Главная
История:
Началось все с
лягушки
Вольтов столб
Огромная батарея Василия Петрова
Первые гальванические элементы
Первые аккумуляторы
Электрохимический счётчик
Аккумуляторы:
Типы аккумуляторов
Аккумуляторы
Литий-ионные
Аккумуляторы
Литий-полимерные
Аккумуляторы Литиевые
Аккумуляторы
Ni-Cd
Аккумуляторы
Ni-MH
Аккумуляторы Свинцово-Кислотные
Автомобильный аккумулятор
Зарядка автомобильного аккумулятора
Умные аккумуляторы
Зарядные устройства
Способы контроля заряда аккумуляторов
Эффект памяти аккумулятора
Аккумуляторные Батареи
"Батарейки":
Типы "Батареек"
Батарейки солевые и щелочные
Батарейки Литиевые
Резервные источники тока
Альтернативная энергия:
Топливные элементы
Солнечная энергия
Солнечные батареи
Ветрогенератор
Разное:
Источник бесперебойного питания
Ионисторы
Перспективные источники тока
Эксплуатация химических источников тока
Диагностика химических источников тока
Тенденции рынка
Производители
Теория и её развитие:
Начало электрохимии
Открытие электроосмоса и электрофореза
Открытия Фарадея
Появление новых терминов
Электрохимический ряд напряжений металлов
Гальванический элемент в банке
Почему растворы проводят электрический ток
Двойной электрический слой на поверхности
Электрохимическая коррозия
Биоэлектричество
   


Оформим срочно купить эцп Дербенте


Яндекс цитирования

Типы первичных Химических Источников Тока

Развитие первичных химических источников тока. В 1800 г. итальянский ученый А. Вольта сообщил о создании батареи первичных элементов, получившей название "вольтов столб". Открытие А. Вольта оказало большое влияние на развитие электротехники. Начало промышленного производства первичных химических источников тока было заложено в 1865 г. французом Ж. Л. Лекланше, предложившим марганцево-цинковый элемент с солевым электролитом. В 1880 г. Ф. Лаландом был создан марганцево-цинковый элемент с загущенным электролитом. Впоследствии этот элемент был значительно улучшен. Существенное улучшение характеристик было получено при применении электролитического диоксида марганца на катоде и хлорида цинка в электролите. До 1940 г. марганцево-цинковый солевой элемент был практически единственным используемым первичным химическим источником тока. Несмотря на появление в дальнейшем других первичных источников тока с более высокими характеристиками, марганцево-цинковый солевой элемент используется в очень широких масштабах, в значительной мере благодаря его относительно невысокой цене.

В 50-х годах XX в, на рынке появились марганцево-цинковые источники тока с щелочным электролитом, характеристики которых существенно лучше солевых батареек, а за последние годы они значительно улучшились. Суммарный выпуск и доля щелочных марганцево-цинковых батареек в общем производстве первичных химических источников тока непрерывно увеличиваются. Выпуск их в 2001 г. составил примерно 28 млрд шт., что составляет 61% выпуска всех первичных источников тока. Суммарный выпуск марганцево-цинковых источников тока в 2001 г. - примерно 46 млрд шт., что составляет 90% штучного выпуска всех химических источников тока.

В 40-х годах XX в. началось производство серебряно-цинковых, в 50-х - ртутно-цинковых, а в 60-х - воздушно-цинковых источников тока. В конце 60-х и начале 70-х годов было организовано изготовление первичных литиевых источников тока, удельная энергия которых значительно выше удельной энергии других первичных химических источников тока (ХИТ), за исключением воздушно-цинковых. Объем производства и доля литиевых источников тока в совокупном выпуске первичных ХИТ быстро возрастают.

Типы и характеристики основных первичных Химических Источников Тока

Как уже указывалось выше, к наиболее распространенным относятся марганцево-цинковые и литиевые первичные источники тока. Другие источники тока производятся в значительно меньших масштабах. Вкратце опишем основные первичные химические источники тока и их характеристики.

