Лекция 2 - Конспекты (1095368), страница 3
Текст из файла (страница 3)
На практике набор требований ограничивает кругиспользуемых веществ. В итоге всего исследовано более 500 электрохимических систем, перспективных для возможного применения в ХИТ, и только 4050 из них дошли до стадии практической реализации. Так, наибольшее распространение получили гальванические элементы и батареи следующих систем:марганцево-цинковые (солевые и щелочные), ртутно-цинковые, серебряноцинковые, литиевые.Марганцево-цинковые элементы делят на источники тока c солевымэлектролитом и с щелочным (рисунок 2.8).Вообще цинк – очень удобный реагент для ХИТ: он является хорошимвосстановителем с достаточно отрицательным потенциалом, коррозионно довольно устойчив в водных растворах, сравнительно дёшев и нетоксичен.
Цинковые аноды использовались ещё в Вольтовом столбе и продолжают оставатьсяосновными до сих пор.15Электропитание РЭАГлава 2Рисунок 2.8 – Солевые и щелочные марганцево-цинковые элементыИсторически начало промышленного производства первичных ХИТ былозаложено в 1865 г. французом Ж.Л. Лекланше, предложившим марганцевоцинковый элемент с солевым электролитом. И до недавнего времени элементыс солевым электролитом (система Zn NH4Cl, ZnCl2 MnO2) являлись наиболее распространёнными несмотря на то, что появились они одними из первых исохранились практически в неизмененном виде благодаря своим характеристикам (рисунок 2.9):- дешевизна и доступность сырья;- простота технологии производства;- низкая конечная стоимость, определённая низкими затратами производителя;- удобство использования;- удовлетворительные для большинства областей применения электрические параметры.Рисунок 2.9 – Угольно-цинковые (солевые) ХИТ советского производства16Электропитание РЭАГлава 2Так, в 1985 г.
в мире было выпущено более 18 млрд. элементов с солевымэлектролитом.Однако к настоящему времени практически все производители полностью отказались от их выпуска, что объясняется повышением требований производителей современной РЭА к техническим параметрам источников электроэнергии.К числу недостатков солевых элементов относят:- резкое падение напряжения в течение разряда;- значительное снижение отдаваемой ёмкости при увеличении разрядныхтоков до значений, необходимых для современной РЭА;- резкое ухудшение характеристик при отрицательных температурах;- маленький срок хранения (в зависимости от рецептур активных масс иэлектролита, конструктивного исполнения и размеров элементов их сохранность колеблется от 1 года до 3 лет; к концу гарантированного срока утрата ёмкости может составлять 30-40%).Солевые элементы выпускали в виде двух модификаций:- традиционные элементы Лекланше с электролитом, представляющимсобой водный раствор хлорида аммония;- элементы с электролитом, представляющим собой хлорид цинка и (или)хлорид кальция, загущенный крахмалом или синтетическими полимерами.В обоих случаях электролит находится в иммобилизованном состоянии,что позволяет эксплуатировать элементы в любом пространственном положении и служит основой для названия "сухие элементы" (рисунок 2.10).
Примечательно, что кроме "сухих батарей" до 1930-х гг. выпускались и "мокрые", которые работали с жидким электролитом. Перед использованием в их элементынужно было залить воду. Зачастую "мокрые" батареи радиолюбители успешноизготавливали сами.17Электропитание РЭАГлава 2Рисунок 2.10 – "Сухая батарея" БС-Г-70 (1952 г.)Солевые элементы работоспособны в интервале температур от -20 до60°С. При длительном воздействии высокой температуры увеличивается саморазряд элементов. А при низкой температуре заметно уменьшается отдаваемаяёмкость.При использовании в РЭА у солевых элементов на последней стадии разряда и по его окончании может произойти течь электролита, что связано с повышением объёма активной массы положительного электрода и выдавливаниемэлектролита из его пор. Особенно сильно этот эффект проявляется после разряда большими токами или короткого замыкания.
В конце разряда в результатемедленного разложения диоксида марганца может также выделяться кислород,а в результате коррозии цинка – водород, что тоже способствует увеличениювнутреннего объёма элемента.Особенность солевых ХИТ – это большое разнообразие их форм и размеров. Это преимущество перед другими типами ХИТ в своё время обеспечилоим самое широкое распространение: на транспорте, в бытовой технике, аппаратуре освещения, фотоаппаратуре, специальной аппаратуре и т.
д.Конструктивно солевые элементы чаще всего выпускали в двух вариантах: "цилиндрическом" и "дисковом". Типоразмеры солевых элементов стандартизованы и приведены в таблице 2.1.18Электропитание РЭАГлава 2Таблица 2.1 – Основные типоразмеры цилиндрических солевых ХИТ, мм10.510.514.526.234.2Высота, мм344.550.55061.5Объём, см38.3456.5МЭКR08R03R6R14R20СШАOAAAAACDРоссия316343373В солевых цилиндрических элементах (рисунок 2.11) корпус, сделанныйиз цинка (цинковый стакан), является отрицательным электродом. Положительный электрод представляет из себя брикет из спрессованной активной массы, увлажнённый электролитом, в центре которой расположен токоотвод –угольный стержень, пропитанный составами на основе парафина для сниженияпотери воды из электролита.
