Химические источники тока со стабильными и высокими удельными характеристиками - одно из важнейших условий развития средств связи.

В настоящее время потребность пользователей электроэнергии для средств связи покрывается, в основном, за счет применения дорогостоящих гальванических элементов или аккумуляторов.

Аккумуляторы являются относительно автономными источниками электропитания, поскольку нуждаются в периодическом заряде от сети. Зарядные устройства, применяемые для этой цели, имеют высокую стоимость и не всегда способны обеспечить благоприятный режим заряда. Так, аккумулятор Sonnenschein, изготовленный по технологии dryfit и имеющий массу 0,7 кг, а емкость 5 А·ч, заряжается в течение 10 часов, причем при заряде необходимо соблюдать нормативные значения тока, напряжения и времени заряда. Заряд проводится сначала при постоянном токе, затем при постоянном напряжении. Для этого применяются дорогостоящие зарядные устройства с программным управлением.

Абсолютно автономными являются гальванические элементы, но они, как правило, имеют низкую мощность и ограниченную емкость. По исчерпании заложенной в них энергии они утилизируются, загрязняя окружающую среду. Альтернативой сухим источникам являются воздушно-металлические механически перезаряжаемые источники, некоторые энергетические характеристики которых приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Параметры некоторых электрохимических систем

Электро-химическая система

Теоретические параметры

Практически реализуемые параметры


ЭДС, В

Удельная энергия, Вт·ч/кг

Напряжение, В

Удельная энергия, Вт·ч/кг


Воздушно-алюминиевая

2,7

7600

1,2 - 1,3

100 - 500


Воздушно-магниевая

3,1

6837

1,4 - 1,5

100 - 300


Воздушно-цинковая

1,65

1352

1,0- 1,2

60-200


Никель-металлгидридная

1,35

189

1,2

50 – 60


Никель-кадмиевая

1,45

260

1,2

40 – 50


Марганцево-цинковая

1,5

312

1,1 – 1,2

50 – 90


Марганцево-литиевая

3,0

840

2,5 – 2,8

100 - 300


Как видно из таблицы, воздушно-металлические источники, в сравнении с другими широко применяемыми системами, обладают наибольшими теоретическими и практически реализуемыми энергетическими параметрами.

Воздушно-металлические системы были реализованы значительно позже, а их разработка до сих пор ведется менее интенсивно, чем источников тока других электрохимических систем. Однако испытания опытных образцов, созданных отечественными и иностранными фирмами, показали их достаточную конкурентоспособность.

Показано, что сплавы алюминия и цинк могут работать в щелочных и солевых электролитах. Магний - лишь в солевых электролитах, причем его интенсивное растворение идет как при генерировании тока, так и в паузах.

В отличие от магния алюминий в солевых электролитах растворяется лишь при генерировании тока. Для цинкового электрода наиболее перспективны щелочные электролиты.

Воздушно-алюминиевые источники тока (ВАИТ)

На основе алюминиевых сплавов созданы механически перезаряжаемые источники тока с электролитом на основе поваренной соли. Эти источники абсолютно автономны и могут использоваться для электропитания не только средств связи, но и для заряда аккумуляторов, питания различной бытовой аппаратуры: радиоприемников, телевизоров, кофемолок, электродрелей, светильников, электрофенов, паяльников, маломощных холодильников, центробежных насосов и пр. Абсолютная автономность источника позволяет использовать его в полевых условиях, в регионах, не имеющих централизованного электроснабжения, в местах катастроф и стихийных бедствий.

Заряд ВАИТ производится в течение считанных минут, которые необходимы для заливки электролита и/или замены алюминиевых электродов. Для заряда нужна лишь поваренная соль, вода и запас алюминиевых анодов. В качестве одного из активных материалов используется кислород воздуха, который восстанавливается на катодах из углерода и фторопласта. Катоды достаточно дешевы, обеспечивают работу источника в течение длительного времени и, поэтому оказывают незначительное влияние на стоимость генерируемой энергии.

Стоимость электроэнергии, получаемой в ВАИТ, определяется, в основном, лишь стоимостью периодически заменяемых анодов, в нее не включается стоимость окислителя, материалов и технологических процессов, обеспечивающих работоспособность традиционных гальванических элементов и, поэтому, она в 20 раз ниже стоимости энергии, получаемой от таких автономных источников как щелочные марганцево-цинковые элементы.

