Исследование распределения тока на модели сборного электрода

УДК 537

ИССЛЕДОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТОКА НА МОДЕЛИ СБОРНОГО ЭЛЕКТРОДА

© 2007 г. О.В. Сушко, В.В. Демьян

Применение переменного асимметричного тока позволяет не только ускорить заряд щелочных аккумуляторов, но и улучшить их эксплуатационные характеристики, что согласно литературным данным связано, прежде всего, с действием обратного импульса. Исследование по распределению тока и заряда по глубине активной массы является одним из важнейших в теории пористых электродов. Основные положения этой теории изложены в работах З.А. Иоффе, В.В. Стендера, В.С. Даниель-Бекка и А.Н. Фрумкина.

Одним из подходов к решению задач распределения процесса по глубине пористого электрода (ПЭ) является представление его в виде электрической модели [1]. Этот метод получил широкое распространение для описания работы ПЭ [2]. Наряду с этим используются методы математического моделирования [3]. Однако теоретическое рассмотрение задачи распределения осложняется из-за множества факторов, влияющих на процессы, протекающие в реальных ПЭ химическов источниках тока. Такими факторами служат: непрерывное изменение свойств электрода во времени, а также состав оксидов и их количества; концентрационные изменения в порах электрода; проявление вторичных явлений. Так, благодаря работе гальванопар происходит перераспределение заряда по объему; в порах электрода происходит образование газовых пробок и т. д. Поэтому наряду с перечисленными выше методами исследований пористых электродов широкое распространение получили исследования на физических моделях [4], которые представляют собой сборные пакеты из электродов. В данной работе был использован этот метод.

В работе [5] авторы изучили влияние различных параметров асимметричного тока с одним обратным импульсом (амплитуда импульсов, частота, скважность) на характер распределения тока по глубине электрода с помощью физической модели и выбрали оптимальный режим заряда. Из литературных данных [6] известно, что при заряде асимметричным током с несколькими разрядными импульсами, следующими друг за другом через паузу, можно добиться лучшего эффекта, чем при заряде с одним разрядным импульсом, но каких-либо конкретных данных в литературе не приводится. Поэтому целью данной работы является изучение влияния распределения асимметричного тока с несколькими разрядными импульсами на физической модели сборного электрода и сравнение полученных данных с данными на асимметричном токе, при котором формируется один разрядный импульс.

Согласно литературным данных [5], наилучший коэффициент распределения тока при формировании одного разрядного импульса за период достигается при следующих параметрах, соотношении амплитуд обратного и прямого импульсов, равном 4:1, частоте следования импульсов 5 - 10 Гц и скважности 0,95 -0,96. На основании этих данных был выбран предварительный режим асимметричным током с двумя разрядными импульсами. Длительность анодного импульса 220 мс, длительность первого катодного импульса 6 мс, длительность второго катодного импульса 6 мс, пауза между катодными импульсами 5 мс, соотношение амплитуд катодного импульса к анодному равно 4.

Исследования по распределению электрохимического процесса по глубине активной массы оксидно-никелевого электрода (ОНЭ) проводили на макете, состоящем из четырех отдельных никелевых электродов размером 5,6 х 3 см толщиной 0,1 см и четырех кадмиевых электродов, в дальнейшем - сборный электрод (СЭ), рис. 1. Емкость каждого отдельного электрода в среднем составляла 0,1 А-ч. Пластины закрепили на расстоянии 1 см друг от друга и поместили в ячейку, причем никелевые и кадмиевые электроды в ячейке чередовались и были расположены симметрично относительно друг друга. Размер и соответственно емкость противоэлектродов (в нашем случае кадмиевых) были выбраны больше, чем у исследуемых, чтобы их влияние было минимальным. Эксперименты проводили на отформированных электродах. Было принято упрощение, что сопротивление поры зависит от ее длины и в нашем допущении с каждым звеном возрастает по глубине.

Исследования проводили в растворе КОН плотностью 1,2 г/см и содержащем 10 г/л ЫОН. Раствор готовили из реактивов марки ХЧ на дистиллированной воде. Температура электролита была 20 ± 1 °С.

СЭ заряжали постоянным и асимметричным током с двумя и одним разрядным импульсом. Каждый раз СЭ сообщали количество электричества, равное 0,2 А-ч в течение 0,5 ч. Среднее значение зарядного тока составляло 0,4 А. После заряда СЭ в заданном режиме каждую его пластину разряжали постоянным током 0,04 А, затем определяли разрядную емкость, по которой строили кривые распределения тока по глубине поры.

