Kitobni o'qish: «Электрохимические технологии и материалы»

Предисловие

В предлагаемом учебном пособии рассматриваются основы некоторых электрохимических технологий, а также критерии подбора применяемых в них материалов. Электрохимические методы широко используются в различных отраслях промышленности. Они имеют существенные преимущества перед химическими. Электрохимические способы полностью вытеснили химическое получение алюминия, магния, натрия, хлора, перекисных соединений и некоторых других.

Несомненными достоинствами электрохимического способа синтеза считаются высокая чистота продуктов, возможность применения более дешевого сырья и получение ценных побочных веществ. Недостатками являются большой расход электроэнергии и ограниченная скорость некоторых электрохимических процессов.

Ряд электрохимических технологий широко освещен в монографиях, учебниках и справочниках. В то же время учебные пособия по основным разделам прикладной электрохимии в последние 30 лет в нашей стране не издавались.

В пособии рассмотрены материалы и принципы создания электрохимических технологий, электролиз водных растворов и расплавов, анодная обработка материалов, электрохимический синтез ряда неорганических и органических веществ, основы гидроэлектрометаллургии и химические источники тока.

Пособие предназначено для студентов старших курсов бакалавриата и специалитета, обучающихся по направлениям подготовки 04.03.01 – Химия и 04.05.01 – Фундаментальная и прикладная химия.

Глава 1. Материалы и создание электрохимических технологий

Практическая реализация электролиза или генерирования электроэнергии проводится в электрохимических реакторах (ячейки, ванны, батареи, электрохимические станки и др.). Наиболее распространен реактор с плоскопараллельными, чередующимися катодами и анодами. Электроды одинаковой полярности включены параллельно [1–4].

Максимальная электрическая мощность единичной электрохимической ячейки и токовая нагрузка меняются в широких пределах. Соответственно и размеры электролизеров, вид и площадь поверхности электродов изменяются от микрона до нескольких метров.

Многие электрохимические процессы проводятся в концентрированных растворах кислот, щелочей или солей. Указанные электролиты обладают повышенной коррозионной активностью. В связи с этим материалы, из которых изготовлены электролизеры, должны обладать высокой коррозионной стойкостью. Для щелочных электролитов рекомендуется применять малолегированные стали, для кислых или концентрированных растворов солей – высоколегированные нержавеющие стали или полимерные конструкционные материалы. В качестве материала всё большее применение находит фторопласт [2–4].

Важное значение для электрохимических процессов имеет выбор конструкции и материала электродов. От данного выбора зависят не только технологические, экономические показатели производства (удельная затрата электроэнергии, селективность процесса, выход целевого продукта по току, чистота получаемых веществ), направление протекания процесса, но и затраты на организацию производства и ремонтные работы [2].

Каждое электрохимическое производство имеет свои индивидуальные характеристики, а также требования к условиям проведения, материалу, конструкции электродов и устройству самого электролизера.

Например, некоторые производства требуют минимального напряжения, поэтому материалы катода и анода должны иметь более низкое перенапряжение протекающих на электродах процессов. Если необходимы высокие значения электродных потенциалов, то подбирают такие материалы для катода и анода, чтобы перенапряжение выделения водорода и, соответственно, кислорода было максимально большим.

Свойствами материалов определяются не только кинетика протекающих процессов и энергетические показатели, но и конструктивные формы электродов и электролизера. При выборе электродных материалов учитывают их стойкость и стоимость.

В выборе материала катода обычно проблем не возникает. При электрохимическом получении хлора, хлорсодержащих продуктов, щелочи, водорода и кислорода на катоде протекает восстановление водорода. В большинстве случаев материалом для катода служит сталь, которая достаточно устойчива в применяемых электролитах. В сильно агрессивных кислых средах используют графитовые катоды. В некоторых случаях в электролит вводят добавки, образующие на катоде пленки и препятствующие восстановлению получаемых продуктов. Для уменьшения потенциала разряда водорода на катод наносят слой активного покрытия [1].

Наибольшие трудности возникают при выборе материала анода. Выбор анодных материалов ограничен высокой коррозионной активностью среды. Лучшими анодами являются аноды из платины или ее сплавов, но стоимость их высока. В хлорном производстве платиновые аноды были заменены на графитовые. Эти электроды достаточно быстро изнашиваются, их замена вызывает перерывы производственного цикла и требует дополнительные затраты.

Продукты коррозии электродов загрязняют электролит и получаемые продукты. В связи с этим к электродным материалам предъявляется и требование: они должны иметь малую скорость саморастворения и практически не растворяться при прекращении электролиза. Полностью нерастворимых анодов нет и каждый вид материала имеет свои границы устойчивости. Не допускается работа анодов в критических к ним условиям.