Марганцево-цинковые источники тока с солевым электролитом. Анодом служит цинк, являющийся корпусом источника тока, активным веществом катода - электролитический диоксид марганца или химический диоксид марганца, электролитом - хлорид аммония, хлорид цинка или хлорид аммония с хлоридом цинка. Электролит находится либо в загущенном состоянии, либо в порах микропористого сепаратора. Для снижения скорости или предотвращения коррозии в цинк и в электролит добавляют ингибиторы коррозии. К достоинствам этих батареек относятся невысокая стоимость и большое количество выпускаемых типоразмеров, к недостаткам - падающая разрядная кривая, относительно невысокая удельная энергия, значительное ухудшение характеристик при повышенных нагрузках и низких температурах. Батарейки солевые и щелочные

Марганцево-цинковые источники тока с щелочным электролитом. Анодом служит порошкообразный цинк, а катодом - диоксид марганца. Электролитом является гелеобразный раствор КОН или КОН в матрице. В состав анода и электролита включают ингибиторы коррозии. В сравнении с марганцево-цинковым источником тока с солевым электролитом батарейки с щелочным электролитом имеют более высокие емкость и удельную энергию, в особенности при повышенных нагрузках и низкой температуре, но они более дорогие. Батарейки солевые и щелочные

Ртутно-цинковые источники тока. Анодом является порошкообразный цинк, катодом - оксид ртути, электролитом - раствор КОН. Характеризуется горизонтальной разрядной кривой, высокой удельной энергией, низким саморазрядом. К недостаткам относятся плохие характеристики при пониженных температурах, высокая стоимость и, самое главное, высокая токсичность ртути. Применялись в медицинских устройствах, точных приборах и других устройствах. В последние годы из-за токсичности ртути в некоторых странах выпуск прекращен, в других странах существенно сокращен.

Ртутно-кадмиевые источники тока. Анодом служит порошкообразный кадмий, катодом - оксид ртути, электролитом - раствор КОН. Рабочие температуры окружающей среды от -55 до 80 °С. Они имеет горизонтальную разрядную кривую, очень низкий саморазряд, что обеспечивает сохранность заряда до 10 лет. Даже при температуре 60 °С саморазряд не превышает 1% в месяц. К недостаткам относятся токсичность и высокая цена компонентов. Изготавливаются в ограниченных масштабах в дисковой, цилиндрической и призматической формах. Применяются в устройствах контроля бурения нефтяных и газовых скважин, телеметрии двигателей внутреннего сгорания, сигнальных устройствах тревоги, спасательном-оборудовании, устройствах мониторинга в отдаленных районах и т.д. Из-за токсичности производство этих источников тока сокращается.

Серебряно-цинковые первичные источники тока. В качестве анода применяется порошкообразный цинк, катода - оксиды серебра, электролита - раствор КОН или NaОН (загущенные или матричные). Имеют гладкую разрядную кривую, высокую удельную энергию, низкий саморазряд, могут работать при больших токах, однако дороги. Производятся в дисковой форме емкостью до 200 мА·ч. Применяются в часах, фотоаппаратах, слуховых аппаратах и других устройствах.

Медно-цинковые источники тока. Производство этих химических источников тока началось еще в 1889 г. В настоящее время они выпускаются в небольших масштабах в виде элементов емкостью от 250 до 1000 А·ч. Гладкие цинковые пластины и пластины из смеси оксида меди, меди и связующего помещают в стеклянный или металлический сосуд с 20%-ным раствором NaОН. Элементы имеют напряжение 0,6-0,7 В и удельную энергию 25-30 Вт·ч/кг. К их достоинствам относится постоянство разрядного напряжения, очень малый саморазряд, безотказность в работе и невысокая цена. Применялись в системах сигнализации и связи на железных дорогах.

Воздушно-цинковые первичные источники тока. Активным веществом катода служит кислород воздуха, поэтому катод является нерасходуемым, он содержит катализатор восстановления кислорода (активированный уголь или диоксид марганца). В качестве электролита применяется раствор КОН. К достоинствам источника тока относятся очень высокая удельная энергия и относительно невысокая цена, к недостаткам - влияние окружающей среды (влажности воздуха и диоксида углерода) на характеристики источника тока. Производятся две разновидности: призматические с высокой емкостью (до 1000 А·ч) и дисковые с малой емкостью. Используются для питания средств связи, в слуховых аппаратах, медицинских и других устройствах.

