ХИМИЧЕСКИЙ ИСТОЧНИК ТОКА
CHEMICAL SOURCE OF CURRENT

Изобретение относится к электротехнике, в частности к химическим источникам тока, преобразующим химическую энергию в электрическую.
2
2
Известен химический источник тока (ХИТ), содержащий анод из щелочного или щелочноземельного металла, катод из одного или смеси нескольких элементов электроотрицательных подгрупп V-VI групп Периодической системы элементов, твердого электролита в виде химических (интерметаллических) соединений веществ, образующих анод и катод, размещенного между анодом и катодом, и токосъемники [1]. В качестве анода использовался литий (Li), натрий (Na), кальций (Ca), в качестве катода - сера (S), теллур (Te), а в качестве твердого электролита использовались обладающие ионной проводимостью соединения, такие как LiS, NaTe. В зависимости от рабочей температуры анодные и катодные вещества в таком ХИТ могут быть как твердыми, так и жидкими (расплавленными). Химическое соединение, используемое в качестве электролита, во всех этих системах находится в твердом состоянии [2, 3].
Главным преимуществом данного ХИТ перед другими являются высокие электрические характеристики (плотность тока, плотность мощности), которые могут быть обеспечены, только если электролит образуется в результате прямой химической реакции между анодным и катодным веществом при их прямом контакте в самом ХИТ. Именно в этом случае образуется пленка твердого электролита с минимальной толщиной несколько десятков нанометров. При этом в случае жидких обоих электродных веществ во избежание их конвективного перемешивания и возможного при этом неконтролируемого увеличения толщины электролита контактирующие друг с другом электродные вещества помещались в капиллярно-пористую структуру из электроизоляционного материала, например керамики [2].
Поэтому основным для данного ХИТ являлся вариант с первоначальным непосредственным контактом электродов. В то же время не исключалась и возможность предварительного размещения твердого электролита - химического соединения электродных компонентов - между катодом и анодом.
Недостатком известного ХИТ является малое время стационарного разряда, т.е. разряда с заданными постоянными значениями электрических характеристик: плотности тока, напряжения, сопротивления внешней нагрузки. Малò также общее время разряда и, соответственно, мала разрядная емкость.
Первоначальная малая толщина твердого электролита может поддерживаться неизменной, только если скорость образования твердого электролита вследствие прохождения разрядного тока и тока саморазряда при наличии электронной проводимости электролита меньше скорости его растворения в электродных веществах и диффузионного отвода вглубь электродов. При этом разряд будет стационарным, поскольку омическое сопротивление электролита, а соответственно, и всего ХИТ, остается постоянным.
После того, как вследствие уменьшения градиентов концентраций веществ в электродах скорость растворения твердого электролита становится меньше скорости его образования, толщина твердого электролита начинает возрастать и с тем большей скоростью, чем больше плотность тока и интенсивность саморазряда. Наступает период нестационарного разряда источника. Внутреннее сопротивление ХИТ возрастает, а его напряжение и ток при разряде на постоянную нагрузку падают.
Целью предлагаемого изобретения является увеличение времени стационарного разряда, общего времени разряда и, соответственно, емкости ХИТ.
Поставленная цель достигается тем, что в химическом источнике тока, содержащем анод из щелочного или щелочноземельного металла, например лития (Li), катод из смеси нескольких элементов электроотрицательных подгрупп V-VI групп Периодической системы элементов, или одного из этих элементов, например, серы (S), теллура (Те), размещенный между ними твердый электролит, состоящий из обладающего ионной проводимостью химического соединения, или смеси химических соединений анодного и катодного вещества а также токосъемники, в катод дополнительно введен электролит, содержащий катион анодного вещества, при этом количество введенного в катод электролита составляет от 10% до 70% от объема катода, а катод выполнен из двух зон: первой зоны, граничащей с твердым электролитом, содержащей смесь катодного вещества с электролитом, и второй зоны, граничащей с первой, содержащей кроме указанных веществ электронный проводник.
На фиг.1 показана общая схема ХИТ.
На фиг.2 показана схема ХИТ с двухзонным катодом.
ХИТ содержит анод 1, катод 2, представляющий собой смесь катодного вещества и электролита. Между анодом и катодом помещен твердый электролит 3, являющийся химическим соединением или смесью химических соединений анодного и катодного вещества. Анод и катод снабжены соответственно анодным 4 и катодным 5 токосъемниками.
В зависимости от вида компонентов и рабочей температуры ХИТ, катод может быть просто смесью твердого катодного компонента и твердого электролита, их твердым или жидким раствором, сплавом, эмульсией, суспензией, коллоидным раствором, гелем. Катод может быть выполнен также в виде пористого тела, волокон, пластин или иных структур, состоящих из одной составляющей катода, заполненных другой составляющей катода. Если катодное вещество само не обладает электронной проводимостью, например сера, то в катод добавляется также вещество, являющееся электронным проводником, например мелкодисперсный порошок графита.
