Химические источники тока с литиевым электродом - Кедринский И.А.
Скачать (прямая ссылка):
В целом система «литий — вода» способна работать при весьма высоких плотностях тока. На рис. 9.6 видно, что в растворе 3 M LiOH и при температуре 24°С получена предельная плотность тока порядка 600 мА/см2, а при напряжении элемента 1 В — рабочая плотность около 500 мА/см2, и это не предел. Система может генерировать токи до 1000 мА/см2 при таком
186
же напряжении, но, естествено, в бол^е" разбавленных элект-
ролитах.
/ 7'
О ' і 2 ' 3 ¦ 4 Сион.М
P и с. 9.7. Удельная энергия в расчете на литий в зависимости от температуры и концентрации (поверхность 65 см2, напряжение 1,0 В)
На рис. 9.7 показана зависимость удельной энергии литиевого элемента (в расчете на литий) с поверхностью 65 см2 от концентрации и температуры электролита. Катод — никель или железо. На рис. 9.8 дана зависимость рабочей плотности тока при выбранном напряжении от этих же параметров. Видно, что в области малых концентраций достижимо получение вьг-соких плотностей токов. Однако работа в этих условиях энергетически не оптимальна, так как при низких концентрациях увеличивается доля потерь на газовыделение за счет паразитного саморастворения анода. Работа элемента при концентрации электролита выше 4 M согласно этим данным считается невозможной, так как при этом растворение лития не идет из-за пассивации поверхности, то есть рабочий диапазон концентраций электролита при нормальных температурах находится
187
600
700 ІАіА/с^
Рис 9.8. Зависимость плотности тока от температуры и концентрации электролита
в пределах от 2 до 3,5 М. В более поздних работах показано что в определенных условиях возможна работа элементов «ли-ToлТЛ0^* при концентрации электролита до 4,55 M [171 — 4,84 M [18] и даже 5,1 M [19]. При низких температурах электролита нижний предел возможных рабочих концентраций мо-
Рис. 9.9. Сравнительные характеристики XPIT разных систем
188
жет быть опущен. Согласно данным (рис. 97) получение мак= симально возможной энергии, например-, при концентрации 3 M когда могут быть реализованы относительно высокие плотности токов (высокая мощность), допустимо лишь при температурах чуть больше 200C (3300 Вт-ч/кг). Последующее повышение температуры приведет к уменьшению удельной энергии—'440 Вт¦ ч/кг при 40°С, Если провести логическую интерполяцию графика на рис. 9.9 в область более высоких значений удельной энергии, то можно увидеть, что получение их может быть осуществлено при переходе к более высоким концентрациям и, соответственно к более низким плотностям тока и уровню генерируемой мощности. При любых плотностях токов максимально возможное значение удельной мощности достигается согласно следующему. В области линейной поляризации элемента при чисто омическом контроле можно считать, что мощность P = Up•I ^ (Е° — IR)I, при
то есть
2 22
= =1,11 в,
где Up — разрядное напряжение,
E0 — напряжение разомкнутой цепи (ЭДС), I— рабочий ток. Практически рекомендуется диапазон Up = 1,0—1,2 В, а в отдельных случаях, когда не преследуется цель получения максимально возможной мощности, рабочее напряжение может быть доведено до 1,4 В. Однако необходимо иметь в виду, что повышение напряжения элемента при прочих равных условиях возможно лишь за счет снижения рабочей плотности тока, а это, в свою очередь, вызывает падение коэффициента использования лития из-за увеличивающейся доли паразитного саморастворения на литии под током и соответственно к уменьшению удельной энергии. Для получения высоких коэффициентов использования лития" при приемлемом уровне рабочих напряжений элемент целесообразно использовать в конце области линейной поляризации [27]. Это соответствует общей поляризации лития примерно на 300 мВ от стационарного потенциала и обеспечивает рабочее напряжение на рекомендуемом уровне [16]. Эта плотность тока названа критической. При более высокой поляризации хоть и достигается получение более высокого коэффициента использования, но
dP
dl
: 0, Ртах ~' -
_Е° 2~
189
удельные энергия и мощность системы уменьшаются из-за резкой поляризации лития и падения рабочего напряжения, Надо отметить, что с увеличением рабочей концентрации электролита и соответствующим уменьшением плотностей токов при оди наковой величине поляризации коэффициенты использования лития несколько увеличиваются. Это связано с уменьшением доли газовыделения на литии в более концентрированных расе ворах и приводит к указанному выше увеличению удельных энергий.
Растворение лития в области больших поляризаций при предельном токе идет практически без коррозии. По некоторым представлениям [24] суммарное (коррозионное и токовое) растворение лития при анодной поляризации происходит всегда с постоянной скоростью, определяемой параметрами электролита. Исходя из этого коэффициент использования лу-
ги я определим как отношение
. 100% =Ки Вычислен
1раб
ные из данных работ [18] коэффициенты использования при различных концентрациях гидроксида представлены в табл. 9 1.
- " Таблица 91
Расчетные значения коэффициента использования
Концентрация, M
Плотность токов, мА/см2 *,
