Конструктивное исполнение электродов в первичных химических источниках тока

Стр 1 из 8Следующая ⇒

ОГЛАВЛЕНИЕ

1. Конструктивное исполнение электродов в первичных химических источниках тока. 3

1.1. Марганцево-цинковые элементы с солевым электролитом. 3

1.2. Марганцево-цинковой системы со щелочным электролитом. 5

1.3. Ртутно-цинковые элементы и батареи. 7

1.4. Серебряно-цинковые первичные источники тока. 8

1.5. Литиевые источники тока. 9

1.6. Воздушно-цинковые первичные источники тока. 11

1.7. Химические источники тока с алюминиевыми и магниевыми анодами. 14

2. Конструктивное исполнение электродов в резервных химических источниках тока. 18

2.1. Водоактивируемые источники тока. 18

2.2. Ампульные источники тока. 19

2.3. Тепловые источники тока. 25

3. Конструктивное исполнение электродов во вторичных химических источниках тока. 28

3.1. Свинцовые аккумуляторы и батареи. 28

3.2. Никель-кадмиевые аккумуляторы и батареи. 40

3.3. Никель-металлогидридные аккумуляторы и батареи. 46

3.4. Серебряно-цинковые аккумуляторы.. 49

3.5. Никель-цинковые аккумуляторы.. 50

3.6. Воздушно-цинковые перезаряжаемые xимические источники тока. 51

3.7. Бромно-цинковые аккумуляторные установки. 54

3.8. Высокотемпературные аккумуляторы и батареи. 55

3.9. Марганцево-цинковые перезаряжаемые источники тока. 57

Литература.. 59

Конструктивное исполнение электродов в первичных химических источниках тока

Марганцево-цинковой системы со щелочным электролитом

В подавляющем большинстве элементы марганцево-цинковой системы со щелочным электролитом выпускаются стандартной цилиндрической и дисковой формы; галетные батареи и элементы с плоскими электродами распространены намного меньше.

Цилиндрические элементы. Габариты цилиндрических элементов совпадают с габаритами элементов марганцево-цинковой системы с солевым электролитом. В то же время, конструкция щелочных элементов отличается от конструкции солевых аналогов: щелочные элементы имеют как бы вывернутую конструкцию (рис.2.3.1). В элементах со щелочным электролитом цинк всегда находится в виде порошка, поэтому вместо цинкового стаканчика используют стальной никелированный цилиндрический корпус, служащий токоотводом положительного электрода. Активная масса положительного электрода подпрессовывается к внутренней стенке корпуса. Удельная электрическая проводимость щелочного электролита (как правило, 32% -наго раствора едкого кали) заметно больше, чем проводимость солевого электролита в элементах Лекланше, поэтому запас электролита в щелочных элементах меньше, чем в солевых.

Кроме того, в щелочных элементах отсутствует типичная для солевых элементов опасность выпадения осадка. В результате в щелочном элементе можно разместить больше активной массы положительного электрода, чем в солевом элементе того же объема. Так, в щелочной элемент типоразмера D можно поместить 37-41 г диоксида марганца, тогда как в солевой элемент помещается только 22-28 г. Во внутреннюю полость, образованную активной массой положительного электрода, вставляется сепаратор, пропитанный электролитом. В качестве сепарационных материалов используются гидратцеллюлозные пленки (целлофан) или нетканые полимерные материалы. По оси элемента расположен латунный токоотвод отрицательного электрода, а все пространство между этим токоотводом и сепаратором плотно забивается анодной пастой, состоящей из цинкового порошка, пропитанного загущенным электролитом. Объемная доля цинкового порошка составляет всего 30-45%, так что в аноде имеется достаточный запас электролита, что предотвращает анодную пассивацию при разряде большими токами и при низких температурах. Часто уже при изготовлении элементов в качестве электролита используется щелочь, предварительно насыщенная цинкитами, что позволяет избежать расходования щелочи в начале эксплуатации. Кроме того, наличие цинкитов в электролите замедляет скорость коррозии цинка.