Таблица 2 - Параметры воздушно-алюминиевых источников тока

Тип батареи

Марка батареи

Число элементов

НРЦ, В

Масса электролита, кг

Емкость по запасу электролита, А·ч

Масса комплекта анодов, кг

Емкость по запасу анодов, А·ч

Масса батареи, кг


Погружаемые

24ВАИТ250

24

38,88

14,00

58,33

1,90

238,81

12,70


18ВАИТ250

18

29,16

10,50

58,33

1,44

238,81

9,53


12ВАИТ250

12

19,44

7,00

58,33

0,96

238,81

6,35


6ВАИТ250

6

9,72

3,50

58,33

0,48

238,81

3,17


Заливаемые

6ВАИТ125

6

9,72

0,60

10,00

0,24

119,40

0,90


5ВАИТ125

5

8,10

0,50

10,00

0,20

119,40

0,75


4ВАИТ125

4

6,48

0,40

10,00

0,16

119,40

0,60


6ВАИТ50

6

9,72

0,60

10,00

0,10

50,75

0,60


5ВАИТ50

5

8,10

0,50

10,00

0,09

50,75

0,50


4ВАИТ50

4

6,48

0,40

10,00

0,07

50,75

0,40


Длительность непрерывной работы определяется величиной потребляемого тока, объемом залитого в элемент электролита и составляет 70 - 100 А·ч/л. Нижний предел определяется вязкостью электролита, при которой возможен его свободный слив. Верхний предел соответствует снижению характеристик элемента на 10-15%, однако по его достижении для удаления электролитной массы необходимо применение механических устройств, которые могут повредить кислородный (воздушный) электрод.

Вязкость электролита возрастает по мере его насыщения взвесью гидроксида алюминия. (Гидроксид алюминия встречается в природе в виде глины или глинозема, является прекрасным продуктом для производства алюминия и может быть возвращен в производство).

Замена электролита осуществляется в считанные минуты. С новыми порциями электролита ВАИТ может работать до исчерпания ресурса анода, который при толщине 3 мм составляет 2,5 А·ч/см2 геометрической поверхности. Если аноды растворились, их в течение нескольких минут заменяют новыми.

Саморазряд ВАИТ очень мал, даже при хранении с электролитом. Но в силу того, что ВАИТ в перерыве между разрядами может храниться без электролита - его саморазряд ничтожен. Ресурс работы ВАИТ ограничен сроком службы пластмассы, из которой он изготовлен ВАИТ без электролита может храниться до 15 лет.

В зависимости от требований потребителя ВАИТ может быть модифицирован с учетом того, что 1 элемент имеет напряжение 1 В при плотности тока 20 мА/см2, а ток снимаемый с ВАИТ определяется площадью электродов.

Проведенные в МЭИ(ТУ) исследования процессов, протекающих на электродах и в электролите, позволили создать два типа воздушно-алюминиевых источников тока - заливаемые и погружаемые (табл. 2).

Заливаемые ВАИТ

Заливаемые ВАИТ состоят из 4-6 элементов. Элемент заливаемого ВАИТ (рис. 1) представляет собой прямоугольную емкость (1), в противоположных стенках которой установлен катод (2). Катод состоит из двух частей, электрически соединенных в один электрод шиной (3). Между катодами располагается анод (4), положение которого фиксируется направляющими (5). Конструкция элемента, запатентованного авторами /1/, позволяет уменьшить отрицательное влияние образующегося в качестве конечного продукта гидроксида алюминия, за счет организации внутренней циркуляции. С этой целью элемент в плоскости, перпендикулярной плоскости электродов, разделен перегородками на три секции. Перегородки выполняют также роль направляющих анод полозков (5). В средней секции располагаются электроды. Выделяющиеся при работе анода пузырьки газа поднимают вместе с потоком электролита взвесь гидроксида, который опускается на дно в двух других секциях элемента.

