной смолы. Шесть элементов собираются столбиком вбатарею таким образом, чтобы токоотвод отрицательного электрода одного элементаприжимался к токоотводу положительного электрода другого элемента. Батареяимеет пластмассовый или металлический корпус с фигурными токовыводами накрышке, к которым подведены токоотводы от крайних элементов. После изготовлениябатарея помещается в полиэтиленовый изолирующий чехол и хранится в чехле доначала разряда. 1.7. Химические источники тока с алюминиевыми имагниевыми анодами
С алюминиевыми анодами и солевыми электролитами. Обычно выпускаютсяэлементы призматической формы. Простейшая схема элемента приведена на рис.2.8.1.Он состоит из алюминиевого или магниевого анода, газодиффузионного воздушногоэлектрода и электролитной камеры. При последовательном или параллельном соединенииэлементов получают батарею необходимой емкости и напряжения. Батарея имееткорпус с крышкой, к которой прикрепляются токоотводы электродов и в которойимеется клапан для отвода газов. На рис.2.8.2 приведена батареявоздушно-алюминиевых элементов, разработанная в МЭИ (ТУ). Материалом анодаслужил алюминий, модифицированный небольшими добавками (десятые и сотыемассовые доли процента) галлия, олова и свинца. В качестве воздушныхприменяются двухслойные электроды толщиной 1-1,2 мм. Диффузионный слой состоит из гидрофобизатора (на основе суспензии фторопласта), сажи иметаллической сетки. Активный слой содержит активированный уголь и фторопласт. Электролитомслужил раствор NaCl (12-15% (по массе)), имеющий удельную электрическую проводимостьпри 18. °С 140-164 См/м.
В МЭИ (ТУ) также разработан воздушно-алюминиевый ХИТ погружноготипа. Закрепленные на крышке электроды погружаются в сосуд с раствором NaCl. Дляпредотвращения токов утечки сосуд разделен на секции, имеющие дно и стенки иоткрытые вверху. Такая конструкция позволяет регулировать емкость ХИТ путемизменения размеров электродов и объема раствора электролита (объема секции). ТакиеХИТ могут монтироваться у потребителя на любые емкость и напряжение из готовыхвоздушных и металлических электродов. Была разработана и успешно испытанапогружая, батарея воздушно-алюминиевых элементов емкостью (без смены анодов) 300.А ч и напряжением 12. В, которая имела удельную энергию 300 Вт ч/кг.
Воздушно-алюминиевый ХИТ с щелочным электролитом. В качествеанодов используется алюминий высокой чистоты, легированный индием и другимиметаллами. Применяются пластины, порошки или стружка. Порошки или стружказагружаются между сетками в специальные рамки. В качестве катода служитгазодиффузионный двух — или многослойный электрод, состоящий из диффузионногогидрофобного слоя, токопроводящей сетки и активного слоя, содержащегокатализатор. /> />
Электролитом является раствор КОН (6-8 моль/л), в который некоторые фирмы добавляютингибитор коррозии, например станнит натрия. В большинстве ХИТ используетсяпринцип механической замены анодов, в некоторых ХИТ периодически заменяетсяраствор электролита. Конструкции этих ХИТ относительно мало отличаются отрассмотренных ранее конструкций ХИТ с солевым электролитом. Сложнее устроеныХИТ, имеющие контуры циркуляции электролита. Воздушно-алюминиевый ХИТ большоймощности отличается от обычных ХИТ и практически является электрохимическойэнергоустановкой (рис.2.8.6). Раствор электролита с помощью насоса 3 поступаетиз батареи элементов 1 в теплообменник 4, где охлаждается, а затем в фильтр 5резервуара раствора 7. Отфильтрованный раствор затем через термостат 8 исепаратор 9 поступает в батарею элементов. Твердый осадок 6 из фильтрапоступает на дно резервуара 7 и оттуда удаляется. В сепараторе 9 из раствораудаляются газы, прежде всего водород. Кроме приведенных на рис.2.8.6 частей, энергоустановкаимеет систему автоматики, а также может включать инвертор, пробгазующийпостоянный ток в переменный, трансформатор и систему использования выделяемой вэлементах теплоты.
Марганцево-магниевыеХИТ. Производятся марганцево-магниевыеХИТ цилиндрической конфигурации в двух конструктивных формах: обычной и свнутренним анодом. Обычная форма аналогична форме цилиндрическихмарганцево-цинковых ХИТ с солевым электролитом. Элемент имеет внешний магниевыйстакан, являющийся анодом, и внутренний прессованный или полученный экструзиейкатод с графитовым центральным токоотводом. Элемент снабжен клапаном для отводагаза при повышении давления. Элемент с внутренним анодом (рис.2.8.7) имеет двакатода 1 с внешней и внутренней сторон магниевого цилиндрического анода 2. Анодотделяется от катода пористым бумажным сепаратором с раствором электролита. Катодныйтокоотвод 3 находится как в центре цилиндра, так и образует внешний цилиндрэлемента. Элемент помещается в стальной луженый корпус. Магниевый анод содержитнебольшие добавки алюминия и цинка. Катод состоит из,% (по массе): ацетиленовойсажи — 10, хромата бария — 3, гидроксила магния (буферная добавка) — 1,диоксида марганца — остальное. На 10 мае. ч. сухого вещества вводят 4 мае. ч. раствораэлектролита. Электролит содержит /> />
1,2-2 моль/л Mg (C104) 2 и 0,2 г/л хромата лития.
При создании батарей элементов учитывается необходимостьотвода теплоты при 20 °С и выше и изоляции при низких температурах окружающейсреды. Принимается во внимание также необходимость удаления водорода.
2. Конструктивное исполнение электродов в резервныххимических источниках тока2.1. Водоактивируемые источники тока/> />
Разработаны и используются батареи биполярной и монополярной конструкций. Монополярныеэлементы соединяются проволочными или фольговыми токоотводами. Биполярныеэлектроды соединяются слоем графита и связующего, нанесенного на магниевый анодили на сшивку из медной проволоки (в ХИТ с хлоридом меди). В батареях повышенногонапряжения биполярной конструкции возникают токи утечки. Однако из-заотносительно невысокой электрической проводимости электролита (для морской воды2,9 См/м при О °С и 5,85 См/м при 30 °С) токи утечки в водоактивируемых ХИТобычно невелики. В батареях, в которых используются электролиты с более высокойпроводимостью, распределительные каналы между элементами имеют высокоеэлектрическое сопротивление, существуют также другие способы снижения токовутечки.
Применяются батареи погружного, наливного и проточного типов.Корпус батареи погружного типа имеет отверстия и щели или не имеет дна. Припогружении морская вода поступает снизу и (или) сбоку и активирует ХИТ. Времяработы может варьировать от нескольких минут до нескольких дней. Наливные ХИТимеют сепараторы, пропитанные раствором хлорида натрия и затем высушенные. На рис.3.2.1.представлена схема наливной батареи системы Mg-AgCl. Для активации ХИТзаливаются пресной или морской водой. Активация продолжается от 3 до 30 мин в зависимостиот температуры и солености воды. Время разряда их составляет от получаса досуток. В проточных батареях морская вода принудительно двигается между электродами.Специальный насос обеспечивает рециркуляцию воды. Благодаря циркуляцииэлектролита, повышения температуры из-за выделения теплоты и применениянепассивирующихся анодов достигаются высокие плотности тока (до 5 А/м2) иудельная мощность (до 1,2 кВт/кг). Время разряда не превышает 15 мин. 2.2. Ампульные источники тока
Существует целый ряд вариантов конструкций ампульныхбатарей, которые с момента их создания совершенствовались, но безпринципиальных изменений. Основными общими требованиями, предъявляемыми кконструкции, являются: длительный срок сохраняемости в сухом заряженномсостоянии, быстрота и безопасность процессов активации, высокая надежность вэксплуатации при воздействии ударных, вибрационных и линейных нагрузок, а вотдельных случаях обеспечение работоспособности источников тока при отрицательнойтемпературе.
