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.







	Ртутно-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+Н20+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

Обозначение элемента

Размеры, мм

Масса, г

Номинальная   емкость, А.ч



диаметр

высота





РЦ53

РЦ55

РЦ63

РЦ65

РЦ73

РЦ75

РЦ83

РЦ85

15,6

15,6

21,0

21,0

25,0

25,5

30,1

30,1

6,3

12,5

7,4

13,0

8,4

13,5

9,4

14,0

4,6

9,5

11,0

18,1

17,2

27,3

28,2

39,5

0,3

0,55

0,65

1,1

1,1

1,8

1,8

2,8



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 СНОМ. 

Напряжение разомкнутой цепи РЦ элементов составляет 1,35 В при 250С 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 jp>0.02(при плотностях тока больше  100А/м2). В связи с этим элементы предназначены для разряда  в основном малыми и средними токами(jp=<0,01) . Нормированные внутренние сопротивления в зависимости от конструкции колеблется от 1 до 8 Ом.А.ч.

При пониженных температурах  работоспособность элементов ухудшается. При 00С снижение емкости начинается при jp=0,005, и внутреннее сопротивление по сравнению с сопротивлением при комнатной температуре возрастает в 2-3 раза. При температуре -200C иjp=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 jp=<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 500С и кратковременно даже при температуре 700С,

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 500С(1), 200С(2) и 00С(3-5): разряд током: 1,2,3 - 0,01 Сном; 4 – 0,02 Сном; 5 – 0,04 Сном.





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 +700С, элемент РЦ85 работоспособен при температуре от-30 до +500С.

 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 35 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

Наименование

Размеры (мм)

Масса (кг)

Напряжение (В)

Емкость (Ач)

Срок хранения (мес)

RTS-15

РЦ-15

6.3х6.0

0.085

1.25

0.033

24

RTS-17

РЦ-17

5.5х24.5

0.0024

1.25

0.1

31

RTS-32

РЦ-32

10.9х3.6

0.0014

1.25

0.1

9

RTS-53

РЦ-53

15.6х6.3

0.0046

1.25

0.3

18

RTS-53U

РЦ-53У

15.6х6.3

0.0046

1.25

0.175

60

RTS-55

РЦ-55

15.6х12.5

0.0095

1.22

0.55

36

RTS-57

РЦ-57

16.6х17.8

0.017

1.25

1

18

RTS-63

РЦ-63

21.0х7.4

0.011

1.25

0.65

24

RTS-65

РЦ-65

21.0х13.0

0.018

1.22

1.1

36

RTS-73

РЦ-73

25.5х8.4

0.017

1.25

1.1

24

RTS-75

РЦ-75

25.5х13.5

0.027

1.22

1.8

36

RTS-82

РЦ-82

30.1х9.4

0.03

1.25

1.5

24

RTS-83

РЦ-83

30.1x9.4

0.028

1.25

1.8

24

RTS-83H

РЦ-83Х

30.1x9.4

0.0253

1.25

1.5

18

RTS-85

РЦ-85

30.1x14.0

0.039

1.22

2.8

36

RTS-93

РЦ-93

30.6х60.8

0.17

1.25

13.6

36

RTS-93S

РЦ-93С

30.6х60.8

0.17

1.25

13.6

63

2RTS53-10RTS53

2РЦ53-10РЦ53

15.6Н16-72

0.01-0.05

2.5-12.5

0.25

15

2RTS55-10RTS55

2РЦ55-10РЦ55

16.2Н28-132

0.02-0.098

2.44-12.2

0.5

24

2RTS63-10RTS63

2РЦ63-10РЦ63

21.6Н18-81

0.02-0.113

2.5-12.5

0.55

18

2RTS65-10RTS65

2РЦ65-10РЦ65

21.0Н29-137

0.037-0.183

2.44-12.2

1

24

2RTS73-10RTS73

2РЦ73-10РЦ73

26.1Н20-91

0.036-0.176

2.5-12.5

1

18

2RTS75-10RTS75

2РЦ75-10РЦ75

26.1Н30-142

0.056-0.28

2.44-12.2

1.5

24

2RTS83-10RTS83

2РЦ83-10РЦ83

30.7Н22-101

0.057-0.285

2.5-12.5

1.5

18

2RTS85-10RTS85

2РЦ85-10РЦ85

30.7Н31-147

0.084-0.42

2.44-12.2

2.5

24

4RTS57

4РЦ57

18.9х73.0

0.085

5

0.54

12

5RTS53U

5РЦ53У"Мотив"

