Алюминиевая батарея — отличное дополнение для электромобиля. Автомобиль заправляется алюминием Химические источники тока с алюминиевым анодом

Использование: воздушно-металлические батареи в качестве автономного малогабаритного перезаряжаемого источника тока. Сущность изобретения: воздушно-металлический гальванический элемент коробчатого типа, включающий электролитную емкость с заправочным отверстием в ее верхней части, крышку, расходуемый металлический анод плоской формы, помещенный в электролитную емкость, газодиффузионный катод, расположенный на некотором расстоянии от рабочей поверхности анода и свободно омываемый снаружи газом, например воздухом, газосборную камеру. В верхней части электролитной емкости вокруг заправочного отверстия имеется непрерывный конический выступ, выполняющий роль лабиринтного уплотнения, в средней части боковых стенок электролитной емкости и в ее нижней части выполнено по два ограничительных выступа, в нижней части электролитной емкости V образована камера для сбора шлама V шл с соотношением объемов V: V шл = 5-15, толщина анода в пределах 1-3 мм и составляет 0,05-0,50 от величины межкатодного зазора, объем электролитной емкости определяется выражениями: V = V эл + V ан; V эл =q эл QnK 1 ; V ан =q эх +q кор QnK 2 , V ан - объем анода, см 3 ;
n - количество циклов;
K 2 = (1,97-1,49) -конструктивный коэффициент,
а соотношение длины а, ширины b и высоты с составляет: 1: 0,38: 2,7; 1: 0,35: 3,1; 1: 0,33: 3,9. Воздушно-металлическая батарея содержит корпус, крышку с коммутацией, по крайней мере один воздушно-металлический гальванический элемент предлагаемой конструкции. Способ эксплуатации воздушно-металлического гальванического элемента и батареи на его основе включает разряд, замену анодов и электролита свежими, промывку элементов. Аноды перед использованием предварительно обрабатывают в водном растворе гидроокиси натрия концентрацией (2-5) моль/л с добавкой трехводного натрий метастанната концентрацией (0,01-0,10) моль/л. 3 с.п. ф-лы, 5 ил., 2 табл.

Изобретение относится к электрохимии, касается способа эксплуатации воздушно-металлических батарей и может быть использовано при применении воздушно-металлических батарей в качестве автономного малогабаритного перезаряжаемого источника тока. Известен гальванический элемент, например, воздушно-металлического типа. Элемент в основном содержит электролитную емкость, крышку, расходуемый металлический электрод плоской формы, помещенный в электролитную емкость. На некотором расстоянии от рабочей поверхности электрода расположен газодиффузионный катод, который снаружи свободно омывается газом, в частности воздухом. Для улучшения циркуляции электролита и тем самым повышения эффективности электрохимического преобразования энергии водород, образующийся в процессе электрохимической реакции, накапливается в электролитной емкости и повышающееся при этом давление используется для перемещения электролита. При этом электролитная емкость содержит газосборную камеру, газовое давление в которой может воздействовать на электролит. Через систему трубок вытесняемый электролит переходит из верхней части электролитной емкости в нижнюю (Европатент N 0071015 А2 от 22.06.82 - прототип). Недостатком известного гальванического элемента воздушно-металлического типа являются низкие удельные электроэнергетические характеристики из-за избыточного веса, вызванного усложнением конструкции. Известна первичная воздушно-металлическая батарея, содержащая корпус, крышку с коммутацией, по крайней мере один воздушно-металлический гальванический элемент (патент США N 4626482, H 01 M 12/6, 1986 - прототип). Недостатком известной первичной воздушно-металлической батареи являются низкие удельные электроэнергетические характеристики. Известен способ эксплуатации воздушно-металлического гальванического элемента и батареи на его основе путем разряда, замены анодов и электролита свежими, промывки элемента (а.с. СССР, 621041, H 01 M 10/42, H 01 M 12/08). Недостатком известного способа является длительный период выхода батареи на заданный режим (10-20) мин. Целью изобретения является повышение удельных электроэнергетических характеристик воздушно-металлических элементов и батарей на их основе, повышение стабильности характеристик во времени, а также уменьшение времени выхода на режим до (1-3) мин. Поставленная цель достигается тем, что в известном воздушно-металлическом гальваническом элементе коробчатого типа, включающем электролитную емкость с заправочным отверстием в верхней ее части, крышку, расходуемый металлический анод плоской формы, помещенный в электролитную емкость, газодиффузионный катод, расположенный на некотором расстоянии от рабочей поверхности анода и свободно омываемый снаружи газом, например воздухом, газосборную камеру, в верхней части вокруг заправочного отверстия имеется непрерывный конический выступ, выполняющий роль лабиринтного уплотнения, в средней части боковых стенок электролитной емкости и в ее нижней части выполнено по два ограничительных выступа, в нижней части электролитной емкости (V) образована камера для сбора шлама (V шл) с соотношением объемов V: V шл = 5 - 15, толщина анода в пределах (1-3) мм составляет 0,05-0,50 от величины межкатодного зазора, объем электролитной емкости определяется выражением:
V = V эл + V ан;
V эл = q эл Qnk 1 ;
V ан (q эх + q кор)Qnk 2 ;
где V - объем электролитной емкости, см 3 ;
V эл - объем электролита, см 3 ;
V ан - объем анода, см 3 ;
q эл - удельный расход воды из электролита, см 3 /Ач;
q эх - удельный расход алюминия на электрохимическую реакцию, см 3 /Ач;
Q - емкость элемента за один цикл, Ач;
n - количество циклов;
k 1 = (0,44-1,45) - конструктивный коэффициент;