Решение этих проблем достигается разными способами, причемособенности конструкции ампульных ХИТ зависят от предъявляемых требований. Конструкциибатарей могут быть условно разделены на ряд основных узлов, которые являютсяпринципиально общими для всех батарей с теми или иными конструктивными особенностями.Такими узлами можно считать следующие:
· собственно батарея, состоящая из последовательно соединенныхотдельных элементов или секций элементов. В большинстве случаев сосуд каждогоэлемента имеет два или несколько отверстий для ввода электролита, выходавоздуха и газа. В некоторых конструкциях в этих отверстиях устанавливаютсяклапаны того или иного устройства;
· резервуары для хранения электролита до моментаактивации батареи. Резервуары обычно выполняются в виде баллонов. Они могутконструктивно не представлять собой единого целого с батареей и послеприведения в действие могут отделяться, что повышает ее удельные характеристики.В некоторых вариантах конструкций, особенно батарей малых габаритов, электролитхранится в трубках малого диаметра и выдавливается непосредственно газом;
· устройства для выдавливания электролита в элементыиз баллонов. В качестве последних применяются трубопроводы для подачи газа подопределенным давлением, баллоны со сжатым газом, которые могут находиться как всамой батарее, так и вне ее, различные пиротехнические устройства для получениягаза в количествах, необходимых для создания в системе требуемого давления;
· узел, осуществляющий раздельное хранениеэлектролита и элементов. Этот узел чаще всего выполнен в виде диафрагмы,которая разрывается в момент приведения батареи в действие, открывая путь электролитув элементы. Разрыв диафрагмы может осуществляться прокалыванием ее остриемножа, чисто механическим давлением, а также под давлением газов, образующихсяпри взрыве пиропатрона. Известны варианты разрыва диафрагмы посредствомпрожигания с помощью импульсов электрического тока, пропускаемого по нитинакаливания, проходящей через диафрагму. Этот узел конструктивно может бытьвыполнен также в виде клапана;
· узел распределения электролита между элементамибатареи. В некоторых конструкциях батарей он выполнен в виде панелей с каналамии отверстиями для прохода электролита, иногда — в виде распределительных труб. Вбатареях с многоампульной заливкой электролит подается индивидуально в каждыйэлемент;
· система подогрева для батарей, рассчитанных наработу в условиях отрицательных температур. Эта система выполняется в виде пиротехническихустройств или электрических нагревателей. Известны патенты, предлагающиеосуществить подогрев элементов батареи за счет теплоты, выделяемой прихимических реакциях, происходящих при разряде батареи.
Помимо перечисленных выше основных узлов можно отметить наличиев батареях клапанов различных конструкций и назначений.
Специфические особенности имеют и собственно батареи ампульноготипа. Расположение электродов и конструкция сепараторов должны позволятьпоступающему в сосуды электролиту проникать ко всем электродам ираспространяться по их поверхности. Это достигается применением сепараторов свыступающими прожилками. Для улучшения смачиваемости сепараторы пропитываютсяповерхностно-активными веществами или эти вещества вводятся в электролит.
С целью улучшения работоспособности источников тока при интенсивныхрежимах разряда применяются различные способы увеличения внутренней поверхностиэлектродов. Особенно важное значение это имеет для цинковых электродов. ВСЦ-батареях применяются цинковые электроды, состоящие из нескольких слоев перфорированнойили растяжной фольги, многослойные электроды сетчатой конструкции и электроды сгубчатым осадком цинка. Эти способы позволяют значительно увеличить поверхностьэлектрода и обеспечить его работоспособность при высоких плотностях тока.
Среди возможных конструкций батарей в качестве основных можновыделить следующие варианты:
— многоампульные или одноампульные;
— с нижней или верхней заливкой; /> />
— с обогревательным устройством или без него.
В многоампульных батареях каждый из входящих в ее состав элементовзаливается из индивидуального заливающего устройства (рис.3.3.2). Диафрагмы,отделяющие элемент от электролита, прорываются одновременно, и электролит выливаетсяв элемент в течение очень короткого времени — за несколько секунд. Преимуществомтаких батарей является точное за полонение каждого элемента необходимымколичеством электролита. Недостатком — большое количество компонентов, входящихв состав батареи, что снижает ее надежность.
Одноампульные батареи обычно состоят из одного или двух рядовэлементов, в которые электролит заливают из одной или двух ампул (рис.3.3.3). Приведениев действие рассматриваемого варианта конструкции осуществляется с помощьюсжатого газа, находящегося в специальном баллоне. Сжатый газ может подводитьсяк батарее и от внешнего магистрального трубопровода. Он поступает в баллон сэлектролитом и вытесняет его в элементы батареи, при этом разделительнаядиафрагма прорывается острым ножом. Проход газа в батарею предотвращаетсярастягивающейся эластичной камерой. /> /> /> /> /> /> /> />
После срабатывания активационного механизма и прорыва диафрагмы электролит поступаетв элементы через распределительную камеру или по трубкам через штуцеры в днеили крышке сосуда.
Вытесняемые из элементов воздух и газ, выделяющиеся приработе батареи, удаляются через магистраль в специальный резервуар (отстойник),оснащенный клапаном для выхода избыточного газа. При нижней заливке электролитраспределяется равномерно, так как уровень его в элементах может выравниватьсяпо закону сообщающихся сосудов. При верхней заливке равномерности распределенияэлектролита достичь сложнее, но конструктивно легче решается вопрос о сведениик минимуму саморазряда элементов.
В тех случаях, когда батарея должна разряжаться припониженных температурах, она снабжается нагревателями. Чаще всего используютсяэлектрические нагреватели, которые встраиваются в баллон с электролитом. Иногдапредусматривается обогрев и самих элементов, но он менее эффективен. Поэтому ониспользуется одновременно с обогревом электролита. Такой вид обогрева позволяеттермостатировать батарею в течение установленного времени или подогревать ее периодическидля приведения в действие.
Известны батареи, в которых электролит предварительно не нагревается,а проходит через теплообменники во время заливки.
Это имеет как преимущества, так и недостатки. Сокращается времяготовности батареи, но в то же время одноразовый подогрев исключает возможностьхранения батареи в залитом состоянии при пониженных температурах.
Рассмотренные конструкции дают общее представление о принципеконструирования ампульных батарей одноразового действия, но не исчерпываютвсего многообразия конструкций.
Развитие источников тока ампульного типа за рубежом и вРоссии шло в аналогичных направлениях. Выпускаемые ОАО «АК Ригель»батареи имеют емкость от 2,8 до 200. А ч и по своим параметрам соответствуютуровню зарубежных ампульных источников тока.
Основы технологии ампульных СЦ-батарей. Специфичностьусловий эксплуатации источников тока ампульного типа обусловила необходимостьспециального выбора материалов для изготовления, как самих источников тока, таки заливающих устройств.
Отрицательный электрод для СЦ-батарей одноразового действияподвергался последовательному ряду усовершенствований. Вслед за применявшимсяпервоначально перфорированным цинком получили применение электроды с каркасомиз сеток с электролитические нанесенным плотным осадком цинка, электроды изпросеченной фольги, затем электроды с электролитические осажденным в щелочномэлектролите губчатым цинком.
Работоспособность этих электродов можно оценить по удельнойемкости и максимально допустимой плотности тока.
Электрод с электролитически осажденной цинковой губкой превосходитдругие электроды не только по допустимой плотности тока, но и по работоспособностипри пониженных температурах. При оптимальной степени уплотнения активной массы(пористость не менее 60%) он работоспособен при плотностях тока до 40 А/дм2 притемпературах от — 5 до +50 °С.