Jpg 392x244, 12260 байт

1 - корпус элемента, 4 - анод, 2 - катод, 5 - направляющие полозки, 3 - катодная шина

Рисунок 1 - Схема элемента

Подвод воздуха к катодам в ВАИТ (рис. 2) осуществляется через зазоры (1) между элементами (2). Крайние катоды защищены от внешних механических воздействий боковыми панелями (3). Непроливаемость конструкции обеспечивается применением быстро снимаемой крышки (4) с уплотнительной прокладкой (5) из пористой резины. Натяг резиновой прокладки достигается прижатием крышки к корпусу ВАИТ и фиксацией ее в этом состоянии с помощью пружинных фиксаторов (на рисунке не показаны). Сброс газа осуществляется через специально разработанные пористые гидрофобные клапаны (6). Элементы (1) в батарее соединены последовательно. Пластинчатые аноды (9), конструкция которых разработана в МЭИ [2], имеют гибкие токосъемы с элементом разъема на конце. Разъем, ответная часть которого соединена с блоком катодов, позволяет быстро отсоединять и присоединять анод при его замене. При подсоединении всех анодов элементы ВАИТ соединяются последовательно. Крайние электроды соединены с борнами (10) ВАИТ также посредством разъемов.

Jpg 415x269, 15219 байт

1- воздушный зазор, 2 - элемент, 3 - защитная панель, 4 - крышка, 5 - катодная шина, 6 - прокладка, 7- клапан, 8 - катод, 9 - анод, 10 - борн

Рисунок 2 - Заливаемый ВАИТ

Погружаемый ВАИТ

Погружаемый ВАИТ (рис. 3) представляет собой вывернутый на изнанку заливаемый ВАИТ. Катоды (2) развернуты активным слоем наружу. Емкость элемента, в которую заливался электролит, делится на две перегородкой и служит для раздельной подачи воздуха к каждому катоду. В зазоре, через который подавался к катодам воздух, установлен анод (1). ВАИТ же активируется не заливкой электролита, а погружением в электролит. Электролит предварительно заливается и хранится в перерыве между разрядами в баке (6), который разделен на 6 не связанных между собой секций. В качестве бака используется моноблок аккумулятора 6СТ-60ТМ.

Jpg 405x333, 15580 байт

1 - анод, 4 - катодная камера, 2 - катод, 5 - верхняя панель, 3 - полозок, 6 - электролитный бак

Рисунок 3 - Погружаемый воздушно-алюминиевый элемент в панели модуля

Такая конструкция позволяет быстро разбирать батарею, удаляя модуль с электродами, и манипулировать при заливке и выгрузке электролита не с батареей, а с емкостью, масса которой с электролитом составляет 4,7 кг. Модуль объединяет 6 электрохимических элементов. Элементы крепятся на верхней панели (5) модуля. Масса модуля с комплектом анодов 2 кг. Последовательным соединением модулей набирались ВАИТ из 12, 18 и 24 элементов. К недостаткам воздушно-алюминиевого источника можно отнести довольно высокое внутреннее сопротивление, низкую удельную мощность, нестабильность напряжения во время разряда и провал напряжения при включении. Все указанные недостатки нивелируются при использовании комбинированного источника тока (КИТ), состоящего из ВАИТ и аккумулятора.

Комбинированные источники тока

Разрядная кривая "заливаемого" источника 6ВАИТ50 (рис. 4) при заряде герметизированного свинцового аккумулятора 2СГ10 емкостью 10 А·ч характеризуется, как и при питании других нагрузок, провалом напряжения в первые секунды при подключении нагрузки. В течение 10 -15 минут напряжение возрастает до рабочего, которое остается постоянным в течение всего разряда ВАИТ. Глубина провала определяется состоянием поверхности алюминиевого анода и его поляризацией.

Gif 500x200, 7062 байт

Рисунок 4 - Разрядная кривая 6ВАИТ50 при заряде 2СГ10

Как известно, процесс заряда аккумулятора протекает только в том случае, когда напряжение на источнике, отдающем энергию, выше, чем на аккумуляторе. Провал же начального напряжения ВАИТ приводит к тому, что аккумулятор начинает разряжаться на ВАИТ и, следовательно, на электродах ВАИТ начинают протекать обратные процессы, которые могут привести к пассивации анодов.

Для предотвращения нежелательных процессов в цепь между ВАИТ и аккумулятором устанавливается диод. В этом случае разрядное напряжение ВАИТ при заряде аккумулятора определяется не только напряжением аккумулятора, но и падением напряжения на диоде:

UВАИТ = UАКК + ΔUДИОД (1)

Введение в цепь диода приводит к увеличению напряжения как на ВАИТ, так и на аккумуляторе. Влияние наличия диода в цепи иллюстрирует рис. 5, на котором представлено изменение разности напряжений ВАИТ и аккумулятора при заряде аккумулятора попеременно с диодом в цепи и без него.