a:b:c = 1:0,38:2,7;
a:b:c = 1:0,35:3,1;
a:b:c = 1:0,33:3,9. В известной первичной воздушно-металлической батарее, содержащей корпус, крышку с коммутацией, один или несколько воздушно-металлических гальванических элементов, в качестве такого элемента применен предлагаемый элемент; в известном способе эксплуатации воздушно-металлического элемента и батареи на его основе путем разряда, замены анодов и электролита свежими, промывки элемента аноды предварительно обрабатывают в водном растворе гидроокиси натрия концентрацией (2-5) моль/л с добавкой трехводного натрий метастанната концентрацией (0,01-0,10) моль/л. Общим признаком является наличие в воздушно-металлическом гальваническом элементе коробчатого типа электролитной емкости с заправочным отверстием в верхней ее части, крышки, расходуемого металлического анода плоской формы, помещенного в электролитную емкость, газодиффузионного катода, расположенного на некотором расстоянии от рабочей поверхности анода и свободно омываемого снаружи газом, например воздухом, газосборной камеры, наличие в батарее корпуса, крышки с коммутацией, одного или нескольких элементов, эксплуатация батареи путем разряда, замены анодов и электролита свежими, промывки элемента. Отличительным признаком является то, что в верхней части электролитной емкости вокруг заправочного отверстия имеется непрерывный конический выступ, выполняющий роль лабиринтного уплотнения, в средней части боковых стенок электролитной емкости и в ее нижней части выполнено по два ограничительных выступа, в нижней части электролитной емкости (V) образована камера для сбора шлама (V шл) с соотношением объемов V: V шл = 5 - 15, толщина анода в пределах (1 - 3) мм составляет 0,05-0,50 от величины межкатодного зазора, объем электролитной камеры определяется выражением:
V = V эл + V ан;
V эл = q эл Qnk 1 ;
V ан =(q эх +q кор)Qnk 2 ;
где V - объем электролитной емкости, см 3 ;
V эл - объем электролита, см 3 ;
V ан - объем анода, см 3 ;
q эл - удельный расход воды из электролита, см 3 /Ач;
q эх - удельный расход алюминия на электрохимическую реакцию, см 3 /Ач;
q кор - удельный расход алюминия на коррозию, см 3 /Ач;
Q - емкость элемента за один цикл, Ач;
n - количество циклов;
k 1 = (0,44-1,45) - конструктивный коэффициент;
k 2 = (1,97-1,49) - конструктивный коэффициент;
а соотношение длины (a), ширины (b) и высоты (c) составляет:
a:b:c = 1:0,38:2,7;
a:b:c = 1:0,35:3,1;
a:b:c = 1:0,33:3,9. В батарее в качестве воздушно-металлического гальванического элемента применен предлагаемый элемент; при эксплуатации воздушно-металлического гальванического элемента и батареи на его основе аноды предварительно обрабатывают в водном растворе гидроокиси натрия концентрацией (2-5) моль/л с добавкой трехводного натрий метастанната концентрацией (0,01-0,10) моль/л. Заявляемая совокупность и взаимосвязь отличительных признаков в известных источниках патентной и научно-технической литературы не обнаружены. Таким образом, предлагаемое техническое решение обладает новизной и изобретательским уровнем. Изобретение является промышленно применимым, т.к. может быть использовано в качестве экологически чистого автономного источника тока в составе следующих систем:
- портативный переносной магнитофон типа "плеер" с функциями записи и воспроизведения через внешнюю акустическую систему;
- портативный телевизионный приемник на жидких кристаллах;
- портативный электрофонарь;
- электровентилятор;
- детские видеоигры на жидких кристаллах;
- детские радиоуправляемые электромобили;
- портативный радиоприемник;
- зарядное устройство для аккумуляторов;
- переносной измерительный прибор. Предлагаемый источник тока обеспечивает высокие удельные электроэнергетические характеристики, сохраняя их стабильными в течение всего своего ресурса, а также позволяет снизить время выхода на расчетный режим с 10 - 20 до 1-3 мин. Состояние показателей позволяет сделать вывод о целесообразности использования полученных геометрических соотношений в проектировании воздушно-алюминиевых батарей. Изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 показан воздушно-алюминиевый элемент - вид N 1, на фиг. 2 - воздушно-алюминиевый элемент - вид N 2, на фиг. 3 - воздушно-алюминиевый элемент - вид N 3. На фиг. 4 изображена электролитная емкость воздушно-алюминиевого элемента, а на фиг. 5 - батарея на основе воздушно-алюминиевых элементов. Воздушно-алюминиевый гальванический элемент состоит из электролитной емкости 1, которая имеет по внешним боковым стенкам 2 окна 3, в верхней части 4 заправочное отверстие 5, окруженное непрерывным коническим выступом 6, выполняющим роль лабиринтного уплотнения, с внутренней стороны электролитной емкости 1 на средней части боковых стенок 2 и в ее нижней части выполнены два ограничительных выступа 7, в нижней части электролитной емкости 1 образована камера 8 для сбора шлама, который нарабатывается в процессе эксплуатации. В электролитную емкость 1 герметично вставлены газодиффузионные катоды 9 в окна 3 рамки 10. Герметичность электролитной емкости 1 достигается при помощи нейтрального по отношению к водному раствору электролита герметика. Электрическая связь катодов 9 с потребителем при использовании воздушно-алюминиевого