2.3. Тепловые источники тока
Конструкции ТХИТ самые разнообразные. Они различаютсяформой, размерами, способами электрических соединений единичных элементов междусобой, наличием в одном корпусе одной или нескольких сборок единичных элементовна одинаковое или разное напряжение, способами активации и термостабилиза¬цииво время работы и рядом других особенностей. Многие конструктивно-технологическиеварианты ТХИТ приведены. /> />
Основная форма ТХИТ — цилиндрическая, но имеются призматические разновидности,конструкции из двух сочлененных цилиндров и другие более сложные формы. Размеры- от одного сантиметра по диаметру и высоте до нескольких десятков сантиметровпо обоим параметрам. Единичные элементы: токоотвод (коллектор тока) — анод — сепаратор(или загущенный электролит) — катод — токоотвод бывают закрытого и открытого типа.В первом случае каждый единичный элемент размещается в отдельном герметизированномкорпусе (чашечная конструкция), во втором (таблеточная конструкция) анод и катод,припрессованные к токоотводам или соединенные с ними другим способом, а такжеэлектролит между ними выполнены в виде таблеток. Компоненты дополнительно припрессовываютсядруг к другу в каждом единичном элементе или в составе всей сборки. Частоуплотнение компонентов единичных элементов между собой достигается механическимпутем с помощью стяжки, пружины или другим способом.
Преимущество первого варианта — высокая сохраняемость и повышеннаяустойчивость к механическим перегрузкам, недостаток — сложная технологияизготовления, поэтому чашечная конструкция применяется редко.
В некоторых единичных элементах таблеточного типа применяютсявместо катодного токоотвода продуктов сгорания пиросмеси, которые должны иметьхорошую электронную проводимость, а сам катодный материал не должен выходить изстроя при сгорании пиротехнического состава. Схема единичного элемента в этомслучае: токоотвод — анод — электролит — катод — пиросмесь. Отсутствие одногокомпонента приводит к выигрышу в массе ТХИТ.
Наиболее простая и типичная конструкция приведена на рис.3.4.3.В цилиндрическом корпусе с теплоизоляцией размещена сборка единичных элементов,электрически последовательно соединенных друг с другом. Между каждыми двумяединичными элементами, а также на торцевых поверхностях сборки расположеныхимические нагреватели — таблетки пиросмеси. Уплотнение всех компонентов осуществляетсястяжкой — металлическим стержнем, расположенным в середине и покрытомэлектроизоляционным слоем. В верхней части стержня имеется резьба. Уплотнениедостигается закручиванием специальной шайбы. Активация осуществляется поджогомвсех таблеток пиросмеси. Для этого вдоль столба сборки помещена лента быстрогорящегопиротехнического состава — огневой канал (на рис.3.4.3. не показан). Лентамеханически контактирует с каждой таблеткой пиросмеси.
Поджиг пиротехнической ленты осуществляется с помощью пиропатрона,который, в свою очередь, запускается от внешнего источника тока. Ток,кратковременно использующийся для запуска пиропатрона, называется токомсрабатывания. Его минимальное значение обычно около 1А.
Электрическая коммутация первичных элементов. Для последовательногосоединения элементов используются три способа: с помощью металлическихпроводников, продуктами сгорания пиросмеси и комбинированный способ. Последний,чаще используемый метод обычно реализуется так. Два токовых коллектора — металлическиепластины круглой формы — соединяются перемычкой (гантель). На один коллекторнаносится анодный материал, на другой — катодный. Электролит припрессовываетсяк одному из полюсов.
Токоотводы могут находиться на одном торце цилиндра, на разных(как показано на рис.3.4.3), иногда — на боковой поверхности.
Тепловые ХИТ могут работать на одного потребителя или на несколько,обычно — на два. При электроснабжении двух потребителей нужны три токоотвода,два — с конечных элементов и один промежуточный, чаще с середины сборки. Посколькупромежуточный токоотвод является для одной части сборки положительным полюсом,а для другой — отрицательным, то одно выходное напряжение обозначают знаком "+",а другое — знаком "-".
Батарея для одного потребителя называется односекционной,для двух — двухсекционной и т.д.
Механическое соединение элементов конструкции. Кроме уплотненияединичных элементов и пиросмеси с помощью стяжек и пружин имеются другиеспособы. Вместо одной стяжки в центре ТХИТ часто применяют несколько стяжек попериферии, а огневой канал располагают в центре.
Имеется много вариантов ТХИТ, в которых механическое соединениеэлементов не применяется, а сборка получается просто при прессовании всех еекомпонентов.
3. Конструктивное исполнение электродов вовторичных химических источниках тока3.1. Свинцовые аккумуляторы и батареи
/>
Стартерные батареи. Конструкция и параметры. Конструктивностартерные АБ различаются незначительно. Схема их устройства представлена на рис.4.2.6.Современные стартерные АБ изготовляются в эбонитовых или пластмассовыхмоноблоках. В качестве материала пластмассовых моноблоков используютсяполиэтилен, полипропилен, блоксополимер этилена с пропиленом. Блоки электродовв современных АБ соединяются между собой через стенки моноблока. Массогабаритныепоказатели стартерных батарей емкостью 55 А ч, изготовляемых рядом ведущих фирммира. Кроме электрических и
эксплуатационных характеристик стартерных батарей представляютинтерес их удельные характеристики.
Стационарные аккумуляторы и батареи
Характерной особенностью стационарных аккумуляторов являетсярежим их эксплуатации. Эти аккумуляторы используются, как правило, в буферномрежиме, т.е. находятся в полностью заряженном состоянии и готовы в любой моментпринять на себя токовую нагрузку. Состояние полной заряженности поддерживаетсяпостоянным или периодическими подзарядами. Однако стационарные аккумуляторымогут эксплуатироваться и в режиме заряда-разряда.
В настоящее время стационарные аккумуляторы нашли широкое применениев системах телекоммуникаций для обеспечения бесперебойного электропитания. Перспективноприменение стационарных аккумуляторов в энергетике для сглаживания колебанийнагрузки в энергосистемах в течение суток. Стационарные аккумуляторы широко используютсяна тепловых и атомных электростанциях, гидроэлектростанциях, электрическихподстанциях, в ветровых и солнечных энергоустановках, в системах автоматизацииуправления. Используются также для электроснабжения отдельных зданий,метеорологических и ретрансляционных станций, буев, систем катодной защитыгазопроводов. Наконец, имеется большая потребность в систе¬мах аварийногоэнергоснабжения больниц, отелей, почтамтов.
Основными требованиями, предъявляемыми к стационарным аккумуляторам,являются:
· высокая надежность и долговечность;
· низкий саморазряд;
· малое обслуживание;
· продолжительность разряда в установкахбесперебойного питания от нескольких минут до нескольких часов;
· сравнительно низкая стоимость;
· высокие токи разряда в толчковых и импульсныхрежимах;
· высокая точность поддержания напряжения припостоянном подзаряде.
Существуют три основных типа свинцовых стационарныхаккумуляторов, различающихся конструктивным исполнением электродов: поверхностно-коробчатые,панцирные и намазные.
Объем производства в мировой практике каждого из трех типовпримерно одинаков и определяется требованиями потребителей: сроком службы,внутренним электрическим сопротивлением, объемом обслуживания, стоимостью. /> />
Поверхностно-коробчатые аккумуляторы разработаны более 50 лет назад, производятсяи в настоящее время, поскольку имеют срок службы 20 лет и более.
В указанных аккумуляторах используются поверхностные положительныеи коробчатые отрицательные пластины (рис.4.2.7. и 4.2.8). Поверхностныепластины отливаются из чистого свинца в виде листов с рифленой поверхностьютолщиной до 12 мм. Аккумуляторы изготавливаются в стеклянных, эбонитовых илидеревянных, выложенных рольным свинцом, баках. Поверхностно-коробчатыеаккумуляторы имеют открытое исполнение. Несмотря на большой срок службы,поверхностно-коробчатые аккумуляторы имеют существенные недостатки. Расходсвинца для этих аккумуляторов, например СК-1, СК-5, СК-24, составляет 0,10 — 0,13кг/(А ч), в то время как для аккумуляторов с намазными электродами эта величинане превышает 0,08 кг/(А ч). Открытое исполнение не позволяет размещатьповерхностно-коробчатые аккумуляторы вблизи от аппаратуры.
