Источники тока с цинковым анодом.

Марганцево-цинковые элементы

«+»: относительная дешевизна; удобство в эксплуатации; приемлемая сохраняемость; приемлемые электрические характеристики.

«-»: падение рабочего напряжения по отношению к напряжению разомкнутой цепи (НРЦ), что связано с природой MnO₂-катода и проявляется во всех системах, содержащих MnO₂.

Токообразующая реакция этой системы: Zn + 2MnO₂ + 2H₂O = 2MnOOH + Zn(OH)₂

Е ≈ 1.7 В, НРЦ ≈ 1.55 – 1.85 В.

Для одноэлектронного восстановления MnO₂ теоретическая удельная емкость 308 А×ч/кг. Существует несколько модификаций MnO₂: a, b, g, d, e, h, l. В элементах Zn-MnO₂ используются пиролюзит (природная руда, b-MnO₂), гамма-активированный пиролюзит (ГАП, g-MnO₂), электролитический диоксид марганца (ЭДМ, g-MnO₂, полученный электролизом раствора MnSO₄) и химический диоксид марганца (ХДМ, h-MnO₂, полученный разложением KMnO₄). Качество материала возрастает в этом ряду.

Система Zn ½ NH₄Cl, ZnCl₂ ½ MnO₂ (элемент Лекланше)

Элементы Лекланше (солевые батарейки) являются основным типом первичных ХИТ уже более 100 лет.

«+»: относительная дешевизна.

«-»: резкое снижение напряжения при разряде; резкое ухудшение параметров при отрицательной температуре и при увеличении токовой нагрузки; не выдерживают импульсных режимов разряда.

Конструкция. Конструктивно Zn-MnO₂ чаще всего выпускаются в двух вариантах: «цилиндрическом» и «дисковом».

Система Zn ½ KOH ½ MnO₂

Удельные характеристики ~ в 1.5 раза выше (80 – 125 Вт×ч/кг и 180 – 330 Вт×ч/л), чем солевых.

«+»: нет такого сильного падения емкости с током разряда и с температурой; сохранность заряда лучше, чем у элементов Лакланше; щелочные элементы допускают повторный заряд после неглубокого разряда (не более ¹/₄ номинальной емкости).

Система Zn ½ NaOH ½ CuO

Выпускаются уже более 100 лет. Токообразующая реакция в медно-цинковых элементах имеет вид: Zn + CuO + 2NaOH = Na₂ZnO₂ + Cu + H₂O. ЭДС = 1.058 В, НРЦ = 0.9 – 1.0 В, удельная энергия 35 – 40 Вт×ч/л или 25 – 30 Вт×ч/кг.

Медно-цинковые элементы выпускаются в виде элементов большой емкости (до 1000 А×ч) для систем железнодорожной сигнализации, связи и т.д. Имеют баночную конструкцию: электроды погружены в большой объем щелочи.

«+»: безотказность при длительной работе; стабильность напряжения; дешевизна. Саморазряд их ничтожен и они могут работать 10 – 15 лет при температурах до –10⁰С.

Система Zn ½ KOH ½ HgO

Токообразующая реакция: Zn + HgO = ZnO + Hg

«+»: 100% использование активных веществ; малогабаритность; очень высокая стабильность НРЦ; довольно высокая удельная энергия (100 – 120 Вт×ч/кг); самая высокая среди традиционных ХИТ объемная удельная энергия (400 – 500 Вт×ч/л); точно равное ЭДС = 1.352 ± 0.002 В, которое почти не зависит от степени разряженности и от температуры. Поэтому эти элементы применяются также как эталоны напряжения.

«-»: высокая стоимость и токсичность ртутного сырья.

Система Zn ½ KOH ½ AgO (Ag₂O)

Серебряно-цинковые (СЦ) источники тока являются аккумуляторами, т.е. перезаряжаемыми. Получили распространение в основном в специальных областях: в авиации, ракетной и космической технике и др. Причина – высокая стоимость.

Система Pb ½ H₂SO₄ ½ PbO₂ (свинцовый аккумулятор)

Свинцовый аккумулятор (СА) является наиболее распространенным в настоящее время вторичным ХИТ. Широкое распространение этих аккумуляторов обусловлено их относительной дешевизной и довольно хорошими показателями в работе. Они обладают высоким и стабильным напряжением, мало меняющимся с температурой и с токами нагрузки.

Токообразующая реакция: PbO₂ + Pb + H₂SO₄ «2 PbSO₄ + 2H₂O. НРЦ = ЭДС = 2.047 В при 25⁰С.

«-»: емкость довольно сильно зависит от тока (изменение емкости весьма заметно даже при j = 0.05 – 0.2 C); емкость довольно сильно зависит от температуры (при большой плотности тока эта зависимость еще более резкая).

Удельная энергия невелика: 10 – 40 Вт×ч/кг или 50 – 90 Вт×ч/л (для различных типов).

