Никель - железный аккумулятор

Ni-Fe аккумулятор - это наиболее распространенный из щелочных аккумуляторов. Этот ЭА состоит из двух перфорированных (имеющих большое число отверстий) коробок (ламелей) из никелированной стали, в которые закладывается активная масса. Между электродами 20-23% раствор едкого кали (KOH). Активная масса отрицательного электрода (анода) состоит из высокодисперсного порошка железа; активная масса положительного электрода (катода) состоит из оксида никеля (III) - Ni₂O₃, в который для повышения электропроводности добавляется графит. Уравнение токообразующей реакции имеет вид:

В ходе разряда и заряда концентрация электролита не меняется, поэтому э.д.с. меняется мало. Преимуществами этого типа ЭА являются: высокая механическая прочность, достаточно малые масса и саморазряд. Этот аккумулятор не боится толчков, может длительное время храниться в заряженном состоянии, не разрушаясь, выдерживает кратковременные перегрузки и изменения температуры.

Никель - кадмиевый аккумулятор

Работа Ni-Cd аккумулятора аналогична работе Ni-Fe аккумулятора. Только активная масса отрицательного электрода (анода) состоит из порошкообразного кадмия. Уравнение токообразующей реакции:

Этот тип аккумулятора дороже, чем Ni-Fe ЭА, но имеет несколько лучшие характеристики (табл. 4).

Другие типы перспективных аккумуляторов

Металловоздушные аккумуляторы. Это особый тип ЭА, в которых электрический ток возникает при взаимодействии кислорода воздуха с отрицательным электродом из металла (железа, цинка и др.) в растворе щелочи. При этом образуются оксиды и гидроксиды металлов. Основное преимущество таких ЭА - это возможность использования в качестве окислителя воздуха, который нет смысла запасать, что не увеличивает массу батареи. Благодаря этому теоретическая удельная мощность может достигать 1000 Втч/кг, а для алюминиево-воздушных - даже 4300 Втч/кг.

Цинк-хлоридный аккумулятор. Это одна из последних разработок. Zn-Cl₂ аккумулятор работает при температуре окружающей среды. Электролитом является циркулирующий раствор хлорида цинка ZnCl₂. Уравнение токообразующей реакции можно представить следующим образом:

При заряде цинк выделяется в металлическом виде на графитовом электроде, а хлор - в виде газа на другом графитовом, но пористом, электроде. Хлор поступает в расположенный рядом резервуар, где он растворяется в воде и замерзает, образуя кристаллогидрат Cl₂8H₂O. При разряде нагретый электролит подают в резервуар с замороженным хлором, разлагают гидрат, подают хлор в электрохимическую ячейку, где он восстанавливается на пористом графитовом электроде. Цинк при этом растворяется, в растворе увеличивается концентрация ZnCl₂. Характеристики работы аккумулятора весьма высокие (табл. 4).

Аккумулятор Na-S. Натриево-серные батареи интенсивно разрабатываются в США и странах Европы. Аккумулятор содержит две камеры: в анодной находится расплавленный натрий, в катодной - расплавленная сера. Между камерами установлена керамическая перегородка, изготовленная из b-глинозема (-Al₂O₃). -Al₂O₃ является электролитом. Токообразующая реакция, протекающая в аккумуляторе при его разрядке, может быть представлена уравнением:

Аккумулятор работает при температуре 300-350 С. Na-S аккумуляторы предполагается использовать для сглаживания пиковых нагрузок электростанций.

Аккумулятор Li-FeS. Этот ЭА работает при 400-450 С . Электролитом служат расплавленные LiCl и KCl, анодом - литий (легкий и очень активный щелочной металл) или сплав лития с алюминием, катодом - сульфиды железа (FeS или FeS₂).

Токообразующая реакция при разряде может быть представлена уравнением:

По показателям работы Li-FeS₂ ЭА несколько уступают Na-S ЭА, а стоимость лития выше стоимости натрия, однако их удельная энергия сопоставима и составляет 40-50 (в пределе 100-150) Втч/кг. Возможно, такие аккумуляторы смогут завоевать позиции на городском транспорте.

Еще одним направлением развития аккумуляторов является использование систем с электролитом на основе органических растворов и литиевым отрицательным электродом. С литием, как и с натрием, нельзя сочетать водные растворы, а твердые электролиты или расплавленные соли работают лишь при высоких температурах. Органический электролит снимает эти ограничения и позволяет использовать активный литий при температурах, близких к комнатной или даже отрицательных - до минус 50 С.

Таблица 3.

Теоретические и экспериментальные значения э.д.с. (Т = 298 К) электрохимических реакций, используемых в топливных элементах

* Замерено при 1023 К.

1 Коррозионная стойкость - способность металла противостоять коррозии в данной среде.

2 Замерено при 1-23 К.