Аккумуляторы с панцирными электродами. В аккумуляторах панцирнойконструкции используются трубчатые положительные электроды (рис.4.2.9) инамазные отрицательные. /> />
Панцирный электрод состоит из штыревой гребенки 1, отливаемой вместе с токоведущейрамкой 4 и ушком из свинцово-сурьмяного сплава. На штыри гребенки надеваютсяпанцирные трубки 2 круглого или овального сечения из тканого материала. Пространствомежду штырями и трубкой заполнено активной массой 3. Для лучшей фиксации штырейпоследние имеют приливы 5 по всей высоте. Снизу панцирный электрод закрываетсяпластмассовой гребенкой 6. Толщина панцирных электродов обычно составляетпримерно 8 мм. Отрицательные электроды аналогичны обычным намазным электродам.
Панцирные аккумуляторы изготавливаются в полипропиленовых, полистирольныхили эбонитовых баках. Срок службы панцирных аккумуляторов составляет 15-20 лет.В России аккумуляторы аналогичной конструкции не производятся.
Аккумуляторы с намазными электродами. Стационарные аккумуляторыс намазными электродами отличаются от других аккумуляторов большей толщинойэлектродов. Аккумуляторы с намазными электродами, как и панцирные, имеютзакрытое исполнение (рис.4.2.10). Такие аккумуляторы изготавливаются с двойнымисепараторами: мипласт и стекловолокно, полиэтилен и стекломат и др.
Срок службы стационарных аккумуляторов с намазными электродамисоставляет 10-15 лет, т.е. уступает этой величине для поверхностно-коробчатых ипанцирных аккумуляторов. Однако намазные аккумуляторы имеют наименьшеевнутреннее сопротивление, что обеспечивает лучшие характеристики при толчковыхи импульсных нагрузках и при коротких режимах разряда.
В России в Научно-техническом центре АОЗТ «Электротяга»(Санкт-Петербург) разработан и освоен промышленный выпуск серии стационарныхаккумуляторов с намазными электродами.
Погружные аккумуляторы. Проблема освоения ресурсов мировогоокеана считается одной из важнейших проблем современности. Среди техническихсредств, созданных с этой целью, наибольшего внимания заслуживают глубоководныеаппараты. В нашей стране успешно эксплуатировались аппараты «Тинро-2»,«Бентос-300», «Осмотр», «Аргус» и др. Наибольшеераспространение как за рубежом, так и в нашей стране получили энергетические установкисо свинцовыми аккумуляторными батареями, располагающимися в прочном корпусе иливне его, из-за их исключительно высокой надежности. Интересно, чтопроникновение человека в океан с помощью автономных технических средств началосьсразу с больших глубин. Начиная примерно с середины 60-х годов XX в., почти вовсех развитых странах мира начали строить автономные подводные транспортные средствадля доставки исследователей в глубь океана с целью проведения многочисленных океанологическихисследований. /> />
При размещении АБ непосредственно в морской воде возникает ряд проблем, основнаяиз которых — компенсация наружного давления. При работе под водой необходимопредусматривать свободное выделение газа из аккумуляторов.
При этом вентиляционный клапан должен не только обеспечиватьнеобходимую скорость выхода газа, но и препятствовать попаданию морской воды ваккумуляторы. Кроме того, необходимо обеспечить исключение токов утечки черезмор¬скую воду от выводов батареи.
На первом этапе развития погружных аккумуляторов в нашейстране была создана компенсационная система, индивидуальная для каждого аккумулятора.Компенсатор давления состоит из двух основных элементов: камеры с эластичнымистенками, заполненной жидкой фазой, и газового клапана (рис.4.2.13 и 4.2.14). /> />
Внутренняя полость компенсатора давления заполнена электролитом и сообщена сподкрышечным пространством аккумулятора. При погружении аккумулятора в морскуюводу компенсатор под воздействием гидростатического давления сжимается и находящийсяв нем электролит перетекает в бак. Объем камеры — компенсатора давления и номинальныйобъем электролита в камере определяются экспериментально с учетом измененияобъема электролита вследствие сжимаемости жидкости; сжатия и растворения газа,имеющегося в порах активных масс и сепараторов; температурных колебанийэлектролита и изменений объема, связанных с фазовыми превращениями в активныхмассах. С известным приближением можно принять, что объем камеры VK зависит отобъема аккумулятора V: FK = (0,03-0,04) V.
Определенное влияние давление должно оказывать и наэлектрохимические процессы, происходящие в аккумуляторе. Известно, что с ростомдавления увеличивается электрическая проводимость электролита. Повышениеудельной электрической проводимости электролита, естественно, должно способствоватьувеличению разрядного напряжения вследствие уменьшения омических потерь.
Характер воздействия давления на разрядные характеристики электродовс точки зрения теории пористых электродов может быть объяснен увеличениемэффективной глубины протекающих процессов. Кроме того, повышение давленияспособствует снижению газонаполнения электродов, т.е. увеличению объемаэлектролита, и, следовательно, снятие диффузионных ограничений непосредственнопри большом гидростатическом давлении затруднено. В этом случае наблюдается нетолько рост разрядной емкости, но даже ее снижение. Это явление может бытьобъяснено затруднением перемешивания электролита вследствие малого размерапузырьков газа при большом давлении.
В нашей стране с использованием компенсаторов давления, описанныхвыше, созданы три типа аккумуляторов: СП-200М, СП-200М1 и СП-680.
Внутренняя полость компенсаторов давления заполняется электролитом,для улучшения электрической изоляции в камеру заливают небольшое количестводиэлектрической жидкости ПМС-10 с удельной массой меньше единицы. Межэлементныесоединения выполнены в виде гибких перемычек с изоляционным покрытием. Изоляциятоковедущего узла осуществляется при помощи стаканчиков из пластмассы,смонтированных на борнах и залитых компаундом.
Аккумуляторы выдерживают 60 зарядно-разрядных циклов до сниженияемкости до 80% номинального значения. Назначенный срок службы составляет 2 года.Аккумуляторы могут выпускаться как в сухозаряженном исполнении, так и залитымиэлектролитом за¬ряженные.
В настоящее время разрабатывается аккумулятор СП-200М-2 сповышенным до 4 лет ресурсом и 120 зарядно-разрядными циклами.
Одним из существенных достоинств погружных аккумуляторов с индивидуальнымикомпенсаторами давления является допустимость кратковременных наклонов аккумуляторов.
К числу недостатков аккумуляторов такого типа можно отнестинеобходимость изоляции межэлементных соединений, усложнение конструкции за счетприменения компенсатора давления, что увели¬чивает объем и габаритыаккумулятора и снижает удельные электри¬ческие показатели.
На втором этапе развития погружных аккумуляторов в нашейстране был использован способ компенсации давления при помощи диэлектрическойжидкости, отделяющей серно-кислотный электролит от морской воды. При этомспособе компенсации аккумуляторы устанавливаются в специальные металлическиеконтейнеры, заполненные диэлектрической жидкостью. Этот способ полностью исключаетпроблему защиты выводов от утечек тока, а также необходимость применениярезиновых камер-компенсаторов и клапанов. Применяемая для этих целейдиэлектрическая жидкость не должна взаимодействовать с конструкционнымиматериалами, герметизирующими компаундами, морской водой, электролитом, выделяющимисягазами. Плотность диэлектрической жидкости должна быть меньше плотностиэлектролита, но больше плотности морской воды. В контейнерах, заполненныхжидким диэлектриком аккумуляторы могут эксплуатироваться при гидростатическомдавлении до 65 МПа. Окончание заряда в данном случае определяется по достижениипостоянства напряжения АБ в течение 2 ч. Сопротивление изоляции АБ,смонтированной в контейнере с жидким диэлектриком, составляет не менее 10 МОм.
С использованием описанного способа компенсации гидростатическогодавления в нашей стране разработан и выпускается погружной аккумулятор емкостью2650 А ч. Аккумулятор имеет габариты: 208x249x857 мм. Заряд погружныхаккумуляторов под водой существенно повышает эффективность эксплуатацииподводных аппаратов. Однако при разработке оптимальных режимов следуетучитывать влияние гидростатического давления на зарядные процессы ваккумуляторах, поскольку это может привести в конечном итоге к снижению емкостипри последующих разрядах.