Дисковые элементы. Состав компонентов дисковых элементов аналогичен составу компонентов цилиндрических ХИТ. Элемент состоит из дисковых анода, катода и сепаратора с электролитом и бумажной прокладки между ними. Фиксация компонентов осуществляется с помощью специального полихлорвинилового кольца, а герметизация - фасонной пластмассовой шайбой, в паз которой входит токоотвод анода. Токоотводом катода служит корпус элемента.

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".

Ампульные источники тока

Существует целый ряд вариантов конструкций ампульных батарей, которые с момента их создания совершенствовались, но без принципиальных изменений. Основными общими требованиями, предъявляемыми к конструкции, являются: длительный срок сохраняемости в сухом заряженном состоянии, быстрота и безопасность процессов активации, высокая надежность в эксплуатации при воздействии ударных, вибрационных и линейных нагрузок, а в отдельных случаях обеспечение работоспособности источников тока при отрицательной температуре.

Решение этих проблем достигается разными способами, причем особенности конструкции ампульных ХИТ зависят от предъявляемых требований. Конструкции батарей могут быть условно разделены на ряд основных узлов, которые являются принципиально общими для всех батарей с теми или иными конструктивными особенностями. Такими узлами можно считать следующие:

· собственно батарея, состоящая из последовательно соединенных отдельных элементов или секций элементов. В большинстве случаев сосуд каждого элемента имеет два или несколько отверстий для ввода электролита, выхода воздуха и газа. В некоторых конструкциях в этих отверстиях устанавливаются клапаны того или иного устройства;

· резервуары для хранения электролита до момента активации батареи. Резервуары обычно выполняются в виде баллонов. Они могут конструктивно не представлять собой единого целого с батареей и после приведения в действие могут отделяться, что повышает ее удельные характеристики. В некоторых вариантах конструкций, особенно батарей малых габаритов, электролит хранится в трубках малого диаметра и выдавливается непосредственно газом;

· устройства для выдавливания электролита в элементы из баллонов. В качестве последних применяются трубопроводы для подачи газа под определенным давлением, баллоны со сжатым газом, которые могут находиться как в самой батарее, так и вне ее, различные пиротехнические устройства для получения газа в количествах, необходимых для создания в системе требуемого давления;

· узел, осуществляющий раздельное хранение электролита и элементов. Этот узел чаще всего выполнен в виде диафрагмы, которая разрывается в момент приведения батареи в действие, открывая путь электролиту в элементы. Разрыв диафрагмы может осуществляться прокалыванием ее острием ножа, чисто механическим давлением, а также под давлением газов, образующихся при взрыве пиропатрона. Известны варианты разрыва диафрагмы посредством прожигания с помощью импульсов электрического тока, пропускаемого по нити накаливания, проходящей через диафрагму. Этот узел конструктивно может быть выполнен также в виде клапана;

· узел распределения электролита между элементами батареи. В некоторых конструкциях батарей он выполнен в виде панелей с каналами и отверстиями для прохода электролита, иногда - в виде распределительных труб. В батареях с многоампульной заливкой электролит подается индивидуально в каждый элемент;

· система подогрева для батарей, рассчитанных на работу в условиях отрицательных температур. Эта система выполняется в виде пиротехнических устройств или электрических нагревателей. Известны патенты, предлагающие осуществить подогрев элементов батареи за счет теплоты, выделяемой при химических реакциях, происходящих при разряде батареи.

Помимо перечисленных выше основных узлов можно отметить наличие в батареях клапанов различных конструкций и назначений.

Специфические особенности имеют и собственно батареи ампульного типа. Расположение электродов и конструкция сепараторов должны позволять поступающему в сосуды электролиту проникать ко всем электродам и распространяться по их поверхности. Это достигается применением сепараторов с выступающими прожилками. Для улучшения смачиваемости сепараторы пропитываются поверхностно-активными веществами или эти вещества вводятся в электролит.

С целью улучшения работоспособности источников тока при интенсивных режимах разряда применяются различные способы увеличения внутренней поверхности электродов. Особенно важное значение это имеет для цинковых электродов. В СЦ-батареях применяются цинковые электроды, состоящие из нескольких слоев перфорированной или растяжной фольги, многослойные электроды сетчатой конструкции и электроды с губчатым осадком цинка. Эти способы позволяют значительно увеличить поверхность электрода и обеспечить его работоспособность при высоких плотностях тока.