элемента как вне батареи, а также в составе ее осуществляется с помощью катодного токосъемника 11, охватывающего электролитную емкость 1 двумя горизонтальными поджимами 12, которые электрически связаны с двумя вертикальными поджимами 13. В электролитную емкость 1 через заправочное отверстие 5 вставляется плоский металлический анод 14 с выступом 15 прямоугольной формы, предназначенным для осуществления токосъема. Плоскость выступа 15 служит также для уплотнения по линии "анод 14 - крышка 16". Заправочное отверстие 5 закрывается и уплотняется крышкой 16, содержащей одно отверстие 17 для пропускания через него анода 14 и одно или несколько отверстий 18 для отвода водорода из электролитной емкости 1 в процессе работы воздушно-алюминиевого элемента через крышку 16, являющуюся одновременно гидрофобной мембраной. Наличие в верхней части электролитной емкости 4 по периметру вокруг заправочного отверстия 5 выступа конической формы 6 позволяет усилить уплотнительные свойства крышки 16. Геометрические соотношения конструкции, позволяющие улучшить удельные электроэнергетические параметры следующие:
Н1/(Н2+Н3+Н4) = 1,05-1,20
Н3/Н2=Н3/Н4= 5-15
Н5/Н1= 1,1-1,5
Н6/Н3=1-1,1
L2/LI = 1-1,1
L3/LI= 1,1-1,5
L5/L6= 0,05-0,50
2xL4/L6= 0,95-0,75
Батарея на основе воздушно-алюминиевых элементов состоит из корпуса 19 с внутренними вертикальными пазами 20 для удержания воздушно-алюминиевых элементов и окон 21 для организации внешнего свободного притока воздуха внутрь батареи, замков 22 для крепления крышки с коммутацией 23 к корпусу 19, одной или нескольких электролитных емкостей 1 с установленными катодными токосъемниками 11, с вставленными в них анодами 14 и надетыми поверх крышками 16, токоразводящей двухсторонней платы 24, содержащей на стороне, повернутой к воздушно-алюминиевым элементам, токопроводящие дорожки 25 для осуществления электрической связи от катодов 9 к электролитным емкостям 1 через катодные токосъемники 11 к токоразводящей двухсторонней плате 24, несколько отверстий 26 прямоугольной формы для пропускания выступа 15 металлического анода 14 с целью осуществления электрической связи между металлическим анодом 14 и анодным токосъемником 27, несколько отверстий произвольной формы 28 для дренажа водорода из электролитной емкости 1 в атмосферу через крышку 23, несколько разъемов 29, расположенных на верхней стороне токоразводящей двухсторонней платы 24, перемыкаемых электропроводящей перемычкой 30 для выбора потребителем рабочего напряжения и связи с электропроводящими дорожками 25 и 31 с обеих сторон, несколько разъемов 32, расположенных на верхней стороне токоразводящей двухсторонней платы 24, служащих для подключения потребителя, а также крышки 23, закрывающей батарею сверху и содержащей несколько отверстий 33 под разъемы 32, несколько отверстий 34 под разъемы 29, одно или несколько отверстий 35 под дренаж водорода, два продольных паза 36 под замки 22, этикетку 37 с краткой инструкцией по эксплуатации. Принцип действия и способ эксплуатации воздушно-металлического гальванического элемента и батареи на его основе, например батарея 3 ВА-24, заключаются в следующем. Электрическая энергия в батарее генерируется при осуществлении электрохимической реакции окисления алюминия на аноде и восстановления кислорода на катоде. В качестве электролита используют водные растворы или едкого натрия (NaOH), или хлористого натрия (NaCI), или смеси указанных растворов с ингибирующими добавками: Na 2 SnO 3 3Н 2 О - в щелочном электролите и NaHCO 3 - в солевом. В процессе реакции наряду с расходом алюминия идет потребление кислорода из воздуха и воды из электролита, поэтому при эксплуатации батареи по мере их расходования в процессе разряда периодически проводят замену анода и электролита на свежие. Продуктами реакции являются гидроокись алюминия Al(OH) 3 и тепло. Батарея работает в диапазоне температур от -10 o C до +60 o C без дополнительного подогрева при запуске от минусовых температур. Одним из отрицательных факторов воздушно-алюминиевой батареи является коррозия анода. Это приводит к снижению электрических характеристик батареи и выделению небольшого количества водорода. В большей степени влияние коррозии проявляется на пусковых характеристиках, вследствие чего время выхода на заданный режим составляет (10-20) мин. Предлагаемая обработка анодов, при которой их поверхность покрывается оловом, позволяет снизить плотность тока коррозии и значительно улучшить режим эксплуатации воздушно-алюминиевой батареи, в результате чего повышаются электрические характеристики и время выхода на режим снижается до (1-3) мин. Нанесение покрытия на анод проводят перед началом включения батареи в работу. Предварительно анод обезжиривают, а затем обрабатывают в водном растворе гидроокиси натрия концентрацией (2-5) моль/л с добавкой трехводного натрий метастанната концентрацией (0,01- 0,10) моль/л при комнатной температуре в течение 5-60 мин. Результаты испытаний предлагаемой воздушно-алюминиевой батареи и прототипа представлены в табл. 1 и 2. Как видно из таблиц, предлагаемая воздушно-алюминиевая батарея обеспечивает высокие удельные и стабильные во времени электроэнергетические характеристики при малом времени выхода на режим.

