1. Серебряно-кадмиевые аккумуляторы. Аккумуляторы водородные


1. Назначение химических источников тока. Их роль в народном хозяйстве

ГОУ ВПО

Уфимский Государственный Авиационный Технический Университет

Кафедра общей химии

КСРС

На тему:

"СЕРЕБРЯНО-ВОДОРОДНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ"

Выполнил: студент 1-го курса

группы ИИТ-138

Харисов А.В.

Проверила: Черняева Е.Ю.

Уфа 2007 г.

Химические источники электрической энергии (ХИЭЭ) или, как их чаще называют, химические источники тока (ХИТ) — устройства, позволяющие получать электрическую энергию за счет какой-либо химической реакции. В ХИТ переход химической энергии в электрическую осуществляется непосредственно без промежуточного образования тепловой и механической энергии, как это имеет место при использовании химической энергии горения топлива под паровыми котлами тепловых электростанций или в двигателях внутреннего сгорания.

Значение ХИТ в современной технике и быту очень велико. Это объясняется тем, что очень много машин и аппаратов нуждается в автономном питании электрической энергией, не связанном со стационарными электростанциями, а также тем, что высокая надежность химических источников тока делает их незаменимыми для всякого рода аварийных устройств. Можно указать следующие области применения ХИТ:

  1. Для приведения в действие стартеров и других вспомогательных устройств на автомобилях, тепловозах, тракторах, катерах, мотоциклах и других средствах транспорта и тяги.

  2. Как основной источник энергии для тяги в рудничных электровозах, электрокарах, электропогрузчиках, подводных лодках и т. п.

  3. Для освещения вагонов, в шахтных лампах, карманных фонарях и т. п.

  4. Для питания различных средств связи и. сигнализации, в различных радиосхемах, в электроизмерительной аппаратуре и т. п.

  5. В стационарных установках для питания различных аварийных устройств, для регулирования колеблющихся нагрузок местных электростанций и др.

Химические источники электрической энергии изготавливают самых разных размеров: с массой в несколько граммов и до сотен килограммов.

2. История открытия и описание серебряно-водородного аккумулятора

Высокие удельные энергии и приемлемый ресурс: можно получить в серебряно-водородном аккумуляторе. Герме­тичные серебряно-водородные химические источники тока были разработаны аналогично никель-водородным аккумуляторам. В последние годы они уси­ленно разрабатываются в ряде стран и выпускаются неболь­шими партиями. Серебряно-водородные химические источники тока сочетают высокую удельную энергию и удельную мощность на единицу массы. Однако эти аккумуляторы имеют высокую стоимость, поэтому могут применяться только для специальных целей, например в космосе.

В серебряно-водородных аккумуляторах не требуется принятия специальных мер для пространственного разделения водорода и серебряного электрода, т.е. весь электродный блок может быть помещен в стальной баллон, внутри которого водород накапливается. Для облегчения доступа и отвода газа применяется не свободный жидкий, а матричный электролит. 30 %-ный раствор КОН находится в порах асбестовой или другой пористой матрицы-электролитоносителя, а также в порах электродов. Так как общий объем жидкости ограничен, то часть пор в матрице и в электродах не заполнена жидкостью. Благодаря этому исключено вытекание жидкого электролита из пористых тел и не возникает опасности образования жидкостных соединений между соседними элементами батареи. Поэтому в баллоне с газом могут быть размещены не только отдельный, но и несколько последовательно соединенных аккумуляторов.

Стальные баллоны тяжелы, и их масса заметно снижает удельные характеристики аккумуляторов. В некоторых случаях баллоны изготавливают из специальных сплавов повышенной прочности, позволяющих уменьшить толщину стенок. Баллон иногда служит одним из выводов батареи. Этим несколько упрощается довольно сложная проблема герметизации выводов, проходящих через стенку баллона.

studfiles.net

1. Серебряно-кадмиевые аккумуляторы

Токообразующая реакция в серебряно-кадмиевом (СК) аккумулято­ре может бытъ представлена следующими уравнениями:

Cd + 2Ag +2H 20 заряд разряд Cd(OH)2 +Ag2 O

Cd + Ag2 O +2H 20 заряд разряд Cd(OH)2 +2Ag

В качестве электролита применяется водный раствор едкого ка­ли плотности 1,4 г/см. Напряжение заряда U разряда в СК примерно ниже на 0,3 В, чем у СЦ аккумуляторов.

