Реферат: Ртутно-цинковые элементы

Министерство Образования

Российской Федерации

Камский Государственный

Политехнический Институт

Кафедра Э и Э

Реферат.

на тему: Ртутно-цинковые аккумуляторы.

Выполнил ст. гр. 2410

Мансуров. Р.

Проверил профессор

Обухов С. Г.

Набережные Челны 2003 г.

Содержание.

стр.

Введение__________________________________________3

Ртутно-цинковые аккумуляторы______________________4

Теория____________________________________________4

Устройство дискового элемента_____________________5

Характеристики____________________________________7

Перезаряжаемые элементы___________________________9

Технические характеристики_______________________10

Первичные химические источники тока, разработанные для изделий спецтехники______________________________11

ХИТ производственного назначения ртутно-цинковой системы (Hg-Zn)______________________________________12

Ртутно-цинковые элементы и батареи________________13

Список используемой литературы____________________14

Введение.

Ртутно-цинковые элементы питания используются для автономного питания в контрольно-измерительных приборах, дозиметрической аппаратуре, регистрирующих измерителях напряжения, слуховых аппаратах, часах, системах противопожарной сигнализации, геофизических устройствах.

Особенности:

• стабильное напряжение;
• миниатюрность;
• высокие разрядные токи;

Источникам данной системы не требуется время для "отдыха", элементы прекрасно работают и в прерывистом и в непрерывистом режиме.
Кроме того, элементы обладают устойчивостью к коррозии и к высокой относительной влажности в процессе длительного срока хранения.

Электрохимическая система : цинк-окись ртути-гидрат окиси натрия. Имеют высокие энергетические показатели, характеризуются практически плоской кривой разряда, но работоспособны только при положительных температурах (0...50°C). При малых токах разряда и стабильной температуре напряжение на элементе остается почти неизменным. Практически не имеют газовыделения. Из-за наличия ртути экологически вредны и к применению не рекомендуются. Из-за "ползучести" электролита могут иметь небольшой беловатый налёт соли (карбоната) на уплотнительном кольце.
Основные области использования: фотоэкспонометры, фотоаппараты, измерительные приборы, слуховые аппараты, электронные наручные часы (как правило, устаревшие модели).
Срок хранения до начала эксплуатации не более 1...1,5 лет.

Р тутно-цинковые аккумуляторы.

Среди щелочных первичных элементов с цинковым анодом ртутно-цинковые элементы (РЦЭ) в некотором роде противоположны медно-цинковым. Они выпускаются в виде герметичных эле­ментов малой емкости - от 0,05 до 15 А·ч. В них используется ограниченный объем электролита [около 1 мл/(А·ч)], находя­щегося в пористой матрице; вследствие этого цинковый элек­трод работает только на вторичном процессе.

Современные РЦЭ были разработаны С. Рубеном в США в начале 40-х годов нашего века. Благо­даря высокой эффективности предложенной им конструкции «пуговичных» (дисковых) элементов широкое производство таких элементов было налажено в США еще в годы второй мировой войны, а в, других странах—после войны.

Теория.

Основу РЦЭ составля­ет электрохимическая система Zn|KOH|HgO. Конечным продуктов раз­ряда является оксид цинка. Разряд оксида ртути описывается реакцией

HgO+Н₂ 0+2е^- ®Hg+2ОН^- .

В начале разряда на потенциальной кривой Е₊ -τ наблюдается кратковременный спад потенциала, что вы­звано кристаллизационной поляризацией при образова­нии первых микро капель ртути. В дальнейшем катодный потенциал сохраняет стабильность почти до конца разря­да, поскольку поляризация мала, а омические потери напряжения в активной массе по мере перехода оксида ртути в металлическую ртуть снижаются.

Сохранность заряда элемента определяется самораз­рядом цинкового электрода, причем лимитирующей является катодная реакция восстановления воды до водорода.

Элемент должен со­хранять герметичность в течение нескольких лет, поэтому скорость саморазряда должна быть настолько малой, чтобы не создавалось избыточное давление, способное разгерметизировать элемент. Для снижения скорости са­моразряда цинкового анода принимают следующие меры: используют особо чистый цинк; с целью резкого повыше­ния водородного перенапряжения цинк обильно амальгамируют; подавляют выделение водорода на по­верхности других металлов, контактирующих с цинковым анодом; в качестве электролита используют раствор КОН высокой концентрации, который предварительно насыщают цинкатом калия; структуру активной массы отрицательного электрода создают достаточно грубодисперсной, для этого применяют цинковые опилки или цин­ковый порошок крупных фракций.

Устройство дискового элемента.

