Химические источники тока

В настоящее  время ХИТ используют во всех областях техники и народного хозяйства. Количество элементов и аккумуляторов, изготавливаемых ежегодно во всем мире, исчисляется миллиардами. При одновременном их включении можно было бы получить электрическую мощность, сравнимую с мощностью всех электростанций мира (около 109 КВт). Необходимо, правда, иметь в виду, что в отличие от непрерывно работающих электростанций ХИТ работают кратковременно, с перерывами. Вырабатываемая ими электроэнергия мала по сравнению с энергией, выдаваемой электростанциями. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

4. КЛАССИФИКАЦИЯ ХИТ

Обратимся к более подробному рассмотрению двух типов ХИТ: гальваническим элементам и аккумуляторам. Для этого воспользуемся классификационной схемой (рис. 2). Назначение резервных элементов состоит в том, чтобы в определенный момент включаться для выполнения поставленной задачи. Обычно период ожидания имеет длительный срок, поэтому необходимо избежать контакта электродов с электролитом, чтобы не допустить течения коррозионных процессов. Для этого электролит хранят в отдельной ампуле, которую разбивают в момент включения ХИТ в электрическую цепь. Если в качестве электролита используют расплавленную соль, то в твердом состоянии она не дает возможности развиться коррозионным процессам в контакте с электродами. Введение в действие элемента производится быстрым его разогреванием, когда соль плавится и начинает выполнять функции электролита. Такие ХИТ называют разогревными (тепловыми).

В гальванических элементах длительной эксплуатации главное внимание уделяется снижению внутреннего сопротивления и предотвращению паразитных электрохимических процессов активных масс, приводящих к саморазряду элемента. Наибольшее распространение получил элемент Лекланше, активными массами которого являются цинк и двуокись марганца, а электролитом - водный раствор хлористого аммония. Токообразующая реакция его в упрощенном виде может быть записана:

Zn + 2MnO2 + 2H2O = Zn(OH)2 + 2MnOOH

Позднее было показано, что при замене хлористого аммония на щелочь удается значительно снизить саморазряд элемента и повысить срок его годности. В последнее время разрабатываются высоконадежные литий-иодные элементы с твердым электролитом из иодистого лития, образующегося при контакте литиевого электрода с иодсодержащими веществами. Такие элементы используют в кардиостимуляторах, вживляемых в грудную клетку пациента. В качестве примера кислотного аккумулятора можно привести свинцовый аккумулятор, активными веществами которого являются свинец и двуокись свинца, а электролитом - раствор серной кислоты. Токообразующей его реакцией является

PbO2 + Pb + 2H2SO4 _ 2PbSO4 + 2H2O

В прямом направлении она протекает при  разряде аккумулятора, в обратном - при его заряде. Свинцовый аккумулятор - наиболее распространенный в настоящее время вторичный ХИТ. Мировое производство только одних стартерных батарей для транспортных средств превышает 100 млн шт. в год и требует для этих целей 2 млн т свинца, то есть более половины общего мирового его производства. На основе свинцовых аккумуляторов выпускаются стартерные (для запуска двигателей внутреннего сгорания), тяговые (для питания электромоторов передвижных средств) и стационарные батареи (для радиоэлектронных устройств и средств связи, а также для работы в аварийных ситуациях). Ограничение запасов свинцовых руд и возрастающая потребность транспортных средств в аккумуляторах поставили задачу сокращения расходов свинца в производстве кислотных аккумуляторов. В последнее время широко ведутся исследования по замене одного из электродов на органические окислительно-восстановительные системы. Эти работы одновременно преследуют цель снижения веса аккумулятора, что позволит приблизить решение задачи создания электромобиля. Однако успехи в этой области еще достаточно скромные.

К щелочным аккумулятором, выпускаемым промышленностью в настоящее время, относятся железо-никелевые, кадмий-никелевые и цинк-серебряные, в качестве электролита для которых используется водный раствор калиевой щелочи. Эти аккумуляторы просты в эксплуатации и имеют более высокие удельные электрические характеристики по сравнению со свинцовыми аналогами. Однако стоимость их более высокая. Это особенно относится к цинк-серебряным аккумуляторам, которые в качестве окислителя используют окись серебра. Реакция (1) является токообразующей для этого аккумулятора. Его удельные электрические характеристики в два раза более высокие, чем у других щелочных аккумуляторов, что обеспечивает их применение в авиационной и космической технике. Окислительным электродом железо-никелевого и кадмий-никелевого аккумуляторов является оксид (гидроксид) никеля. В настоящее время технология его изготовления хорошо отработана, что обеспечивает надежную работу в течение тысяч циклов. Это обстоятельство послужило основой для создания некоторых типов комбинированных аккумуляторов, где в качестве отрицательного электрода используют металлический цинк или водород. В последнем случае для проведения электрохимической реакции с водородом применяют активированный платиной пористый никелевый электрод. Для накопления значительных количеств водорода в аккумуляторе создается высокое давление, которое должен выдерживать корпус аккумулятора. С недавнего времени для снижения давления стали использовать интерметаллические соединения никеля с редкоземельными элементами (типа GaNi5). Они способны поглощать большие количества водорода при сравнительно небольших давлениях (~ 5 атм), а при разряде аккумулятора легко выделяют водород.

Твердые электролиты, используемые для создания ХИТ, представляют собой кристаллические  решетки, у которых катионная подрешетка подвижна, что позволяет ей осуществлять с высокой скоростью ионный транспорт. Примером аккумулятора с твердым электролитом служит серно-натриевая система. В качестве твердого электролита в нем используется высокопрочная керамика из полиалюминатов натрия Na2O " nAl2O3 . Когда значение n лежит в пределах 9-11, электропроводность этого материала при повышенной температуре очень высока. Повышенная рабочая температура (250-300 ?C) аккумулятора в данном случае необходима, так как активные массы металлического натрия и серы должны находиться в расплавленном состоянии, чтобы осуществлять электродные реакции с большой скоростью. Высокая ЭДС данной пары и низкая их молекулярная масса обеспечивают высокие электрические характеристики рассматриваемого аккумулятора, а низкая стоимость активных масс делает перспективным использование его для электромобиля. В настоящее время стоит задача существенного увеличения ресурса их циклической работы. Только тогда они смогут в какой-то степени конкурировать с двигателями внутреннего сгорания.

В данной статье невозможно рассмотреть все  вопросы, касающиеся ХИТ. Подробнее с ХИТ можно ознакомиться в монографиях [1-3]. Тем не менее из сказанного выше можно сделать вывод, что химические источники тока играют важнейшую роль в жизни человека, они будут развиваться и в дальнейшем, равно как и расширяться области их практического применения. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ЛИТЕРАТУРА

1. Багоцкий В.С., Скундин А.М. Химические источники  тока. М.: Энергоиздат, 1981. 360 с.

2. Коровин Н.В.  Новые химические источники тока. М.: Энергия, 1979. 194 с.

3. Electrochemical Power Sources / Ed. M. Barak. Inst. Elec. Eng., 1980. 498 p.