Серебряно-цинковые аккумуляторы

Серебряно-цинковые (СЦ) аккумуляторы представляют собой ва­риант щелочного аккумулятора с отрицательным цинковым электродом и положительным - серебряным. Электролитом служит раствор химически чистого едкого кали концен­трации около 560 г/л (плотность электролита около 1.4).

Токообразующая реакция может быть представлена следующими уравнениями:

2Ag + Zn О ^заряд _разряд Ag₂ O +Zn

Ag ₂O +Zn ^заряд _разряд Ag + Zn О.

При заряде аккумулятора на положительных электродах происхо­дит окисление металлического серебра Ag сначала до полуокиси Ag₂O, а потом - до окиси Ag0 , на отрицательных - восстановление окиси цинка (Zn0) до металлического цинка (Zn).

Наличие двух стадий химической реакции обуславливает две сту­пени заряда и разряда СЦ аккумуляторов (см. рис. 1.3-1.4).

. Помимо основных реакций, при работе и хранении СЦ аккумуля­торов возможно протекание ряда побочных реакций.

Одна из побочных реакций - саморастворение металлического цинка (коррозия), сопровождающееся выделением газообразного водорода. При температуре 20°С выделяется 0,3-0,4 мл водорода в сутки с одного ампер-часа емкости аккумулятора, при температуре 0°С -0,13 мл, при температуре 40°С - 2 мл.

Условное обозначение серебряно-цинковых аккумуляторов состоит из букв СЦ, определяющих их принадлежность, буквы, характеризую­щей конструктивную разновидность и времени разряда:

К - короткий (от 15-минутного до 1-часового);

С - средний (от 1-часового до 10-часового);

Д - длительный (от 10-часового и более);

К - средний, многоцикловой;

Б - буферный, многоцикловой,

и числа, условно показывающего емкость аккумулятора. Через дробную черту к условному обозначению аккумулятора указывается четырех­значный или пятизначный номер технологического варианта исполне­ния.

Например: СЦБ 70 /2С242,

где: СЦБ70 обозначает серебряно-цинковый аккумулятор с буферным режимом разряда, размера 70 а-часов;

2 — вариант изготовления" массы отрицательного электрода;

С - номер сборки без крепления пакета электродов;

2 - аккумулятор заливается электролитом Эщ-18;

4-4 слоя сепарации;

2. - вариант изготовления массы положительного электрода.

Соединенные последовательно аккумуляторы со­ставляют батареи, которые образуют блок питания.

Основные технико-эксплуатационные характеристики:

Удельная энергия - <=130 Вт-ч/кг.

Ресурс - до 200 зарядно-разрядных циклов.

Срок службы - до 2-х лет.

Диапазон рабочих температур - от 0 до 40 С.

В чем причина установки серебряно-цинковых аккумуляторов на борт космических аппаратов?

1. Аккумулятор самый легкий из всех существующих. Удельная энергия СЦ до 130 Вт-ч/кг, а у свинцового всего - 22. Это объясняется тем, что у СЦ аккумуляторов используются пористые электроды, в которых работает вся масса электрода, а свинцовых сплошные.

2. Как видно из уравнения химической реакции в СЦ аккумуляторе реакция происходит без выделения и поглащения газов, что позволяет делать аккумуляторы герметизированными.

3. В процессе работы аккумулятора не расходуется электролит, что позволяет использовать небольшие количества электролита, который находится в пластинах электродов и сепараторе. Отсутствие «свободного» электролита позволяет использовать аккумулятор в любом пространственном положениии.

К недостаткам аккумулятора можно отнести:

1. Малый срок службы,

2. Двухступенчатость зарядно-разрядных характеристик, что усложняет и удорожает зарядное устройство, и неудобно для потребителей электроэнергии.

3. Высокая стоимость аккумулятора (серебро).

2. Конструкция серебряно-цинковых аккумуляторов

2.1. Положительный электрод серебряно-цинкового аккумулятора изготавливается из серебра. Характерной особенностью серебра яв­ляется легкость его восстановления до металла из соединений. Бла­годаря этому и хорошей электропроводности на основе его соедине­ний можно конструировать разные химические источники тока.

2.2. Положительные электроды аккумуляторов обычно изготавливаются из порошка серебра, который прессуется на каркас из серебряной проволоки, отрицательный электрод изготавливается из цинка. В серебряно-цинковых аккумуляторах используется нерастворимый отрицательный электрод. В этом электроде, благодаря применению высокопористого цинкового электрода и малого количества электролита, который в основном находится в порах электрода и сепараторного материала, обеспечиваются значительно лучшие условия для работы цинкового электрода.