Основное преимущество СК - отсутствие саморазряда и лучшие эксплуатационные характеристики.

Ресурс их несколько больше, чем у СЦ. Удельная энергия СК составляет около 70 Вт-ч/кг. В остальном СК аккумуляторы по своим характеристикам анало­гичны СЦ.

2. Никель-кадмиевые и никель-железные аккумуляторы

Щелочные никель-кадмиевые (НК) и никель-железные (НЖ) акку­муляторы имеют много общего в конструкции и характеристиках. Хо­тя в этих аккумуляторах проходят сложные процессы, основные токообразующие реакции на электродах и в аккумуляторе в целом изображаются в следующем виде:

(+) 2[Nl.OOH +h3 O +e зарядразряд Ni(OH) + OH-

(-) Me + 2OH- зарядразрядMe(OH)2 + 2e

(аккумулятор) 2Ni ООН + 2Н 2О + Mе 2Ni (ОН) 2 + Me(OH)2

где Me - кадмий или железо.

НК и НЖ. - аккумуляторы имеют следующие характеристики:

удельная энергия - 20-35 вт- ч/кг;

ресурс до 4000 зарядно-разрядных циклов;

срок службы - до 25 лет;

диапазон рабочих температур - -40 - + 40 0С.

3. Никель-водородные аккумуляторы

Никель-водородные аккумуляторы предложены в СССР в 1964 го­ду, в настоящее время они усиленно разрабатываются.

В никель-водородных аккумуляторах используется положительный электрод от никель-кадмиевых аккумуляторов, отрицательным электродом служат водородный электрод на основе платинового или другого катализатора.

Токообразующая реакция в аккумуляторе имеет вид

2Ni ООН + Н2 2Ni (ОН)2 .

При заряде выделяется водород, который накапливается под дав­лением; при разряде водород расходуется и давление его уменьшает­ся.

Никель-водородные аккумуляторы является одним из немногих ХИТ, которые при эксплуатации в составе батарей не боятся перезаряда и персполюсовки.

Характеристики никель-водородных аккумуляторов:

среднее напряжение разряда 1,22-1,26 В, конечное 1,1 В;

конечное напряжение заряда 1,55-1,58 В;

удельная энергия от 40 до 65 Вт- ч/кг;

ресурс составляет более 10 тыс. циклов.

Недостаток - существенный саморазряд: заряженный аккумулятор теряет при комнатной температуре 6-12% емкости в сутки.

Основными преимуществами никель-водородных аккумуляторов яв­ляются герметичность, простота и надежность в эксплуатации, большой срок службы при относительно высоких удельных характеристиках.

4. Оформление отчета

1. Зарисовать конструкцию серебряно-цинкового аккумулятора.

  1. Графики U=f(Q) нарисовать для заряда и разряда.

3. Представить основные технические парметры СЦ аккумуляторов

. В заключение представить выводы о проделанной работе, отметив достоинства и недостатки серебряно-цинковых аккумуляторов.

5. Контрольные вопросы

  1. Объясните, почему серебряно-цинковый аккумулятор самый «легкий»?

  2. Устройство положительных и отрицательных пластин.

  3. Почему корпус аккумулятора делается прозрачным?

  4. За счет каких мероприятий уменьшается рост дендритов цинка и увеличивается срок службы аккумулятора?

  5. Какие свойства серебряно-цинкового аккумулятора обеспечивают использование аккумулятора на борту космического аппарата?

  6. Почему в серебряно-цинковых аккумуляторах используется малое количество электролита?

  7. Почему не допускается «перезаряд» аккумулятора и к каким последствиям ведет этот процесс?

  8. Объясните ход зарядной характеристики. Почему изменяется вид характеристики при увеличении тока сверх номинального?

  9. Объясните ход разрядной характеристики.

  10. Почему емкость аккумулятора уменьшается с ростом тока?

  11. Почему уменьшается емкость аккумулятора с понижением температуры?