Никель-металлгидридный аккумулятор

MH ½ KOH½ NiOOH

Токообразующая полуреакцая: 1/2Н₂ + NiOOH ↔ Ni(OH)₂

Такие аккумуляторы надежно эксплуатируются в космической технике. Однако использовать их в бытовой электроаппаратуре, конечно, затруднительно.

«+»: способность выдерживать высокие скорости разряда (отсюда возможность достижения высокой мощности – до 400 Вт/кг); большой ресурс (типично 400 – 1500 циклов при 100%-ной глубине циклирования), срок службы – 5 лет; способность МН-электрода к быстрому заряду (1-1.5 часа); отсутствие токсичных материалов.

«-»: высокая цена; температурный диапазон не такой широкий, как у никель-кадмиевых ХИТ;

ПЕРВИЧНЫЕ ЛИТИЕВЫЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА

Система литий-вода

Электрохимическая система: (–) Li│LiOH │ H₂O (Me) (+), Me – инертный катод, не участвующий в токообразующей реакции.

Токообраующая реакция: Li + Н₂О → Li⁺ + ОН^- + 0.5 Н₂↑, Е^о = +2.22 В.

Система Li│LiBr│SO₂

Токообразующая реакция: Li + SO₂ → ½ Li₂S₂O₄↓, НРЦ = 2.95 В.

«+»: высокие значения удельных параметров (это общее свойство всех ЛИТ): 300 – 350 Вт·ч/кг и 500 – 550 Вт·ч/л; очень широкий температурным интервал работоспособности: от –60°С до +70°С; сохраняемость ХИТ Li│SO₂ более 10 лет.

«-»: гальванические элементы Li│SO₂ не выдерживают большой плотности разрядного тока; работа при повышенном внутреннем давлении потенциально опасна разгерметизацией ХИТ; небольшой начальный «провал напряжения».

Система Li│LiAlCl₄│SOCl₂

Токобразующая реакция: 4Li + 2SOCl₂ → 4LiCl↓ + S↓ + SO₂↑, ЭДС = НРЦ=3.67 В. Температурный интервал работоспособности от –70°С до +70°С, ЛИТ выдерживает кратковременное повышение до +100°С. Сохраняемость элементов в залитом состоянии 5 лет и более.

«-»: потенциальная опасность при эксплуатации, возможность взрыва и возгорания (полностью безопасные ЛИТ с SOСl₂ пока не созданы); выраженный начальный «провал напряжения» после длительного хранения (особенно после высокотемпературного хранения).

ЛИТИЕВЫЕ СИСТЕМЫ С ТВЕРДЫМ КАТОДОМ

Система Li│MnO₂

Электрохимическая система: (–) Li│ LiClO₄, ПК + ДМЭ │MnO₂ (+)

«+»: система Li│MnO₂ имеет достаточно высокие удельные характеристики при относительно низкой цене. Удельная энергия 200 – 250 Вт·ч/кг или 450 – 550 Вт·ч/л.

«-»: малая удельная мощность, обусловленная слабыми разрядными токами (менее 1 мА/см²); ограниченный (по сравнению с другими ЛИТ) температурный интервал работоспособности: от –20°С до +50°С.

Система Li│CuO

Токообразующая реакция: 2Li + CuO → Li₂O + Cu, НРЦ = 2.4 В.

Элементы имеют высокую (хотя и вдвое меньшую, чем у Li│SOCl₂) удельную энергию 300 Вт·ч/кг и 600 Вт·ч/л, разрядное напряжение 1.5 В, что делает их взаимозаменяемыми с традиционными элементами Лекланше. Рассчитаны на длительный разряд малыми токами (больших токов не выдерживают). Обладают чрезвычайно высокой сохранностью энергии (потери менее 2 % за 15 лет хранения).

Система Li│LiJ│J₂

НРЦ = 2.8 В, удельная энергия достигает 700 – 1000 Вт·ч/л. В слаботочном режиме система литий | йод может работать годами. Основное применение – питание имплантируемых кардиостимуляторов и нейростимуляторов. Как и у других ЛИТ – высокая надежность, сохранность более 10 лет.

Топливные элементы

Топливный элемент (ТЭ) - устройство для прямого преобразования химической энергии топлива в электричество. ТЭ является химическим источником тока, причем первичным источником тока. В ТЭ электроды являются нерасходуемыми (и неизменяемыми при работе), а реагенты хранятся вне элемента и подаются в него в процессе работы.

Пример: работа кислородно-водородного ТЭ со щелочным электролитом:

(-) Н₂ (металлический электрод) | КОН |О₂, (металлический электрод) (+)

Токообразующая реакция: Н₂ + 0.5 О₂ → Н₂О, Е = 1.24 В.