Сверху токоотвод обжат металлическим колпачком. Электролит в сепараторе – загущенный. В элементах есть газовая камера(воздушная прослойка), в которую поступают газы, выделяющиеся при разрядеи саморазряде. Сверху размещают прокладку. Для уменьшения вероятности течи в результате коррозии тонкостенного цинкового стакана элемент помещаютв защитный футляр (корпус), картонный или полимерный, иногда дополнительно применяют футляр из белой жести. В этом случае дно и верх элементатакже закрывают белой жестью.Рисунок 2.11 – Устройство солевого марганцево-цинкового элемента19Электропитание РЭАГлава 2Щелочные марганцево-цинковые ХИТ (система Zn KOH MnO2) начали производить в середине XX века. Одной из первых их промышленный выпуск освоила компания "Duracell" (США).Активным материалом анода является порошкообразный цинк высокойстепени чистоты.
Для уменьшения скорости коррозии цинк может быть легирован небольшими добавками свинца, индия, висмута и алюминия.При беспрерывном разряде средними и повышенными токами щелочныеэлементы обеспечивают ёмкость бо́ льшую (до 7-10 раз), чем солевые элементытех же габаритов. Щелочные элементы лучше функционируют и при низкихтемпературах: при -20°С отдают такую же ёмкость, как солевые в режиме беспрерывного разряда при комнатной температуре.
Скорость саморазряда щелочных марганцево-цинковых элементов меньше: после 1 года хранения при 20°Сили 3 месяцев при 50°С потери ёмкости составляют примерно 10% начальнойёмкости.Гарантийный срок хранения щелочных элементов составляет 5-7 лет,иногда он достигает 10 лет.Итак, при одинаковых размерах солевых и щелочных ХИТ продолжительность работы последних при одинаковых малых токах в 1,5-2 раза больше,а при больших – в 4-10 раз больше.Размеры цилиндрических щелочных элементов совпадают с размерамиэлементов марганцево-цинковой системы с солевым электролитом. В то жевремя, устройство щелочных элементов отличается от устройства солевых аналогов: в элементах с щелочным электролитом цинк всегда находится в виде порошка, поэтому вместо цинкового стаканчика применяют стальной никелированный цилиндрический корпус, служащий токоотводом положительного электрода (рисунок 2.12).
Активная масса положительного электрода подпрессовывается к внутренней стенке корпуса. В щелочном элементе можно расположитьбольше активной массы положительного электрода, чем в солевом элементе то20Электропитание РЭАГлава 2го же объёма. Во внутреннюю полость, образованную активной массой положительного электрода, вставляется сепаратор, пропитанный электролитом. Вкачестве сепарационных материалов применяют целлофан либо нетканые полимерные материалы. По оси элемента размещён латунный токоотвод (стержень) отрицательного электрода, а всё пространство между этим токоотводом исепаратором плотно забивают анодной пастой, состоящей из цинкового порошка, пропитанного загущенным электролитом.
Часто уже при изготовлении элементов в качестве электролита применяют щёлочь, предварительно насыщенную цинкатами, что позволяет избежать расходования щёлочи в начале эксплуатации. Кроме того, присутствие цинкатов в электролите замедляет скорость коррозии цинка. Для предотвращения взрыва батареи при неправильномиспользовании (например, коротком замыкании), в ней имеется предохранительная мембрана. При превышении давления газов происходит разрыв мембраны и разгерметизация элемента – результатом обычно становится течь электролита.Рисунок 2.12 – Устройство щелочного марганцево-цинкового элемента1 – стальной никелированный стакан; 2 – латунный стержень; 3 – анодная паста; 4 – сепаратор; 5 – графит или сажа; 6 – оболочка; 7 – предохранительная мембрана; 8 – прокладка;9 – стальная тарелка.21Электропитание РЭАГлава 2Из-за более плотной активной массы и применения стального корпусащелочные элементы при тех же размерах обычно тяжелее солевых на 25-50%.Как и у всех ХИТ, ёмкость элементов с щелочным электролитом уменьшается при увеличении тока разряда и снижении температуры, но менее резко,чем у элементов с солевым электролитом.
Удельная ёмкость элементов с щелочным электролитом при разряде малыми токами приблизительно в 1,5 разапревышает удельную ёмкость элементов с солевым электролитом. При разрядебольшими токами это различие достигает 4-10-кратного.Напряжение в процессе работы щелочных элементов изменяется значительно меньше, чем у элементов с солевым электролитом. Элементы с щелочным электролитом имеют более высокие удельную энергию (65-90 Вт·ч/кг) иудельную мощность (100-150 кВт·ч/м3).Щелочные элементы очень хорошо работают в режимах с непрерывнымотбором тока и с отбором больших токов и имеют явное преимущество передсолевыми элементами. Основное преимущество щелочных батарей заключаетсяименно в высокой мощности при разряде в непрерывном или тяжёлом режиме.При определённых условиях щелочные ХИТ обеспечивают в семь раз бо́ льшуюдлительность работы, чем солевые ХИТ. Также они остаются работоспособными в интервале температур от -20 до 70°С, а в определённых случаях и при более высоких температурах в районах с различной влажностью и условиями эксплуатации.Как и для ХИТ системы Лекланше, так и для щелочных ХИТ характерното, что время работы (в часах) тем выше, чем ниже конечное напряжение.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
