150. Резервные гальванические элементы: схема, уравнения процессов, осо-бенности их использования.
Ответ:
Химические источники электропитания, которые производятся и хранятся в неактивированном состоянии и перед началом разряда активируются (приводятся в рабочее состояние) тем или иным способом, относятся к резервным источникам питания. К основным особенностям этих резервных батарей относятся:
- возможность длительного хранения батареи в неактивированном состоянии;
- относительно короткий срок разряда, который, как правило, проводится однократно и непрерывно;
- использование энергоемких и (или) высокоактивных реагентов;
- высокие значения удельной мощности.
Для увеличения напряжения в гальванических элементах используются аноды из активных металлов, например магния. Ввиду их высокой активности взаимодействия с водой с выделением Н2, что способствует их саморазряду, разработаны резервные элементы, которые приводят в рабочее состояние непосредственно перед началом их использования. Анодом служит Mg, катодом – хлорид меди (I) CuCl, электролит – сухой хлорид магния МgCl2. Перед использованием в элемент заливается вода.
Схема элемента и уравнения процессов
(A) Mg ⎪ МgCl2⎪ CuCl, Cu (K)
A: Mg – 2e = Mg2+; K: 2CuCl + 2e = 2Cu + 2Cl–,
или суммарно
Mg + 2CuCl = MgCl2 + 2Cu.
Напряжение 1,3 В, удельная энергия 30 – 60 Вт⋅ч/кг, емкость элемента сохраняется до 10 лет.
Водоактивируемые резервные источники питания активируются заливкой водой или погружением в воду. Резервные батареи могут активироваться водным раствором электролита: кислоты, щелочи или соли или неводным раствором электролита. Резервные батареи, активируемые водными растворами кислот и щелочей или неводными электролитами получили название ампульных химических источников тока. К резервным также можно отнести некоторые воздушно-магниевые и воздушно-алюминиевые одноразовые батареи.
В качестве газообразного активатора резервных батарей применяется аммиак. Тепловые батареи содержат эвтектическую смесь хлоридов щелочных металлов в качестве электролита, который при невысоких температурах обладает очень низкой электрической проводимостью, поэтому разряда источника питания не происходит. При плавлении электролита источник тока активируется.
Водоактивируемые резервные источники питания. В качестве анодных материалов обычно используются магниевые сплавы, реже цинк. Катодными реагентами служат малорастворимые хлориды серебра, меди или свинца или диоксид свинца. Электролитом является хлорид натрия, который при активации растворяется в воде и обеспечивает ионную проводимость. Активация может также проводиться заливкой резервной батареи морской водой или погружением батареи в морскую воду.
К достоинствам водоактивируемых батарей резервного питания относятся простота устройства и активации, способность работать при низких температурах после активации, высокие (для системы Mg-AgCl) и средние (для других систем) удельные энергии и мощности. К недостаткам батарей резервного питания можно отнести высокий саморазряд после активации, токи утечки в резервных батареях и высокую стоимость источников тока системы Mg-AgCl.
Водоактивируемые батарей резервного питания применяются в морских сигнальных устройствах, спасательных средствах, на буях, геофизической аппаратуре, метеорологических шарах-зондах; резервные батареи системы Mg-AgCl в торпедах и акустических буях.
Батареи резервного питания активируемые раствором электролита (ампульные источники тока). В ампульных источниках питания раствор электролита хранится в отдельной емкости (ампуле) и заливается при активации. Применяемые в настоящее время ампульные батареи резервного питания можно разделить на источники тока с водными и неводными электролитами. В первых анодами служат цинк, свинец или магний, катодными материалами - оксид серебра, диоксид свинца или марганца, электролитами - растворы кислот, щелочи или соли. Во втором типе источники тока анодом является литий, катодными материалами - тионилхлорид, диоксид серы, пентаоксид ванадия или сульфид железа, электролитами - неводные растворы солей лития. Активация батареи резервного питания происходит за очень короткое время (от долей секунды до нескольких секунд). К достоинствам ампульных источников тока относятся длительная сохраняемость в неактивированном состоянии (10 и более лет), высокая удельная мощность, а для некоторых - и удельная энергия, широкий диапазон рабочих температур (для большинства батарей резервного питания). К недостаткам можно отнести короткое время работы и малый допустимый срок хранения в активированном состоянии. Ампульные резервные батареи применяются в авиакосмической и военной технике.
Батареи резервного питания активируемые аммиаком. Анодом служит либо магний, либо цинк, катодным компонентом - m-динитробензол (m-ДНБ) или диоксид свинца, электролитом - роданиды аммиака. Активация производится либо жидким, либо газообразным аммиаком. К достоинствам резервных батарей этого типа относятся длительная сохранность в неактивированном состоянии и широкий диапазон рабочих температур. Недостатками являются относительно медленная активация и небольшое время разряда.
Тепловые батареи резервного питания. Анодами первоначально служили кальций и магний. В последние годы для этой цели в основном применяются сплавы лития. Катодами в кальциевых резервных источниках тока ранее служил хромат кальция, в литиевых батареях используется дисульфид железа и пентаоксид ванадия. В качестве электролита используется смесь хлоридов лития и калия. При нагревании до 450 °С и выше, осуществляемом обычно с помощью пиротехнических составов, электролит расплавляется и элементы активируются. Время активации составляет 0,1-3 с. Резервные источники конструктивно выполняется в виде батареи, состоящей из большого числа последовательно соединенных элементов и чередующихся нагревателей. К достоинствам тепловых батарей резервного питания относятся высокая удельная мощность, способность работать в широком диапазоне температур окружающей среды и длительная сохранность в неактивированном состоянии. Недостатками батарей являются короткий срок разряда из-за остывания электролита и невысокая степень использования активных масс. Тепловые резервные батареи применяются в военной технике: в артиллерийских снарядах, ракетах и т.д.