Данные по суммарному количеству электричества, полученные для каждого режима заряда, приведены в таблице.

Зарядное устройство

Ток

Рис. 1. Сборный электрод для исследования распределения тока: номера 1, 3, 5, 7 - никелевые электроды, 2, 4, 6, 8 -кадмиевые электроды. R1 = 0,5 Ом, R2 = 2 Ом, R3 = 6 Ом, R4 = 18 Ом. И - интегратор (Х603), А - амперметр

Суммарное количество электричества, полученное СЭ в разных режимах заряда

Режим заряда Суммарная разрядная емкость, 2

Асимметричный ток с одним разрядным импульсом 0,197

Асимметричный ток с двумя разрядными импульсами 0,204

Постоянный ток 0,186

Сравнения данных по распределению постоянного и переменного тока с одним и двумя разрядными импульсами при одинаковых средних значениях зарядного тока (рис. 2, таблица) показывает, что во всех исследуемых режимах через первый электрод на постоянном токе протекает больше электричества, чем на переменном токе, как с одним, так и с двумя разрядными импульсами.

Q, А-ч-

0,09' 0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0

„-• rnnst

-V

s.

s

1

3

Рис. 2. Кривые распределения емкости по глубине пористого электрода в разных режимах заряда: rnnst - постоянный ток; 1 - asimmetr-1 - асимметричный ток с одним разрядным импульсом; 2 - asimmetr-2 асимметричный ток с двумя разрядными импульсами

На втором, третьем и четвертом электроде данные по распределению меняются в пользу переменного тока.

Из рис. 2 видно, что на этих электродах наибольшее количество электричества получили электроды, заряженные режимом asimmetr-2, а наименьшее -режимом на постоянном токе. Количество электричества, полученное электродами при заряде режимом asimmetr-1, больше чем при заряде режимом const, но меньше чем при asimmetr-2.

Таким образом, исследования по распределению тока на модели СЭ показывают, что переменный ток с двумя разрядными импульсами способствует более равномерному распределению тока по глубине электрода, чем постоянный ток и асимметричный с одним разрядным импульсом. Это подтверждает предположения, что эффект ускоренного заряда асимметричным током с двумя обратными импульсами связан с улучшением распределения тока по глубине пористого электрода.

Дальнейшие исследования режима заряда с двумя обратными импульсами показали следующие результаты. При увеличении амплитуды анодного импульса разница между постоянным и переменным током сглаживается, т. е. распределения тока на асимметричном режиме с двумя обратными импульсами приближается к значениям, полученным на постоянном токе (весь заряд реализуется на поверхности). Увеличение амплитуды катодного импульса улучшает равномерность распределения процесса по глубине поры. Уменьшение паузы между катодными импульсами приводит к снижению распределения тока и способствует приближению к значениям, полученным на асимметричном токе с одним обратным импульсом.

Вывод. В результате проведенных исследований было установлено, что применение асимметричного тока с несколькими разрядными импульсами способствует более равномерному распределению тока по глубине пористого электрода, чем при заряде асимметричным током с одним разрядным импульсом.

Литература

1. Даниэль-Бек В.С. К вопросу о поляризации пористых электродов // Элекирохимия. 1965. Т. 1. Вып. 2. С. 13191324.

2. Марченко Г.П. Исследование, моделирование и оптимизация процесса заряда ХИТ. М., 1982. Деп. в ВИНИТИ. № 575-82 Деп.

3. Барсуков В.З. и др. Модели заполнения порового пространства металлокерамического окисноникелевого электрода активным веществом // Химические источники тока: Сб. статей. Л., 1976. Вып. 9. С. 91-102.

4. Ксенжек О.С., Стендер В.В. Распределение тока в пористом электроде // Докл. АН СССР. 1956. Т. 107. № 2. С. 280-287.

5. Кудрявцев Ю.Д., Купаев В.М., Караваев В.М., Сушко В.Г., Быстров А.А. Распределение асимметричного тока при ускоренном заряде оксидно-никелевого электрода // Химические источники тока: Межвуз. Сб. Новочеркасск, 1983. С. 67-74.

6. Патент № US 93/00471 (19.01.93) Способ и устройство для заряда аккумуляторной батареи и способ определения состояния аккумуляторной батареи.

Южно-Российский государственный технический университет

9 марта 2007 г.