Погружные аккумуляторы большой емкости уже в обозримом будущемнайдут применение в качестве средств движения для подводных транспортныхсредств. Перспективы дальнейшего развития свинцовых аккумуляторов
Новые материалы. Прошло не так много времени с тех пор,когда применение новых полимерных и композиционных материалов для изготовлениякорпусов, крышек и других комплектующих деталей, замена внешних межэлементныхсоединений на сварку блоков через перегородки позволили существенно повыситьэлектрические параметры свинцовых аккумуляторов и их эксплуатационную надежность.Однако выявляются все новые и новые области применения АБ, поэтому изучениеизменения свойств этих материалов (скорости деструкции, электрическогосопротивления, модуля упругости и других механических свойств) должно явитьсяпредметом специальных исследований.
/>Не менееперспективен и поиск новых, более легких и электропроводных сплавов и металловпо сравнению со свинцовыми сплавами. В этом отношении уже создана принципиальнаятехнология термодиффузионного свинцевания и лужения алюминия и его сплавов[4.2.2], позволяющая применить вкладыши в МЭС и в выводах из этих материалов (рис.4.2.20) с целью снижения потерь напряжения аккумуляторов различного назначения на короткихрежимах разряда. Массовое применение алюминиевых вкладышей в токоведущие деталитаких аккумуляторов, как тяговые, тепловозные, стационарные, дало бысущественный экономический эффект, выигрыш в мощности и энергии аккумуляторов.
Использование титана в качестве токоведущих основ влитературе обсуждалось неоднократно. Применение титановых токоотводовзатруднено образованием на их поверхности пленки из TiO2, создающей высокое электрическоесопротивление на границе токоотвод-активная масса. Основные исследования следуетнаправить на поиски оксидных или иных электропроводных покрытий, исключающихнепосредственный контакт титановой основы с серной кислотой.
/>В связи стем, что дальнейшее увеличение ресурса, надежности и срока службы свинцовыхаккумуляторов практически невозможно при использовании существующих сепараторовиз-за прорастания их дендритами свинца и образования вследствие этогомикрокоротких замыканий, основные исследования должны быть направлены на созданиеотечественных сепараторов с высокой объемной пористостью, низким электрическим сопротивлением,минимальным диаметром пор (~1 мкм) и с максимальным коэффициентом извилистости.
Технология. К числу приоритетных направлений дальнейших работв области технологии можно отнести промышленное использование меди в качестветоковедущих основ отрицательных электродов (рис.4.2.21). Хотя медные основыизвестны более 40 лет (впервые в мировой практике применены в АОЗТ «Электротяга»,Санкт-Петербург) и преимущества их очевидны, они, тем не менее, не нашли массовогоприменения в стационарных, тяговых, тепловозных, электромобильных и другихтипах АБ. Основные усилия, кроме создания механизированной технологииизготовления медных токоотводов, должны быть направлены на отработку надежногоспособа защиты меди от воздействия серной кислоты.
Отливка токоотводов из свинцовых сплавов хотя и является в настоящеевремя высокопроизводительным процессом, его, тем не менее, нельзя назватьперспективным, прежде всего с точки зрения экологической безопасности. Альтернативойметоду свободного литья токоотводов или литью под давлением (для тяговых истационарных аккумуляторов) могут стать процессы непрерывной отливки тонкойленты из свинцового сплава, ее дисперсионного упрочнения, просечки, вытяжки (потипу технологии изготовления медных основ) и последующей намазки.
Основным направлением дальнейших исследований электродныхпаст должна явиться разработка промышленной технологии для получения паст сзаданными фазовым составом и структурными свойствами.
Процесс формирования электродных пластин является одним изсамых «узких» мест в производстве свинцовых аккумуляторов из-за егобольшой продолжительности. Одними из основных направлений интенсификациипроцесса формирования электродных пластин следует считать охлаждение электролитапутем его перемешивания при помощи аэролифтных систем, применениеэлектропроводящих волокон или других добавок в активные массы.
Как и для большинства ХИТ, одним из реальных путей дальнейшегоповышения удельной энергоемкости свинцовых аккумуляторов являются созданиенаучных основ моделирования электродных процессов, оптимизация конструкции какотдельных узлов и деталей, так и аккумулятора в целом. Например, заслуживаетвнимания создание крупногабаритных аккумуляторов (тяговых и стационарных) с горизонтальнымрасположением электродов.
Увеличению эксплуатационного срока службы аккумуляторов будутспособствовать работы по созданию средств диагностики их технического состояния.
3.2. Никель-кадмиевые аккумуляторы и батареи. /> />
Непроливаемые никель-кадмиевые аккумуляторы и батареи. В конструкции непроливаемыхникель-кадмиевых аккумуляторов КН-14, КНБ-15 и КНП-20 есть много общего. Поэтомуустройство перечисленных типов аккумуляторов целесообразно рассмотреть напримере конструктивного оформления аккумулятора типа КНБ-15 (рис.40).
Аккумулятор состоит из положительного 1 и отрицательного 2блоков, помещенных в железный никелированный сосуд 4. От корпуса положительныйи отрицательный блоки аккумуляторов КНБ-15 и-КНП-20 изолированы прокладками извинипласта 7, 8. У аккумуляторов КН-14 положительный блок соединен с корпусом; положительныепластины этого блока являются" крайними к корпусу аккумулятора, поэтому. прокладкииз винипласта устанавливают только с торцевых сторон. Положительный блокаккумуляторов КН-14, КНБ-15 и КНП-20 состоит соответственно из пяти, шести ивосьми пластин, отрицательный — из четырех, пяти, девяти и пластин. Пластины обеихполярностей аккумуляторов, КНБ-15 и КНП-20, а также отрицательные пластиныаккумуляторов КН-14 приварены к мостику с борном (1, 2, 15). Борны выведенынаружу через отверстия в. крышке сосуда аккумулятора. Положительные пластины иположительный борн аккумулятора КН-14 приварены соответственно к сосуду икрышке.
Пластины аккумулятора типа КНБ-15 изолированы друг от другакомбинированной изоляцией (сепаратором): капроновой тканью 14 и щелочестойкойбумагой 13.
Лента из капроновой ткани с бумагой проложена зигзагообразномежду отрицательными и положительными пластинами в один слой. Изоляция электродоваккумулятора типа КНП-20 осуществляется размещением положительных пластин,обернутых щелочестойкой бумагой, чехлах из капроновой ткани.
Сепаратором аккумуляторов КН-14 служит чехол изперхлорвиниловой ткани, надеваемой на отрицательные пластины.
Уплотнение борнов в крышке аккумуляторов осуществляется спомощью уплотнительных колец из резины 10, изоляционных эбонитовых втулок 9,металлических шайб 12 и гаек 11. Горловина 17 уплотняется пробкой 5 иуплотнительным кольцом 18. Вентильные отверстия пробки закрыты вентильнымкольцом 16.
Батареи типа 2КНБ-15 и 2КНП-20 состоят из двухпоследовательно соединенных аккумуляторов (рис.40). Сосуды аккумуляторов вбатареях сварены по широкой стороне дна сплошным швом, а по крышке частичнойсваркой. Борны (выводные штыри) аккумуляторов с одной стороны соединеныпоследовательно шиной 6, другие два борна являются выводными полюсами батареи. Уположительного борна на крышке 3 аккумулятора выштампован знак " + ",у отрицательного — тип батареи (2КНБ-15 или 2КНП-20).
В НК-аккумуляторах применяются безламельные электроды. Однойиз разновидностей которых являются прессованные электроды. Прессованныеэлектроды получают методом напрессовки под давлением 35-60 МПа активной массына сетку или стальную перфорированную ленту. Активная масса состоит изгидроксида никеля (+2), гидроксида кобальта (3-6%), графита (16-23%) исвязующего (раствора натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы, содержащего 5г/лКОН). Масса перед прессованием вальцуется. Для увеличения прочности полученныепластины покрывают щелочестойким лаком, а на некоторых предприятиях обклеиваютбумагой или тканью. Толщина пластин 0,8-1,8 мм. Во избежание осыпания и вымывания активной массы прессованные электроды используют в аккумуляторах с плотнойсборкой, при которой пластины, разделенные сепараторами, плотно прижимаютсядруг к другу. Для повышения устойчивости в активную массу иногда вводятсвязующие вещества. Прессованные электроды изготавливают также методом валь/> />
цевания.