Среди возможных конструкций батарей в качестве основных можно выделить следующие варианты:

- многоампульные или одноампульные;

- с нижней или верхней заливкой;

- с обогревательным устройством или без него.

В многоампульных батареях каждый из входящих в ее состав элементов заливается из индивидуального заливающего устройства (рис.3.3.2). Диафрагмы, отделяющие элемент от электролита, прорываются одновременно, и электролит выливается в элемент в течение очень короткого времени - за несколько секунд. Преимуществом таких батарей является точное за полонение каждого элемента необходимым количеством электролита. Недостатком - большое количество компонентов, входящих в состав батареи, что снижает ее надежность.

Одноампульные батареи обычно состоят из одного или двух рядов элементов, в которые электролит заливают из одной или двух ампул (рис.3.3.3). Приведение в действие рассматриваемого варианта конструкции осуществляется с помощью сжатого газа, находящегося в специальном баллоне. Сжатый газ может подводиться к батарее и от внешнего магистрального трубопровода. Он поступает в баллон с электролитом и вытесняет его в элементы батареи, при этом разделительная диафрагма прорывается острым ножом. Проход газа в батарею предотвращается растягивающейся эластичной камерой.

После срабатывания активационного механизма и прорыва диафрагмы электролит поступает в элементы через распределительную камеру или по трубкам через штуцеры в дне или крышке сосуда.

Вытесняемые из элементов воздух и газ, выделяющиеся при работе батареи, удаляются через магистраль в специальный резервуар (отстойник), оснащенный клапаном для выхода избыточного газа. При нижней заливке электролит распределяется равномерно, так как уровень его в элементах может выравниваться по закону сообщающихся сосудов. При верхней заливке равномерности распределения электролита достичь сложнее, но конструктивно легче решается вопрос о сведении к минимуму саморазряда элементов.

В тех случаях, когда батарея должна разряжаться при пониженных температурах, она снабжается нагревателями. Чаще всего используются электрические нагреватели, которые встраиваются в баллон с электролитом. Иногда предусматривается обогрев и самих элементов, но он менее эффективен. Поэтому он используется одновременно с обогревом электролита. Такой вид обогрева позволяет термостатировать батарею в течение установленного времени или подогревать ее периодически для приведения в действие.

Известны батареи, в которых электролит предварительно не нагревается, а проходит через теплообменники во время заливки.

Это имеет как преимущества, так и недостатки. Сокращается время готовности батареи, но в то же время одноразовый подогрев исключает возможность хранения батареи в залитом состоянии при пониженных температурах.

Рассмотренные конструкции дают общее представление о принципе конструирования ампульных батарей одноразового действия, но не исчерпывают всего многообразия конструкций.

Развитие источников тока ампульного типа за рубежом и в России шло в аналогичных направлениях. Выпускаемые ОАО " АК Ригель" батареи имеют емкость от 2, 8 до 200. А ч и по своим параметрам соответствуют уровню зарубежных ампульных источников тока.

Основы технологии ампульных СЦ-батарей. Специфичность условий эксплуатации источников тока ампульного типа обусловила необходимость специального выбора материалов для изготовления, как самих источников тока, так и заливающих устройств.

Отрицательный электрод для СЦ-батарей одноразового действия подвергался последовательному ряду усовершенствований. Вслед за применявшимся первоначально перфорированным цинком получили применение электроды с каркасом из сеток с электролитические нанесенным плотным осадком цинка, электроды из просеченной фольги, затем электроды с электролитические осажденным в щелочном электролите губчатым цинком.

Работоспособность этих электродов можно оценить по удельной емкости и максимально допустимой плотности тока.

Электрод с электролитически осажденной цинковой губкой превосходит другие электроды не только по допустимой плотности тока, но и по работоспособности при пониженных температурах. При оптимальной степени уплотнения активной массы (пористость не менее 60%) он работоспособен при плотностях тока до 40 А/дм2 при температурах от - 5 до +50 °С.

Тепловые источники тока

Конструкции ТХИТ самые разнообразные. Они различаются формой, размерами, способами электрических соединений единичных элементов между собой, наличием в одном корпусе одной или нескольких сборок единичных элементов на одинаковое или разное напряжение, способами активации и термостабилизации во время работы и рядом других особенностей. Многие конструктивно-технологические варианты ТХИТ приведены.

