Конструктивное исполнение электродов в первичных химических источниках тока

Работа посвящена конструктивному исполнению электродов в первичных, резервных и вторичных химических источниках тока. Марганцево-цинковые элементы с солевым, щелчным электролитом. Ртутно-цинковые элементы и батареи. Технология изготовления электродов.

Рубрика Физика и энергетика
Вид реферат
Язык русский
Дата добавления 04.01.2009
Размер файла 11,7 M

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.

С использованием описанного способа компенсации гидростатического давления в нашей стране разработан и выпускается погружной аккумулятор емкостью 2650 А ч. Аккумулятор имеет габариты: 208x249x857 мм. Заряд погружных аккумуляторов под водой существенно повышает эффективность эксплуатации подводных аппаратов. Однако при разработке оптимальных режимов следует учитывать влияние гидростатического давления на зарядные процессы в аккумуляторах, поскольку это может привести в конечном итоге к снижению емкости при последующих разрядах.

Погружные аккумуляторы большой емкости уже в обозримом будущем найдут применение в качестве средств движения для подводных транспортных средств.

Перспективы дальнейшего развития свинцовых аккумуляторов

Новые материалы. Прошло не так много времени с тех пор, когда применение новых полимерных и композиционных материалов для изготовления корпусов, крышек и других комплектующих деталей, замена внешних межэлементных соединений на сварку блоков через перегородки позволили существенно повысить электрические параметры свинцовых аккумуляторов и их эксплуатационную надежность. Однако выявляются все новые и новые области применения АБ, поэтому изучение изменения свойств этих материалов (скорости деструкции, электрического сопротивления, модуля упругости и других механических свойств) должно явиться предметом специальных исследований.

Не менее перспективен и поиск новых, более легких и электропроводных сплавов и металлов по сравнению со свинцовыми сплавами. В этом отношении уже создана принципиальная технология 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 коротких режимах разряда. Массовое применение алюминиевых вкладышей в токоведущие детали таких аккумуляторов, как тяговые, тепловозные, стационарные, дало бы существенный экономический эффект, выигрыш в мощности и энергии аккумуляторов.

Использование титана в качестве токоведущих основ в литературе обсуждалось неоднократно. Применение титановых токоотводов затруднено образованием на их поверхности пленки из TiO2, создающей высокое электрическое сопротивление на границе токоотвод-активная масса. Основные исследования следует направить на поиски оксидных или иных электропроводных покрытий, исключающих непосредственный контакт титановой основы с серной кислотой.

В связи с тем, что дальнейшее увеличение ресурса, надежности и срока службы свинцовых аккумуляторов практически невозможно при использовании существующих сепараторов из-за прорастания их дендритами свинца и образования вследствие этого микрокоротких замыканий, основные исследования должны быть направлены на создание отечественных сепараторов с высокой объемной пористостью, низким электрическим сопротивлением, минимальным диаметром пор (~1 мкм) и с максимальным коэффициентом извилистости.

Технология. К числу приоритетных направлений дальнейших работ в области технологии можно отнести промышленное использование меди в качестве токоведущих основ отрицательных электродов (рис.4.2.21). Хотя медные основы известны более 40 лет (впервые в мировой практике применены в АОЗТ "Электротяга", Санкт-Петербург) и преимущества их очевидны, они, тем не менее, не нашли массового применения в стационарных, тяговых, тепловозных, электромобильных и других типах АБ. Основные усилия, кроме создания механизированной технологии изготовления медных токоотводов, должны быть направлены на отработку надежного способа защиты меди от воздействия серной кислоты.

Отливка токоотводов из свинцовых сплавов хотя и является в настоящее время высокопроизводительным процессом, его, тем не менее, нельзя назвать перспективным, прежде всего с точки зрения экологической безопасности. Альтернативой методу свободного литья токоотводов или литью под давлением (для тяговых и стационарных аккумуляторов) могут стать процессы непрерывной отливки тонкой ленты из свинцового сплава, ее дисперсионного упрочнения, просечки, вытяжки (по типу технологии изготовления медных основ) и последующей намазки.