Лабораторная р а б о т а № 2

studfiles.net

Никель-водородные аккумуляторы - Справочник химика 21

из "Герметичные химические источники тока"

Для работы в режиме постоянного подзаряда при температуре в помещении до +50-55 многие компании разработали специальные серии цилиндрических аккумуляторов с рулонным пакетом электродов, которые имеют гарантированный срок службы не менее 4 лет (как, например, у аккумуляторов компании SAFT [42]). В этих аккумуляторах скорректирован состав электролита и предприняты меры к ускорению процесса газопоглощения. [c.87] При первом разряде после длительного подзаряда емкость аккумулятора обычно несколько ниже, чем у свежезаряженных, но после нескольких циклов она быстро восстанавливается до прежнего уровня. [c.87] Никель-водородные (НВ) аккумуляторы впервые были созданы в Советском Союзе 40 лет назад. Они разрабатывались первоначально как альтернативные никель-кадмиевым, но с более высокими удельными энергетическими характеристиками. [c.87] Положительный оксидно-никелевый электрод N1-h3 аккумулятора аналогичен положительному электроду Ni- d аккумулятора, отрицательный - газовый водородный. В качестве электролита используется 20-40 % раствор КОН. [c.87] Выделяющийся в процессе заряда водород увеличивает давление внутри аккумулятора пропорционально сообщенной емкости, что обеспечивает возможность контроля степени заряженности аккумулятора. При разряде водород электрокаталитически ионизируется на отрицательном электроде. [c.87] Рабочее напряжение никель-водородного аккумулятора - 1,25 В. Удельная энергия составляет 50-60 Втч/кг, на 30-40 % больше, чем у никель-кадмиевого [34, 35]. [c.87] Существенными его недостатками являются высокий саморазряд (до 30 % за 24 ч и до 50 % за 72 ч) и сильное тепловыделение (до 20-30 % от полезной мощности). [c.87] Никель-водородные источники тока большого напряжения могут собираться из отдельных аккумуляторов (рис. 3.12, z) или могут иметь единый корпус (рис. 3.12, б), в котором электродные блоки электролитически изолированы друг от друга, но имеют общее газовое пространство (батареи с общим газовым коллектором). Последние обеспечивают значительно более высокие удельные энергетические характеристики. [c.88] В отечественных аккумуляторах используются гидрофобные каталитические водородные электроды, у которых на никелевую сетку напрессовывают платиновую чернь и фторопласт. Чаще всего используются спаренные электроды с сеткой между ними, через которую обеспечивается подвод водорода в зону реакции. При использовании таких электродов давление в аккумуляторе в цикле заряда-разряда меняется от 100-300 кПа до 5-6 МПа. [c.88] Используются также и гидрофильные водородные электроды на основе спеченных никелевых матриц, на которые наносится платина (разработка ВНИАИ). В этом случае газодиффузионная сетка не требуется, потому что подвод водорода обеспечивается за счет высокого давления, при котором работает аккумулятор (предельное давление может составлять 9-11 МПа [10, 34]). [c.88] Высокое давление, при котором работает этот источник тока, требует использования прочного металлического корпуса (коэффициент запаса прочности достигает 2,5-3) и высокого качества герметизации выводов. [c.88] Батареи работают при постоянном контроле напряжения в отдельных аккумуляторах и в их группах для того, чтобы не допускать снижения напряжения аккумулятора ниже 0,8 В. Контролируются также давление аккумуляторов и температура. [c.88] Ресурс никель-водородных источников тока ограничивает работоспособность положительного электрода, механизмы деградации которого сходны с теми, что имеют место в Ni- d аккумуляторе. Они обеспечивают длительное циклирование 1000-1500 циклов при 80% глубине разряда и до 30 ООО циклов при глубине 40 % [10]. [c.88]

Вернуться к основной статье

chem21.info

Никель-Водородные аккумуляторы Википедия

Nickel-hydrogen battery NASA.gif

Никель-водородный аккумулятор (Nih3 или Ni–h3) - это обратимый химический источник тока, состоящий из никелевого и водородного электродов [1]. Он отличается от никель-металл-гидридного аккумулятора использованием водорода в газообразной форме, хранящегося в сжатом состоянии в ячейке при давлении в 82,7 бар[2].