В процессе заряда аккумулятора в отсутствии диода разность напряжений имеет тенденцию к уменьшению, т.е. снижению эффективности работы ВАИТ, в то время как в присутствии диода разность, а, следовательно, и эффективность процесса имеет тенденцию к возрастанию.

Gif 500x272, 7845 байт

Рисунок 5 - Разность напряжений 6ВАИТ125 и 2СГ10 при заряде с диодом и без него

Gif 500x276, 13775 байт

Рисунок 6 - Изменение токов разряда 6ВАИТ125 и 3НКГК11 при электропитании потребителя

Gif 443x292, 3000 байт

Рисунок 7 - Изменение удельной энергии КИТ (ВАИТ - свинцовый аккумулятор) с увеличением доли пиковой нагрузки

Для средств связи характерно потребление энергии в режиме переменных, в том числе пиковых, нагрузок. Такой характер потребления был смоделирован нами при электропитании потребителя c базовой нагрузкой 0,75 А и пиковой 1,8 А от КИТ, состоящего из 6ВАИТ125 и 3НКГК11. Характер изменения токов генерируемых (потребляемых) составляющими КИТ, представлен на рис. 6.

Из рисунка видно, что в базовом режиме ВАИТ обеспечивает генерацию тока, достаточную для питания базовой нагрузки и заряда аккумулятора. В случае пиковой нагрузки потребление обеспечивается током, генерируемым ВАИТ и аккумулятором.

Проведенный нами теоретический анализ показал, что удельная энергия КИТ является компромиссной между удельной энергией ВАИТ и аккумулятора и возрастает с уменьшением доли пиковой энергии (рис. 7). Удельная мощность КИТ выше удельной мощности ВАИТ и возрастает с увеличением доли пиковой нагрузки.

Выводы

Созданы новые источники тока на основе электрохимической системы "воздух-алюминий" с раствором поваренной соли в качестве электролита, энергоемкостью около 250 А·ч и с удельной энергией свыше 300 Вт·ч/кг.

Заряд разработанных источников осуществляется в течение нескольких минут путем механической замены электролита и/или анодов. Саморазряд источников ничтожен и поэтому до активации они могут храниться в течение 15 лет. Разработаны варианты источников, отличающиеся способом активации.

Исследована работа воздушно-алюминиевых источников при заряде аккумулятора и в составе комбинированного источника. Показано, что удельная энергия и удельная мощность КИТ являются компромиссными величинами и зависят от доли пиковой нагрузки.

ВАИТ и КИТ на их основе абсолютно автономны и могут использоваться для электропитания не только средств связи, но и питания различной бытовой аппаратуры: электромашин, светильников, маломощных холодильников и пр. Абсолютная автономность источника позволяет использовать его в полевых условиях, в регионах, не имеющих централизованного электроснабжения, в местах катастроф и стихийных бедствий.

В качестве анода в алюминий-воздушных батареях используются алюминиевые пластины, а наружный воздух выступает катодом. Алюминиевая составляющая системы медленно разрушается, так как молекулы металла соединяются с кислородом и выделяют энергию. Подробнее см.:

с точки зрения катодных материалов все воздушно-алюминиевые аккумуляторы не компетентны игнорировать тенденций парадоксальных эмоций. пожалуйста.

Берете катод, селедку и 125 граммов хозяйственного мыла. Далее добавляете воздух в безвоздушный алюминиевый аккумулятор, соединяете. С вас магарыч.

берешь плутоний посыпаешь солью на 20 минут в духовку при температуре 200 градусов и вуаля.стыдно такие вещи не знать

В ГУГЛ...Все в ГУГЛ... Там Вам сразу ответят - На такой вопрос - один ответ, есть один вопрос! Что Вы курите?

Углеродно-кадмиевый стержень больше всего подкатит для оного...

Этот же вопрос повторить в поисковике ГУГЛа или Яндекса

Не в мой адрес, скорее всего вам этажом ниже или выше

катодом в данном виде аккумуляторов служит воздух!

еще раз тоже самое и по-русски. моя твоя не понимаю

Вот зарядка от бедини )))

Подавайте на патент,Вы изобрели невозможное.

Во загнул, купи обычный литиевый и не парься

Не стоит благодарности. Всегда рады помочь

простите,это уже не ко мне!гугл в помощь)

аккумуляторы- это не мой конек))) Удачи!!!

Замечательная просьба для Спрашивалки!

Мы тебе подскажем, а ты себе госпремию ?

это вопрос не ко мне,не могу ответить :?