Основным направлением дальнейших исследований электродных паст должна явиться разработка промышленной технологии для получения паст с заданными фазовым составом и структурными свойствами.

Процесс формирования электродных пластин является одним из самых "узких" мест в производстве свинцовых аккумуляторов из-за его большой продолжительности. Одними из основных направлений интенсификации процесса формирования электродных пластин следует считать охлаждение электролита путем его перемешивания при помощи аэролифтных систем, применение электропроводящих волокон или других добавок в активные массы.

Как и для большинства ХИТ, одним из реальных путей дальнейшего повышения удельной энергоемкости свинцовых аккумуляторов являются создание научных основ моделирования электродных процессов, оптимизация конструкции как отдельных узлов и деталей, так и аккумулятора в целом. Например, заслуживает внимания создание крупногабаритных аккумуляторов (тяговых и стационарных) с горизонтальным расположением электродов.

Увеличению эксплуатационного срока службы аккумуляторов будут способствовать работы по созданию средств диагностики их технического состояния.

3.2. Никель-кадмиевые аккумуляторы и батареи.

Непроливаемые никель-кадмиевые аккумуляторы и батареи. В конструкции непроливаемых никель-кадмиевых аккумуляторов КН-14, КНБ-15 и КНП-20 есть много общего. Поэтому устройство перечисленных типов аккумуляторов целесообразно рассмотреть на примере конструктивного оформления аккумулятора типа КНБ-15 (рис.40).

Аккумулятор состоит из положительного 1 и отрицательного 2 блоков, помещенных в железный никелированный сосуд 4. От корпуса положительный и отрицательный блоки аккумуляторов КНБ-15 и-КНП-20 изолированы прокладками из винипласта 7, 8. У аккумуляторов КН-14 положительный блок соединен с корпусом; положительные пластины этого блока являются" крайними к корпусу аккумулятора, поэтому. прокладки из винипласта устанавливают только с торцевых сторон. Положительный блок аккумуляторов КН-14, КНБ-15 и КНП-20 состоит соответственно из пяти, шести и восьми пластин, отрицательный - из четырех, пяти, девяти и пластин. Пластины обеих полярностей аккумуляторов, КНБ-15 и КНП-20, а также отрицательные пластины аккумуляторов КН-14 приварены к мостику с борном (1, 2, 15). Борны выведены наружу через отверстия в. крышке сосуда аккумулятора. Положительные пластины и положительный борн аккумулятора КН-14 приварены соответственно к сосуду и крышке.

Пластины аккумулятора типа КНБ-15 изолированы друг от друга комбинированной изоляцией (сепаратором): капроновой тканью 14 и щелочестойкой бумагой 13.

Лента из капроновой ткани с бумагой проложена зигзагообразно между отрицательными и положительными пластинами в один слой. Изоляция электродов аккумулятора типа КНП-20 осуществляется размещением положительных пластин, обернутых щелочестойкой бумагой, чехлах из капроновой ткани.

Сепаратором аккумуляторов КН-14 служит чехол из перхлорвиниловой ткани, надеваемой на отрицательные пластины.

Уплотнение борнов в крышке аккумуляторов осуществляется с помощью уплотнительных колец из резины 10, изоляционных эбонитовых втулок 9, металлических шайб 12 и гаек 11. Горловина 17 уплотняется пробкой 5 и уплотнительным кольцом 18. Вентильные отверстия пробки закрыты вентильным кольцом 16.

Батареи типа 2КНБ-15 и 2КНП-20 состоят из двух последовательно соединенных аккумуляторов (рис.40). Сосуды аккумуляторов в батареях сварены по широкой стороне дна сплошным швом, а по крышке частичной сваркой. Борны (выводные штыри) аккумуляторов с одной стороны соединены последовательно шиной 6, другие два борна являются выводными полюсами батареи. У положительного борна на крышке 3 аккумулятора выштампован знак " + ", у отрицательного - тип батареи (2КНБ-15 или 2КНП-20).