К разновидностям прессованных электродов относят таблеточныеэлектроды, имеющие круглую форму. Прессованные электроды имеют высокую удельнуюэнергию и меньшую стоимость по сравнению со спеченными электродами, могутработать при низких температурах, но характеризуются меньшим ресурсом.
Герметичные аккумуляторы производятся в металлическихкорпусах призматической, цилиндрической и дисковой форм (рис.4.4.1-4.4.4). /> /> /> /> /> /> /> />
Герметизируют цилиндрические и дисковые аккумуляторы путем обжатия (завальцовки)полиамидной или винипластовой прокладки между зигом корпуса и крышкой. Уплотнениеборнов призматических аккумуляторов осуществляется, как правило, при помощирезиновых колец в виде тора овального сечения. Сжимается кольцо в радиальномнаправлении от борна к втулке крышки. В зарубежных призматических герметичныхаккумуляторах широко применяются керамические уплотнения борнов.
В качестве сепараторов используются ткани и нетканыематериалы (войлоки, фетры) из поливинилхлорида, полипропилена, полиамида,капрона и других материалов. Могут быть комбинации нескольких слоев сепараторовиз различных материалов.
Призматические аккумуляторы в большинстве случаев содержатспеченные положительные электроды. Если не требуется большого ресурса, тоиспользуются прессованные положительные электроды. Отрицательные электродыбывают как спеченной, так и прессованной, вальцованной и намазной конструкции. Спеченныеэлектроды получают пропиткой активной массой высокопористых (не менее 70%) никелевыхпластин, которые изготовляют спеканием заготовок из порошка карбонильногоникеля. Прессованные, вальцованные и намазные электроды получили свое названиепо технологии нанесения активного материала на металлическую подложку. В цилиндрическихаккумуляторах применяются спеченные положительные электроды, в паре с которымимогут использоваться как спеченные, так и намазные или вальцованныеотрицательные электроды. В дисковых аккумуляторах в основном используютсяламельные электроды, хотя могут применяться прессованные и спеченные электроды.В качестве материала ламели используется никелевая сетка.
Спеченные (металлокерамические) электроды состоят изпористой (с пористостью не менее 70%) металлокерамической основы, в порахкоторой находится активная масса. Основу производят из карбонильного никелевогомелкодисперсного порошка, который в смеси с карбонатом аммония или карбамидом(60-65% никеля, остальное — наполнитель) напрессовывают, накатывают илинапыляют на стальную или никелевую сетку. После этого сетку с порошком подвергаюттермообработке в восстановительной атмосфере (обычно в атмосфере водорода) притемпературе 800-960 °С, при этом карбонат аммония или карбамид разлагается и улетучивается,а никель спекается. Полученные таким образом основы имеют толщину 1 — 2,3 мм, пористость 80-85% и радиус пор 5-20 мкм. Основу поочередно пропитывают концентрированнымраствором нитрата никеля или сульфата никеля и нагретым до 60-90 °С растворомщелочи, которая вызывает осаждение оксидов и гидроксидов никеля. Пропиткупроводят несколько раз (до 4 раз), чтобы заполнить оксидами до 40-60% объемапор пластин. Затем пластины тщательно отмывают от нитрат — и сульфат-ионов вконденсате или деминерализованной воде до слабо розового окрашивания пробы водыпри добавлении фенолфталеина. После этого пластины сушат при температуре 80-139°С. /> />
Пластины формируют путем двух-трехкратных зарядов-разрядов в растворе КОНплотностью 1,09-1,11 г/см3 при определенных режимах. В настоящее времяприменяется также электрохимический метод пропитки, при котором электродподвергается катодной обработке в растворе нитрата никеля. Из-за выделения водородараствор в порах пластины подщелачивается, что приводит к осаждению оксидов игидроксидов никеля в порах пластины. К разновидностям спеченных электродовотносят фольговые электроды. Электроды изготавливают нанесением на тонкую (0,05 мм) перфорированную никелевую ленту с двух сторон методом пульверизации спиртовой эмульсииникелевого карбонильного порошка, содержащей связующие вещества (обычно клей БФ),спеканием и последующей химической или электрохимической пропиткой реагентами. Толщинаэлектрода составляет 0,4-0,6 мм.
Спеченные электроды имеют более высокие электрическую проводимостьи удельную емкость, могут разряжаться и заряжаться при более высокой скорости ив более широком диапазоне температур, однако они дороже ламельных электродов,имеют относительно невысокий ресурс. Кроме того, у них выше скоростьсаморазряда.
Расположение электродов по отношению к корпусу аккумуляторатакже различно. В дисковых аккумуляторах электроды располагаются параллельнокрышке, в цилиндрических — перпендикулярно. В призматических аккумуляторах вбольшинстве случаев электроды размещаются перпендикулярно крышке. Только втаблеточных аккумуляторах (НКТБ-80) электроды расположены параллельно крышке. Таблеточныйэлектрод представляет собой перфорированную металлическую чашечку (таблетку),на которую напрессовывается активная масса. По существу таблеточный электрод — эторазновидность ламельного электрода.
В некоторых отечественных герметичных аккумуляторах, имеющихтолстые (до 2 мм) положительные электроды, в донную часть засыпается активированныйуголь. Поскольку металлический корпус в этих случаях электрически соединен сотрицательным электродом, то уголь играет роль кислородного электрода. Для тогочтобы обеспечить эффективный подвод кислорода, используют крупнозернистый уголь.В зарубежных аккумуляторах кислородный электрод, как правило, не используется,так как рабочие электроды обычно спеченные, малой толщины (до 0,8 мм), что обеспечивает высокую скорость газопоглощения. 3.3. Никель-металлогидридные аккумуляторы и батареи
Конструктивные исполнения НМ-аккумуляторов очень сходны с конструкциямиНК-аккумуляторов. Это связано с тем, что в этих аккумуляторах развиваютсяблизкие по значению давления газов внутри корпуса, используются близкий посоставу щелочной электролит и одинаковые конструкции положительногооксидно-никелевого электрода.
НМ-аккумуляторы выпускаются различных конструкций и емкостей- от дисковых, которые имеют емкость в несколько мА ч, до мощных призматическихемкостью до 250 А ч.
Дисковые НМ-аккумуляторы имеют буртиковую и безбуртиковую конструкциикорпуса, аналогичные НК-аккумуляторам (см. разд.4.3). Безбуртиковая конструкциякорпуса позволяет получить на 20-30% выше емкость аккумулятора при сохранении габаритныхразмеров за счет большого внутреннего объема аккумулятора. В последнее времяпоявились дисковые аккумуляторы овальной формы, которая позволяет в ряде случаевпри изготовлении батарей призматической формы эффективнее использовать заданныйобъем. Дисковые аккумуляторы состоят из одной или двух пар положительных и отрицательныхэлектродов. /> /> /> /> /> /> /> />
Наибольшее распространение среди НМ-аккумуляторов нашли аккумуляторы цилиндрическойформы. Положительный и отрицательный электроды, разделенные сепаратором,скручены в виде рулона, который вставлен в корпус и закрыт герметизирующей крышкойс прокладкой (рис.4.5.1). Крышка имеет предохранительный клапан, срабатывающийпри давлении 2-4 МПа в случае неправильной эксплуатации аккумулятора. Малогабаритныецилиндрические аккумуляторы небольшой мощности выпускаются и с ламельнойконструкцией электродов.
В призматических НМ-аккумуляторах (рис.4.5.2) положительныеи отрицательные электроды расположены поочередно, а между ними располагаетсясепаратор. Блок электродов вставлен в металлический или пластмассовый корпус изакрыт герметизирующей крышкой. На крышке обычно устанавливается клапан илидатчик давления.
