Конструктивное исполнение электродов в первичных химических источниках тока (стр. 2 из 9)

1.3. Ртутно-цинковые элементы и батареи

Производятся дисковые и цилиндрические РЦ-элементы. Схема дискового элемента приведена на рис.2.4.1. Активная масса положительного электрода запрессовывается в стальной корпус, цинковый порошок - в стальную крышку, которая внутри покрыта слоем олова. Электроды разделяются несколькими слоями сепараторов, пропитанных раствором электролита. Элемент герметизируется с помощью резиновой или пластмассовой прокладки, способной пропускать водород в случае коррозии цинка. Для предотвращения выделения водорода после окончания разряда в катод закладывают количество оксида ртути большее, чем это соответствует эквивалентному количеству цинка, поэтому разряд ХИТ лимитируется запасом цинка.

Схема цилиндрического элемента приведена на рис.2.4.2. Цилиндрический элемент содержит те же компоненты, что и дисковый, и принципиально его устройство отличается от устройства дискового элемента только формой. Имеются также ХИТ со спиральным анодом, который выполнен в виде тонкой цинковой фольги и 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 к конструкции дисковых РЦ-элементов, но имеет особую герметизацию. Активная масса отрицательного электрода, состоящая из порошка цинка, ртути и гелеобразного электролита, запрессовывается в позолоченную или покрытую оловом стальную крышку. Активная масса положительного электрода состоит из Ag2O, графита (1-3% массовой доли) и других указанных ранее добавок. Активная масса запрессовывается в никелированный стальной корпус. Между анодом и катодом находится сепаратор, состоящий из нескольких слоев пленок из гидрат-целлюлозы или другого материала, набухающего в щелочи, и полиэтилена с привитой метакриловой кислотой (permion). Электролитом служит 20--40% -ней раствор КОН или NaOH с добавкой оксида цинка. Раствор NaOH применяется в элементах, работающих при низких скоростях разряда. Электролит пропитывает пористый сепаратор. В элементах применяется специальное изолирующее кольцо, обеспечивающее надежную герметизацию.

Элементы имеют плоскую разрядную кривую. Разрядное напряжение 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 характеризуются высокой 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 - их абсолютно надежная герметичность. Даже малейшая разгерметизация литиевого элемента чревата не только вытеканием электролита и его вредным воздействием на питаемую аппаратуру (как в элементах с водными растворами электролитов), но и попаданием воздуха и паров воды в элемент и полным выводом элемента из строя, а также повышением его пожара - и взрывоопасное™. Поэтому технология изготовления литиевых элементов предусматривает сложные операции по сварке и другим типам соединения разнородных материалов, сложные конструкции гермовыводов и т.п.

Раньше довольно много литиевых элементов выпускалось в габаритах, идентичных габаритам элементов традиционных электрохимических систем, 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 элементов напряжением 1-1,5. В на литиевые элементы напряжением 3. Во (что вполне возможно при эксплуатации бытовых приборов), в последнее время все больше фирм выпускают литиевые элементы оригинальной конструкции, не допускающей их монтаж в аппаратуру, рассчитанную на использование, например, щелочных марганцево-цинковых элементов. Поэтому кроме традиционных цилиндрической и дисковой форм литиевые элементы выпускают призматической формы и даже более оригинальных форм. Традиционные элементы цилиндрической и дисковой конфигурации часто имеют нестандартные выводы - в виде аксиальных иглообразных штырьков, плоских лепестков, предусматривающих впаивание элементов в схему и т.п. На рис.2.6.1 приведены примеры конструктивного оформления выводов некоторых литиевых элементов.

Конструктивные типы литиевых элементов определяются общими правилами: для эксплуатации при повышенных токовых нагрузках предназначаются элементы с тонкими электродами, в основном рулонной конструкции, для получения максимальной удельной энергии используют набивные элементы. Схема устройства рулонных 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 от 0,05 до 20. А*ч. Обычно потребителю не приходится коммутировать эти элементы в батареи; как правило, потребляющая аппаратура устроена таким образом, что в нее помещаются или единичные элементы, или батареи заводского изготовления. В большинстве случаев современная аппаратура рассчитана на напряжение до 9. Во, что соответствует батареям из 3-6 последовательно соединенных литиевых элементов.

Литиевые электроды изготавливают в основном из тонких листов (лент), которые напрессовывают или накатывают на токоотводы из сеток или пластин из меди, нержавеющей стали или никеля.

Положительные электроды изготавливают напрессовыванием, намазкой или иным способом нанесения активной массы на токоотвод. Токоотводы изготавливают из сеток (тканых или просечных), решеток, сплошных или пористых пластин и т.п. Активная масса электродов с твердым окислителем представляет собой смесь активного вещества, электропроводной добавки и связующего. В качестве электропроводных добавок используются почти исключительно углеродные материалы - сажа, графит, углеродные волокна и т.п. Связующим в большинстве случаев служат фторированные полимеры. Содержание каждой добавки в активной массе колеблется от 3 до 15% (по массе). Положительные электроды элементов с жидким окислителем изготавливают из углеродных материалов.

Разноименные электроды во всех элементах с жидким электролитом разделяются сепаратором. В элементах с электролитами на основе протонных 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. А ч) выпускаются призматической формы в виде готовых к употреблению или требующих активации (резервных) ХИТ.

Готовые к употреблению ХИТ имеют монолитные цинковые аноды, блочные или карманные угольные катоды, прикрепленные к крышке корпуса (банке). Доступ воздуха обеспечивается через отверстие в крышке банки ("дыхательное" отверстие, которое закрывается газонепроницаемой пенкой при хранении ХИТ) или через выступающий торец угольного электрода. Электролитом служит 30-40%-ный раствор КОН или 20% -ней раствор NaOH. На дне сосуда имеется известь, необходимая для регенерации щелочи.

Некоторые фирмы выпускают ХИТ в прозрачных корпусах, что позволяет контролировать уровень электролита и степень использования цинка. По цвету осадка можно судить и о расходе извести, поскольку цинкит кальция имеет более 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 с электролитом (30-40% -нам раствором КОН), тонкого катода с катализатором (обычно МпО"), гидрофобной (гидрозащитной) фторопластовой пористой пленки и воздухораспределительной мембраны (рис.2.7.5). Анод кроме цинка содержит электролит 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 пленкой до начала работы ХИТ. С помощью специальной мембраны воздух равномерно распределяется по поверхности катода. Пористая фторопластовая пленка обеспечивает поступление воздуха к катоду и предотвращает попадание электролита на тыльную сторону катода. ГНПП "Квант" выпускает небольшими сериями цилиндрический ХИТ типоразмера 373.

Воздушно-марганцево-цинковые ХИТ. Схема конструкции одного элемента из батареи "Корунд ВЦ" приведена на рис.2.7.10 [2.7.3]. Элемент размещается в винипластовом корпусе 3, нижняя часть которого содержит отрицательный электрод 5. Активная масса анода состоит из цинкового порошка, электролита и ингибитора коррозии. Цинковый порошок имеет высокую чистоту (см. § 2.3.3).

Активная масса катода представляет собой двухслойную таблетку, армированную стальной сеткой и содержащую,%: диоксид марганца 35-40, ацетиленовую сажу 20 и активируемый уголь 40-45. Во внешний слой вводится гидрофобизатор (парафин или полиэтилен). Благодаря гидрофобизатору электролит не проникает в воздушную камеру. Катод отделяется от анода загущенным электролитом, содержащим КОН (12 моль/л), ZnO (0,6 моль/л) и загуститель (крахмал и пшеничная мука).