Рис.1. Устройство ртутно-цинкового элемента: 1 - крышка (отрицательный полюс); 2 - цинковый электрод; 3 - резиновое уплотнительное кольцо; 4 - бумага, пропитанная электролитом; 5 - ртутний электрод; 6 - корпус (положительный полюс).

Положительный электрод представляет собой активную массу 5, впрессованную в стальной корпус 6. Активная масса состоит из тонкокрис­таллического красного оксида ртути, в который добавлены графит и дубитель БНФ. Ма­лозольный мелкомолотый гра­фит повышенной чистоты слу­жит токопроводящей добав­кой. Диспергатор дубитель БНФ как органическое поверхностно-активное вещество адсорбируется на ртути, препятствуя образованию крупных капель металла. В результате диспергированная ртуть равномерно рас­пределяется в объеме электрода, повышая его электри­ческую проводимость и обеспечивая высокий коэффици­ент использования. Кроме того, крупные капли ртути, попав в межэлектродное пространство, способны вызвать короткое замыкание и вывести элемент из строя.

Корпус, в который впрессована активная оксидно-ртутная масса, служит одновременно каркасом электрода и положительным токоотводом. Он отштампован из сталь­ной ленты толщиной 0.3—0.4 мм и защищен от коррозии электролитическим никелем.

Отрицательным электродом является стальная крыш­ка 1, в которую запрессована активная масса 2—цинко­вые опилки, благодаря чему электрод обладает необхо­димой прочностью. Для борьбы с саморазрядом цинк амальгамируют, содержание ртути в активной массе до­стигает 10%. Как и корпус, крышка кроме своего пря­мого назначения выполняет функции каркаса электрода и токоотвода. Важную роль играет компактное и доста­точно толстое (около 20 мкм) оловянное покрытие, ко­торое служит для защиты стальной поверхности крышки от коррозии, и препятствует саморазряду цинка, поскольку перенапряжение выделения водорода на железе гораздо ниже, чем на амальгамированном олове.

Не смотря на то, что оксид ртути значительно дороже чем цинка, оксиднортутная активная масса берется в избытке, и по этому емкость элемента лимитируется цинковым электродом. Если бы емкость ограничивалось положительным электродом, то вслед за зарядом HgO на никелированной поверхности корпуса начался бы процесс разрядки молекул воды с образованием водорода. Вероятность разрушения элемента и вытекания ртути при этом весьма велика.

В РЦ элементах в качестве электролита используют раствор КОН высокой степени чистоты, в который предварительно вводят оксид цинка для образования цинката калия. Иногда в раствор добавляют диоксид кремния, что замедляет старение электролита, препятствует преждевременному распадению тетрагидроксоцинката. Электролит пропитывает электродные активные массы и сепаратор-диафрагму. Диафрагма 9 состоит из 2-4 слоев щелочестойкой хлопковой бумаги, обладающей высокой пористостью и гидрофильностью, впитывающей до восьмикратного объема электролита, плотно заполняя все межэлектродное пространство.

Герметизация элемента осуществляется с помощью резинового или пластмассового кольца 3, которое является одновременно и изолятором между электродами. Давление водорода из-за малого самозаряда повышается медленно, однако и оно способно со временем разгерметировать элемент. При завальцовке корпуса обеспечивают такое сжатие резины, чтобы исключить вытекание электролита и в то же время дать возможность водороду медленно диффундировать в атмосферу.

Ртутно-цинковые элементы используют не только индивидуально, но и в составе батарей. Для этого их комплектуют в секции по 2-10 шт., соединяя последовательно с помощью никелевой ленты. Корпусом секции служит трубка из многослойной полимерной пленки.

Характеристики.

Габариты, масса и емкость наиболее распространенных РЦ элементов согласно ГОСТ 12537-76 представлены в табл.1.

Таблица 1

Номинальная емкость РЦ элементов равна емкости при I₁₀₀ мА и 20ºС или (разрядное напряжения в 1,0 В). При 50ºС емкость близка к максимально допустимой и коэффициент использования цинка достигает 100%, при 20ºС – к 90% и при 0ºС – к 30%. В конце двух-, трехгодичного срока хранения емкость должна быть не ниже 0.9 С_НОМ .

Напряжение разомкнутой цепи РЦ элементов составляет 1,35 В при 25⁰ С и при снижении температуры уменьшается незначительно.