В НМ-аккумуляторах используется щелочной электролит,состоящий из КОН (6-8 М) с добавкой 10-30 г/дм3 LiOH. В качестве сепаратора вНМ-аккумуляторах используются нетканые полипропилен и полиамид толщиной 0,12-0,25 мм, обработанные смачивателем.
Положительный электрод. В НМ-аккумуляторах применяются положительныеоксидно-никелевые электроды, аналогичные используемым в НК-аккумуляторах. Способыполучения и удельные характеристики положительных электродов различных конструкций,используемых в НМ — и НК-аккумуляторах, были даны в § 4.3.1. В НМ-аккумуляторахв основном используются металлокерамические, а в последние годы — войлочные ипенополимерные электроды.
В НМ-аккумуляторах, применяемых при повышенных температурах,в состав оксидно-никелевого электрода вводят добавки оксидов редкоземельныхметаллов. Эти добавки увеличивают перенапряжение выделения кислорода приповышенных температурах и улучшают прием заряда: при 60 °С разрядная емкостьНМ-аккумулятора увеличивается при введении добавок с 40 до 90%.
Отрицательный электрод. Практическое применение вНМ-аккумуляторах нашли пять конструкций отрицательного металлогидридногоэлектрода:
· ламельная, когда порошок водородабсорбирующегосплава со связующим веществом или без него запрессован в никелевую сетку;
· пеноникелевая, когда паста со сплавом и связующимвеществом вводится в поры пеноникелевой основы, а затем сушится и прессуется(вальцуется);
· фольговая, когда паста со сплавом и связующимвеществом наносится на перфорированную никелевую или стальную никелированнуюфольгу, а затем сушится и прессуется;
· вальцованная, когда порошок активной массы,состоящей из сплава и связующего вещества, наносится вальцеванием (прокаткой) нарастяжную никелевую решетку или медную сетку;
· спеченная, когда порошок сплава напрессовывается наникелевую сетку и затем спекается в атмосфере водорода. 3.4. Серебряно-цинковые аккумуляторы
Созданию серебряно-цинкового аккумулятора в значительнойстепени способствовало, применение набухающей сепарации с именно такими свойствами.
Относительно хорошая электропроводность активных массэлектродов исключает необходимость применения — каких-либо токопроводящих добавокили специальных каркасов для лучшего распределения тока.
/>Конструкциясеребряно-цинковых аккумуляторов существенно отличается от конструкции обычныхщелочных или кислотных аккумуляторов. В серебряно-цинковых аккумуляторахположительные пластины изготовляются из чистого, тем или иным способомприготовленного серебра, а отрицательные — из окиси цинка в смеси с порошком металлическогоцинка.
Положительные пластины отделены от отрицательных несколькимислоями гидратцеллюлозной пленки, применение которой обусловлено тем, что черезнее, с одной стороны, хорошо диффундирует электролит, а с другой стороны, онапрепятствует миграции коллоидных частиц окислов серебра от положительногоэлектрода к отрицательному и прорастанию дендрлтов цинка в противоположном направлении.
Собранный пакет электродов помещается в пластмассовый сосуди заливается химически чистой калиевой щелочью плотностью обычно 1,40. Размерыэлектродов и сосудов подбираются таким, образом, чтобы при заполненииаккумулятора электролитом электроды испытывали соответствующее боковоедавление, обеспечивающее внутреннюю механическую устойчивость, предупреждающуюосыпание, активной массы электродов. Кроме того, при наличии бокового давленияотпадает необходимость использования каких-либо жестких решеток и стоек, какэто делается у кислотных и у обычных щелочных аккумуляторов. Устройство ивнешний вид серебряно-цинковых аккумуляторов показаны на рис.98.
Различные типы серебряно-цинковых аккумуляторов отличаютсягабаритами и емкостью, а также конструктивным исполнением. 3.5. Никель-цинковые аккумуляторы
Конструкция никель-цинкового аккумулятора тождественнаконструкции серебряно-цинкового аккумулятора (рис.118) Положительные электродыизготовляются обычно по безламельной технологии, отрицательные — из смесипорошка цинка с' окисью цинка. В шахтных аккумуляторах (рис.119) отрицательныеэлектроды изготовляются из Смеси окиси цинка с гидроокисью кальция. Назначениепоследней — связывать цинк при разряде в нерастворимый цинкат кальция CaZn(OH) 4.Однако необходимый эффект достигается только при использовании в качествеэлектролита раствора едкого кали небольшой плотности (не более 1,06).
Обычным же электролитов — никель-цинковых аккумуляторов,является раствор КОН плотностью 1,30; в котором растворимость цинка достаточновысокая и поэтому добавление, гидроокиси кальция в отрицательные электроды недостигает цели. /> /> /> /> /> /> /> />
Сепарацией в никель-цинковых аккумуляторах, как и в серебряно-цинковых, служитгидратцеллюлозная пленка. 3.6. Воздушно-цинковые перезаряжаемые xимические источники тока
Разработан двухслойный пористый гидрофобизированныйвоздушный электрод, не содержащий платиновых катализаторов и способный циклироваться(рис.4.11.4, а). Бифункциональным катализатором служил пиролизованный макроциклкобальта — пирополимер (ПП*), созданный в ИНЕОС РАН и Ивановскомгосударственном химико-технологическом университете./> />
Дальнейшие работы показали, что более высокую активность и стабильность имеет трехслойныйэлектрод с никелевым слоем, активным в реакции выделения кислорода, среднимслоем с катализатором восстановления кислорода (диоксидом марганца, перовскитомили пирополимером) и диффузионным слоем для подвода воздуха (рис.4.11.4, б).
Разность потенциалов выделения кислорода и восстановлениякислорода воздуха на таких электродах составляла 700-800 мВ. Таким образом, ввоздушно-цинковых перезаряжаемых ХИТ могут использоваться достаточно активные истабильные двухслойные электроды с бифункциональным катализатором или трехслойныеэлектроды с двумя катализаторами.
Фирма AER Energy Resources разработала призматическийвоздушно-цинковый портативный ХИТ, предназначенный для ноутбуков и другой электроннойаппаратуры емкостью 20 А ч [0.21]. Элемент состоит из высокопористого цинковогоанода, матричного электролита в высокопористом сепараторе и тонкогодвухслойного воздушного электрода.
Размеры элемента 135x76x12,2 мм. К особенностям конструкцииэтого ХИТ можно отнести наличие устройства для управления скоростью поступлениявоздуха (от нулевой до максимальной, соответствующей току пика мощности 3 А). Разряднаякривая при умеренных скоростях разряда достаточно пологая (рис.4.11.5). Диапазонрабочих температур — от 5 до +35 °С. Батарея заряжается при постоянном токе вдве стадии. Сначала заряд до достижения около 85% емкости проводится при умереннойскорости (см. рис.4.11.5), затем скорость заряда уменьшается. Для полногозаряда батареи требуется 24 ч. Коэффициент полезного действия близок к 50%. Дляувеличения срока службы необходимо контролировать скорость заряда и не допускатьперезаряда. Параметры ХИТ приведены в табл.4.11.3. Фирма DreisbachElectromotive Inc. разработала ХИТ планарного типа биполярной конструкции, предназначенныйдля электромобиля [0.21]. Анод готовится из порошкового цинка. Электролит (КОН)содержит загуститель. Размеры одного элемента 330x350x7,5 мм, масса 1 кг. Для устойчивой работы ХИТ регулируется влажность воздуха и удаляется СО2. При кратковременныхразрядах удельная мощность может быть увеличена, но при этом снижается удельнаяэнергия. К основным недостаткам фирма относит невысокую удельную мощность иограниченный срок службы сепаратора (матрицы).
