Конструктивное исполнение электродов в первичных химических источниках тока (стр. 6 из 9)

На первом этапе развития погружных аккумуляторов в нашей стране была создана компенсационная система, индивидуальная для каждого аккумулятора. Компенсатор давления состоит из двух основных элементов: камеры с эластичными стенками, заполненной жидкой фазой, и газового клапана (рис.4.2.13 и 4.2.14).

Внутренняя полость компенсатора давления заполнена электролитом и сообщена с подкрышечным пространством аккумулятора. При погружении аккумулятора в морскую воду компенсатор под воздействием гидростатического давления сжимается и находящийся в нем электролит перетекает в бак. Объем камеры - компенсатора давления и номинальный объем электролита в камере определяются экспериментально с учетом изменения объема электролита вследствие сжимаемости жидкости; сжатия и растворения газа, имеющегося в порах активных масс и сепараторов; температурных колебаний электролита и изменений объема, связанных с фазовыми превращениями в активных массах. С известным приближением можно принять, что объем камеры VK зависит от объема аккумулятора V: FK = (0,03-0,04) V.

Определенное влияние давление должно оказывать и на электрохимические процессы, происходящие в аккумуляторе. Известно, что с ростом давления увеличивается электрическая проводимость электролита. Повышение удельной электрической проводимости электролита, естественно, должно способствовать увеличению разрядного напряжения вследствие уменьшения омических потерь.

Характер воздействия давления на разрядные характеристики электродов с точки зрения теории пористых электродов может быть объяснен увеличением эффективной глубины протекающих процессов. Кроме того, повышение давления способствует снижению газонаполнения электродов, т.е. увеличению объема электролита, и, следовательно, снятие диффузионных ограничений непосредственно при большом гидростатическом давлении затруднено. В этом случае наблюдается не только рост разрядной емкости, но даже ее снижение. Это явление может быть объяснено затруднением перемешивания электролита вследствие малого размера пузырьков газа при большом давлении.

В нашей стране с использованием компенсаторов давления, описанных выше, 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 количество диэлектрической жидкости ПМС-10 с удельной массой меньше единицы. Межэлементные соединения выполнены в виде гибких перемычек с изоляционным покрытием. Изоляция токоведущего узла осуществляется при помощи стаканчиков из пластмассы, смонтированных на борнах и залитых компаундом.

Аккумуляторы выдерживают 60 зарядно-разрядных циклов до снижения емкости до 80% номинального значения. Назначенный срок службы составляет 2 года. Аккумуляторы могут выпускаться как в сухозаряженном исполнении, так и залитыми электролитом за¬ряженные.

В настоящее время разрабатывается аккумулятор СП-200М-2 с повышенным до 4 лет ресурсом и 120 зарядно-разрядными циклами.

Одним из существенных достоинств погружных аккумуляторов с индивидуальными компенсаторами давления является допустимость кратковременных наклонов аккумуляторов.

К числу недостатков аккумуляторов такого типа можно отнести необходимость изоляции межэлементных соединений, усложнение конструкции за счет применения компенсатора давления, что увели¬чивает объем и габариты аккумулятора и снижает удельные электри¬ческие показатели.

На втором этапе развития погружных аккумуляторов в нашей стране был использован способ компенсации давления при помощи диэлектрической жидкости, отделяющей серно-кислотный электролит от морской воды. При этом способе компенсации аккумуляторы устанавливаются в специальные металлические контейнеры, заполненные диэлектрической жидкостью. Этот способ полностью исключает проблему защиты выводов от утечек тока, а также необходимость применения резиновых камер-компенсаторов и клапанов. Применяемая для этих целей диэлектрическая жидкость не должна взаимодействовать с конструкционными материалами, герметизирующими компаундами, морской водой, электролитом, выделяющимися газами. Плотность диэлектрической жидкости должна быть меньше плотности электролита, но больше плотности морской воды. В контейнерах, заполненных жидким диэлектриком аккумуляторы могут эксплуатироваться при гидростатическом давлении до 65 МПа. Окончание заряда в данном случае определяется по достижении постоянства 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 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.