17.1х41.0

0.042

6.25

0.02

60

7RTS53U

7РЦ53У

17.3х53.5

0.05

8.75

0.1

54

5RTS83H

5РЦ83Х

30.7х52.0

0.142

6.25

1.5

9

6RTS83H

6РЦ83Х

30.7х62.0

0.171

7.5

1.5

9

9RTS83H

9РЦ83Х

30.7х91.0

0.256

11.25

1.5

9

2401

26х6х15

0.007

2.5

0.1

30

2402

26х6х25

0.0125

2.5

0.2

30

2403

26х6х35

0.0177

2.5

0.3

30

3601

6.2х80

0.0106

3.75

0.1

30

3602

26х6х35

0.0177

3.75

0.2

30

BOR

БОР

24.5х53.5

0.075

7.5

0.2

12

PRIBOY-2S

ПРИБОЙ-2С

137.5х80х25.5

0.05

9.4

1.98

30

PRIBOY-2K

ПРИБОЙ-3К

137.5х80х25.5

0.05

9.4

1.98

18

ACTSIYA

АКЦИЯ

24.2х60.0

0.082

7.5

0.2

15

6RTS63

6РЦ63

89.2х24.8х29.6

0.145

7

1

9

6RTS53

6РЦ53

34х18.4х26.5

0.04

7

0.19

9

12RTS63

12РЦ63

71х46х105

0.91

15.5

1.8

9

3RTS93

3РЦ93

30.5х188.0

0.55

3.75

7

20







Первичные химические источники тока, разработанные для изделий спецтехники.

Таблица 3

Тип

Габариты, мм

Емкость, Ач

Номин. напр., В

Ном. ток разряда,

Интервал темп., ° С

Сохраняемость,





h





мА



мес.

РТУТНО-ЦИНКОВЫЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА

РЦ-93С

30,5

60,50

14

1,25

300

0 – +50

60

PЦ-59

16,6

50,60

3

1,25

60

0 – +50

12

PЦ-963

60х30х6

3

1,25

20

-5 – +40

60

PЦ-85

30,1

14

2,60

1,22

50

0 – +50

30

PЦ-83

30,1

9,40

1,50

1,25

50

0 – +50

16

РЦ83Х

30,1

9,4

1,5

1,25

50

-40– +50

36

PЦ-75

25,5

13,50

1,50

1,22

30

0 – +50

30

PЦ 73

25,5

8,40

1

1,25

30

0 – +50

16

PЦ-65

21

13

1

1,22

20

0 – +50

30

PЦ-63

21

7,40

0 55

1,25

20

0 – +50

18

РЦ-71Н

25,2

2,80

0,25

1,25

5

-5 – +40

9

РЦ57

16,5

17,8

0,85

1,25



0– +50

18

РЦ-55С

16 6

12,30

0,5

1,25

10

0 – +50

30

PЦ-53

15,6

6,30

0,25

1,25

10

0 – +50

12

РЦ53У

15,8

6,3

0,175

1,25

10

-30– +50

52

РЦ-33

11,6

5,40

0,15

1,25

5

5 – +50

12

РЦ-31Ф

11,6

3,60

0,1

1,25

5

-5 – +40

9

PЦ-32

10,9

3,60

0 05

1,25

2

0 – +50

9

РЦ 32Х

11,0

3,5

0,05

1,25

2

-40– +50

12

РЦ- 17

5,1

24

0,1

1,25

5

-5 – +40

24

PЦ- 15

6,3

6

0 04

1,25

0,3

0 – +50

6

PЦ- 11

4,7

5

0,02

1,25

0 15

0 – +50

6



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

Таблица 4

Наименование

Габаритные размеры, мм

Масса,

 кг.

Напряжение,

В.

Емкость, Ач.