Химический источник тока работает следующим образом. При его разряде происходит перенос электронов во внешней цепи от анода к катоду. При наличии анионной проводимости твердого электролита 3 на границе катода с электролитом происходит присоединение электронов, приходящих из внешней цепи, к атомам катодного вещества с образованием отрицательных ионов. Одновременно на поверхности анода, граничащего с твердым электролитом, происходит электрохимическая реакция разряда отрицательных ионов катодного вещества с отдачей электронов через объем анода во внешнюю цепь и присоединением к ним атомов анодного вещества. В результате на границе анода и твердого электролита образуются молекулы химического соединения, которые присоединяются к твердому электролиту, увеличивая его толщину. Если в соответствии с диаграммой состояния системы "анодное вещество-катодное вещество" есть заметная растворимость твердого электролита в анодном веществе, то часть электролита растворяется в нем и посредством диффузии отводится вглубь анода, уменьшая тем самым скорость увеличения толщины электролита со стороны анода.
При наличии катионной проводимости твердого электролита происходит образование положительных ионов анодного вещества на границе анода с электролитом с выходом электронов во внешнюю цепь, разряд этих ионов на границе катода с электролитом с образованием химического соединения и увеличение толщины твердого электролита со стороны катода. Если есть растворимость твердого электролита в катоде, то часть твердого электролита растворяется и диффузией отводится вглубь катода, уменьшая скорость возрастания толщины твердого электролита со стороны катода.
Согласно предлагаемому изобретению введение в катод электролита, содержащего катион анодного вещества, обеспечивает протекание электрохимической реакции не только на границе катода с твердым электролитом, но и в объеме катода на развитой границе катодного вещества и введенного в катод электролита. При наличии катионной проводимости твердого электролита и введенного в катод электролита молекулы химического соединения, образующиеся в результате электрохимической реакции в объеме катода, остаются там, не участвуя в увеличении толщины твердого электролита.
В результате, за счет ионной составляющей проводимости катода, обусловленной введением в катод электролита, время стационарного разряда или время существования равенства скоростей образования и растворения твердого электролита увеличивается. Возрастает также время нестационарного периода разряда, т.е. периода с уменьшающимся током или напряжением разряда, так как толщина твердого электролита и, соответственно, его омическое сопротивление увеличиваются медленнее, чем в случае отсутствия в катоде электролита. Соответственно, возрастает общее время разряда источника тока и его емкость.
Количество вводимого в катод электролита выбирается в зависимости от свойств анодного и катодного вещества, рабочей температуры ХИТ и его назначения и может изменяться в широких пределах. Для различных ХИТ рациональное содержание введенного в катод электролита может составлять от 10% до 70% от объема катода. Нижний предел этого диапазона обусловлен появлением достаточной доли ионной проводимости катода в его общей проводимости, а верхний - ухудшением энергомассовых характеристик вследствие увеличения массовой доли веществ, не участвующих в токообразующей электрохимической реакции.
Очевидно, что максимальный положительный эффект от добавления электролита в катод будет в случае, если вся электрохимическая реакция будет происходить в объеме катода, а не на его поверхности, граничащей с твердым электролитом. Это возможно только в том случае, если катодное вещество вообще не обладает электронной проводимостью, например, сера.
С целью исключения электрохимической реакции на границе катода с твердым электролитом при использовании неэлектропроводного катодного вещества катод предлагаемого ХИТ выполняется двухзонным (фиг.2). При этом первая зона 6, граничащая с твердым электролитом, состоит только из катодного вещества и введенного электролита, а вторая зона 7, граничащая с первой, кроме указанных веществ содержит электронный проводник с развитой поверхностью, например, графитовый войлок.
При разряде ХИТ с катодом, состоящим из двух указанных зон, катодная электрохимическая реакция происходит только во второй зоне на поверхности электронного проводника. Благодаря этому толщина твердого электролита со стороны катода может увеличиваться только вследствие саморазряда, если твердый электролит обладает электронной проводимостью. Соответственно, время стационарного разряда, общее время разряда и разрядная емкость возрастают до максимально возможных для данного ХИТ значений.
ЛИТЕРАТУРА
1. Химический источник тока. А.С. 564771 СССР. - МКИ H01M 6/18, H01M 10/36/ Р.Г.Тазетдинов. - №1983978/07, заявлено 03.01.1974. - Опуб. 10.02.2006, Бюл. №4.
2. Тазетдинов Р.Г., Фетисов Г.П., Хотина Г.К., Крысь М.А. Химические источники тока с электролитом, образующимся в процессе химической реакции между электродными компонентами: ч.1. Термодинамический анализ компонентов. // Электронный журнал "Труды МАИ", 2005, №20. - http://www.mai.ru.
3. Тазетдинов Р.Г., Фетисов Г.П., Хотина Г.К., Крысь М.А. Химические источники тока с электролитом, образующимся в процессе химической реакции между электродными компонентами: ч.2. "Электрохимические состояния элементов на системах щелочной металл - халькоген // Электронный журнал "Труды МАИ", 2005, №20. - http://www.mai.ru.