Военно-техническая подготовка

1.12. Химические источники тока (ХИТ)

Электрический аккумулятор — источник тока многоразового действия, основная специфика которого заключается в обратимости внутренних химических процессов, что обеспечивает его многократное циклическое использование (через заряд-разряд) для накопления энергии и автономного электропитания различных электротехнических устройств и оборудования.

1.12.1. Кислотный аккумулятор.

Принцип работы свинцово-кислотных аккумуляторов основан на электрохимических реакциях свинца и диоксида свинца в среде серной кислоты. Химическая реакция (слева направо — разряд, справа налево — заряд):

Анод:

$PbO_2 + SO_4^{2-} + 4 H^+ + 2 e^- \longrightarrow PbSO_4 + 2 H_2O$ ;

Катод:

$Pb + SO_4^{2-} - 2 e^- \longrightarrow PbSO_4$ ;

Элемент свинцово-кислотного аккумулятора состоит из электродов (положительных и отрицательных) и разделительных пористых пластин, изготовленных из материала, невзаимодействующего с кислотой, препятствующих замыканию электродов (сепараторов), которые погружены в электролит. Электроды представляют собой плоские решётки из металлического свинца. В эти решётки запрессованы порошки диоксида свинца (PbO2) — в анодных пластинах и металлического свинца — в катодных пластинах. Применение порошков увеличивает поверхность раздела электролит — твердое вещество, тем самым увеличивает электрическую ёмкость аккумулятора.

Параметры:

Удельная предельная теоретическая энергоёмкость: 133 Вт·ч/кг.
Удельная энергоёмкость:30-60 Вт·ч/кг.
Теоретическая удельная энергоплотность: 1250 Вт·ч/дм³.
ЭДС заряжённого аккумулятора = 2,11—2,17 В, рабочее напряжение 2 В (3 или 6 секций в итоге дают стандартные 6 В или 12 В соответственно).
Напряжение полностью разряженного аккумулятора = 1,75—1,8 В (из расчета на 1 элемент). Ниже разряжать их нельзя.
Рабочая температура: от −40 °C до +40 °C.
КПД: порядка 80—90 %.

1.12.2. Щелочной аккумулятор.

Наиболее распространены никель-железные и никель-кадмиевые щелочные аккумуляторы.

Принцип действия никель-кадмиевых аккумуляторов основан на обратимом процессе:

2NiOOH + Cd + 2H2O ↔ 2Ni(OH)2 + Cd(OH)2 E0 = 1,30 В.

Никелевый электрод представляет собой пасту гидроксида никеля, смешанную с проводящим материалом и нанесенную на стальную сетку, а кадмиевый электрод — стальную сетку с впрессованным в неё губчатым кадмием. Пространство между электродами заполнено желеобразным составом на основе влажной щелочи, который замерзает при -27°С. Индивидуальные ячейки собирают в батареи, обладающие удельной энергией 20–35 Вт*ч/кг и имеющие большой ресурс — несколько тысяч зарядно-разрядных циклов.

Параметры:

Теоретическая энергоёмкость: 237 Вт·ч/кг

Удельная энергоёмкость: 45–65 Вт·ч/кг

Удельная энергоплотность: 50–150 Вт·ч/дм³

Удельная мощность: 150…500 Вт/кг

ЭДС = 1,37 В

Рабочее напряжение = 1,35…1,0 В

Нормальный ток зарядки = 0,1…1 C, где С — ёмкость

Саморазряд: 10% в месяц

Рабочий диапазон температур : −50…+40 °C

Половина реакции на катоде:

$\mathsf{2 Ni O OH \; + \; 2 H_2O \; + \; 2e^- \quad \rightleftharpoons \quad 2 Ni(OH)_2 + 2 OH^-}$ ;

и на аноде:

$\mathsf{Fe + 2 OH^- \quad \rightleftharpoons \quad Fe(OH)_2 + 2e^-}.$

При разряде реакция протекает слева направо, при заряде справа налево.

Активный материал содержится в никелированных стальных трубках или перфорированных карманах. С точки зрения стоимости и удельной энергоемкости, они близки к литий-ионным аккумуляторам, а с точки зрения саморазряда, эффективности и напряжения — к NiMH аккумуляторам. Это достаточно выносливые аккумуляторы, стойкие к грубому обращению (перезаряд, глубокий разряд, короткое замыкание и термические удары) и имеющие очень длинный срок службы.

Параметры:

Удельная энергоёмкость: 20-50 Вт·ч/кг
Запасённая энергия/объем: 350 Вт·ч/л
Удельная мощность: 100 Вт/кг
Эффективность: 65 %
Саморазряд: 20 % — 40 %/месяц
Срок службы: 30 — 50 лет
Рабочее напряжение: 1,2 В
Рабочий диапазон температур: от −40 до +46 °C

1.12.3. Гальванические ХИТ.

Гальванический элемент — химический источник электрического тока, основанный на взаимодействии двух металлов и/или их оксидов в электролите, приводящем к возникновению в замкнутой цепи электрического тока. Переход химической энергии в электрическую энергию происходит в гальванических элементах.

Гальванические первичные элементы — это устройства для прямого преобразования химической энергии, заключенных в них реагентов (окислителя и восстановителя), в электрическую. Реагенты, входящие в состав источника, расходуются в процессе его работы, и действие прекращается после расхода реагентов. Примером гальванического элемента является элемент Даниэля -Якоби.

Широкое распространение получили марганцево-цинковые элементы, не содержащие раствора электролита (сухие элементы, батарейки). Так, в солевых элементах Лекланше цинковый электрод служит катодом, электрод из смеси диоксида марганца с графитом служит анодом, графит служит токоотводом. Электролитом является паста из раствора хлорида аммония с добавкой муки или крахмала в качестве загустителя.

Щелочные марганцево-цинковые элементы, в которых в качестве электролита используется паста на основе гидроксида калия, обладают целым рядом преимуществ, в частности существенно большей ёмкостью, лучшей работой при низких температурах и при больших токах нагрузки.

Солевые и щелочные элементы широко применяются для питания радиоаппаратуры и различных электронных устройств.

Рис 1. Схема гальванического элемента Даниэля-Якоби