Литиевые первичные источники тока с твердыми катодами и апротонным электролитом. Восстановителем является литий, окислителями - оксиды, сульфиды металлов или фтороуглерод. Электролитами служат растворы солей лития (LiClO4, LiBF4 или LiBr) в апротонных растворителях: пропиленкарбонате (ПК), диоксолане (ДОЛ), γ-бутиролактоне (БЛ), тетрагидрофуране (ТГФ), диметоксиэтане (ДМЭ) и др. В зависимости от типа используемого окислителя источник тока имеет разрядное напряжение около 1,5В (CuO, CuS, FeS, Bi2O3 или FeS2) или 2,5-3,2В (MnO2, (CF)n, Ag2V4O11, Ag2CrO4, Cu4O(PO4)2 и др.). Литиевые первичные источники тока имеют более высокую емкость и удельную энергию, более широкий интервал рабочих температур, лучшую работоспособность при пониженных температурах и меньшую скорость саморазряда по сравнению с этими же параметрами марганцево-цинковых источников тока. Однако они дороже марганцево-цинковых элементов. Литиевые источники тока с напряжением 1,5В заменяют марганцево-цинковые батарейки одинакового типоразмера, источники тока с напряжением 2,5-3,2В заменяют батареи марганцево-цинковых элементов. Они используются в медицинской, бытовой, промышленной и военной электронике. Литиевые Батарейки

Литиевые источники тока с жидким или растворенным окислителем. В этих источниках тока используются диоксид серы (SO2), растворяющийся в органическом растворителе, жидкие тионилхлорид (SOCl2) и сульфурилхлорид (SO2Cl2). Катоды в источнике тока нерастворимые и изготавливаются из углеродистых материалов, нанесенных на алюминиевую (для SO2), никелевую основу или нержавеющую сталь. Электролитом в элементе системы литий - диоксид серы является LiBr, растворенный в ацетонитриле, в элементах с тионилхлоридом и сульфурилхлоридом - LiAlCl4 в SOCl2 или в SO2Cl2 с добавками. Эти источники тока имеют очень высокую удельную энергию, высокие скорости разряда и удельную мощность, горизонтальную разрядную кривую, способность функционировать при низких температурах (до -55 °С), длительный ресурс. К недостаткам следует отнести сравнительно высокую стоимость, работу под давлением, потенциальную взрывоопасность, присутствие токсичных компонентов. Используются в тех областях, где требуются высокие удельная энергия и мощность, длительная сохранность, способность работать при низких температурах (в космической и военной технике, системах сохранения памяти, и других устройствах). Литиевые Батарейки

Йодно-литиевые источники тока с твердым электролитом. Окислителем является йод, растворенный в твердом поливинилпиридине (ПВП), электролитом - твердая соль LiI, толщина которой непрерывно возрастает в результате токообразующей реакции. Эти источники тока могут храниться очень продолжительное время, имеют высокую удельную энергию, широкий диапазон рабочих температур, но очень низкие скорость разряда и удельную мощность. Используются в основном в кардиостимуляторах и производятся для этих целей в специальной D-образной форме. Литиевые Батарейки

Параметры первичных химических источников тока

Система Напряжение, В, среднее/конечное Удельная энергия*, Вхч/кг / Вхч/л Удельная мощность Рабочая температура, °С Рекомендуемая температура хранения, °С Саморазряд при 20 °С, % в год
Zn|ZnCl2, NH4Cl|MnO2 1,25-1,1/0,9 65/100 Низкая -5 - 45 0 - 20 10
Zn|ZnCl2|MnO2 1,25-1,1/0,9 85/165 От низкой до средней -10 - 50 0 - 20 7
Zn|КОН|МnО2 1,25-1,15/0,9 125/330 Средняя -20 - 50 -20 - 25 4
Zn|КОН|HgO 1,3-1,2/0,9 105/325 Средняя 0 - 55 -20 - 25 3
Zn|КОН|Ag2O 1,6-1,5/1,0 (120/500)** Средняя 0 - 55 -20 - 25 6
Zn|КОН|воздух 1,3-1,1/0,9 (340/750)** Низкая 0 - 50 -20 - 25 2
Li|LiClO4,ДОЛ| CuO2 1,5-1,4/0,9 285-300/480-600 Низкая -20 - 60 -20 - 40 1 - 2
Li|LiClO4,ПК,ДМЭ|MnO2 3,0-2,7/2,0 230/550 Средняя -20 - 55 -20 - 40 1- 2
Li|LiBF4,БЛ+ТГФ|(CF)n 2,7-2,6/2,3 220/410 От низкой до средней -20 - 50 -20 - 40 0,5 - 1
Li|LiBr,AH|SO2 2,9-2,7/2,0 300/415 Высокая -55 - 70 -20 - 40 2
Li|LiAlCl4,SOCl2 |SOCl2 3,5-3,2/3,0 320-650/700-1000 От средней до высокой -55 - 85 -20 - 40 1 - 6
Li|LiCl|I2,ПВП 2,8-2,6/2 300/900 Очень низкая 0 - 200 0 - 4 1