Помимо платины в качестве анодов используют металлы IV и V групп периодической системы элементов Д. И. Менделеева и их сплавы. Из-за образования на поверхности анода оксидного слоя, имеющего полупроводниковые свойства, указанные металлы переходят в пассивное состояние. В качестве анода активно работает поверхностная оксидная пленка, роль металла сводится к подводу тока. Оксидные слои, формирующиеся на металлах платиновой группы, проводят ток и служат активным покрытием анода. В некоторых средах в качестве анода можно использовать никель, свинец и оксиды рутения, свинца и марганца [1–4].

Находят применение составные электроды. Они представляют собой композицию, состоящую из пассивирующегося металла, на который наносят активный слой, работающий в качестве анода. Хорошим материалом для анодной основы является титан, имеющий высокую коррозионную стойкость и подвергающийся разной механической обработке. На титановую подложку наносят активную массу, которая выступает в роли анода. На свободной поверхности титана создается запорный пассивный слой, предотвращающий растворение.

Активный слой может состоять из металлов платиновой группы и оксида одного металла или смешанных оксидов с достаточной электронной проводимостью (PbO₂, MnO₂, RuO₂ и др.). Срок службы составных электродов определяется природой, коррозионной стойкостью активного покрытия и его пористостью. Толщина активного слоя составных электродов и способы нанесения зависят от типа покрытия, коррозионной стойкости и области применения анода. Толщина платинового или слоя оксида рутения может меняться от десятых долей до нескольких микрон, а толщина оксидно-марганцевого, магнетитового или оксидно-свинцового покрытия должна быть 2–4 мм.

Металлические покрытия наносят, как правило, гальваническим способом, применяют также приварку тонкой фольги и разные виды напыления. Оксидные слои наносят электрохимическим (PbO₂), термохимическим (RuO₂, MnO₂) способами или нанесением металлического покрытия с последующим окислением.

Большое распространение в последнее время находят окисно-рутениевотитановые аноды (ОРТА). Металлическая титановая основа делает их удобными для изготовления электродов промышленных электролизеров. Созданы компактные и проницаемые для газа электроды, которые обеспечивают отвод выделяющихся на аноде газов на обратную сторону электрода. Срок службы таких электродов выше графитовых. Они имеют постоянные размеры и электрохимические характеристики, что позволяет сохранять необходимое напряжение и выход целевого продукта. Вместо титана в качестве подложки используют и биметаллические композиции.

Преимуществом ОРТА является высокая селективность и больший выход по току многих продуктов по сравнению с другими анодами.

К недостаткам электрода относят сравнительно высокую стоимость. Окисно-рутениевотитановые аноды не являются универсальными электродами. При неправильной эксплуатации они могут разрушаться. Эти электроды не рекомендуется использовать в условиях, когда возможна временная или периодическая катодная поляризация анода. При катодной поляризации нарушается пассивация ОРТА и они выходят из строя.

Механизм выделения кислорода на аноде существенно зависит от состава электролита, pH и материала анода [4]. Восстановление кислорода связано с природой частиц, адсорбирующихся на аноде, что ведет к изменению его состояния и потенциала выделения О₂. Например, потенциал разряда кислорода в сильнощелочных средах на Pt-, MnO₂– и PbO₂-анодах меньше, чем в кислых. Меняется и перенапряжение выделения кислорода в зависимости от материала анода. При равных условиях, потенциал выделения кислорода в кислых средах на анодах из PbO₂ выше, чем на платине, а в щелочных средах – наоборот. Из-за разного механизма выделения кислорода в сильнощелочных средах на графитном аноде практически не реализуется окисление графита, в то время как в кислых средах при разряде молекул воды с образованием атомарного кислорода наблюдается интенсивное окисление с образованием СО2.

Технологические и технико-экономические показатели работы электролизеров существенно зависят от конструкции электродов. Она должна обеспечивать достаточно развитую поверхность для интенсификации процесса и создания компактных электролизеров. Работающие поверхности электродов должны быть максимально сближены, а межэлектродное расстояние (МЭР) по всей поверхности электродов должно быть одинаковым. В разных вариантах МЭР колеблется от долей миллиметра до нескольких сантиметров [4]. Его увеличение приводит к росту омических потерь, уменьшение ведет к возможности короткого замыкания или к изменению концентрации реагирующих веществ. В электролизерах с изнашивающимися электродами предусматривается специальная система для возобновления МЭР по мере износа электродов [1].

В целях снижения потерь напряжения необходимо учитывать и отвод газов из зоны прохождения тока по электролиту. Конструкция электродов должна способствовать как внутренней циркуляции электролита в электролизере, так и внешней, необходимой для поддержания теплового режима. Желательно, чтобы электроды были просты в изготовлении, удобными при транспортировке, монтаже и хранении. В большинстве случаев конструкция электродов и материал, из которого они изготавливаются, определяется спецификой электрохимического процесса.