Формула изобретения

1. Воздушно-металлический гальванический элемент коробчатого типа, включающий электролитную емкость с заправочным отверстием в ее верхней части, расходуемый металлический анод плоской формы, помещенный в электролитную емкость, газодиффузионный катод, расположенный на некотором расстоянии от рабочей поверхности анода и свободно омываемый снаружи газом, например воздухом, газосборную камеру, отличающийся тем, что в верхней части электролитной емкости вокруг заправочного отверстия имеется непрерывный конический выступ, выполняющий роль лабиринтного уплотнения, в средней части боковых стенок электролитной емкости и в ее нижней части выполнено по два ограничительных выступа, в нижней части электролитной емкости V образована камера V шл для сбора шлама с соотношением объемов V: V шл = 5 - 15, толщина анода в пределах 1 - 3 мм составляет 0,05 - 0,50 от величины межкатодного зазора, объем электролитной емкости определяется выражением:
V = V эл + V ан;
V эл = q эл Q n k 1 ;
V ан = (q эх + q кор) Q n k 2 ;
где V - объем электролитной емкости, см 3 ;
V эл - объем электролита, см 3 ;
V ан - объем анода, см 3 ;
q эл - удельный расход воды из электролита, см 3 /Ач;
q эх - удельный расход алюминия на электрохимическую реакцию см 3 /Ач;
q кор - удельный расход алюминия на коррозию, см 3 /А ч;
Q - емкость элемента за один цикл, Ач;
n - количество циклов;
K 1 = (0,44 - 1,45) - конструктивный коэффициент;
K 2 = (1,97 - 1,49) - конструктивный коэффициент;
а соотношение длины а, ширины b и высоты с составляет 1: 0,38: 2,7; 1: 0,35: 3,1; 1: 0,33: 3,9. 2. Первичная воздушно-металлическая батарея, содержащая корпус, крышку, по крайней мере один воздушно-металлический гальванический элемент, отличающаяся тем, что в качестве такого элемента взят элемент по п.1. 3. Способ эксплуатации воздушно-металлического гальванического элемента и батареи на его основе путем разряда, замены анодов и электролита свежими, промывка элемента, отличающийся тем, что аноды предварительно обрабатывают в водном растворе гидроокиси натрия концентрацией (2 - 5) моль/л с добавкой трехводного натрий метастанната с концентрацией (0,01 - 0,10) моль/л.

Французская компания Renault предлагает использовать в будущих электромобилях алюминиево-воздушные батареи от Phinergy. Давайте взглянем на их перспективы.