В Швейцарии разрабатывается воздушно-цинковый аккумуляторемкостью 20 А ч и напряжением 12 В. Анод площадью 100-200 см2 состоит изпорошков оксида цинка (84%), целлюлозы (10%), фторопласта (4%) и РЬО (2%). Применяетсяцеллюлоза с длиной волокон более 5 мм. Паста наносится на освинцованную меднуюсетку. Электрод сушится при 110 °С, обертывается тремя слоями сепаратора Celgard(с эффективными размерами пор 0,02 мкм) и пропитывается раствором электролита,состоящего из КОН (15%), ZnO (насыщенного) и KF (1,5 М). Электрод формируется в течение трех циклов (С/25-С/30). Двухслойный воздушный электрод изготавливаетсяметодом каландрования. Активный слой содержит перовскитовый катализатор (с размерамичастиц 2 мкм) на носителе из графитизированной сажи и фторопласт (15%). Диффузионныйслой состоит из графитизированной сажи и фторопласта. Из табл.4.11.3. следует,что воздушно-цинковые ХИТ характеризуются высокими значениями удельной энергии,однако их удельная мощность относительно невелика. За последние годы удалосьсущественно повысить ресурс и удельную мощность этих ХИТ. Так разработчикипоказали возможность достижения удельной мощности до 200 Вт/кг. Стоимость ХИТоценивается в 120-130 долл. США/(кВт ч). К недостаткам ХИТ следует отнести относительноневысокий КПД (40-45%) и чувствительность к перезаряду. 3.7. Бромно-цинковые аккумуляторные установки.
Кроме батареи аккумуляторов АУ включает два контурациркуляции, две емкости для хранения реагентов (рис.4.12.1), а такжетеплообменник, сепаратор для отделения водорода и систему контроля и автоматики.При последовательном соединении аккумуляторов в батарею возникают токи утечкичерез каналы подвода и распределения реагентов, которые могут быть сниженыпутем уменьшения площади сечения подводящих и распределительных каналов, однакопри этом возрастают гидравлические сопротивления и потери энергии на прокачкурастворов. Поэтому выбирают оптимизированные значения площади сечения подводящихи распределительных каналов. Для снижения токов утечки уменьшают числопоследовательно соединенных элементов. В качестве конструкционного компонента,устойчивого при контакте с бромом, нашел применение полиэтилен высокогодавления, упрочненный стекловолокном.
/>
3.8. Высокотемпературные аккумуляторы и батареи./> />
Серно-натриевые аккумуляторы. Большинство аккумуляторов имеет трубчатуюконструкцию. Применение дисковых и других плоских электролитов связано с большимитрудностями герметизации аккумуляторов. Используются две разновидноститрубчатых аккумуляторов (рис.4.13.1). В одной из них внутри трубчатогоэлектролита находится натриевый электрод (рис.4.13.1, б), в другой — серныйэлектрод (рис.4.13.1, а). Применение центрального серного электрода упрощаетрешение антикоррозионных задач. В одном из вариантов аккумулятора трубкиэлектролита длиной 0,3 м с толщиной стенки 1,8 — 10~3 м и внешним диаметром 3,31СГ2 м заполняются графитовым волокном, пропитанным серой. Около электролитаграфит находится в смеси с глиноземом. Токоотводом служит алюминий, защищенныйслоями нихрома и графита. Электролит с центральным серным электродом помещают втрубку (корпус). В кольцевом зазоре между корпусом и электролитом находятсяграфитовые шарики, промежутки между которыми заполнены натрием. Графитовыйзаполнитель нужен для уменьшения количества свободного натрия, который можетвзаимодействовать с серой при образовании трещин или разрушении электролита. Аккумуляторимеет емкость 88 А ч, массу 1,06 кг, удельную энергию при двухчасовом разряде140-125 Вт-ч/кг.
Большинство разработчиков используют конструкцию аккумуляторас центральным натриевым электродом (см. рис.4.13.1, б). В этом случае серанаходится в кольце между электролитом и корпусом. Для повышения безопасностиработы камеру натриевого электрода заполняют пористыми веществами из керамики,стекла или металла. Для герметизации аккумуляторов применяется ос-А1203. /> />
Для повышения коррозионной стойкости применяются многослойные корпуса. Например,японская фирма Yuasa Battery предложила корпус, состоящий из слоев Fe-Cr-Al-сплава,диффузионного слоя Аl и Сг в стали, хромированноймалоуглеродистой стали и графитового покрытия. Конструкции аккумуляторов фирмыпостоянно совершенствуются. Длина трубки электролита увеличилась от 200 до 530 мм, диаметр от 22 до 51 мм, толщина электролита от 1 до 2,6 мм. С 1970 по 1982 г. емкость аккумулятора возросла от 9 до 260 А ч, энергия — от 15 до 450 Вт ч. Аккумуляторыемкостью 50-200 А ч с удельной энергией 85-150 Вт — ч/кг, удельной мощностью 60-130Вт/кг и наработкой до 1000 циклов разработала фирма General Electric (США), однаков середине 80-х годов фирма работы в этом направлении свернула.
Аккумуляторы системы хлорид металла-натрия. Схемааккумулятора приведена на рис.4.13.2. Положительный электрод (хлорид никеля илижелеза) расположен во внутреннем цилиндре. Это пористая матрица из соответственноникеля или железа, в порах которой находится расплавленная смесь хлоридаметалла и электролита. При разряде хлорид превращается в металл. Отрицательныйэлектрод (натрий в порах матрицы) помещается во внешний цилиндр и отделен от/>внутреннего цилиндра твердым электролитом ((3-А12О3). Корпусаккумулятора служит токоотводом. Основным разработчиком хлоридно-натриевыхаккумуляторов является немецкая фирма AEG, организовавшая совместно с фирмамиZebra Power Systems и Beta R&D Company холдинг AABH (AEG Anglo BatteryHolding). Хлоридно-натриевые аккумуляторы называют также Zebra-batteries поимени компании — первого разработчика. На первом этапе разрабатывалисьаккумуляторы с катодом на основе хлорида железа. Однако технология изготовленияаккумулятора с катодом на основе хлорида никеля оказалась более простой,поэтому освоено производство аккумуляторов системы хлорид никеля-натрий. Тем неменее, разработка аккумулятора системы хлорид железа-натрий продолжается из-заневысокой цены соли железа. 3.9. Марганцево-цинковые перезаряжаемые источникитока
В настоящее время выпускаются ХИТ цилиндрической формы типоразмеровR03 (AAA), R6 (АА), R14 (С) и R20 (D). Схема ХИТ приведена на рис.4.14.1. Положительныйэлектрод 5 состоит из трех или четырех колец, которые формуются прессованием ивставляются в никелированный стальной корпус, служащий положительным токовыводомэлемента. Отрицательный электрод 3 помещается в средину элемента; расположеннаяв центре катода игла — коллектор тока 7 отводит и подводит ток. Между катодом ианодом находится пропитанный раствором электролита сепаратор 4, состоящий изнескольких слоев регенерированной целлюлозы. Элемент герметизирован и содержитпредохранительный клапан.
Активная масса анода состоит из порошкообразного цинковогосплава, ингибитора и гелеобразного КОН с добавками. Активная масса катода содержитЭДМ, графит (10%), добавку BaSO4 (для модификации пористости) и катализаторрекомбинации водорода (серебро на ацетиленовой саже). Электролит кроме КОНсодержит ингибитор коррозии и добавки, улучшающие циклирование ХИТ.
Литература
1. Коровин Н.В., Клейменов Б.В. Комбинированные источники тока на основевоздушно-металлических элементов // Иваново: Изд. Ивановского государственногохимико-технологического университета, 2001.
2. Русин А.И. Основы производства свинцовых аккумуляторов. Л.: Энергоатомиздат,1987.
3. Варламов Р.Г. Современные источники питания. М.: ДМК, 1988.
4. Коровин.Н.Г., Скундин А.М. Химические источники тока (справочник). М.: МЭИ,2003.
5. Химические источники тока. Номенклатурный каталог. СПб.: НПО «Источник»НИАИ, 1992.
6. Романов В.В., Хашев Ю.М. Химические источники тока. М.: Советское радио,1968.
7. Эксплуатация химических источников тока / Р.Р. Вершинин, В.А. ТихомировА.Ю. Малыгин и др. Пенза: ПГУ, 1999.