Химические источники тока

В качестве хими­ческих источников используют гальванические элементы, аккуму­ляторы и топливные элементы. Гальваническими элементами на­зываются одноразовые химические источники тока. Они отдают во внешнюю цепь энергию, запасенную в активных массах элек­тродов в процессе изготовления, при этом имеют место необрати­мые химические процессы.

Наибольшее применение для питания аппаратуры связи нашли сухие элементы марганцево-цинковые (МЦ) и воздушно-марганцево-цинковые (ВМЦ). Конструктивно они выполняются в виде ста­канчиков и галет.

Отрицательным электродом в гальванических элементах МЦ и ВМЦ является цинк, выполненный в виде коробки (стакана), слу­жащей сосудом элемента при «стаканчиковой» конструкции и в виде пластины при галетной конструкции.

Активным материалом положительного электрода является дву­окись марганца (MnO₂), которая для повышения электропроводности смешивается с графитом. Смесь располагается вокруг угольного электрода.

Между положительным и отрицательным электродами помещается электролит — раствор нашатыря (NH₄Cl), для сгущения которого добавляется мука или крахмальный клейстер.

ЭДС гальванического элемента зависит от материалов электродов и от концентрации электролита, и не зависит от размеров элемента.

Для МЦ и ВМЦ элементов ЭДС имеет величину 1,3—1,6 В в на­чале разряда.

Электрический ток во внешней цепи обусловлен переносом элек­тронов с отрицательного электрода на положительный, а внутри элемента переносом ионов электролита.

В процессе разряда гальванического элемента ионы водорода соединяются с ионами; кислорода, в результате, чего образуются молекулы, воды (Н₂О).

Элементы ВМЦ содержат активированный уголь, значительно повышает интенсивность превращения ионов водорода в молекулы воды. Благодаря этому, ВМЦ элементы обладают большей емкостью, чем МЦ элементы при оди­наковых габаритах.

Емкость гальванических элементов и аккумуляторов выражает­ся в ампер-часах (А*ч), т. е, определяется как произведение тока, нагрузки на время, в течение которого элемент отдает электричес­кую энергию. Емкость элемента зависит от его конструкции (от количества активных материалов электродов, и электролита), от температуры окружающей среды (с понижением температуры емкость уменьшается) и от тока нагрузки (при увеличении тока нагрузки емкость уменьшается, так как часть активных материа­лов не успевает участвовать в реакциях). Удельная емкость МЦ элементов, т. е. количество А*ч на килограмм массы составляет (35—40) А*ч/кг. Удельная энергия МЦ элементов, т.е. количество Вт*ч на килограмм массы составляет (45—60) Вт*ч/кг, а для ВМЦ— (55—60) Вт*ч/кг.

Недостатками МЦ и ВМЦ сухих элементов и батарей явля­ются: саморазряд их в процессе хранения, большие пределы изменения напряжения при разряде, низкая удельная энергия на еди­ницу массы и объема.

Значительно лучше по своим техническим и эксплуатационным характеристикам окисно-ртутные элементы РЦ, у которых отрица­тельным электродом является цинк, а положительным — окись рту­ти. В качестве электролита используют раствор, едкого калия, ЭДС такого элемента составляет 1,35 В. Удельная энергия на еди­ницу массы — 68 Вт*ч/кг, удельная энергия на единицу, объема -300 Вт*ч/дм3 (вместо105 Вт*ч/дм3 для ВМЦ элементов). Они имеют значительно меньшее внутреннее сопротивление. Однако они значительно дороже МЦ и ВМЦ элементов.

Ввиду дефицитности и высокой стоимости цинка желательно использовать в качестве отрицательного электрода какой-либо другой металл, например, железо. Железо — угольные щелочные эле­менты ВДЖ применяются для питания радиоустройств в трудно­доступных для обслуживания местностях. Однако замена цинка железом приводит к уменьшению ЭДС элемента. Начальное на­пряжение ВДЖ элемента 0,75 В, напряжение в конце разряда - 0,45 В. Элементы ВДЖ допускают длительное хранение и нормаль­но работают при температурах выше 0°С. Удельная энергия на единицу объема и массы ВДЖ элементов выше, чем у ВМЦ элементов.

В настоящее время ведутся разработки по улучшению техничес­ких и эксплуатационных характеристик топливных элементов. Они, как и гальванические элементы, преобразуют химическую энергию в электрическую. В отличие от последних, запас энергии, у которых сосредоточен внутри самого элемента, в топливных элементах осу­ществляется непрерывная подача активных веществ из внешних хранилищ в зону, где происходит электрохимическая реакция и отвод продуктов, получившихся при этой реакции.