Так как количество растворенного в электролите цинка невели­ко, осаждение его в виде дендритов происходит гораздо медленнее, что позволяет значительно увеличить срок службы аккумулятора.

В отечественных аккумуляторах отрицательные электроды изго­тавливаются так называемым намазным способом - паста из порошка цинка намазывается на каркас из освинцованной медной проволоки, затем осуществляется подпрессовка и прокалка.

2.3. Для современных серебряно-цинковых аккумуляторов элек­тролит изготавливается из частого едкого кали, плотность щелочного электролита равна 1,4.

Практически электролит в аккумуляторе не расходуется, по­этому oбщее количество его обычно невелико - в порах активных масс и сепарации. При неплотно закрытых пробках он начинает поглощать углекислый газ из воздуха, что ведет к увеличению внутреннего сопротивления аккумулятора. С ростом числа разрядно-зарядных циклов уровень электролита начинает понижаться за счет разложения воды в конце заряда.

2.4. В ходе разработки серебряно-цинковых аккумуляторов одной из основных проблем явилась проблема сепарации, при маломэлектрическом сопротивлении и хорошей химической стойкости в щелочи, сепарация должна препятствовать продвижению через нее час­тиц серебра и дендритов цинка.

В настоящее время в серебряно-цинковых аккумуляторах полу­чила применение сепарация из целлюлозы, в которую «одевается» отрицательный электрод (рис.1.2). Эта сепарация не имеет сквозных пор, через которые электролит мог он свободно диффундировать от одного элек­трода к другому.

Целлофановая сепарация после помещения ее в раствор щелочи впитывает в себя электролит, набухает и увеличивает свою толщину в 2-5 раза. Перенос ионов через такую сепарацию происходит прину­дительно (под влиянием электрического поля, возникающего в рабо­тающем аккумуляторе).

Целлофановая пленка довольно легко подвергается окислению окислами серебра и кислородом, выделяющимся на серебряном элек­троде при перезаряде (заряд свыше Qн) аккумулятора. Для предотвращения этого на положительный электрод одевается дополнительная сепарация из капроновой ткани – «капроновый чулок» (рис. 1.2).

Сборка аккумуляторных блоков в сосуде производится с таким расчетом, что набухающая сепарация создает достаточное давление, препятствующее сползанию активной массы отрицательного электрода.

Следует отметить, что целлофановая пленка не отвечает в пол­ной мере требованиям, предъявляемым к сепарации серебряно-цинко­вых аккумуляторов. При определенных условиях дендриты цинка могут прорастать через целлофан за счет восстановления цинка в толще сепарации, замыкая пластины аккумулятора - основная причина малого срока аккумулятора.

Постепенное химическое разрушение сепаратной пленки за счет окисления является другой причиной, ограничивающей в настоящее время срок службы серебряно-цинковых аккумуляторов.

2.5. Сосуды для аккумуляторов (рис.1.1,поз.I), в которых размещают­ся пакеты электродов, и крышки (рис.1.1,поз.2) изготавливаются из полистирола или полиамида методом штамповки или литья под давлением. 2.6. В аккумуляторе имеются в крышке отверстие для заливки электролита и вентиляции, заливочное отверстие закрывается газоотводной пробкой (см. рис.1.1, поз. 4). В пробке предусматривается отверстие с клапаном для выпуска скопившихся газов. Пробки водонепроницаемы и открываются только при определенном

Рис.1.1. Внешний вид аккумулятора

избыточном дав­лении внутри аккумуляторного сосуда.

2.7. Сборка аккумуляторного блока (рис.1.2) производится следующим образом: две отрицательные пластины 1 заворачиваются в цел­лофановую пленку 2, а за­тем сгибаются по линии а-б. Между ними помещается положительный электрод, на который надет капроновый мешок.

2.6. Основные рабо­чие характеристики серебряно-цинкового аккумуля­тора:

а) приведение в дей­ствие. Для этого необходи­мо выполнить три операции:

заливку и пропитку его элек­тролитом, формирование электродов, рабочий заряд. Процесс формирования электродов серебряно-цинковых аккумуляторов сложен и занимает длительное время ~ от 70 до 100 часов, поэтому в последние годы разработаны и выпус­каются сухозаряженные аккумуляторы, способные работать непосредст­венно после заливки электролитом и пропитки им сепарации и элек­тродов;

б) заряд (заряжаются аккумуляторы номинальным током. Для всех серебряно-цинковых аккумуляторов им является ток 10-20 часо­вого заряда).