В НК-аккумуляторах применяются безламельные электроды. Одной из разновидностей которых являются прессованные электроды. Прессованные электроды получают методом напрессовки под давлением 35-60 МПа активной массы на сетку или стальную перфорированную ленту. Активная масса состоит из гидроксида никеля (+2), гидроксида кобальта (3-6%), графита (16-23%) и связующего (раствора натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы, содержащего 5г/л КОН). Масса перед прессованием вальцуется. Для увеличения прочности полученные пластины покрывают щелочестойким лаком, а на некоторых предприятиях обклеивают бумагой или тканью. Толщина пластин 0,8-1,8 мм. Во избежание осыпания и вымывания активной массы прессованные электроды используют в аккумуляторах с плотной сборкой, при которой пластины, разделенные сепараторами, плотно прижимаются друг к другу. Для повышения устойчивости в активную массу иногда вводят связующие вещества. Прессованные электроды изготавливают также методом валь

цевания.

К разновидностям прессованных электродов относят таблеточные электроды, имеющие круглую форму. Прессованные электроды имеют высокую удельную энергию и меньшую стоимость по сравнению со спеченными электродами, могут работать при низких температурах, но характеризуются меньшим ресурсом.

Герметичные аккумуляторы производятся в металлических корпусах 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. Уплотнение борнов призматических аккумуляторов осуществляется, как правило, при помощи резиновых колец в виде тора овального сечения. Сжимается кольцо в радиальном направлении от борна к втулке крышки. В зарубежных призматических герметичных аккумуляторах широко применяются керамические уплотнения борнов.

В качестве сепараторов используются ткани и нетканые материалы (войлоки, фетры) из поливинилхлорида, полипропилена, полиамида, капрона и других материалов. Могут быть комбинации нескольких слоев сепараторов из различных материалов.

Призматические аккумуляторы в большинстве случаев содержат спеченные положительные электроды. Если не требуется большого ресурса, то используются прессованные положительные электроды. Отрицательные электроды бывают как спеченной, так и прессованной, вальцованной и намазной конструкции. Спеченные электроды получают пропиткой активной массой высокопористых (не менее 70%) никелевых пластин, которые изготовляют спеканием заготовок из порошка карбонильного никеля. Прессованные, вальцованные и намазные электроды получили свое название по технологии нанесения активного материала на металлическую подложку. В цилиндрических аккумуляторах применяются спеченные положительные электроды, в паре с которыми могут использоваться как спеченные, так и намазные или вальцованные отрицательные электроды. В дисковых аккумуляторах в основном используются ламельные электроды, хотя могут применяться прессованные и спеченные электроды. В качестве материала ламели используется никелевая сетка.

Спеченные (металлокерамические) электроды состоят из пористой (с пористостью не менее 70%) металлокерамической основы, в порах которой находится активная масса. Основу производят из карбонильного никелевого мелкодисперсного порошка, который в смеси с карбонатом аммония или карбамидом (60-65% никеля, остальное - наполнитель) напрессовывают, накатывают или напыляют на стальную или никелевую сетку. После этого сетку с порошком подвергают термообработке в восстановительной атмосфере (обычно в атмосфере водорода) при температуре 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 концентрированным раствором нитрата никеля или сульфата никеля и нагретым до 60-90 °С раствором щелочи, которая вызывает осаждение оксидов и гидроксидов никеля. Пропитку проводят несколько раз (до 4 раз), чтобы заполнить оксидами до 40-60% объема пор пластин. Затем пластины тщательно отмывают от нитрат - и сульфат-ионов в конденсате или деминерализованной воде до слабо розового окрашивания пробы воды при добавлении фенолфталеина. После этого пластины сушат при температуре 80-139 °С.

Пластины формируют путем двух-трехкратных зарядов-разрядов в растворе КОН плотностью 1,09-1,11 г/см3 при определенных режимах. В настоящее время применяется также электрохимический метод пропитки, при котором электрод подвергается катодной обработке в растворе нитрата никеля. Из-за выделения водорода раствор в порах пластины подщелачивается, что приводит к осаждению оксидов и гидроксидов никеля в порах пластины. К разновидностям спеченных электродов относят фольговые электроды. Электроды изготавливают нанесением на тонкую (0,05 мм) перфорированную никелевую ленту с двух сторон методом пульверизации спиртовой эмульсии никелевого карбонильного порошка, содержащей связующие вещества (обычно клей БФ), спеканием и последующей химической или электрохимической пропиткой реагентами. Толщина электрода составляет 0,4-0,6 мм.