На аноде происходить электрохимическое окисление Н₂: Н₂ + 2ОН^- → 2Н₂О+2е

На катоде – электрохимическое восстановление кислорода: 0.5О₂ + Н₂О^- +2е→ 2ОН^-

Для того, чтобы токообразующая реакция на электродах шла с приемлемой скоростью, применяют катализаторы, содержащие драгоценные металлы (Pt, Pd, Au, Ag). По этой же причине большинство разработанных систем рассчитано на работу при повышенной (или просто высокой) температуре. Агрессивная среда, жесткие условия эксплуатации приводят к довольно быстрому выходу ТЭ из строя, поэтому цена энергии получается высокой.

Примеры:

1) Кислородно-водородный ТЭ. Работает при 100°С. Ресурс – 10000 часов.

Н₂, Ni-сетка, | КОН (30% масс.) | Ni-сетка, О₂

Pt-Au – катализатор Pt-Pd – катализатор

Рабочее напряжение U = 0.95 В, плотность тока I = 0.1 – 0.3 А/см², удельная мощность P _уд = 500 Вт/л.

2) Кислородно-водородный ТЭ. Работает при 200°С. Ресурс – 50000 часов.

Н₂, уголь | Н₃РО₄ (98% масс.), | уголь, О₂

Pt – катализатор Pt – катализатор

Рабочее напряжение U = 0.7 В, плотность тока I = 0.25 А/см².

3) Топливом являются продукты конверсии угля (СО + Н₂), а электролитом – расплавленная эвтектическая смесь карбонатов лития и натрия. Работает при 650°С. Ресурс – 10000 часов.

Н₂+СО, LiNiO₂ | Li₂CO₃ + Na₂CO₃ (расплав), | Ni пористый, воздух (О₂ + СО₂)

Рабочее напряжение U = 0.7 В, плотность тока I = 0.16 А/см².

Токообразующая реакция: Н₂ + СО + О₂ → Н₂О + СО₂

4) Борогидридный ТЭ. Топливом является щелочной раствор борогидрида натрия или калия. Работает при комнатной температуре. Ресурс – тысячи часов.

NaBH₄, NaOH, H₂O, уголь | КОН (30% масс.) | уголь, воздух

Pt– катализатор Pt-Pd – катализатор

Рабочее напряжение U = 0.7 В, плотность тока I = 0.1 А/см².

Термообразующая реакция: BН₄^- + 2О₂ → BO₂^- + 2Н₂О

 

Диэлектрик

Диэлектрик (изолятор) — вещество, практически не проводящее электрический ток. Концентрация свободных носителей заряда в диэлектрике не превышает 10⁸ см⁻³. Основное свойство диэлектрика состоит в способности поляризоваться во внешнем электрическом поле. С точки зрения зонной теории твёрдого тела диэлектрик — вещество с шириной запрещённой зоны больше 3 эВ.

Физические свойства

Условно к проводникам относят материалы с удельным электрическим сопротивлением ρ < 10⁻⁵ Ом·м, а к диэлектрикам — материалы, у которых ρ > 10⁸ Ом·м. При этом надо заметить, что удельное сопротивление хороших проводников может составлять всего 10⁻⁸ Ом·м, а у лучших диэлектриков превосходить 10¹⁶ Ом·м. Удельное сопротивление полупроводников в зависимости от строения и состава материалов, а также от условий их эксплуатации может изменяться в пределах 10⁻⁵—10⁸ Ом·м. Хорошими проводниками электрического тока являются металлы. Из 105 химических элементов лишь двадцать пять являются неметаллами, причём двенадцать элементов могут проявлять полупроводниковые свойства. Но кроме элементарных веществ существуют тысячи химических соединений, сплавов или композиций со свойствами проводников, полупроводников или диэлектриков. Чёткую границу между значениями удельного сопротивления различных классов материалов провести достаточно сложно. Например, многие полупроводники при низких температурах ведут себя подобно диэлектрикам. В то же время диэлектрики при сильном нагревании могут проявлять свойства полупроводников. Качественное различие состоит в том, что для металлов проводящее состояние является основным, а для полупроводников и диэлектриков — возбуждённым.

Развитие радиотехники потребовало создания материалов, в которых специфические высокочастотные свойства сочетаются с необходимыми физико-механическими параметрами. Такие материалы называют высокочастотными. Для понимания электрических, магнитных и механических свойств материалов, а также причин старения нужны знания их химического и фазового состава, атомной структуры и структурных дефектов.

Параметры

Физическим параметром, который характеризует диэлектрик, является диэлектрическая проницаемость.

Примеры

К диэлектрикам относятся воздух и другие газы, стёкла, различные смолы, пластмассы, многие виды резины.

Ряд диэлектриков проявляют интересные физические свойства. К ним относятся электреты, пьезоэлектрики,пироэлектрики, сегнетоэластики, сегнетоэлектрики, релаксоры и сегнетомагнетики.

Использование

При применении диэлектриков — одного из наиболее обширных классов электротехнических материалов — довольно четко определилась необходимость использования как пассивных, так и активных свойств этих материалов.

Диэлектрики используются не только как изоляционные материалы.