Первичные химические источники тока

Химическим источником тока называют устройство, в котором химическая энергия превращается непосредственно в электрическую.

Химические источники тока делятся на две группы: первичные элементы и аккумуляторы.

В первичных элементах происходит необратимый процесс преобразования химической энергии в электрическую (разряд). Вещества, образовавшиеся в процессе разряда, не могут быть восстановлены до первоначального химического состава. Поэтому разряженный первичный элемент приходит в негодность. По конструкции они могут быть самыми различными, но все они состоят из двух электродов - проводников первого рода, разделенных слоем электролита. К химическим источникам тока предъявляют следующие требования: высокая надежность, отсутствие вредного воздействия на питаемую аппаратуру, малые габаритные размеры и масса, относительно малая стоимость и минимальный саморазряд, широкий интервал рабочих температур .

Характеристики. Э. д. с. многих первичных элементов сравнительно невелика и равна 1,2-1,7 В. Для получения больших напряжений первичные элементы соединяют последовательно.

Во время работы элемента происходит непрерывный процесс растворения отрицательного электрода, а к положительному электроду из электролита подходят ионы водорода. Молекулы водорода на положительном электроде образуют непроводящий слой. Это явление называется поляризацией элемента. В результате поляризации увеличивается внутреннее сопротивление элемента и снижается его напряжение.

Для устранения поляризации в состав элемента вводят деполяризаторы - вещества, богатые кислородом, например перекись марганца. Деполяризаторы превращают водород в воду и освобождают положительный электрод от непроводящего слоя водорода.

Количество электричества, которое можно получить от элемента во время его разряда, называют емкостью первичного элемента:

<2 = /р ,

где /р - разрядный ток, Л;

(р - время разряда, ч.

Емкость первичного элемента зависит от количества его активных веществ, разрядного тока, режима разряда, температуры электролита и времени хранения. С увеличением разрядного тока ухудшается процесс деполяризации и активные вещества элемента используются не полностью. В результате снижается емкость элемента. Перерывы разрядного тока улучшают процесс деполяризации и способствуют увеличению емкости.

С повышением температуры электролита химические процессы в элементах протекают более интенсивно и емкость элементов увеличивается. При слишком высоких температурах электролит высыхает и емкость снижается.

Даже при отключенной нагрузке в элементах происходит саморазряд, т. е. бесполезный расход его активных веществ. Саморазряд элемента вызывается несовершенством изоляции между электродами и образованием на отрицательном электроде местных гальванических пар в местах вкраплений в электрод посторонних примесей. Саморазряд увеличивается при установке элемента в сыром месте и при за грязнении его пылью и грязью. Каждый элемент характеризуется номинальной емкостью. Она соответствует определенному режиму разряда, указанному заводом. Фактическая емкость элемента зависит от условий разряда и обычно отличается от номинальной емкости.

Для электропитания портативных устройств автоматики и телемеханики, электроизмерительных приборов, некоторых устройств железнодорожной сигнализации предназначены марганцово-цинковые, воздушно-марганцово-цинковые и ртутно-цинковые элементы и батареи.

Марганцово-цинковые, воздушные марганцово-цинковые и ртутно-цинковые элементы. Наибольшее распространение получили сухие марганцово-цинковые элементы. Их выпускают в двух модификациях: стаканчиковые и галетные. Положительным электродом марганцово-цинковых элементов является агломерат, состоящий из смеси двуокиси марганца МпО_г и графита, пропитанных раствором нашатыря, а отрицательным - металлический цинк Ъп. В качестве электролита используют раствор хлористого аммония ГД+С! в виде пасты.

Такая конструкция галетного марганцово-цинкового элемента (рис. 201) удобна для последовательного соединения элементов, получения более высоких напряжений. Для этого элементы накладывают друг на друга таким образом, чтобы выступ положительного электрода одного элемента плотно соприкасался с верхним токопроводящим слоем следующего элемента. Промышленность выпускает сухие элементы марганцово-цинковой системы трех типов, которые могут работать при различных температурах окружающей среды: летние - от +17 до +60 °С; холодостойкие - от -40 до +40 °С; универсальные - от -40 до +60 °С.

В сухих воздушномарганцовоцинковых элементах в состав агломерата. кроме перекиси марганца и графита, добавляют активированный уголь, который способен адсорбировать (поглощать) из воздуха кислород. Поэтому в этих элементах деполяризация происходит интенсивнее. 1 азовая камера воздушномарганцовоцинковых элементов сообщается с наружным воздухом через специальное отверстие У неработающих элементов эти отверстия должны быть закрыты пробками. что предохраняет агломерат от высыхания Во время работы пробки следует открыть

В марганцово-цинковом элементе (рис 202) с солевым электролитом в качестве положительного электрода использован агломерат Я из двуокиси марганца и углеродистых материалов, напрессованных на угольный стержень 5 Отрицательный электрод 6 выполнен из цинка и имеет форму стакана. Картонная шайба 7 служит для изоляции электродов Носителем электролита является диафрагма 4 из кабельной бумаги, пропитанной солевым электролитом и нанесенным на нее тонким слоем пасты Элемент заливают изоляционной смесью 2. Для подключения внешней цепи на угольный электрод насажен металлический колпачок 1 При изготовлении таких элементов применяют новую технологию, позволяющую увеличить рабочую поверхность положительного электрода и улучшить электрические характеристики без увеличения габаритных размеров

Положительным электродом у герметичных марганцово-цинковых элементов с щелочным электролитом (рис 203) служит смесь двуокиси марганца с графитом, а отрицательным - амальгамированный порошкообразный нинк Между электродами имеется сепаратор, состоящий из нескольких слоев высокопористого картона, пропитанного раствором едкого кали, насыщенным цинком Применение щелочного электролита в элементах повышает коэффициент использования двуокиси марганца и уменьшает поляризацию электродов

Конструкция ртутно-цинкового элемента (рис 204) аналогична конструкции марганцово-цинковых элементов с щелочным электроли-

Рие. 203. Общий вид герметичных марганцово-цинковых элементов с ще.точ ным электролитом типов МЦ-4К (а), ЛЩ-ЗК (о). ЛШ-2К (я). МЦ-1К (а)

Рис. 204. Конструкция ртутно-цннко вого элемента:

1 крышки. 2 отрицательный электрод ишнконые опилки : 3 корпус: 4 поло жительпын электрод: .5 ргшновис коль цо; в сепаратор и:і фильтровальной б> маги: 7 диафрагма м< фильтровальной бумаги том. Активная масса положительного электрода состоит из смеси красной окиси ртути и графита, отрицательного электрода - из амальгамированного цинкового порошка, содержащего 5- 10°о металлической ртути

В качестве электролита используют раствор едкого кали плотностью 1,4 г ем*, насыщенный окисью цинка В основном электролит заключен в порах электродов и сепаратора из фильтровальной бумаги Э д. с ртутно-цинковых элементов (РЦ53, РЦ55, РЦ53Х и др.) равна 1.36 В и мало меняется в процессе разряда, разрядный ток от 0,1 до 300 мА Недостатками ртутно-цинковых элементов являются высокая стоимость и плохая работоспособность при отрицательной температуре