Renault решило сделать ставку на новый тип аккумулятора, который может позволить увеличить дальность пробега от одной зарядки в семь раз. При сохранении габаритов и веса сегодняшних батарей. Алюминиево-воздушные (Al-air) элементы имеют феноменальную плотность энергии (8000 Вт/кг, против 1000 Вт/кг у традиционных батарей), вырабатывая её при реакции окисления алюминия в воздухе. Такая батарея содержит в себе позитивный катод и негативный анод, сделанный из алюминия, а между электродами содержится жидкий электролит на водяной основе.

Компания разработчик батарей Phinergy заявила, что достигла большого прогресса в развитии подобных батарей. Их предложение – использовать катализатор, изготовленный из серебра, который позволяет эффективно задействовать кислород, содержащийся в обычном воздухе. Этот кислород смешивается с жидким электролитом, и тем самым освобождает электрическую энергию, которая содержится в алюминиевом аноде. Главный нюанс заключается в «воздушном катоде», который действует как мембрана в вашей зимней куртке – пропускает только О2, а не углекислый газ.

В чем отличие от традиционных батарей? У последних полностью закрытые ячейки, в то время как Al-air элементам нужен внешний элемент, «запускающий» реакцию. Важным плюсом является тот факт, что Al-air батарея действует как дизель-генератор – она вырабатывает энергию только тогда, когда вы ее включили. А когда вы «перекрыли воздух» такой батарее, весь её заряд остается на месте и не исчезает со временем, как у обычных аккумуляторов.

В процессе работы Al-air батареи используется алюминиевый электрод, но его можно сделать заменяемым, как картридж в принтере. Зарядку нужно делать каждые 400 км, она будет заключаться в доливании нового электролита, что намного проще, чем ждать, пока зарядится обычная батарея.

Компания Phinergy уже создала электрический Citroen C1, который оборудован 25 кг батареей емкостью 100 кВтч. Она дает запас хода в 960 км. С мотором мощностью в 50 кВт (около 67 лошадиных сил), машина развивает скорость в 130 км/ч, разгоняется до сотни за 14 секунд. Подобная батарея также тестируется на Renault Zoe, но её емкость – 22 кВтч, максималка у машины – 135 км/ч, 13.5 сек до “сотни”, но только 210 км запаса хода.

Новые батареи легче, в два раза дешевле, чем литий-ионные и в перспективе проще в эксплуатации, нежели современные. И пока что, единственная их проблема – это алюминиевый электрод, который сложен в производстве и замене. Как только эта проблема решится – можно смело ожидать еще большей волны популярности электромобилей!

• , 20 Янв 2015

Fuji Pigment показала инновационный тип воздушно-алюминиевой батареи, зарядка которой может осуществляться при помощи солёной воды. Батарея имеет модифицированную структуру, обеспечивающую более длительным сроком эксплуатации, который теперь составляет минимум 14 дней.

В структуру воздушно-алюминиевой батареи в качестве внутреннего слоя были внедрены керамические и углеродистые материалы. Эффекты коррозии анода и аккумулирования побочных примесей были подавлены. В результате было достигнуто более длительное время эксплуатации.

Воздушно-алюминиевая батарея с рабочим напряжением 0,7 – 0,8 В, производящая 400 – 800 мА тока на элемент, имеет теоретический энергетический уровень на единицу объёма порядка 8100 Вт*ч/кг. Это второй показатель из максимальных для аккумуляторных батарей различного типа. Теоретический энергетический уровень на единицу объёма в ионно-литиевых батареях составляет 120–200 Вт*ч/кг. Это означает, что у воздушно-алюминиевых батарей теоретически ёмкость может превышать данный показатель ионно-литиевых аналогов более чем в 40 раз.

Хотя коммерческие перезаряжаемые ионно-литиевые батареи широко используются сегодня в мобильных телефонах, ноутбуках и прочих электронных устройствах, их энергетическая плотность всё ещё недостаточна для использования в электромобилях на промышленном уровне. На сегодняшний день учёные разработали технологию воздушно-металлических батарей, имеющих максимальную энергетическую ёмкость. Исследователи изучали воздушно-металлические батареи на основе лития, железа, алюминия, магния и цинка. Среди металлов, алюминий в качестве анода представляет интерес ввиду большой удельной ёмкости и высокого стандартного электродного потенциала. К тому же, алюминий является недорогим и самым рециркулируемым металлом в мире.

Инновационный тип батарей должен обойти основную преграду на пути коммерциализации подобных решений, а именно, высокий уровень коррозии алюминия во время электрохимических реакций. Помимо этого, на электродах накапливаются побочные материалы Al2O3 и Al(OH)3, ухудшающие ход реакций.

Fuji Pigment заявила, что новый тип воздушно-алюминиевых батарей может производиться и может эксплуатироваться в обычных условиях окружающей среды, поскольку элементы обладают устойчивостью в отличие от ионно-литиевых батарей, способных возгораться и взрываться. Все материалы, применяемые для сборки конструкции батарей (электрода, электролита) – безопасны и дёшевы в производстве.