Nih3 ячейки с использованием 26% раствора гидроксида калия (KOH) в качестве электролита достигают срока эксплуатации в 15 лет или более при 80% глубине разряда [3]. Плотность энергии составляет 75 Вт•ч/кг, 60 Вт•ч/дм3[4][5]. Напряжение на контактах составляет 1,55 В, среднее напряжение на протяжении разряда - 1,25 В [6].

Несмотря на то, что плотность энергии составляет только около одной трети аналогичного показателя литиевой батареи, специфическим свойством никель-водородного аккумулятора является продолжительность срока эксплуатации: ячейки выдерживают более чем 20000 циклов разряда[7] при 85% эффективности.

Nih3аккумуляторы обладают хорошими электрическими свойствами, делающими их привлекательными для хранения электрической энергии на космических аппаратах [8]. Например, МКС [9], Messenger[10], Марс Одиссей[11], Mars Global Surveyor[12] и MRO оборудованы никель-водородными аккумуляторами. Телескоп Хаббла, когда его оригинальные батареи были заменены в мае 2009 года спустя 19 лет после запуска, достиг наибольшего числа циклов разряда среди Nih3 батарей на низких опорных орбитах [13].

История

Развитие никель-водородных аккумуляторов началось в 1970 году в COMSAT[14] где впервые были использованы в 1977 году на борту спутника NTS-2 военно-морских сил США.[15]

Характеристики

Никель-водородный аккумулятор объединяет положительный никелевый электрод никель-кадмиевого элемента и отрицательный электрод, включающий катализатор и газ-диффузионную часть топливного элемента. В ходе разряда водород, содержащийся в сосуде под давлением взаимодействует с кислородом никельоксихлоридного электрода. Вода потребляется на никелевом электроде и высвобождается на водородном, таким образом концентрация гидроксида калия в электролите не изменяется. По мере разряда аккумулятора давление водорода падает, обеспечивая надёжную индикацию степени разряда. В батарее одного из коммуникационных спутников давление при полном заряде было свыше (3,4 МПа), падая практически до (0,1 МПа) при полном разряде.

Если заряженный аккумулятор продолжить заряжать, вода, образуемая на никелевом электроде диффундирует в водородный электрод и там диссоциирует; как следствие, аккумуляторы могут выдерживать перезаряд до тех пор, пока рассеивается выделяющееся тепло.

Аккумуляторы имеют недостаток в виде относительно высокого саморазряда, который пропорционален давлению водорода в ячейке; в некоторых конструкциях 50% ёмкости могут быть потеряны после нескольких дней хранения. Саморазряд снижается при снижении температуры. [16]

В сравнении с другими аккумуляторами никель-водородные обладают хорошей плотностью энергии в 60 Вт•ч/кг, и очень длительным сроком эксплуатации на спутниках. Ячейки могут выдерживать перезарядку, случайное нарушение полярности, давление водорода в ячейке обеспечивает хорошую индикацию степени разряда. Однако, газообразная природа водорода означает, что объёмная эффективность достаточно низка, а требуемое высокое давление приводит к необходимости использовать дорогие сосуды под давлением. [16]

Положительный электрод изготавливают из спеченного [17] пористого никелевого диска, который содержит гидроксид никеля. В отрицательном водородном электроде используют связанный тефлоном платиновый катализатор с сепаратором из циркониевых нитей [18].[19]

Конструкция

Конструкция аккумулятора с индивидуальным сосудом (IPV) состоит из Nih3 ячейки и сосуда под давлением. [20]

Конструкция аккумулятора с общим сосудом (CPV) состоит из двух последовательных Nih3 ячеек и общего сосуда под давлением. CPV обеспечивает несколько большую плотность энергии, чем IPV.

SPV конструкция объединяет до 22 ячеек в общем сосуде.

В биполярной конструкции достаточно толстый электрод является общим: положительным для одной и отрицательным для соседней ячейки в SPV. [21]

Конструкция с зависимым сосудом (DPV) обеспечивает большую плотность энергии при меньших затратах.[22]

Конструкция с общим/зависимым сосудом (C/DPV) является гибридом CPV и DPV с высокой объёмной эффективностью.[23]

См. также

Ссылки

Литература

  • Albert H. Zimmerman (ed), Nickel-Hydrogen Batteries Principles and Practice, The Aerospace Press, El Segundo, California. ISBN 1-884989-20-9.

Внешние ссылки

wikiredia.ru


Смотрите также