Элементы  c неводным электролитом 

    Наиболее  распространенными являются  литиевые элементы. Поскольку литий не устойчив в водных растворах (Е⁰= -3,045В), используют апротонные диполярные растворители в которых он устойчив. Литий имеет уникальную удельную емкость 3,86 А^.ч/г.

    Электрохимические системы наиболее удачных элементов  представлены ниже

    Электролит  представляет собой  неорганическую соль лития, растворенную в апротонном диполярном растворителе.

    Разрядная реакция литиевого анода:

    Li®Li⁺ + e                                                (1).

    Существующая  на поверхности Li защитная пленка предотвращает от саморазряда. Катодные реакции протекают по твердофазному механизму и сводятся к следующим реакциям, роль протона выполняет ион Li⁺:

    MnO₂ + xLi⁺ +xe ® MnOOLi_х⁺                                     (2),

    (CF_x)_n + nxe®C_n + nxF^-      (x=0,13-2,0)                     (3),

    2SO₂ + 2Li⁺ + 2e® Li₂S₂O₄¯                                       (4)

    2SOCl₂ + 4Li⁺ + 4e® 4 LiCl + S + SO₂                       (5).         

    Срок  хранения литиевых источников достигает 10 лет, некоторые элементы могут  храниться до 20 лет. Например, элемент  с электрохимической системой:

      (-) Li | LiAsF₆ | V₂O₅ (+).

    Элемент размером 373 с электрохимической  системой на основе SOCl₂ имеет емкость – 16 А^.ч, удельную энергию 630 Вт^.ч/кг, работоспособен в интервале температур от –70 до 70⁰С.

    Недорогие элементы,  в которых в качестве материала положительного электрода  используется MnO₂. Их выпускают в виде малогабаритных дисковых или цилиндрических элементов емкостью – 0,03-1,4 А^.ч, рабочий диапазон –20 ¸ 20 ⁰С. Срок хранения 6 лет.

    К недостаткам литиевых элементов  можно отнести следующее –  это дорогие элементы, сложные  в изготовлении, поскольку применяется  электронно-лучевая сварка, сборка в инертной атмосфере. До сих пор запрещено использовать литиевые элементы в детских игрушках, поскольку после начала выпуска этих источников тока происходило несколько случаев взрывов в год из-за их разгерметизации.   

    Литиевые  аккумуляторы

    Одним из наиболее перспективных видов  ХИТ являются перезаряжаемые литиевые аккумуляторы. Выпуск их был начат  в 1987г.  канадской фирмой ”Moly Energies”, но впоследствии был прекращен по ряду причин. В 1991 г. фирма “Sony” наладила выпуск литий-ионных аккумуляторов.

    В этих аккумуляторах в качестве отрицательного электрода используется не металлический  литий а частично графитизированные  углеродные материалы в которые при заряде при протекании катодного тока внедряются (интеркалируются) ионы лития из раствора электролита:

    C₆ + xLi⁺ + xe Li_xC₆ (x_max=1)                                                  (6).

    С₆ – карбеновое шестиатомное кольцо графитизированных углеродных материалов. Соединение Li_xC₆ обладает довольно отрицательным потенциалом, всего лишь на 0,2-0,3 В положительнее потенциала металлического лития. При разряде протекает анодный ток – ионы Li⁺ деинтеркалируются в раствор электролита.Каждый интеркалированный ион занимает определенное место около карбенового кольца в межслойном пространстве кристаллической решетки графита.

    Под электрохимической интеркаляцией  понимают обратимое внедрение ионов  или молекул (“гостей”) в вещества “хозяева”, имеющие слоистую, туннельную или иную разупорядоченную структуру.  Образующийся продукт называется интеркалятом. Данный процесс протекает по твердофазному механизму.

    В качестве материала положительного электрода используют частично литированные соединения оксидов переходных металлов Li_yNiO₂ или Li_yCO₂. При разряде происходит процесс интеркаляции ионов лития:

    Li_yNiO₂ + xLi⁺ +xe Li_y+xNiO₂                                                (6).

    Т.е. суммарная токообразующая реакция  сводится к непрерывной перекачке  ионов Li⁺ при заряде от положительного электрода к отрицательному, при разряде в обратном направлении.

    Резервные батареи

    В резервных батареях сочетается многолетний  срок хранения с интенсивным разрядом, при котором вся емкость ХИТ  реализуется за время от нескольких секунд до нескольких часов. Различают водоактивируемые, ампульные и тепловые батареи.

    Водоактивируемые. 

    Например, хлорид-медно-магниевый элемент  со следующей электрохимической  системой:  (-) Mg | MgCl₂ | CuCl (+).

    Токообразующая  реакция:

    2CuCl + Mg ® MgCl₂ + 2Cu.

    Для активации элемента он заливается водой, время активации зависит от ее температуры и состава. Если используется обычная вода (например, речная вода) время активации при температуре 4⁰С составляет  30 мин, при использовании морской воды при температуре 30⁰С время активации составляет – 3 мин. Данные элементы используются в океанографической и метеорологической аппаратуре, входят в состав спасательного комплекта моряков для аварийного освещения шлюпок.

    Ампульные батареи. Электрохимическая система:

    (-) Pb | HClO₄ | PbO₂ (+) или  (-) Pb | HBF₄ | PbO₂   (+).

    Ампульные батареи отличаются от наливных тем, что электролит хранится в ампуле (в специальном резервуаре). В  момент приведения в рабочее состояние  электролит подается к электродам с  помощью специальных приспособлений. Токообразующие реакции:

    Pb + PbO₂ + 4HClO₄® 2Pb(ClO₄)₂ + 2H₂O.

    Активация элемента происходит в течение нескольких секунд, батарея может заполняться  электролитом автоматически с помощью  системы дистанционного управления. Наиболее распространенный способ таких батарей – пневматический, с помощью пирозапала. Общее время приведения в рабочее состояние может составлять ~0,1 с.

    Другой  вариант используется во взрывателях  артиллерийских снарядов. В момент выстрела разбивается стеклянная ампула  с электролитом, которая находится в центральной части ХИТ, имеющего цилиндрическую форму. Под влиянием центробежной силы из-за вращения снаряда вокруг своей оси электролит мгновенно отбрасывается к электродам, расположенным вокруг ампулы.  

    Тепловые  резервные батареи используются значительно реже и применяются, в основном, в военной технике.