Химические источники тока (стр. 7 из 7)

5.3.6 Элемент на системе Li/CuS (литий-сульфид меди)

Система литий-сульфид меди с органическим электролитом имеет высокую теоретическую удельную энергию в 1050 Вт*ч/кг и 2470 кВт*ч/м3, ЭДС элемента равна 2,15 В. Сульфид меди достаточно электропроводен, что не требует добавления электропроводного вещества. В нашей стране серийно выпускался первичный элемент МЛ-2. Элемент на основе системы Li/CuS разработан французской фирмой SAFT. Катод в нем изготавливался из спеченной сернистой меди или пастообразной CuS со связующим из фторопласта. Электролитом служил 1 М раствор LiClO₄ в смеси растворителей – тетрагидрофурана и диметоксиэтана в соотношении 7:3. ЭДС элемента равнялся 2,15 В. Токообразующая реакция:

2Li + 2CuS → Cu₂S + Li₂S,

2Li + Cu₂S → 2Cu + Li₂S

Сульфид меди нерастворим в электролите, и это исключает нежелательные процессы потери емкости вследствие переноса металлической меди на .анод и закорачивания элемента ее кристаллами.

В батарее набор электродов помещают в корпус с общим электролитом. Для предупреждения образования короткого замыкания подвод электролита к каждой паре электродов осуществлен через узкие каналы. В процессе работы батареи продукты разряда осаждаются в каналах, способствуя ограничению диффузии и повышению межэлементного сопротивления через электролит. В качестве электролита используют раствор перхлората лития в тетрагидрофуране с добавкой 1,3-диметоксиэтана.

5.4 Сравнительные характеристики литиевых источников тока

Удельная энергия. Сравнение разрядных характеристик литиевых источников тока Li/SOCl₂, Li/SO₂, Li/MnO₂, Li/(CF_x)_n, Li/CuS в габаритах элементов размера С при токе 30 мА показывает, что по эффективности удельных электрических параметров их можно расположить в следующий ряд по степени их убывания: Li/SOCl₂, Li/SO₂, Li/MnO₂, Li/(CF_x)_n. Разрядные характеристики тех же элементов, выполненных на традиционных, электрохимических системах с цинковым анодом и водными электролитам Zn/HgO, Zn/MnO₂ (щелочные), Zn/МnО₂ (солевые) существенно уступают ЛХИТ.

Как видим, литиевые источники существенно превосходят по электрическим характеристикам традиционные системы. Анализ рассмотренных литиевых систем.

Температурный диапазон. Изучение работоспособности литиевых источников тока в широком температурном интервале дает основание сделать вывод, что самым широким температурным диапазоном работы обладают элементы, изготовленные на системах Li/SOCl₂ и Li/SO₂, от –60°С до +70°С.

Элементы на системах Li/MnO₂ и Li/(CF_x)_n при температурах ниже – 20°С существенно теряют свои характеристики по энергоотдаче.

6. Ионисторы (конденсаторы с двойным электрическим слоем)

Ионисторы - это полярные электрохимические приборы, которые способны запасать и в последствии высвобождать электрическую энергию посредством внутреннего перераспределения ионов электролита. По своим электрическим параметрам они занимают промежуточное положение между электролитическими конденсаторами большой емкости и аккумуляторами, но по принципу действия - отличаются как от тех, так и от других. Например, для накопления и высвобождения энергии в аккумуляторных батареях используются обратимые химические реакции, а накопление энергии в конденсаторах происходит путем образования заряда на его обкладках под действием приложенного электрического поля. В ионисторах же, происходят несколько иные процессы, которые и будут рассмотрены далее.

Обладая такими прекрасными параметрами, как очень большая емкость, некритичность к процессу зарядки и короткому замыканию, низкий ток утечки, широкий диапазон рабочих температур, и длительный срок службы, ионисторы сегодня уже используются в очень разных по назначению электронных устройствах. Ионисторы можно условно разделить на слаботочные и сильноточные. Слаботочные используются в основном как резервный источник энергии для поддержания схем памяти и настроек в цифровых устройствах, бытовой технике, компьютерах, и т. д... Сильноточные применяются как правило для облегчения работы аккумуляторных батарей при их работе с большими импульсными токами. Например запуск стартеров в автомобилях, работа в источниках бесперебойного питания, в системах управления электродвигателями, и т. д... В таких случаях экономится около 20 % емкости батареи.

Перспективно применение ионисторов и в энергосберегающих технологиях (солнечные батареи, ветрогенераторы), а также в разработке и производстве электромобилей, опытные образцы которых уже не существует.

На рисунке 11 показано устройство одного из нескольких видов ионисторов EPCOS. Внутри него, как и любого другого подобного прибора, находятся два электрода пропитанных электролитом, и разделенных между собой сепараторной перегородкой.