 ГСХ,  

мес.

РЦ-15

6,3х6

0,0850

1,25

0,033

24

РЦ-17

5,5х24,5

0,0024

1,25

0,100

31

РЦ-32

10,9х3,6

0,0014

1,25

0,100

9

РЦ-53

15,6х6,3

0,0046

1,25

0,300

18

РЦ-53у

15,6х6,3

0,0046

1,25

0,175

60

РЦ-55

15,6х12,5

0,0095

1,22

0,550

36

РЦ-57

16,6х17,8

0,0170

1,25

1,000

18

РЦ-63

21,0х7,4

0,0110

1,25

0,650

24

РЦ-65

21,0х13,0

0,0180

1,22

1,100

36

РЦ-73

25,5х8,4

0,0170

1,25

1,100

24

РЦ-75

25,5х13,5

0,0270

1,22

1,800

36

РЦ-82

30,1х9,4

0,0300

1,25

1,500

24

РЦ-83

30,1х9,4

0,0280

1,25

1,800

24

РЦ-83Х

30,1х9,4

0,0253

1,25

1,500

18

РЦ-85

30,1х14,0

0,0390

1,22

2,800

36

РЦ-93

30,6х60,8

0,1700

1,25

13,600

36

РЦ-93С

30,6х60,8

0,1700

1,25

13,600

63

4РЦ57

18,9х73

0,0850

5,00

0,540

12

5РЦ53У”Мотив”

17,1х41

0,0420

6,25

0,020

60

7РЦ53У

17,3х53,5

0,0500

8,75

0,100

54

5РЦ83Х

30,7х52

0,1420

6,25

1,500

9

6РЦ83Х

30,7х62

0,1710

7,50

1,500

9

9РЦ83Х

30,7х91

0,2560

11,25

1,500

9

БОР

24,5х53,5

0,0750

7,50

0,200

12

ПРИБОЙ-2с 

137,5х80х25,5

0,5000

9,40

1,980

30

ПРИБОЙ-2к

137,5х80х25,5

0,5000

9,40

1,980

18

АКЦИЯ

24,2х60

0,0820

7,50

0,200

15

6РЦ63-2(2-01)

89,2х24,8х29,6

0,1450

7,00

1,000

9

6РЦ53(2-03)

34х18,4х26,5

0,0400

7,00

0,190

9

12РЦ63-6(2-02)

71х46х105

0,9100

15,50

1,800

9

3РЦ93

30,5х188

0,5500

3,75

7,000

20













Ртутно-цинковые элементы и батареи.

Таблица 5

МЭК

ГОСТ, ТУ

Габариты   (D * h), мм

Масса,

г.

Напряжение,

 В

Емкость,

 мА*ч

Элементы

MR6

 

10,5 * 44,5

25

1,35

1700

MR9

РЦ 53

16 * 6,2

4,2...4,6

1,35

250...360

MR19

РЦ 85

30,8 * 17

43

1,35

3000

MR42

РЦ 31

11,6 * 3,6

1.4...1.6

1,35

110

MR52

РЦ 55

16,4 * 11,4

8...9

1,35

450...500

 

РЦ 63

21 * 7,4

11

1,34

700

 

РЦ 65

21 * 13

18,1

1,34

1500

 

РЦ 73

25,5 * 8,4

17,2

1,34

1200

 

РЦ 75

25,5 * 13,5

27,3

1,34

2200

 

РЦ 82

30,1 * 9,4

30

1,34

2000

 

РЦ 83

30,1 * 9,4

28,2

1,34

2000

 

РЦ 93

31 * 60

170

1,34

13000

Батареи

3MR9

3РЦ 53

17 * 21,5

15

4,05

250...360

4MR9

4РЦ 53

17 * 27

20

5,4

360

2MR52

2РЦ 55с

17 * 23

19

2,7

450

3MR52

3РЦ 55с

17 * 35

28

4,05

450

 

4РЦ 55с

16,2 * 53

40

5,4

450

 

5РЦ 55с

16,2 * 66

50

6,7

450

 

6РЦ 63

23 * 48

72

7,2

600



 






















Список используемой литературы:

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

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

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







2