Электроды бывают гладкие, жидкие, кусковые и пористые [2].

По типу включения различают монополярные и биполярные электроды. У монополярных электродов вся поверхность поляризуется одним знаком, требования к материалу и поверхности электрода одинаковы для всех его частей. В биполярных системах одна часть электрода работает как катод, другая как анод. Требования к материалу и активно работающей поверхности частей электрода разные. Обе части этого электрода должны быть надежно электрически соединены с возможно меньшим сопротивлением.

Геометрические формы электродов очень разнообразны и зависят от ряда факторов. Встречаются плоские, перфорированные, пластинчатые, сетчатые и жалюзийные электроды. В ряде случаев электроды используют для регулирования теплового режима и их выполняют как теплообменники. В таких электродах предусмотрена система каналов для протока регулирующих температуру агентов.

Получили распространение электроды, проницаемые для газов и жидкости, что используется для отвода газовых и жидких продуктов электролиза.

Между разноименными электродами часто помещают сепараторы (разделители) из диэлектрических материалов. Они могут использоваться для предотвращения случайного соприкосновения электродов, а также разделения анолита и католита. Сепараторы не должны сильно увеличивать омические потери, должны быть устойчивы к применяемым электролитам, термическим условиям и механической нагрузке [2–4].

Применяют сепараторы из вулканизированного каучука, пластмассы и стекловолокна. Широкое распространение в настоящее время получили ионно-обменные мембраны, которые играют роль сепараторов. Они используются в системах очистки воды, получения чистых растворов, обессоливания и др. [1].

Проблема разработки новых материалов, используемых в качестве катодов или анодов, находится в центре внимания исследователей. Работы по созданию и проверке новых коррозионностойких катодных и анодных материалов ведутся постоянно.

Глава 2. Химические источники тока

2.1. Классификация и основные характеристики ХИТ

Химическими источниками тока (ХИТ) называют электрохимические системы, превращающие химическую энергию в электрическую [2–8].

По характеру работы ХИТ различают:

1) первичные источники тока, их активные вещества однократно используются;

2) вторичные ХИТ или аккумуляторы. Активные вещества, потраченные при разряде, могут быть восстановлены зарядом от внешнего источника постоянного тока;

3) топливные элементы или электрохимические генераторы. Активные вещества подводятся к электродам непрерывно, чем обусловливается бесперебойная работа элемента [4–6].

Электрические характеристики ХИТ

Важными характеристиками элементов являются их электродвижущая сила (ЭДС) или напряжение разомкнутой цепи (U_рц), т.е. разность потенциалов электродов, измеренная при отсутствии тока во внешней цепи, и напряжение при работе источника, т.е. при замкнутой цепи. Различают начальное, конечное и среднее напряжение при разряде или заряде.

Напряжение при разряде U_р меньше U_рц поскольку потенциалы электродов при разряде меньше, чем при разомкнутой цепи, а часть ЭДС теряется на преодоление внутреннего сопротивления элемента.

где Е_а и Е_к– потенциалы электродов при разряде; I – ток разряда; r – внутреннее сопротивление ХИТ; R – внешнее сопротивление или нагрузка при разряде.

При заряде напряжение больше U_рц.

где Е`<sub>а</sub> и `Е_к – потенциалы электродов при заряде; I` – ток заряда.

Внутренне омическое сопротивление источника складывается из омического сопротивления электродов, сопротивления электролита и сепараторов. Его значение зависит от режима разряда. При разряде малыми токами внутреннее сопротивление не велико, а при больших плотностях тока может оказаться значительным. Внутреннее сопротивление стремятся сделать небольшим. Для этого уменьшают межэлектродное расстояние, используют электролит с высокой проводимостью и выбирают реакции, протекающие с большей скоростью.

Следующие важные характеристики ХИТ – емкость и энергия. Емкость – количество электричества, которое отдает химический источник тока при разряде в заданных условиях. Если элемент разряжается током I (А) в течение времени τ (ч), то емкость равна (в А ∙ ч):

При разряде на внешнее сопротивление (R) сила тока во времени меняется и емкость определяется как

При разряде напряжение падает, поскольку растут со временем поляризация и омическое сопротивление. График изменения U_р за время разряда ХИТ τ_р и изменения U_з за время его заряда τ_з при постоянной силе тока называют разрядно-зарядной характеристикой аккумулятора (рис. 1).

Рис. 1. Зарядно-разрядная характеристика ХИТ

Энергия – количество энергии, которое при разряде ХИТ отдает во внешнюю цепь. Это произведение разрядной емкости на среднее напряжение. При разряде элемента постоянная сила тока описывается уравнением (6), а при разряде на постоянное внешнее сопротивление рассчитывают по выражению (7):

При определении емкости от элемента отбирается меньшее количество электричества, чем можно получить при полном разряде, т. е. при снижении разрядного напряжения до нуля. Практический интерес представляет разряд до тех пор, пока его напряжения достаточно для обеспечения работы прибора, потребляющего электроэнергию.