Спеченные электроды имеют более высокие электрическую проводимость и удельную емкость, могут разряжаться и заряжаться при более высокой скорости и в более широком диапазоне температур, однако они дороже ламельных электродов, имеют относительно невысокий ресурс. Кроме того, у них выше скорость саморазряда.

Расположение электродов по отношению к корпусу аккумулятора также различно. В дисковых аккумуляторах электроды располагаются параллельно крышке, в цилиндрических - перпендикулярно. В призматических аккумуляторах в большинстве случаев электроды размещаются перпендикулярно крышке. Только в таблеточных аккумуляторах (НКТБ-80) электроды расположены параллельно крышке. Таблеточный электрод представляет собой перфорированную металлическую чашечку (таблетку), на которую напрессовывается активная масса. По существу таблеточный электрод - это разновидность ламельного электрода.

В некоторых отечественных герметичных аккумуляторах, имеющих толстые (до 2 мм) положительные электроды, в донную часть засыпается активированный уголь. Поскольку металлический корпус в этих случаях электрически соединен с отрицательным электродом, то уголь играет роль кислородного электрода. Для того чтобы 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 конструкциями НК-аккумуляторов. Это связано с тем, что в этих аккумуляторах развиваются близкие по значению давления газов внутри корпуса, используются близкий по составу щелочной электролит и одинаковые конструкции положительного оксидно-никелевого электрода.

НМ-аккумуляторы выпускаются различных конструкций и емкостей - от дисковых, которые имеют емкость в несколько мА ч, до мощных призматических емкостью до 250 А ч.

Дисковые НМ-аккумуляторы имеют буртиковую и безбуртиковую конструкции корпуса, аналогичные НК-аккумуляторам (см. разд.4.3). Безбуртиковая конструкция корпуса позволяет получить на 20-30% выше емкость аккумулятора при сохранении габаритных размеров за счет большого внутреннего объема аккумулятора. В последнее время появились дисковые аккумуляторы овальной формы, которая позволяет в ряде случаев при изготовлении батарей призматической формы эффективнее использовать заданный объем. Дисковые аккумуляторы состоят из одной или двух пар положительных и отрицательных электродов.

Наибольшее распространение среди НМ-аккумуляторов нашли аккумуляторы цилиндрической формы. Положительный и отрицательный электроды, разделенные сепаратором, скручены в виде рулона, который вставлен в корпус и закрыт герметизирующей крышкой с прокладкой (рис.4.5.1). Крышка имеет предохранительный клапан, срабатывающий при давлении 2-4 МПа в случае неправильной эксплуатации аккумулятора. Малогабаритные цилиндрические аккумуляторы небольшой мощности выпускаются и с ламельной конструкцией электродов.

В призматических НМ-аккумуляторах (рис.4.5.2) положительные и отрицательные электроды расположены поочередно, а между ними располагается сепаратор. Блок электродов вставлен в металлический или пластмассовый корпус и закрыт герметизирующей крышкой. На крышке обычно устанавливается клапан или датчик давления.

В НМ-аккумуляторах используется щелочной электролит, состоящий из КОН (6-8 М) с добавкой 10-30 г/дм3 LiOH. В качестве сепаратора в НМ-аккумуляторах используются нетканые полипропилен и полиамид толщиной 0,12-0,25 мм, обработанные смачивателем.

Положительный электрод. В НМ-аккумуляторах применяются положительные оксидно-никелевые электроды, аналогичные используемым в НК-аккумуляторах. Способы получения и удельные характеристики положительных электродов различных конструкций, используемых в НМ - и НК-аккумуляторах, были даны в § 4.3.1. В НМ-аккумуляторах в основном используются металлокерамические, а в последние годы - войлочные и пенополимерные электроды.