Читайте также:

Химические источники тока со стабильными и высокими удельными характеристиками - одно из важнейших условий развития средств связи.

В настоящее время потребность пользователей электроэнергии для средств связи покрывается, в основном, за счет применения дорогостоящих гальванических элементов или аккумуляторов.

Аккумуляторы являются относительно автономными источниками электропитания, поскольку нуждаются в периодическом заряде от сети. Зарядные устройства, применяемые для этой цели, имеют высокую стоимость и не всегда способны обеспечить благоприятный режим заряда. Так, аккумулятор Sonnenschein, изготовленный по технологии dryfit и имеющий массу 0,7 кг, а емкость 5 А·ч, заряжается в течение 10 часов, причем при заряде необходимо соблюдать нормативные значения тока, напряжения и времени заряда. Заряд проводится сначала при постоянном токе, затем при постоянном напряжении. Для этого применяются дорогостоящие зарядные устройства с программным управлением.

Абсолютно автономными являются гальванические элементы, но они, как правило, имеют низкую мощность и ограниченную емкость. По исчерпании заложенной в них энергии они утилизируются, загрязняя окружающую среду. Альтернативой сухим источникам являются воздушно-металлические механически перезаряжаемые источники, некоторые энергетические характеристики которых приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Параметры некоторых электрохимических систем

Как видно из таблицы, воздушно-металлические источники, в сравнении с другими широко применяемыми системами, обладают наибольшими теоретическими и практически реализуемыми энергетическими параметрами.

Воздушно-металлические системы были реализованы значительно позже, а их разработка до сих пор ведется менее интенсивно, чем источников тока других электрохимических систем. Однако испытания опытных образцов, созданных отечественными и иностранными фирмами, показали их достаточную конкурентоспособность.

Показано, что сплавы алюминия и цинк могут работать в щелочных и солевых электролитах. Магний - лишь в солевых электролитах, причем его интенсивное растворение идет как при генерировании тока, так и в паузах.

В отличие от магния алюминий в солевых электролитах растворяется лишь при генерировании тока. Для цинкового электрода наиболее перспективны щелочные электролиты.

Воздушно-алюминиевые источники тока (ВАИТ)

На основе алюминиевых сплавов созданы механически перезаряжаемые источники тока с электролитом на основе поваренной соли. Эти источники абсолютно автономны и могут использоваться для электропитания не только средств связи, но и для заряда аккумуляторов, питания различной бытовой аппаратуры: радиоприемников, телевизоров, кофемолок, электродрелей, светильников, электрофенов, паяльников, маломощных холодильников, центробежных насосов и пр. Абсолютная автономность источника позволяет использовать его в полевых условиях, в регионах, не имеющих централизованного электроснабжения, в местах катастроф и стихийных бедствий.

Заряд ВАИТ производится в течение считанных минут, которые необходимы для заливки электролита и/или замены алюминиевых электродов. Для заряда нужна лишь поваренная соль, вода и запас алюминиевых анодов. В качестве одного из активных материалов используется кислород воздуха, который восстанавливается на катодах из углерода и фторопласта. Катоды достаточно дешевы, обеспечивают работу источника в течение длительного времени и, поэтому оказывают незначительное влияние на стоимость генерируемой энергии.

Стоимость электроэнергии, получаемой в ВАИТ, определяется, в основном, лишь стоимостью периодически заменяемых анодов, в нее не включается стоимость окислителя, материалов и технологических процессов, обеспечивающих работоспособность традиционных гальванических элементов и, поэтому, она в 20 раз ниже стоимости энергии, получаемой от таких автономных источников как щелочные марганцево-цинковые элементы.

Таблица 2 - Параметры воздушно-алюминиевых источников тока

Длительность непрерывной работы определяется величиной потребляемого тока, объемом залитого в элемент электролита и составляет 70 - 100 А·ч/л. Нижний предел определяется вязкостью электролита, при которой возможен его свободный слив. Верхний предел соответствует снижению характеристик элемента на 10-15%, однако по его достижении для удаления электролитной массы необходимо применение механических устройств, которые могут повредить кислородный (воздушный) электрод.

Вязкость электролита возрастает по мере его насыщения взвесью гидроксида алюминия. (Гидроксид алюминия встречается в природе в виде глины или глинозема, является прекрасным продуктом для производства алюминия и может быть возвращен в производство).

Замена электролита осуществляется в считанные минуты. С новыми порциями электролита ВАИТ может работать до исчерпания ресурса анода, который при толщине 3 мм составляет 2,5 А·ч/см 2 геометрической поверхности. Если аноды растворились, их в течение нескольких минут заменяют новыми.