Емкость зависит от условий эксплуатации ХИТ. При интенсивном разряде в короткое время сказывается отрицательное влияние поляризации, но уменьшаются потери емкости из-за саморазряда. При длительном разряде относительная потеря емкости за счет саморазряда растет. Максимальную емкость элемент имеет при определенном режиме, характерном для каждого ХИТ.

Удельная энергия – энергия источника, отнесенная к единице массы или объема активного вещества. Сравнения между собой элементов различных типов и размеров проводят по кривым, которые характеризуют зависимость удельной емкости от удельной мощности. У всех элементов с увеличением удельной мощности снижается удельная энергия. Желательно, чтобы снижение было минимальным.

Сохранность и саморазряд. Саморазряд – это химические реакции, приводящие к потере емкости при хранении элемента. Его скорость позволяет судить о степени сохранности источника. Саморазряд характеризуется остаточной емкостью после определенной продолжительности хранения. Его могут вызывать:

– катионы металлов, имеющие более положительный потенциал, чем металл анода. Катионы восстанавливаются, возникают коротко замкнутые пары, которые способствуют коррозионному разрушению анода;

– ионы переменной валентности, например Fe²⁺и Fe³⁺. Ионы Fe³⁺ восстанавливаются до Fe²⁺ на аноде, вызывая коррозию. Ионы Fe²⁺ у катода окисляются деполяризатором, вновь образуются катионы трехвалентного железа и взаимодействуют с анодом;

– соприкосновение металла с растворами разной концентрации ведет к образованию короткозамкнутых концентрационных элементов, а местные пары могут возникать и при неоднородности электрода;

– наличие окислителя или саморазряд анода, например, при доступе воздуха к цинковому аноду:

– наличие восстановителя или саморазряд катода.

По заряд-разрядным кривым можно рассчитать значения емкости, энергии, коэффициента полезного действия ХИТ при его эксплуатации в конкретном режиме. Разница значений начального U_рн и конечного U_рк напряжений разряда может быть достаточно большой (см. рис. 1), поэтому для расчетов часто используют средние напряжения разряда U_ср.р.

Напряжение разряда ХИТ зависит от технологических особенностей, температуры, режима разряда, а также конструкции источника тока.

2.2. Первичные химические источники тока

К первичным ХИТ относятся источники тока, активные вещества которых используются однократно. Рассмотрим особенности конструкции таких элементов, механизмы токообразующих процессов и эксплуатационные характеристики ХИТ данного типа.

Сухие марганцово-цинковые (МЦ) элементы

Первичные сухие ХИТ выпускаются промышленностью с не проливающимся электролитом (загущенным крахмалом, мукой, карбоксиметилцеллюлозой (КМЦ)). Типичным представителем сухих ХИТ являются МЦ-элементы стаканчиковой и галетной конструкций, в которых используют солевые (NH₄Cl) и щелочные (NaOH, KOH) электролиты [4–6]. Схематически их можно представить так:

Активными веществами анода и катода являются цинк Zn и диоксид марганца MnO₂ соответственно. Концентрация щелочного электролита составляет 6–10 М, что отвечает максимуму электропроводности и минимальной температуре замерзания раствора.

Устройство щелочного марганцово-цинкового элемента показано на рис. 2. Цинковый анод располагается в цилиндрической камере внутри элемента и представляет собой пасту на основе порошка цинка. Пространство между сепаратором и корпусом заполняется смесью диоксида марганца с угольным порошком – это активная катодная масса. В качестве положительного коллектора тока служит стальной корпус элемента. Сепаратор, а также анодная и катодная активные массы пропитаны электролитом для снижения внутреннего сопротивления элемента.

Рис. 2. Схема щелочного марганцово-цинкового элемента

Диоксид марганца восстанавливается на катоде. В щелочных растворах реакция протекает с участием молекул воды:

Потенциал электрода зависит от активностей MnО₂ и MnOOH [4].

На поверхности зерна положительной активной массы, в которую для повышения ее электропроводности добавляют графит (рис. 3), образуется фаза переменного состава хMnOOH(1–x)MnO₂.

Рис. 3. Активная масса положительного электрода МЦ-элемента

После насыщения ею поверхностного слоя активной массы система становится неравновесной, идет диффузия протонов вглубь зерна, постепенно восстанавливаются глубинные слои активной массы [5, 6].

Из-за замедленности диффузии в твердой фазе концентрация манганита в поверхностном слое и в объеме активной массы выравнивается только после включения нагрузки.