В НМ-аккумуляторах, применяемых при повышенных температурах, в состав оксидно-никелевого электрода вводят добавки оксидов редкоземельных металлов. Эти добавки увеличивают перенапряжение выделения кислорода при повышенных температурах и улучшают прием заряда: при 60 °С разрядная емкость НМ-аккумулятора увеличивается при введении добавок с 40 до 90%.

Отрицательный электрод. Практическое применение в НМ-аккумуляторах нашли пять конструкций отрицательного металлогидридного электрода:

· ламельная, когда порошок водородабсорбирующего сплава со связующим веществом или без него запрессован в никелевую сетку;

· пеноникелевая, когда паста со сплавом и связующим веществом вводится в поры пеноникелевой основы, а затем сушится и прессуется (вальцуется);

· фольговая, когда паста со сплавом и связующим веществом наносится на перфорированную никелевую или стальную никелированную фольгу, а затем сушится и прессуется;

· вальцованная, когда порошок активной массы, состоящей из сплава и связующего вещества, наносится вальцеванием (прокаткой) на растяжную никелевую решетку или медную сетку;

· спеченная, когда порошок сплава напрессовывается на никелевую сетку и затем спекается в атмосфере водорода.

3.4. Серебряно-цинковые аккумуляторы

Созданию серебряно-цинкового аккумулятора в значительной степени способствовало, применение набухающей сепарации с именно такими свойствами.

Относительно хорошая электропроводность активных масс электродов исключает необходимость применения - каких-либо токопроводящих добавок или специальных каркасов для лучшего распределения тока.

Конструкция серебряно-цинковых аккумуляторов существенно отличается от конструкции обычных щелочных или кислотных аккумуляторов. В серебряно-цинковых аккумуляторах положительные пластины изготовляются из чистого, тем или иным способом приготовленного серебра, а отрицательные - из окиси цинка в смеси с порошком металлического цинка.

Положительные пластины отделены от отрицательных несколькими слоями гидратцеллюлозной пленки, применение которой обусловлено тем, что через нее, с одной стороны, хорошо диффундирует электролит, а с другой стороны, она препятствует миграции коллоидных частиц окислов серебра от положительного электрода к отрицательному и прорастанию дендрлтов цинка в противоположном на правлении.

Собранный пакет электродов помещается в пластмассовый сосуд и заливается химически чистой калиевой щелочью плотностью обычно 1,40. Размеры электродов и сосудов подбираются таким, образом, чтобы при заполнении аккумулятора электролитом электроды испытывали соответствующее боковое давление, обеспечивающее внутреннюю механическую устойчивость, предупреждающую осыпание, активной массы электродов. Кроме того, при наличии бокового давления отпадает необходимость использования каких-либо жестких решеток и стоек, как это делается у кислотных и у обычных щелочных аккумуляторов. Устройство и внешний вид серебряно-цинковых аккумуляторов показаны на рис.98.

Различные типы серебряно-цинковых аккумуляторов отличаются габаритами и емкостью, а также конструктивным исполнением.

3.5. Никель-цинковые аккумуляторы

Конструкция никель-цинкового аккумулятора тождественна конструкции серебряно-цинкового аккумулятора (рис.118) Положительные электроды изготовляются обычно по безламельной технологии, отрицательные - из смеси порошка цинка с' окисью цинка. В шахтных аккумуляторах (рис.119) отрицательные электроды изготовляются из Смеси окиси цинка с гидроокисью кальция. Назначение последней - связывать цинк при разряде в нерастворимый цинкат кальция CaZn(OH) 4. Однако необходимый эффект достигается только при использовании в качестве электролита 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 достаточно высокая и поэтому добавление, гидроокиси кальция в отрицательные электроды не достигает цели.

Сепарацией в никель-цинковых аккумуляторах, как и в серебряно-цинковых, служит гидратцеллюлозная пленка.

3.6. Воздушно-цинковые перезаряжаемые xимические источники тока

Разработан двухслойный пористый гидрофобизированный воздушный электрод, не содержащий платиновых катализаторов и способный циклироваться (рис.4.11.4, а). Бифункциональным катализатором служил пиролизованный макроцикл кобальта - пирополимер (ПП*), созданный в ИНЕОС РАН и Ивановском государственном химико-технологическом университете.

