Химические источники тока с литиевым электродом - Кедринский И.А.
Скачать (прямая ссылка):
Обща я Li +" H2O -> [Li+ + ObH ж + 1Z2H2 Е° = 2,22,В. Тепловой эффект реакции AH0 = —222,9-103 Дж/моль. Имея для лития а = 0,26 г/А-ч, получим теоретическую удельную энергию на литий
Wr - --8,5 ^ - 8500 *Ї4.
0,26 г/А-ч ' г кг
Предполагается [6],. что при использовании в водной среде, где масса потребляемой воды не учитывается, практическая удельная энергия на литий может достигать до 5000 Вт-ч/кг, однако более реальной следует, по-видимому, считать величину до 3300 Вт/ч -кг [6]. Естественно, что приближение к этой величине в реальных источниках возможно, если масса запасаемого лития существенно превосходит вес всех других элементов конструкции источника, то есть в ХИТ большой емко= стм при относительно невысоких уровнях генерируемой мощности, когда омические и ,поляризационные потери сведены к минимуму, а коэффициент использования (см, ниже) лития достигает максимальных значений.
Образование пленки идет за счет токогенерирующей реакции при высаживании твердой фазы продуктов реакции
[Li+ + OHi^">LiOHre; а "также за счет коррозионной реакции
Li + H2O -> LiOH + V2H2 1 -Механизм коррозионной реакции идентичен токообразующей и обусловлен работой локальных микрокатодов в литии. Поэтому полезный выход энергии с лития зависит от эффективности и легкости протекания водородной реакции на внешнем катоде= Если обеспечить более интенсивное выделение водорода на инертном катоде, то работа внутренних микрокатодов на литии как бы залавливается, скорость коррозии падает, наблюдается положительный дифференц-эффект. Считается, что достижима скорость токогенерирующего процесса до 90% от общей скорости растворения (коэффициент использования).
9Л.2. Конструкции элементов и батарей. Как уже отмечалось, сопротивление поверхностной пленки и, собственно, скорость анодного растворения лития зависят от концентрации и температуры электролита. Поддерживая требуемые параметры по электролиту, можно обеспечить заданную интенсивность протекающих токогенерирующих реакций.-
В зависимости от уровня получаемой мощности выделим 2 типа принципиальных конструкций: источники с непроточным ті проточным электролитом. Последние разрабатываются для генерирования энергии в более интенсивных режимах разряда, так как при этом для обеспечения работоспособности требуется принудительный отвод тепла и продуктов реакций (излишек гидроокиси и водород) из зоны реакции. Принципиальные конструкции источников тока с анодом из щелочного металла, в том числе лития, и непроточным электролитом, ко-
179
178
1
I
nil!
Рис. 9.1. Наливной цилиндрический элемент
торые могут быть реализованы на практике, описаны в патенте [7]. На рис. 9,1 представлен в один из вариантов возможных конструкций. Корпус элемента представляет собой сборный стакан 12 из полимерного изоляционного ма териала (пластмассы).' Донышко стакана 1 может крепиться на резьбе. Сверху стакан прикрыт крышкой 5 из того же материала, также крепящийся на резьбе. По внутренней образующей стакана располагается полый инертный металлический катод 4. Внутри катода находится анод 3, отделенный от катода' изолирующей пленкой 2 гидроокиси, предотвращающей короткое замыкание. Электролит находится над поверхностью анода. Объем его чуть меньше половины объема стакана. В крышке корпуса предусмотрено отверстие 8 для подачи воды из резервуара 7 через регулирующий вентиль 6 для разбавления электролита в процессе работы. Выход водорода и избытков электролита в крышке предусмотрен через отверстие 10 с клапаном 9.
Скорость подачи воды определяется термической и электрической нагрузками и обеспечивает поддержание внутренней рабочей температуры в установленных пределах. Необходимость подачи воды из резервуара отпадает, если элемент целиком погружен в воду (например, в море). Регулирующий вентиль 6 при этом может отсутствовать, а электролит поступает с заданной скоростью через комбинированное отверстие или по специальному фитилю. Для заданного режима разряда габариты и толщина изолирующего корпуса 12, размеры клапана 9 и диаметр капилляра подбираются эмпирически от величины электрической нагрузки, длительности разряда и условий окружающей среды. Разновидность этого элемента — погружной вариант конструкции, аналогичный описанному, но с пористыми стенками пластмассового чехла (корпуса) и немонолитным (например, пористым или сетчатым) катодом. Вода из окружающей среды поступает через стенки, а газообразный водород удаляется через них или специально просвер-
180
гии.
ленные отверстия. Необходимо верно выбрать диаметр отверстия, чтобы предотвратить попадание воды. При правильной организации работы вода поступает через пористые стенки за счет капиллярных сил, а водород удаляется через отверстия. Эта конструкция нечувствительна к ориентации и не требует обязательного присутствия окисно-гидроокисной пленки на поверхности анода: вода поступает при задействовании медленно, и пленка нарастает постепенно так, что между анодом и катодом возникает электроизоляция, хотя вначале и могло быть внутреннее замыкание. При соответствующем подборе размеров пор стенки элемент может работать и во влажном воздухе без подачи воды, но генерирует низкую плотность энер-