Анодное растворение цинкового электрода в щелочных растворах имеет свои особенности. Первичный процесс

связан с расходом относительно большого количества щелочи – двух ионов ОН^– на каждый прошедший электрон. В реакции образуется цинкат K₂[Zn(OH)₄], растворимость которого в щелочных растворах менее 1–2 М. После насыщения раствора цинкатом на поверхности цинка начинается осаждение гидроксида цинка:

и первичный процесс прекращается. Следовательно, емкость цинкового электрода определяется количеством щелочи.

При малой плотности тока электрод работает и в насыщенном цинкатном растворе. Вторичный процесс идет с образованием нерастворимых соединений цинка:

Расход ионов ОН^– во вторичном процессе сокращается вдвое по сравнению с первичным и практически в процессе щелочь вообще не расходуется. Для работы элемента необходим небольшой объем электролита, который затрачивается на заполнение межэлектродного пространства и пор электродов.

В современных щелочных марганцово-цинковых элементах преимущественно используется вторичный процесс окисления цинка. Применяются порошковые пастообразные цинковые электроды. За счет большой площади их истинной поверхности резко снижается плотность тока, что является предпосылкой для протекания вторичного процесса. Раствор электролита предварительно насыщают цинкатом за счет растворения в нем оксида цинка.

Суммарные токообразующие реакции в щелочном марганцово-цинковом элементе могут быть представлены следующими уравнениями:

Напряжение разомкнутой цепи щелочного марганцово-цинкового элемента находится в диапазоне 1,5–1,7 В. Как и у всех химических источников тока, емкость элементов с щелочным электролитом уменьшается при увеличении тока разряда.

При непрерывном разряде средними и повышенными токами щелочные элементы обеспечивают емкость до 7–10 раз большую, чем солевые элементы тех же габаритов. Щелочные элементы лучше работают в области низких температур: при –20 °С они обладают такой же емкостью, что и солевые в режиме непрерывного разряда при комнатной температуре.

Скорость побочного коррозионного окисления цинка в растворе щелочного электролита невелика. Выделение водорода на цинке по уравнению

протекает медленно, так как электролит насыщен продуктом коррозии – цинкатом. Для дополнительного снижения скорости коррозии цинк может быть легирован свинцом, индием, висмутом и алюминием, в отдельных случаях вводят ингибиторы коррозии. В итоге скорость саморазряда щелочных марганцово-цинковых элементов очень мала: после 1 года хранения при 20 °С потери емкости не превышают 10 % от начального значения. Гарантийный срок хранения щелочных элементов достигает 10 лет.

Щелочные марганцово-цинковые элементы применяются для электропитания устройств с высоким токопотреблением – фотовспышка, мощный электрический источник света, или требующих длительного непрерывного разряда – цифровые фотоаппараты, плейеры, диктофоны.

Первичные ХИТ с литиевыми анодами

Первичные ХИТ с литиевыми анодами считаются в настоящее время наиболее перспективными, что обусловливается уникальными свойствами лития.

Литий имеет высокий электроотрицательный потенциал и обладает наименьшим теоретическим расходом металла на единицу емкости. Литий имеет низкое удельное сопротивление и высокую химическую активность. Он корродирует в газах, энергично реагирует с водой:

Поверхность лития покрывается слоем оксида или гидроксида и пассивируется. Чистый металл может реагировать с большинством органических и неорганических веществ. Это ограничивает выбор активных масс, электролитов, конструкции литиевых элементов и условия их производства.

Для работы с литием используют атмосферу сухого инертного газа, а содержание воды в апротонных растворителях и солях лития жестко контролируется. В ХИТ с литиевыми анодами применяют и расплавы чистых солей или их эвтектических смесей.

Катодной активной массой в литиевых ХИТ служат оксиды металлов (V₂O₅, MnO₂,WO₃, CuO, TiO₂, MoO₃) и некоторых неметаллов (SOCl₂, SO₂), а также фториды углерода, халькогениды, сульфиды железа, меди или титана. В большинстве случаев процессы восстановления активной массы происходят в твердой фазе. Литий ведет себя как электрод первого рода.

Механизм восстановления оксидов в апротонных безводных растворителях отличается от процессов восстановления в водной среде тем, что роль катиона водорода играет катион лития, который внедряется в кристаллическую решетку оксида:

Внедрение катиона лития в нестехиометрические оксиды происходит без нарушения строения кристаллической решетки [4]. Для оксидов с малым объемом элементарной ячейки кристалла внедрение Li⁺ сопровождается ее разрушением.

На процессы электровосстановления катодных материалов оказывает влияние природа растворителя.

Элементы на основе апротонных растворителей, в которых используется диоксид марганца, широко применяются в радиоэлектронной и вычислительной аппаратуре. Они имеют большую удельную энергию, малый саморазряд, хорошо сохраняются и работают в достаточно широком диапазоне температур.