Дальнейшие работы показали, что более высокую активность и стабильность имеет трехслойный электрод с никелевым слоем, активным в реакции выделения кислорода, средним слоем с катализатором восстановления кислорода (диоксидом марганца, перовскитом или пирополимером) и диффузионным слоем для подвода воздуха (рис.4.11.4, б).

Разность потенциалов выделения кислорода и восстановления кислорода воздуха на таких электродах составляла 700-800 мВ. Таким образом, в воздушно-цинковых перезаряжаемых ХИТ могут использоваться достаточно активные и стабильные двухслойные электроды с бифункциональным катализатором или трехслойные электроды с двумя катализаторами.

Фирма AER Energy Resources разработала призматический воздушно-цинковый портативный ХИТ, предназначенный для ноутбуков и другой электронной аппаратуры емкостью 20 А ч [0.21]. Элемент состоит из высокопористого цинкового анода, матричного электролита в высокопористом сепараторе и тонкого двухслойного воздушного электрода.

Размеры элемента 135x76x12,2 мм. К особенностям конструкции этого ХИТ можно отнести наличие устройства для управления скоростью поступления воздуха (от нулевой до максимальной, соответствующей току пика мощности 3 А). Разрядная кривая при умеренных скоростях разряда достаточно пологая (рис.4.11.5). Диапазон рабочих температур - от 5 до +35 °С. Батарея заряжается при постоянном токе в две стадии. Сначала заряд до достижения около 85% емкости проводится при умеренной скорости (см. рис.4.11.5), затем скорость заряда уменьшается. Для полного заряда батареи требуется 24 ч. Коэффициент полезного действия близок к 50%. Для увеличения срока службы необходимо контролировать скорость заряда и не допускать перезаряда. Параметры ХИТ приведены в табл.4.11.3. Фирма Dreisbach Electromotive Inc. разработала ХИТ планарного типа биполярной конструкции, предназначенный для 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 кратковременных разрядах удельная мощность может быть увеличена, но при этом снижается удельная энергия. К основным недостаткам фирма относит невысокую удельную мощность и ограниченный срок службы сепаратора (матрицы).

В Швейцарии разрабатывается воздушно-цинковый аккумулятор емкостью 20 А ч и напряжением 12 В. Анод площадью 100-200 см2 состоит из порошков оксида цинка (84%), целлюлозы (10%), фторопласта (4%) и РЬО (2%). Применяется целлюлоза с длиной волокон более 5 мм. Паста наносится на освинцованную медную сетку. 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 изготавливается методом каландрования. Активный слой содержит перовскитовый катализатор (с размерами частиц 2 мкм) на носителе из графитизированной сажи и фторопласт (15%). Диффузионный слой 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 удалось существенно повысить ресурс и удельную мощность этих ХИТ. Так разработчики показали возможность достижения удельной мощности до 200 Вт/кг. Стоимость ХИТ оценивается в 120-130 долл. США/(кВт ч). К недостаткам ХИТ следует отнести относительно невысокий КПД (40-45%) и чувствительность к перезаряду.

3.7. Бромно-цинковые аккумуляторные установки.

Кроме батареи аккумуляторов АУ включает два контура циркуляции, две емкости для хранения реагентов (рис.4.12.1), а также теплообменник, сепаратор для отделения водорода и систему контроля и автоматики. При последовательном соединении аккумуляторов в батарею возникают токи утечки через каналы подвода и распределения реагентов, которые могут быть снижены путем уменьшения площади сечения подводящих и распределительных каналов, однако при этом возрастают гидравлические сопротивления и потери энергии на прокачку растворов. Поэтому выбирают оптимизированные значения площади сечения подводящих и распределительных каналов. Для снижения токов утечки уменьшают число последовательно соединенных элементов. В качестве конструкционного компонента, устойчивого при контакте с бромом, нашел применение полиэтилен высокого давления, упрочненный стекловолокном.

3.8. Высокотемпературные аккумуляторы и батареи.

