Конструктивное исполнение электродов в первичных химических источниках тока (стр. 8 из 9)

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.