Наряду с неводными органическими, в литиевых гальванических элементах используются и неорганические растворители. Литий-тионилхлоридный элемент отличается тем, что SOCl₂ служит как в качестве окислителя, так и растворителя для тетрахлоралюмината лития LiAlCl₄. Катодная и токообразующая реакции описываются уравнениями:

Электрохимическая система элемента:

При номинальном стабильном напряжении 3,4 В и хороших эксплуатационных характеристиках – мощности, сроке годности и низкотемпературных характеристиках, такой элемент обеспечивает потребности в электропитании многих военных и космических аппаратов. Однако его применение в бытовой технике сильно ограничено из-за токсичности тионилхлорида, а также высокой пожаро- и взрывоопасности элемента.

Твердотельный литий-йодный элемент используется для питания имплантируемых электрокардиостимуляторов. Обеспечивая малый ток, он является компактным, безопасным и надежным. Электрохимическая система элемента может быть записана в следующем виде:

Токообразующая реакция в элементе является полностью твердофазной:

Катод – смолистый материал, который образуется при реакции полимера поли-2-винилпиридина с избытком йода, с формулой (mI₂∙[CH₂CH(C₅H₅N)]_n). Соединение обладает заметной электронной проводимостью. Литий-йодный элемент содержит слой этого вещества на литиевой фольге.

Твердый электролит – иодид лития формируется в ходе разряда элемента на стыке между электродами и постепенно увеличивается в толщину в ходе разряда. Образующийся слой имеет достаточную проводимость, чтобы обеспечить гарантированную работу устройства в течение не менее 8 лет.

Эффективность характеристик первичных ХИТ с литиевыми анодами снижается в зависимости от катодных материалов в ряду:

ХИТ с твердым электролитом

Твердые электролиты, применяемые в ХИТ, не должны иметь смешанную ионно-электронную проводимость, которая способствует возникновению коротких замыканий в элементе.

Достаточно высокую ионную проводимость при комнатной температуре имеют двойные соли на основе хорошо проводящих ток иодидов серебра RbAg₄I₅ [4]. В качестве катодных активных веществ и анодов используют полииодиды и серебро соответственно. Известно применение электролитов на основе диоксидов циркония или β-алюминатов натрия.

На основе твердых электролитов, являющихся одновременно и сепараторами, сконструированы низкотемпературные миниатюрные элементы и батареи разной конструкции. Они обладают большой механической прочностью, очень малым саморазрядом и большим сроком службы. В пленочных конструкциях твердый электролит наносят на пластиковую сетку, прижимаемую электродами. Толщина батареи ХИТ, используемой для кардиостимуляторов, при площади электродов 1 см² составляет всего 100 мкм.

Разряд большинства элементов с твердыми электролитами ведут малыми токами, а последовательно соединенные элементы с небольшим разрядным напряжением могут давать высокое напряжение. Подобные ХИТ используют в лабораторной технике для подзаряда конденсаторов, питания приборов с высокими омическими сопротивлениями, в электронных часах, для устройств защиты памяти в ЭВМ. Примеры некоторых электрохимических систем с твердыми электролитами и их характеристики приводятся ниже:

К преимуществам ХИТ с твердыми электролитами следует отнести высокие удельные энергии; пологие разрядные характеристики в широком интервале рабочих температур; практически неограниченный срок годности; миниатюрность и герметичность конструкций, безопасность эксплуатации. Применяют элементы в устройствах с малым потреблением энергии и длительным сроком службы.

2.3. Аккумуляторы

В аккумуляторах используются обратимые электрохимические системы, в которых израсходованные в процессе работы ХИТ активные вещества восстанавливаются при заряде, т.е. пропускании через систему постоянного тока в направлении, противоположном току разряда.

Основными типами вторичных ХИТ являются свинцовые кислотные и щелочные аккумуляторы.

Свинцовые кислотные аккумуляторы

Свинцовые кислотные аккумуляторы, в которых используется электрохимическая система ⊖ Pb |H₂SO₄ | PbO ⊕ c ЭДС и средним напряжением разряда 2,047 и 1,92 В, очень распространены.

Более половины мировой добычи свинца приходится на производство этих аккумуляторов. Популярность свинцовых аккумуляторов связана с стабильными разрядными характеристиками, возможностью эксплуатации в импульсных режимах, работоспособностью в широком температурном интервале и надежностью в работе.

При разряде аккумулятора расходуется серная кислота, и активные массы обоих электродов превращаются в сульфат свинца. Механизм токообразующих реакций описывается уравнениями:

При разряде на отрицательном электроде свинец окисляется, катионы связываются с сульфат ионами и образуется плохо растворимый сульфат свинца. Из-за преобладания у электродов насыщенного раствора сульфата свинца образующаяся соль отлагается на поверхности металлического свинца.