Основная форма ТХИТ - цилиндрическая, но имеются призматические разновидности, конструкции из двух сочлененных цилиндров и другие более сложные формы. Размеры - от одного сантиметра по диаметру и высоте до нескольких десятков сантиметров по обоим параметрам. Единичные элементы: токоотвод (коллектор тока) - анод - сепаратор (или загущенный электролит) - катод - токоотвод бывают закрытого и открытого типа. В первом случае каждый единичный элемент размещается в отдельном герметизированном корпусе (чашечная конструкция), во втором (таблеточная конструкция) анод и катод, припрессованные к токоотводам или соединенные с ними другим способом, а также электролит между ними выполнены в виде таблеток. Компоненты дополнительно припрессовываются друг к другу в каждом единичном элементе или в составе всей сборки. Часто уплотнение компонентов единичных элементов между собой достигается механическим путем с помощью стяжки, пружины или другим способом.

Преимущество первого варианта - высокая сохраняемость и повышенная устойчивость к механическим перегрузкам, недостаток - сложная технология изготовления, поэтому чашечная конструкция применяется редко.

В некоторых единичных элементах таблеточного типа применяются вместо катодного токоотвода продуктов сгорания пиросмеси, которые должны иметь хорошую электронную проводимость, а сам катодный материал не должен выходить из строя при сгорании пиротехнического состава. Схема единичного элемента в этом случае: токоотвод - анод - электролит - катод - пиросмесь. Отсутствие одного компонента приводит к выигрышу в массе ТХИТ.

Наиболее простая и типичная конструкция приведена на рис.3.4.3. В цилиндрическом корпусе с теплоизоляцией размещена сборка единичных элементов, электрически последовательно соединенных друг с другом. Между каждыми двумя единичными элементами, а также на торцевых поверхностях сборки расположены химические нагреватели - таблетки пиросмеси. Уплотнение всех компонентов осуществляется стяжкой - металлическим стержнем, расположенным в середине и покрытом электроизоляционным слоем. В верхней части стержня имеется резьба. Уплотнение достигается закручиванием специальной шайбы. Активация осуществляется поджогом всех таблеток пиросмеси. Для этого вдоль столба сборки помещена лента быстрогорящего пиротехнического состава - огневой канал (на рис.3.4.3. не показан). Лента механически контактирует с каждой таблеткой пиросмеси.

Поджиг пиротехнической ленты осуществляется с помощью пиропатрона, который, в свою очередь, запускается от внешнего источника тока. Ток, кратковременно использующийся для запуска пиропатрона, называется током срабатывания. Его минимальное значение обычно около 1А.

Электрическая коммутация первичных элементов. Для последовательного соединения элементов используются три способа: с помощью металлических проводников, продуктами сгорания пиросмеси и комбинированный способ. Последний, чаще используемый метод обычно реализуется так. Два токовых коллектора - металлические пластины круглой формы - соединяются перемычкой (гантель). На один коллектор наносится анодный материал, на другой - катодный. Электролит припрессовывается к одному из полюсов.

Токоотводы могут находиться на одном торце цилиндра, на разных (как показано на рис.3.4.3), иногда - на боковой поверхности.

Тепловые ХИТ могут работать на одного потребителя или на несколько, обычно - на два. При электроснабжении двух потребителей нужны три токоотвода, два - с конечных элементов и один промежуточный, чаще с середины сборки. Поскольку промежуточный токоотвод является для одной части сборки положительным полюсом, а для другой - отрицательным, то одно выходное напряжение обозначают знаком " +", а другое - знаком " -".

Батарея для одного потребителя называется односекционной, для двух - двухсекционной и т.д.

Механическое соединение элементов конструкции. Кроме уплотнения единичных элементов и пиросмеси с помощью стяжек и пружин имеются другие способы. Вместо одной стяжки в центре ТХИТ часто применяют несколько стяжек по периферии, а огневой канал располагают в центре.

Имеется много вариантов ТХИТ, в которых механическое соединение элементов не применяется, а сборка получается просто при прессовании всех ее компонентов.

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.