Реферат: Ртутно-цинковые элементы
Реферат: 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 3¸5 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 |
Страницы: 1, 2
|
|