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

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

1. Коровин Н.В., Клейменов Б.В. Комбинированные источники тока на основе воздушно-металлических элементов // Иваново: Изд. Ивановского государственного химико-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. Тихомиров А.Ю. Малыгин и др. Пенза: ПГУ, 1999.