Саморазряд ВАИТ очень мал, даже при хранении с электролитом. Но в силу того, что ВАИТ в перерыве между разрядами может храниться без электролита - его саморазряд ничтожен. Ресурс работы ВАИТ ограничен сроком службы пластмассы, из которой он изготовлен ВАИТ без электролита может храниться до 15 лет.

В зависимости от требований потребителя ВАИТ может быть модифицирован с учетом того, что 1 элемент имеет напряжение 1 В при плотности тока 20 мА/см 2 , а ток снимаемый с ВАИТ определяется площадью электродов.

Проведенные в МЭИ(ТУ) исследования процессов, протекающих на электродах и в электролите, позволили создать два типа воздушно-алюминиевых источников тока - заливаемые и погружаемые (табл. 2).

Заливаемые ВАИТ

Заливаемые ВАИТ состоят из 4-6 элементов. Элемент заливаемого ВАИТ (рис. 1) представляет собой прямоугольную емкость (1), в противоположных стенках которой установлен катод (2). Катод состоит из двух частей, электрически соединенных в один электрод шиной (3). Между катодами располагается анод (4), положение которого фиксируется направляющими (5). Конструкция элемента, запатентованного авторами /1/, позволяет уменьшить отрицательное влияние образующегося в качестве конечного продукта гидроксида алюминия, за счет организации внутренней циркуляции. С этой целью элемент в плоскости, перпендикулярной плоскости электродов, разделен перегородками на три секции. Перегородки выполняют также роль направляющих анод полозков (5). В средней секции располагаются электроды. Выделяющиеся при работе анода пузырьки газа поднимают вместе с потоком электролита взвесь гидроксида, который опускается на дно в двух других секциях элемента.

Рисунок 1 - Схема элемента

Подвод воздуха к катодам в ВАИТ (рис. 2) осуществляется через зазоры (1) между элементами (2). Крайние катоды защищены от внешних механических воздействий боковыми панелями (3). Непроливаемость конструкции обеспечивается применением быстро снимаемой крышки (4) с уплотнительной прокладкой (5) из пористой резины. Натяг резиновой прокладки достигается прижатием крышки к корпусу ВАИТ и фиксацией ее в этом состоянии с помощью пружинных фиксаторов (на рисунке не показаны). Сброс газа осуществляется через специально разработанные пористые гидрофобные клапаны (6). Элементы (1) в батарее соединены последовательно. Пластинчатые аноды (9), конструкция которых разработана в МЭИ , имеют гибкие токосъемы с элементом разъема на конце. Разъем, ответная часть которого соединена с блоком катодов, позволяет быстро отсоединять и присоединять анод при его замене. При подсоединении всех анодов элементы ВАИТ соединяются последовательно. Крайние электроды соединены с борнами (10) ВАИТ также посредством разъемов.

1- воздушный зазор, 2 - элемент, 3 - защитная панель, 4 - крышка, 5 - катодная шина, 6 - прокладка, 7- клапан, 8 - катод, 9 - анод, 10 - борн

Рисунок 2 - Заливаемый ВАИТ

Погружаемый ВАИТ

Погружаемый ВАИТ (рис. 3) представляет собой вывернутый на изнанку заливаемый ВАИТ. Катоды (2) развернуты активным слоем наружу. Емкость элемента, в которую заливался электролит, делится на две перегородкой и служит для раздельной подачи воздуха к каждому катоду. В зазоре, через который подавался к катодам воздух, установлен анод (1). ВАИТ же активируется не заливкой электролита, а погружением в электролит. Электролит предварительно заливается и хранится в перерыве между разрядами в баке (6), который разделен на 6 не связанных между собой секций. В качестве бака используется моноблок аккумулятора 6СТ-60ТМ.

1 - анод, 4 - катодная камера, 2 - катод, 5 - верхняя панель, 3 - полозок, 6 - электролитный бак

Рисунок 3 - Погружаемый воздушно-алюминиевый элемент в панели модуля

Такая конструкция позволяет быстро разбирать батарею, удаляя модуль с электродами, и манипулировать при заливке и выгрузке электролита не с батареей, а с емкостью, масса которой с электролитом составляет 4,7 кг. Модуль объединяет 6 электрохимических элементов. Элементы крепятся на верхней панели (5) модуля. Масса модуля с комплектом анодов 2 кг. Последовательным соединением модулей набирались ВАИТ из 12, 18 и 24 элементов. К недостаткам воздушно-алюминиевого источника можно отнести довольно высокое внутреннее сопротивление, низкую удельную мощность, нестабильность напряжения во время разряда и провал напряжения при включении. Все указанные недостатки нивелируются при использовании комбинированного источника тока (КИТ), состоящего из ВАИТ и аккумулятора.