Серно-натриевые аккумуляторы. Большинство аккумуляторов имеет трубчатую конструкцию. Применение дисковых и других плоских электролитов связано с большими трудностями герметизации аккумуляторов. Используются две разновидности трубчатых аккумуляторов (рис.4.13.1). В одной из них внутри трубчатого электролита находится натриевый электрод (рис.4.13.1, б), в другой - серный электрод (рис.4.13.1, а). Применение центрального серного электрода упрощает решение антикоррозионных задач. В одном из вариантов аккумулятора трубки электролита длиной 0,3 м с толщиной стенки 1,8 - 10~3 м и внешним диаметром 3,3 1СГ2 м заполняются графитовым волокном, пропитанным серой. Около электролита графит находится в смеси с глиноземом. Токоотводом служит алюминий, защищенный слоями нихрома и графита. Электролит с центральным серным электродом помещают в трубку (корпус). В кольцевом зазоре между корпусом и электролитом находятся графитовые шарики, промежутки между которыми заполнены натрием. Графитовый заполнитель нужен для уменьшения количества свободного натрия, который может взаимодействовать с серой при образовании трещин или разрушении электролита. Аккумулятор имеет емкость 88 А ч, массу 1,06 кг, удельную энергию при двухчасовом разряде 140-125 Вт-ч/кг.

Большинство разработчиков используют конструкцию аккумулятора с центральным натриевым электродом (см. рис.4.13.1, б). В этом случае сера находится в кольце между электролитом и корпусом. Для повышения безопасности работы 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, хромированной малоуглеродистой стали и графитового покрытия. Конструкции аккумуляторов фирмы постоянно 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. Аккумуляторы емкостью 50-200 А ч с удельной энергией 85-150 Вт - ч/кг, удельной мощностью 60-130 Вт/кг и наработкой до 1000 циклов разработала фирма General Electric (США), однако в середине 80-х годов фирма работы в этом направлении свернула.

Аккумуляторы системы хлорид металла-натрия. Схема аккумулятора приведена на рис.4.13.2. Положительный электрод (хлорид никеля или железа) расположен во внутреннем цилиндре. Это пористая матрица из соответственно никеля или железа, в порах которой находится расплавленная смесь хлорида металла и электролита. При разряде хлорид превращается в металл. Отрицательный электрод (натрий в порах матрицы) помещается во внешний цилиндр и отделен от

внутреннего цилиндра твердым электролитом ((3-А12О3). Корпус аккумулятора служит токоотводом. Основным разработчиком хлоридно-натриевых аккумуляторов является немецкая фирма AEG, организовавшая совместно с фирмами Zebra Power Systems и Beta R&D Company холдинг AABH (AEG Anglo Battery Holding). Хлоридно-натриевые аккумуляторы называют также Zebra-batteries по имени компании - первого разработчика. На первом этапе разрабатывались аккумуляторы с катодом на основе хлорида железа. Однако технология изготовления аккумулятора с катодом на основе хлорида никеля оказалась более простой, поэтому освоено производство аккумуляторов системы хлорид никеля-натрий. Тем не менее, разработка аккумулятора системы хлорид железа-натрий продолжается из-за невысокой цены соли железа.

3.9. Марганцево-цинковые перезаряжаемые источники тока

В настоящее время выпускаются ХИТ цилиндрической формы типоразмеров R03 (AAA), R6 (АА), R14 (С) и R20 (D). Схема ХИТ приведена на рис.4.14.1. Положительный электрод 5 состоит из трех или четырех колец, которые формуются прессованием и вставляются в никелированный стальной корпус, служащий положительным токовыводом элемента. Отрицательный электрод 3 помещается в средину элемента; расположенная в центре катода игла - коллектор тока 7 отводит и подводит ток. Между катодом и анодом находится пропитанный раствором электролита сепаратор 4, состоящий из нескольких слоев регенерированной целлюлозы. Элемент герметизирован и содержит предохранительный клапан.

Активная масса анода состоит из порошкообразного цинкового сплава, ингибитора и гелеобразного КОН с добавками. Активная масса катода содержит ЭДМ, графит (10%), добавку BaSO4 (для модификации пористости) и катализатор рекомбинации водорода (серебро на ацетиленовой саже). Электролит кроме КОН содержит ингибитор коррозии и добавки, улучшающие циклирование ХИТ.

Литература

Коровин Н.В., Клейменов Б.В. Комбинированные источники тока на основе воздушно-металлических элементов // Иваново: Изд. Ивановского государственного химико-технологического университета, 2001.

Русин А.И. Основы производства свинцовых аккумуляторов. Л.: Энергоатомиздат, 1987.

Варламов Р.Г. Современные источники питания. М.: ДМК, 1988.

Коровин.Н.Г., Скундин А.М. Химические источники тока (справочник). М.: МЭИ, 2003.

Химические источники тока. Номенклатурный каталог. СПб.: НПО "Источник" НИАИ, 1992.

Романов В.В., Хашев Ю.М. Химические источники тока. М.: Советское радио, 1968.

Эксплуатация химических источников тока / Р.Р. Вершинин, В.А. Тихомиров А.Ю. Малыгин и др. Пенза: ПГУ, 1999.


Подобные документы

  • Сборка макета источника тока с гель-полимерным электролитом. Технология приготовления отрицательного и положительного электродов. Методика измерения максимальной пористости катода. Зависимость массовой удельной энергии источников тока от температуры.

    дипломная работа [1,8 M], добавлен 22.11.2015

  • Анализ характеристик двигателя постоянного тока, режимов работы статора, запуска двигателя шасси в условиях низких температур. Физико-химические процессы, протекающие в химических источниках тока. Рекомендации по облегчению работы аккумуляторных батарей.

    курсовая работа [582,7 K], добавлен 07.05.2014

  • Коронный разряд, электрическая корона, разновидность тлеющего разряда; возникает при резко выраженной неоднородности электрического поля вблизи одного или обоих электродов. Подобные поля формируются у электродов с очень большой кривизной поверхности.

    лекция [18,9 K], добавлен 21.12.2004

  • Импульсные испытательные напряжения. Принципы координации изоляции. Основные схемы измерения в высоковольтной технике. Влияние полярности, заземление электродов. Конструктивное исполнение молниеотводов. Классификация заземлений в электрических установках.

    курсовая работа [1,2 M], добавлен 01.04.2014

  • Анализ противоречий в механизмах протекания электрического тока в проводниках. Обзор изменения состава и структуры поверхности многокомпонентных систем, механизма диффузии и адсорбции. Исследование поверхности электродов кислотных аккумуляторных батарей.

    контрольная работа [25,0 K], добавлен 14.11.2011

  • Химические источники тока как устройства, вырабатывающие электрический ток за счет энергии окислительно-восстановительных реакций химических реагентов, принцип их действия и оценка эффективности. Условия существования постоянного электрического тока.

    презентация [394,1 K], добавлен 28.01.2014

  • Инструменты и методы создания объектов в среде Elcut, решение задачи и визуализации результатов расчета. Распределение токов в проводящей среде. Создание геометрической модели, состоящей из электродов, один из которых имеет потенциал "+1В", другой "-1В".

    лабораторная работа [175,6 K], добавлен 26.06.2015

  • Линейные цепи постоянного тока, вычисление в них тока и падения напряжения, сопротивления. Понятие и закономерности распространения тока в цепях переменного тока. Расчет цепей символическим методом, реактивные элементы электрической цепи и их анализ.

    методичка [403,7 K], добавлен 24.10.2012

  • Изучение строения источников тока - источников электрической энергии, в которых действуют сторонние силы по разделению электрических зарядов. Обзор таких источников тока, как гальванические элементы, аккумуляторы, машины постоянного тока, термоэлементы.

    презентация [274,8 K], добавлен 09.06.2010

  • История создания химических источников тока, их классификация, устройство и принцип действия. Виды гальванических элементов: электрические аккумуляторы и топливные устройства. Эксплуатация и регенерация батарей, их основные преимущества и недостатки.

    курсовая работа [11,0 M], добавлен 29.05.2009

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.