Реферат: Конструктивное исполнение электродов в первичных химических источниках тока

Цилиндрические 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 размещаются 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.

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.

1.3. Ртутно-цинковые элементы и батареи

???????????? ???????? ? ?????????????? ??-????????. ????? ????????? ???????? ????????? ?? ???.2.4.1. ???????? ????? ?????????????? ????????? ???????????????? ? ???????? ??????, ???????? ??????? - ? ???????? ??????, ??????? ?????? ??????? ????? ?????. ????????? ??????????? ??????????? ?????? ???????????, ??????????? ????????? ???????????. ??????? ??????????????? ? ??????? ????????? ??? ????????????? ?????????, ????????? ?????????? ??????? ? ?????? ???????? ?????. ??? ?????????????? ????????? ???????? ????? ????????? ??????? ? ????? ??????????? ?????????? ?????? ????? ???????, ??? ??? ????????????? ?????????????? ?????????? ?????, ??????? ?????? ??? ???????????? ??????? ?????.

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

??????? ??????????? ??????????? ???? ??? ?????????? ????? ???????? ????????? - ?? ????????? ???????? ?????????????. ???? ???????? ??????????????? ????????? ???????? ??????? ?? ?????? ?????????? ??????????? ? ??? ??????? ???????????? ?? ???????? ?????????? (??? ? ????????? ? ??????? ?????????? ????????????), ?? ? ?????????? ??????? ? ????? ???? ? ??????? ? ?????? ??????? ???????? ?? ?????, ? ????? ?????????? ??? ?????? - ? ??????????????. ??????? ?????????? ???????????? ???????? ????????? ??????????????? ??????? ???????? ?? ?????? ? ?????? ????? ?????????? ??????????? ??????????, ??????? ??????????? ???????????? ? ?.?.

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".

1.6. Воздушно-цинковые первичные источники тока

?????????????? ??? ??????? ? ??????? ???????.

Воздушно-цинковые ХИТ средней и большой емкости (30-3300. А ч) выпускаются призматической формы в виде готовых к употреблению или требующих активации (резервных) ХИТ.

Готовые к употреблению ХИТ имеют монолитные цинковые аноды, блочные или карманные угольные катоды, прикрепленные к крышке корпуса (банке). Доступ воздуха обеспечивается через отверстие в крышке банки ("дыхательное" отверстие, которое закрывается газонепроницаемой пенкой при хранении ХИТ) или через выступающий торец угольного электрода. Электролитом служит 30-40%-ный раствор КОН или 20% -ней раствор NaOH. На дне сосуда имеется известь, необходимая для регенерации щелочи.

Некоторые фирмы выпускают ХИТ в прозрачных корпусах, что позволяет контролировать уровень электролита и степень использования цинка. По цвету осадка можно судить и о расходе извести, поскольку цинкит кальция имеет более темный цвет, чем известь.

Дисковые (пуговичные) и цилиндрические хит малой емкости

Малогабаритные портативные ХИТ выпускаются в основном в дисковом (пуговичном) варианте.

Они состоят из анодов с порошкообразным цинком, сепаратора с электролитом (30-40% -нам раствором КОН), тонкого катода с катализатором (обычно МпО"), гидрофобной (гидрозащитной) фторопластовой пористой пленки и воздухораспределительной мембраны (рис.2.7.5). Анод кроме цинка содержит электролит и ингибитор коррозии. Катод состоит из активированного угля, сажи, катализатора, гидрофобизатора (фторопласта) и металлической, обычно никелевой, сетки. Воздух поступает в ХИТ через отверстие в крышке, которое закрыто пленкой до начала работы ХИТ. С помощью специальной мембраны воздух равномерно распределяется по поверхности катода. Пористая фторопластовая пленка обеспечивает поступление воздуха к катоду и предотвращает попадание электролита на тыльную сторону катода. ГНПП "Квант" выпускает небольшими сериями цилиндрический ХИТ типоразмера 373.

Воздушно-марганцево-цинковые ХИТ. Схема конструкции одного элемента из батареи "Корунд ВЦ" приведена на рис.2.7.10 [2.7.3]. Элемент размещается в винипластовом корпусе 3, нижняя часть которого содержит отрицательный электрод 5. Активная масса анода состоит из цинкового порошка, электролита и ингибитора коррозии. Цинковый порошок имеет высокую чистоту (см. § 2.3.3).

Активная масса катода представляет собой двухслойную таблетку, армированную стальной сеткой и содержащую,%: диоксид марганца 35-40, ацетиленовую сажу 20 и активируемый уголь 40-45. Во внешний слой вводится гидрофобизатор (парафин или полиэтилен). Благодаря гидрофобизатору электролит не проникает в воздушную камеру. Катод отделяется от анода загущенным электролитом, содержащим КОН (12 моль/л), ZnO (0,6 моль/л) и загуститель (крахмал и пшеничная мука).

Через дно корпуса выходит спиральный токоотвод 7 отрицательного электрода, закрепленный герметизирующим слоем эпоксидной смолы. Шесть элементов собираются столбиком в батарею таким образом, чтобы токоотвод отрицательного электрода одного элемента прижимался к токоотводу положительного электрода другого элемента. Батарея имеет пластмассовый или металлический корпус с фигурными токовыводами на крышке, к которым подведены токоотводы от крайних элементов. После изготовления батарея помещается в полиэтиленовый изолирующий чехол и хранится в чехле до начала разряда.

1.7. Химические источники тока с алюминиевыми и магниевыми анодами

С алюминиевыми анодами и солевыми электролитами. Обычно выпускаются элементы призматической формы. Простейшая схема элемента приведена на рис.2.8.1. Он состоит из алюминиевого или магниевого анода, газодиффузионного воздушного электрода и электролитной камеры. При последовательном или параллельном соединении элементов получают батарею необходимой емкости и напряжения. Батарея имеет корпус с крышкой, к которой прикрепляются токоотводы электродов и в которой имеется клапан для отвода газов. На рис.2.8.2 приведена батарея воздушно-алюминиевых элементов, разработанная в МЭИ (ТУ). Материалом анода служил алюминий, модифицированный небольшими добавками (десятые и сотые массовые доли процента) галлия, олова и свинца. В качестве воздушных применяются двухслойные электроды толщиной 1-1,2 мм. Диффузионный слой состоит из гидрофобизатора (на основе суспензии фторопласта), сажи и металлической сетки. Активный слой содержит активированный уголь и фторопласт. Электролитом служил раствор NaCl (12-15% (по массе)), имеющий удельную электрическую проводимость при 18. °С 140-164 См/м.

В МЭИ (ТУ) также разработан воздушно-алюминиевый ХИТ погружного типа. Закрепленные на крышке электроды погружаются в сосуд с раствором NaCl. Для предотвращения токов утечки сосуд разделен на секции, имеющие дно и стенки и открытые вверху. Такая конструкция позволяет регулировать емкость ХИТ путем изменения размеров электродов и объема раствора электролита (объема секции). Такие ХИТ могут монтироваться у потребителя на любые емкость и напряжение из готовых воздушных и металлических электродов. Была разработана и успешно испытана погружая, батарея воздушно-алюминиевых элементов емкостью (без смены анодов) 300. А ч и напряжением 12. В, которая имела удельную энергию 300 Вт ч/кг.