Комбинированные источники тока

Разрядная кривая "заливаемого" источника 6ВАИТ50 (рис. 4) при заряде герметизированного свинцового аккумулятора 2СГ10 емкостью 10 А·ч характеризуется, как и при питании других нагрузок, провалом напряжения в первые секунды при подключении нагрузки. В течение 10 -15 минут напряжение возрастает до рабочего, которое остается постоянным в течение всего разряда ВАИТ. Глубина провала определяется состоянием поверхности алюминиевого анода и его поляризацией.

Рисунок 4 - Разрядная кривая 6ВАИТ50 при заряде 2СГ10

Как известно, процесс заряда аккумулятора протекает только в том случае, когда напряжение на источнике, отдающем энергию, выше, чем на аккумуляторе. Провал же начального напряжения ВАИТ приводит к тому, что аккумулятор начинает разряжаться на ВАИТ и, следовательно, на электродах ВАИТ начинают протекать обратные процессы, которые могут привести к пассивации анодов.

Для предотвращения нежелательных процессов в цепь между ВАИТ и аккумулятором устанавливается диод. В этом случае разрядное напряжение ВАИТ при заряде аккумулятора определяется не только напряжением аккумулятора, но и падением напряжения на диоде:

U ВАИТ = U АКК + ΔU ДИОД (1)

Введение в цепь диода приводит к увеличению напряжения как на ВАИТ, так и на аккумуляторе. Влияние наличия диода в цепи иллюстрирует рис. 5, на котором представлено изменение разности напряжений ВАИТ и аккумулятора при заряде аккумулятора попеременно с диодом в цепи и без него.

В процессе заряда аккумулятора в отсутствии диода разность напряжений имеет тенденцию к уменьшению, т.е. снижению эффективности работы ВАИТ, в то время как в присутствии диода разность, а, следовательно, и эффективность процесса имеет тенденцию к возрастанию.

Рисунок 5 - Разность напряжений 6ВАИТ125 и 2СГ10 при заряде с диодом и без него

Рисунок 6 - Изменение токов разряда 6ВАИТ125 и 3НКГК11 при электропитании потребителя

Рисунок 7 - Изменение удельной энергии КИТ (ВАИТ - свинцовый аккумулятор) с увеличением доли пиковой нагрузки

Для средств связи характерно потребление энергии в режиме переменных, в том числе пиковых, нагрузок. Такой характер потребления был смоделирован нами при электропитании потребителя c базовой нагрузкой 0,75 А и пиковой 1,8 А от КИТ, состоящего из 6ВАИТ125 и 3НКГК11. Характер изменения токов генерируемых (потребляемых) составляющими КИТ, представлен на рис. 6.

Из рисунка видно, что в базовом режиме ВАИТ обеспечивает генерацию тока, достаточную для питания базовой нагрузки и заряда аккумулятора. В случае пиковой нагрузки потребление обеспечивается током, генерируемым ВАИТ и аккумулятором.

Проведенный нами теоретический анализ показал, что удельная энергия КИТ является компромиссной между удельной энергией ВАИТ и аккумулятора и возрастает с уменьшением доли пиковой энергии (рис. 7). Удельная мощность КИТ выше удельной мощности ВАИТ и возрастает с увеличением доли пиковой нагрузки.

Выводы

Созданы новые источники тока на основе электрохимической системы "воздух-алюминий" с раствором поваренной соли в качестве электролита, энергоемкостью около 250 А·ч и с удельной энергией свыше 300 Вт·ч/кг.

Заряд разработанных источников осуществляется в течение нескольких минут путем механической замены электролита и/или анодов. Саморазряд источников ничтожен и поэтому до активации они могут храниться в течение 15 лет. Разработаны варианты источников, отличающиеся способом активации.

Исследована работа воздушно-алюминиевых источников при заряде аккумулятора и в составе комбинированного источника. Показано, что удельная энергия и удельная мощность КИТ являются компромиссными величинами и зависят от доли пиковой нагрузки.

ВАИТ и КИТ на их основе абсолютно автономны и могут использоваться для электропитания не только средств связи, но и питания различной бытовой аппаратуры: электромашин, светильников, маломощных холодильников и пр. Абсолютная автономность источника позволяет использовать его в полевых условиях, в регионах, не имеющих централизованного электроснабжения, в местах катастроф и стихийных бедствий.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Патент РФ № 2118014. Металло-воздушный элемент./ Дьячков Е.В., Клейменов Б.В., Коровин Н.В.,// МПК 6 Н 01 М 12/06. 2/38. прогр. 17.06.97 опубл. 20.08.98
2. Korovin N.V., Kleimenov B.V., Voligova I.A. & Voligov I.A.// Abstr. Second Symp. on New Mater. for Fuel Cell and Modern Battery Systems. July 6-10. 1997. Montreal. Canada. v 97-7.
3. Коровин Н.В., Клейменов Б.В. Вестник МЭИ (в печати).

Работа выполнена в рамках программы "Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники"