151470 (Конструктивное исполнение электродов в первичных химических источниках тока)

РЕФЕРАТ

на тему:

"Конструктивное исполнение электродов и электродных блоков

в различных источниках электрического тока"

Выполнили:

студенты 2курса

Петров А.В.

Научный руководитель:

Пестриков В.Ф.

2008

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

1. Конструктивное исполнение электродов в первичных химических источниках тока

1.1. Марганцево-цинковые элементы с солевым электролитом

Выпускаются в трех конструктивных вариантах: стаканчиковом (цилиндрическом и призматическом), галетном и плоском тонком. Наиболее распространенными являются цилиндрические элементы.

Ц илиндрические элементы. Корпус 1 цилиндрического элемента (рис.2.2.1) изготовляется из цинка и является отрицательным электродом. В центре элемента располагается положительный электрод (агломерат), представляющий собой брикет из спрессованных активной массы 2 и угольного стержня - токоотвода}. Агломерат отделен от дна стакана изолирующей прокладкой 6 или картонной шайбой 5. Между агломератом и корпусом находится электролит 4 (толщиной 0,15-1 мм). У элементов старых конструкций с электролитом на основе раствора хлорида аммония агломерат (в виде сухого брикета) оборачивался тканью или бумагой, вставлялся в стакан и заливался раствором электролита с загустителем. Элементы следующего поколения (известные под названием "Марс") содержали мокрый сепаратор в виде пористого картона, исходно пропитанного раствором электролита с нанесенным со стороны цинка слоем пасты. Элементы с электролитом на основе раствора хлорида цинка (известные у нас под названиями "Орион", "Юпитер", "Уран") имеют исходно сухой сепаратор в виде бумаги с нанесенным на сторону, обращенную к цинку, слоем загустителя (крахмал, поливиниловый спирт) с ингибитором коррозии. Весь электролит в этом случае исходно находится в объеме агломерата и переходит в сепаратор уже в собранном элементе. На агломерате находятся разделительная прокладка и газовая камера 7, в которую поступают газы, выделяющиеся при разряде и саморазряде ХИТ. В элементах старых конструкций газовая камера закрывалась картонной крышкой и заливалась герметизирующей композицией на основе битума. В более новых конструкциях элемент закрывается пластмассовой крышкой. Угольный токоотвод пропитывается гидро-фобизирующими составами, обычно на основе парафина, для уменьшения потери воды из электролита, однако он сохраняет пористость и способен сбрасывать давление из газовой камеры. Сверху угольный стержень имеет плотно обжимающий его металлический колпачок, предназначенный, кроме обеспечения хорошего электрического контакта с токосъемными зажимами оборудования, для предотвращения попадания на них электролита и неизбежной коррозии. В элементах и батареях больших емкостей, где токовывод осуществляется не через непосредственный контакт с угольным стержнем, а через провода, имеются приспособления для аварийного сброса давления, например с помощью стеклянных трубок, подходящих к внешнему слою герметизирующей заливки. Снаружи элемент оклеивался бумагой или одевался в картонный футляр. Контакт отрицательного вывода осуществлялся непосредственно через цинковое донышко, которое в этом случае обрабатывалось абразивом. В более дорогих элементах положительный и отрицательный выводы (верх угольного стержня и дно цинкового стаканчика) закрывались плотно прилегающими крышками, корпус помешался в картонный или полимерный футляр, предотвращающий попадание электролита в аппаратуру при сквозной коррозии цинкового стаканчика, и закрывался сверху жакетом из жести. При сборке батарей на основе стаканчи-ковых элементов последние дистанцируются с помощью картонных или полимерных прокладок, коммутация батареи производится с помощью пайки. Элементы соединяются обычно последовательно, но имеются случаи и параллельного и даже параллельно-последовательного соединения.

Галетные ХИТ. Схема галетного МЦ-элемента приведена на рис.2.2.2. Он состоит из отрицательного электрода - цинковой пластинки 1, положительного электрода - агломерата 2 из активной массы, обернутого тонкой бумагой 4, сепаратора 3, пропитанного электролитом. На внешнюю сторону цинковой пластинки наносится непроницаемый для электролита токопроводящий слой 5, состоящий из полимерного связующего с графитом. Все слои прижимаются друг к другу термоусаживаемым полимерным кольцом 6, обеспечивающим герметизацию элемента. При сборке батарей элементы р азмещаются в столбик друг на друге, при этом положительный электрод одного элемента прижат к токопроводящему слою другого элемента.

Галетные батареи характеризуются более высокими удельными емкостью и энергией, чем батареи из цилиндрических элементов, и меньшим расходом цинка, чем стаканчиковые элементы вообще, так как в последнем случае цинк используется не только как активный, но и как конструкционный материал.

Тонкие плоские элементы. В начале 70-х годов XX в. в США и Японии были разработаны тонкие пластичные плоские элементы (толщиной не более 1,5 мм), которые могут изгибаться. Элемент состоит из фольгового анода, целлофанового сепаратора, пропитанного электролитом (содержащим хлориды аммония и цинка и полиакриламид), тонкого катода обычного состава и коллектора тока. Из этих элементов собирается батарея. Например, батарея для аппарата "Поляроид" состоит из четырех элементов и имеет номинальное напряжение 6. В и емкость 250 мА ч при токе 10 мА.

1.2. 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.

Ц илиндрические 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.

1.3. Ртутно-цинковые элементы и батареи

П роизводятся 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

Г лавная 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.