При заряде ионы свинца, адсорбированные на поверхности электрода, восстанавливаются. Наличие твердой фазы PbSO₄ обеспечивает насыщение раствора катионами свинца. На положительном электроде при разряде диоксид свинца в твердой фазе восстанавливается до Pb²⁺. При переходе в раствор катионы связываются в соль и осаждаются на поверхности электрода. При заряде катионы Pb²⁺ отдают электроны, переходят в диоксид и встраиваются в решетку PbO₂. По мере расхода катионов новые порции Pb²⁺ адсорбируются на поверхности оксида, а их концентрация в растворе восполняется из твердой фазы сульфата свинца.

У электродов меняется концентрация серной кислоты. У положительного электрода при разряде образуется, а у отрицательного разлагается вода. Вследствие изменения концентрации серной кислоты меняется и объем электролита. В среднем на отданный ампер-час объем электролита сокращается на 0,8–1 мл, а при заряде увеличивается соответственно.

Емкость зависит от количества и качества положительной и отрицательной активных масс, объема и концентрации электролита, температуры, плотности тока, а также от конструкции аккумулятора. В большой степени емкость определяется толщиной пластин и типом сепараторов. Сепаратор влияет на внутреннее сопротивление аккумулятора и условия массопереноса кислоты к пластинам.

В зависимости от условий разряда емкость аккумулятора ограничивается разными факторами. При необходимом количестве электролита и малых плотностях тока использование активных масс ограничивается пассивацией электродов. При больших плотностях тока пассивация усиливается, из-за замедленности диффузии возникает локальное снижение концентрации кислоты в порах. При низких температурах емкость ограничивается пассивацией отрицательного электрода. В зависимости от конструкции и условий разряда емкость могут ограничивать либо оба электрода, либо один электрод.

От условий разряда зависит размер и характер кристаллов PbSO₄. При образовании тонкого и сплошного слоя сульфат свинца изолирует активную массу от контакта с электролитом. Пассивация наступает раньше. Чем выше плотность тока разряда, тем больше сульфата свинца образуется на единице поверхности. При образовании крупных кристаллов для изоляции необходимо больше сульфата свинца. На поверхности, где он не отложился, растет плотность тока и потенциал электродов меняется. Рост крупных кристаллов протекает медленно и при увеличении плотности тока часть соли расходуется не на рост, а на образование новых кристаллов. С возрастанием концентрации кислоты увеличивается вязкость раствора, а растворимость сульфата свинца снижается. Это способствует образованию мелких кристаллов и усилению пассивации при разряде. Снижение температуры способствует пассивации, поскольку вязкость электролита уменьшается и замедляется рост кристаллов соли.

Для повышения степени использования отрицательной активной массы необходимо уменьшить ее пассивацию. Для этого в массу вводят депассиваторы, например, сульфат бария или некоторые органические вещества. Сульфат бария изоморфно кристаллизуется с сульфатом свинца. В присутствии мелкодисперсного BaSO₄ кристаллы сульфата свинца растут не на поверхности свинца, а на поверхности сульфата бария. Свинец медленнее покрывается слоем соли и пассивация наступает позже. Органические депассиваторы, адсорбируясь на поверхности свинца, меняют условия кристаллизации соли.

Замедления пассивации можно достигнуть уменьшением плотности тока при разряде путем увеличения истинной площади поверхности свинца при неизменных габаритах электрода. Для увеличения истинной поверхности свинца и предотвращения сжатия активной массы при заряде-разряде в массу вводят расширители, чаще это те же вещества, что и депассиваторы. Сульфат бария препятствует уменьшению поверхности свинцовой губки потому, что при заряде кристаллы свинца растут в том направлении, откуда к поверхности диффундируют катионы свинца, количество которых в электролите ограничено. При заряде кристаллы свинца вытягиваются по направлению к удаленным от поверхности кристаллам PbSO₄ и получаются более разветвленными. При большом количестве расширителей отрицательный электрод не только не дает усадки, но и может разбухать. Для того чтобы масса не отслаивалась, ее плотно прижимают к пластине сепаратором.

Для уменьшения пассивации положительного электрода депассиваторы использовать не выгодно. Для улучшения степени использования положительной активной массы увеличивают ее пористость и меняют условия разряда. Диоксид свинца существует в двух модификациях. Удельная емкость при использовании β-PbO₂ в 1,5–1,8 раза выше, чем для α-PbO₂. При высоких концентрациях кислоты и повышенных плотностях тока эта разница еще выше. Различия связаны с тем, что истинная поверхность порошкообразной β-PbO₂ существенно выше, чем у α-PbO₂, причем модификации по-разному покрываются солью. На β-модификации формируются крупные кристаллы сульфата и сплошной изолирующей пленки не образуется. Кристаллохимическое сродство между решетками α-PbO₂ и сульфата свинца способствует отложению плотного тонкого слоя пассивирующей пленки. При циклировании α-PbO₂ постепенно переходит в β-PbO₂.