Типичные разрядные кривые ртутно-цинковых элементов представлены на рис.2. Элементы отличаются хорошей стабильностью напряжения в течении большей части разряда , что для ряда областей применения является существенным фактором. Разряд ведется до конечного напряжения 0,9-1,1 В (в зависимости от тока); дальше напряжение резко падает. В элементах используются сравнительно толстые электроды с большой емкостью на единицу поверхности. Поэтому заметное снижение емкости начинается уже при разряде токами, соответствующими j_p >0.02(при плотностях тока больше 100А/м²⁾ . В связи с этим элементы предназначены для разряда в основном малыми и средними токами(j_p =<0,01) . Нормированные внутренние сопротивления в зависимости от конструкции колеблется от 1 до 8 Ом^. А^. ч.

При пониженных температурах работоспособность элементов ухудшается. При 0⁰ С снижение емкости начинается при j_p =0,005, и внутреннее сопротивление по сравнению с сопротивлением при комнатной температуре возрастает в 2-3 раза. При температуре -20⁰ C иj_p =0,002 элементы обладают только около 20% номинальной емкости.

Основным достоинством ртутно-цинковых элементов является их малогабаритность. Удельная энергия на единицу массы не очень велика-100-120Вт^. ч/кг. Hо благодаря высокой средней плотности, удельная энергия на единицу объема выше, чем у любых других источников тока с водным электролитом, и составляет 400-500 кВт^. ч/м³ (все цифры относятся к j_p =<0,02). Поэтому они применяются прежде всего в малогабаритных устройствах: ручных электрочасах, карманных электронных калькуляторах и.т.д.

Другим достоинством является хорошая сохраняемость: при хранении в течении 3-5 лет потери емкости составляют 5-15%. Допускается хранение при высоких температурах, например 3 месяца при температуре 50⁰ С и кратковременно даже при температуре 70⁰ С,

Основными недостатками ртутно-цинковых элементов являются их высокая стоимость и дефицитность ртутного сырья.

Рис.2. Разрядные кривые элемента РЦ53 при комнатной температуре.

Типичные разрядные характеристики на примере дискового элемента РЦ73 показаны на рис.3 (кривые 1-3).

Рис.3. Разрядные характеристики дискового элемента РЦ73 при температуре 50⁰ С(1), 20⁰ С(2) и 0⁰ С(3-5): разряд током: 1,2,3 - 0,01 С_ном ; 4 – 0,02 С_ном ; 5 – 0,04 С_ном .

Большинство РЦ элементов рассчитано на эксплуа­тацию в температурном интервале от 0 до 50°С при токах разряда менее I₁₀ . перегрев элемента при повышенных как токовой нагрузке, так и окружающей температуре, опасен из-за риска разгерметизации. Некоторые элементы разработаны для экстремальных температурных условий. Так, элемент РЦ82 выдерживает перегрев до +70⁰ С, элемент РЦ85 работоспособен при температуре от-30 до +50⁰ С.

Ртутно-цинковые элементы отличаются высокой ме­ханической прочностью, они устойчивы к вибрации, уда­рам, центробежному ускорению. Они также работоспо­собны в условиях как повышенного давления (до 10⁶ Па), так и глубокого вакуума (около 10^-4 Па), для них неопасна 98% влажность. Удельная энергия лучших образцов достигает 110 Вт·ч/кг, или около 400 Вт·ч/л; срок службы 3¸5 лет при саморазряде за три года не выше 10% (20°С). Недостатками элемен­тов являются их низкая технологичность, а также вы­сокая стоимость, обусловленная применением дорого­стоящей и дефицитной ртути и ее оксида. Производство РЦ элементов, связанное с применением токсичных ве­ществ, требует специальных мер по технике безопасно­сти.

Перезаряжаемые элементы.

Ртутно-цинковые источники тока могут быть изготовлены и в перезаряжаемом (аккумуляторном) варианте. Однако при этом встречаются значительные трудности из-за того, что образующаяся при заряде металлическая ртуть сливается в большие капли, которые потом трудно окислить при заряде. Для предотвращения этого эффекта в массу положительного электрода вместо графита добавляют тонкий серебряный порошок. При разряде элемента, по мере образования металлической ртути, серебро амальгамируется. Удельная энергия перезаряжаемых ртутно-цинковых элементов в 4-5 раз меньше, чем удельная энергия первичных элементов; она так же уступает удельной энергии малогабаритных перезаряжаемых серебряно-цинковых элементов.

Технические характеристики.

Таблица 2

Первичные химические источники тока, разработанные для изделий спецтехники.

Таблица 3

Ртутно-цинковые элементы и батареи.

Таблица 5

Список используемой литературы:

1. Багоцкий В.С., Скундин А.М. - «Химические источники тока».

2. Варыпаев В.Н. и др. – «Химические источники тока».

3. Деордиев С.С. – «Аккумуляторы и уход за ними».