* - для цилиндрических элементов
** - для дисковых элементов

Сравнение характеристик первичных химических источников тока. Разрядное напряжение первичных источников тока лежит в диапазоне 1,1-3,5 В (см. рисунок). Практически горизонтальную разрядную кривую имеют воздушно-цинковые, оксидносерно-литиевые и тионилхлоридно-литиевые источники тока, т.е. элементы с не расходуемым катодом. У остальных первичных источников тока, за исключением серебряно-цинковых (с Ag2O), напряжение при разряде заметно понижается (см. рисунок), в особенности при высоких скоростях разряда. С понижением температуры напряжение источников тока падает. Кривая зависимости удельной энергии от рабочей температуры проходит через максимум (см. рисунок). Такую же зависимость имеет и емкость. При отрицательных температурах резко уменьшаются электрические характеристики марганцево-цинковых источников тока с солевым электролитом, воздушно-цинковых, серебряно-цинковых и ртутно-цинковых источников тока, поэтому рекомендуемые для них рабочие температуры находятся выше 0 °С. Наиболее высокие удельные энергии при комнатной температуре имеют воздушно-цинковые и тионилхлоридно-литиевые источники тока, наименьшие значения удельной энергии - медно-цинковые элементы. Высокие удельные мощности характерны для источников систем диоксид серы-литий, тионилхлорид-литий и оксид серебра-цинк. Минимальный саморазряд отмечается у литиевых источников питания с твердыми восстановителями, литиевых источниках с твердым электролитом и ртутно-кадмиевых источниках питания, максимальный саморазряд - у марганцево-цинковых источниках тока с солевым электролитом (см. рисунок). По стоимости первичные источники можно выстроить в следующий ряд: Zn|NH4Cl|MnO2 < Zn/воздух < Zn|КОН|MnO2 < Li/MnO2 < Li/SOCl2 < Li/SO2 < Ag2O/Zn < Li/I2. Однако по удельной стоимости (на единицу запасенной энергии) источники питания будут располагаться в другой ряд: Zn/воздух < Zn|NH4Cl|MnO2 < Li/SOCl2 < Zn|КОН|MnO2 < Li/SO2 < Li/MnO2 < Li/I2 < Ag2O/Zn.

Приведенные ряды имеют оценочный характер. Реальная стоимость зависит от типоразмера и формы источника питания, объема производства и прочих факторов.

Разрядные кривые источников тока при 20 °С
Разрядные кривые источников тока при 20 °С:
1- Zn|NH4Cl|MnO2, 2- Zn/воздух, 3-Zn|КОН|МnО2, 4-Li/FeS2, 5- Zn/Ag2O, 6- Li/(CF)n, 7- Li/MnO2, 8- Li/SO2, 9- Li/SOCl2

Зависимость потери емкости источников тока от температуры
Зависимость потери емкости источников тока от температуры:
1-Li/MnO2, 2-Li/SO2, 3-Li/SOCl2, 4-Zn|КОН|МnО2, 5-Zn/Ag2O, 6-Zn|NH4Cl|MnO2

Зависимость массовой удельной энергии источников тока от температуры
Зависимость массовой удельной энергии источников тока от температуры:
1- Zn|NH4Cl|MnO2, 2- Zn|КОН|МnО2, 3-Zn/Ag2O, 4-Li/MnO2, 5-Li/SO2, 6-Zn/воздух, 7- Li/SOCl2

Зависимость объемной удельной энергии источников тока от температуры
Зависимость объемной удельной энергии источников тока от температуры:
1- Zn|NH4Cl|MnO2, 2- Zn|КОН|МnО2, 3-Li/SO2, 4-Zn/Ag2O, 5-Li/MnO2, 6-Li/SOCl2, 7-Zn/воздух

В случаи использования содержимого сайта, необходимо ставить активные ссылки на данный сайт видимые посетителями и поисковыми роботами.

Литература

 














Copyright © 2007-2009 PowerInfo.ru