Широкое применение свинцовых аккумуляторов обусловливает необходимость рассмотрения причин возможных их неисправностей.

Основные неисправности свинцовых кислотных аккумуляторов

Коррозия решеток положительных пластин из-за неустойчивости свинца при высоких анодных потенциалах. Во время зарядов – разрядов поверхность свинцовой решетки периодически обнажается из-за объемных изменений при переходе диоксида свинца в сульфат и обратно и контактирует с кислотой. Окисление металла происходит и под действием выделяющегося на оксиде кислорода, который проникает в кристаллическую решетку PbO₂ и способствует дальнейшему окислению свинца. Для предотвращения коррозии свинец легируют сурьмой, серебром, добавками мышьяка, кальция, таллия и др. Введенные компоненты изменяют структуру свинца, делают ее более мелкозернистой. Продукты коррозии полностью экранируют межкристаллитное пространство от коррозионно-активных веществ и предохраняют металл от дальнейшего разрушения. Кроме этого, добавки сурьмы, серебра и мышьяка улучшают адгезию анодно-образующихся пленок к металлу.

Оплывание положительной активной массы уменьшается при низких плотностях тока разряда, при повышении температуры и понижении концентрации H₂SO₄. Оплывание резко увеличивается при попадании в активную массу положительной пластины следов BaSO₄. Из-за изоморфности кристаллов PbSO₄ и BaSO₄ при разряде PbO₂ на частицах BaSO₄ растут «друзы» кристаллов сульфата свинца. Кристаллы оксида свинца опадают на дно аккумулятора и не участвуют в последующем токообразующем процессе.

Оплывания положительной активной массы предотвращают разделением линий производства положительных и отрицательных пластин, плотной сборкой блока пластин, применением дополнительных сепараторов, а также введением в пасту фторопласт или синтетических волокон.

Вредная сульфатация отрицательных пластин. Сульфатация проявляется в «плавающей» емкости при разряде и преждевременном выделении газа при заряде. Отрицательные пластины покрываются сплошным твердым слоем PbSO₄. Причина вредной сульфатации – поляризация пластин из-за адсорбции поверхностно-активных загрязнений при длительном хранении незаряженного аккумулятора. Ей способствуют систематические недозаряды аккумулятора и повышенный саморазряд. Восстановление пластин, покрытых плотным сульфатом, проводят длительными, многократными зарядами током малой величины в разбавленной серной кислоте.

Короткие замыкания положительных и отрицательных пластин. Предотвратить их можно применением мелкопористой сепарации, а также созданием на дне аккумуляторных емкостей шламового пространства.

Саморазряд свинцовых кислотных аккумуляторов достигает 30 % в месяц и обеспечивается самопроизвольно протекающими химическими реакциями:

Саморазряд увеличивается в присутствии добавок серебра и сурьмы, снижающих перенапряжение выделения газов на электродах. Легирование решеток пластин серебром используют при производстве стартерных аккумуляторов. Способствует саморазряду возникновения коротких замыканий, присутствие в электролите не устойчивых к восстановлению или окислению ионов, например Fe³⁺/Fe²⁺.

Помимо кислотных аккумуляторов находят применение и щелочные, которые по сравнению со свинцовыми имеют определенные преимущества и недостатки.

К щелочным аккумуляторам относятся никель-железные (НЖ) и никель-кадмиевые (НК) аккумуляторы ламельного типа [2–4]. Никель-железные и никель-кадмиевые щелочные аккумуляторы, в которых использованы электрохимические системы ⊖ Fe | NaOH | NiOOH ⊕ и ⊖ Cd | KOH | NiOOH ⊕ по сравнению со свинцовыми кислотными аккумуляторами, имеют более низкие разрядные напряжения и КПД. Они дороже, хуже работают при низких температурах, имеют более низкие разрядные токи и большие внутренние сопротивления, которые увеличиваются к концу разряда. Долговечность и прочность конструкций, простота обслуживания ламельных щелочных аккумуляторов являются теми преимуществами, которые обусловили их производство. Щелочные аккумуляторы используют на электрокарах, тягачах, для освещения железнодорожных вагонов, запуска дизелей тепловозов, питания аппаратуры и т.п.

Никелево-железные аккумуляторы в основном выпускаются в ламельном исполнении. Активная масса в них заключена в ламе-ли – плоские стальные коробочки с перфорированными стенками. Никель-кадмиевые аккумуляторы выпускают как в ламельном, так и безламельном исполнении с электродами на пористой основе или с прессованными электродами. Выпускаются и комбинированные аккумуляторы с ламельными или металлокерамическими положительными электродами и прессованными отрицательными.

Основные реакции в никель-железных и никель-кадмиевых аккумуляторах выражаются уравнениями:

ЭДС аккумуляторов зависит от активностей воды и 2NiOOH.