Работу ионистора в процессе накопления и высвобождения энергии схематично поясняет рисунок 3. Под действием приложенного электрического поля, ионы электролита внутри ионистора двигаются по направлению к электродам, имеющим противоположный заряд. Сосредоточившись на границе раздела между электродом и электролитом, и уравновесив таким образом противоположный заряд электрода, анионы и катионы формируют так называемый электрический двойной слой (см. рис. 3). Отсюда и происходит второе название ионисторов - конденсаторы с двойным электрическим слоем, или просто двухслойные конденсатор (double layer capasitor).

Одним из важных отличий двухслойных конденсаторов от электролитических конденсаторов является отсутствие собственного диэлектрика, как такового. Его функции выполняет сам сформированный двойной электрический слой, а сепараторная перегородка между электродами служит всего лишь для предотвращения замыкания между электродами. Такая перегородка должна иметь хорошие диэлектрические свойства, и в то же время легко пропускать ноны электролита.

7. Техника безопасности при работе с ХИТ

С кислотами и щелочами работают при приготовлении электролита. Кроме того, очень опасен гремучий газ, который образуется из смеси водорода, выделяющегося при зарядке аккумуляторов, и кислорода воздуха. Эта смесь при появлении искры может взорваться. Особенно опасно ее действие в закрытых, плохо вентилируемых помещениях

В аккумуляторных цехах при их постройке предусматривается максимальное соблюдение правил техники безопасности. Зарядное помещение отделено от других помещений по ремонту батарей, оно оборудовано мощной приточно-вытяжной вентиляцией, в нем отсутствуют аппараты или машины, при работе которых могла бы образоваться искра. В ремонтном помещении, где разбираются пластины, также имеется вентиляция. Для расплавления мастики и сушки ящиков служат специальные шкафы с вытяжкой. В ремонтном отделении имеется водопроводный кран для смывания электролита, питьевая сода для нейтрализации кислоты или борная кислота для нейтрализации щелочи

Нахождение кислотных и щелочных батарей в одном цехе недопустимо. Попадание щелочи в кислотные батареи и наоборот разрушает аккумуляторы. Поэтому нельзя пользоваться одной посудой, ареометрами, мерными трубками, грушами.

Людям, связанным с обслуживанием аккумуляторных батарей, необходимо соблюдать следующие правила личной безопасности:

- не курить в аккумуляторных помещениях или при работе с ХИТ;

- применять безопасные методы переноски кислоты и щелочи:

- работы, связанные с приготовлением электролита, разливом его по банкам и обслуживанием батарей, выполнять в защитных очках, фартуке и резиновых сапогах;

- не проводить никаких механических работ инструментом, не имеющим изолированной ручки (случайные короткие замыкания инструментом могут привести к взрыву),

- при разбивании твердой щелочи (для приготовления щелочного электролита) закрывать ее мешковиной, чтобы предотвратить попадание отлетевших кусочков на тело или одежду;

- поднимая и опуская щелочной аккумулятор в резиновом чехле, быть особенно внимательным, так как в чехле часто скапливается электролит и при резком опускании, установке на пол или стеллаж электролит фонтаном выбрасывается из-под аккумулятора и может попасть в лицо;

- нельзя производить какие-либо работы на батарее во время ее зарядки;

- нельзя влипать в кислоту воду — это может привести к бурному разогреву и выбрасыванию электролита (в сосуд вначале заливают воду, затем кислоту).

8. Выводы

В результате курсовой работы, я рассмотрел принцип работы, классификацию и значение химических источников тока.

Подробно рассмотрев разновидность ХИТ, я убедился, что для конкретного случая надо использовать определенный тип аккумуляторов, при выборе которых следует рассматривать все условия эксплуатации и возможные аварийные ситуации.

При написании работы я пришел к таким выводам:

· что химические источники тока имеют огромное значение для развития науки, для освоения космоса, и развития общества;

· что наиболее перспективным типом ХИТ являются элементы с литиевым анодом и апротонными растворителями типа γ-бутиролактона, пропиленкарбонат, ацетонитрил и т.п.;

· что кроме гальванических элементов существует другие, не менее перспективные источники тока, например ионисторы;

· что при использовании нескольких типов ХИТ, можно добиться надежной продолжительной работы аппаратов без доступа электроэнергии, получаемой от электростанций, например системы аккумулятор-ионистор, которая используется в источниках бесперебойного питания.

Значение химических источников тока очевидно, потому как мы используем их в повседневной жизни, трудно представить себе мп3-плееры, фотоаппараты, мобильные телефоны, карманные персональные компьютеры и т.п. подключенные к электросети, ограничивающие свободу человека. Современная наука стремится к созданию компактных и надежных приборов, сопровождающих человека в его жизни, химические источники тока играют в это немаловажную роль.

В результате этой работы, я ознакомил аудиторию с назначением и принципом работы ХИТ.

9. Приложение. Таблица стандартных электродных потенциалов