ЦИЛИНДРИЧЕСКИЙ ХИМИЧЕСКИЙ ИСТОЧНИК ТОКА ВОЗДУШНО-ЦИНКОВОЙ СИСТЕМЫ Российский патент 1995 года по МПК H01M6/02 H01M12/02 

Изобретение относится к химическим источникам тока (ХИТ) и касается конструкции первичных цилиндрических ХИТ воздушно-цинковой (ВЦ) системы с водно-солевым электролитом.

Известны ХИТ ВЦ системы с водно-солевым электролитом прямоугольной формы, которые имеют по сравнению с герметичными аналогичными элементами емкость в 1,5 раза больше [1]
Известен также цилиндрический сухой элемент ВЦ системы с водно-солевым электролитом, содержащий центральный катод с угольным токоотводом и отрицательный цилиндрический электрод из листового цинка, отделенный от катода слоем загущенного электролита. Элемент заключен в литой пластмассовый корпус. Подвод кислорода (воздуха) осуществляется в период разряда через специальное отверстие в литом корпусе в газовую камеру над поверхностью катода [2]
Известен также цилиндрический элемент с цинковым анодом и центральным воздушным катодом, по центру которого проходит кислороднепроницаемая, перфорированная в нижней части трубка, связанная непосредственно с окружающим воздухом. При этом и положительный и отрицательный электроды изолированы сверху от контакта с воздухом слоем загущенного электролита. Подвод кислорода осуществляется непосредственно в центр катода через специальные отверстия в нижней части трубки, контактирующей с катодной массой [3]
Известен также наиболее близкий к предлагаемому щелочной цилиндрический элемент воздушно-цинковой системы, содержащий корпус, отрицательный электрод, электролит, сепаратор, катод с токоотводом, в котором по периметру катода, вдоль его оси, проходят воздухопроводящие каналы [4]
Однако в вышеуказанном источнике тока не обеспечивается оптимальное соотношение между кислородом (воздухом), поступающим в катод, и содержащейся в катодной массе влагой. Для получения же максимальной емкости необходимо обеспечить как можно большую поверхность контакта трех фаз: влаги (жидкости), кислорода (газа) и катодной массы (твердого вещества).

Для решения этой задачи предлагается элемент, содержащий отрицательный электрод, электролит, сепаратор, катод с токоотводом и газовой камерой в виде каналов, проходящих вдоль оси катода и равномерно расположенных по его окружности, причем каналы расположены в толще катода с отношениями их диаметра к высоте (d_k/h соответственно) 0,08-0,11 и суммарного объема каналов к объему катода равным 6-18%
Уменьшение объема воздухоподводящих каналов не позволяет обеспечить доступ кислорода по всему объему катода, а уменьшение поверхности контакта активных веществ ведет к снижению емкости элемента.

Значительное увеличение объема каналов (свыше 18%) не позволяет ввести в катод необходимое количество активной массы, так как общий объем катода строго ограничен и следовательно ведет к снижению продолжительности работы элемента.

Оптимальная поверхность контакта активных веществ (воздух вода твердое тело), которая достигается при объеме воздухоподводящих каналов 6-18% от общего объема катода, позволяет обеспечить работоспособность элементов типа R20 на токах до 80 мА.

На фиг. 1 изображен предлагаемый элемент ВЦ-системы с солевым электролитом в двух проекциях.

Элемент содержит анод в виде цинкового стакана 1, сепаратор на бумажной основе 2 и катод из углеродистых материалов 3 с центральным угольным токоотводом 4. Снизу катод изолирован от цинкового стакана бумажной прокладкой 5. В толще катода сформированы глухие вертикальные каналы 6, обеспечивающие подвод кислорода. Шайба 7, лежащая на катоде, имеет отверстия, соосно совпадающие с каналами 6 в положительном электроде. Элемент герметизируется пластиковой шайбой 8 с отверстиями 9, вскрываемыми перед началом эксплуатации ХИТ. Отверстия в шайбе в предлагаемой конструкции закрыты сформированными при изготовлении специальными выступами 10 для обеспечения герметичности при хранении. Кроме того, элемент имеет внешний чехол 11 и этикетки 12. При применении металлического чехла он дополнительно изолируется от цинкового анода. Положительным полюсом служит токосъемный колпачок 13, плотно надетый на угольный токоотвод.

Герметизирующая шайба может быть отлита (армирована) вместе с колпачком. Дополнительная герметизация для обеспечения сохранности может осуществляться внешним дополнительным полиэтиленовым чехлом (на чертеже не показан).

При хранении элемента до начала эксплуатации элемент загерметизирован, и при этом отсутствует поступление кислорода воздуха к положительному электроду. При этом ХИТ может иметь напряжение (НРЦ) за счет присутствия в элементе небольшого количества кислорода и двуокиси марганца, введенной в массу как катализатор электровосстановления кислорода.

При задействовании элемента необходимо вскрыть полиэтиленовый чехол и дыхательные отверстия, после чего воздух начнет поступать в катод по воздухоподводящим каналам.

Постоянный подвод воздуха в катод насыщает массу кислородом и обеспечивает непрерывное протекание токообразующей реакции, что позволяет получить элемент с высокими емкостными характеристиками.

Объем и количество каналов могут варьироваться. При количестве каналов меньше трех происходит резкое уменьшение продолжительности работы (емкости) элемента из-за недостаточного и неравномерного насыщения кислородом катодной массы (кривая 1 на фиг. 2). При увеличении общего объема каналов свыше 18% от общего объема катода емкость элемента также снижается из-за существенного уменьшения площади трехфазного носителя (поверхности контакта активных материалов).

На фиг. 2 приведены кривые непрерывного разряда для элемента типа R20 предлагаемой конструкции на 20 Ом до 0,85 В при различном объеме каналов:
кривая 1 два канала, общий объем 1,4 см³, что составляет при этом отношение d_k/h 0,109
кривая 2 три канала, общий объем 2,1 см³, что составляет при этом отношение d_k/h 0,094
кривая 3, кривая 4 четыре-шесть каналов, общий объем 2,8-4,2 см³, что составляет при этом отношение d_k/h 0,0875-0,08
кривая 5 семь, восемь каналов, общий объем свыше 5 см³, что составляет при отношении d_k/h 0,073-0,06 (больше 18% от общего объема катода).

При диаметре формируемых каналов 4-5 мм для элемента типа R20 оптимальным является формирование 4-6 каналов общим объемом 9-14% от объема катода.

Благодаря такой конструкции солевого элемента использование кислорода позволяет увеличить емкость воздушного элемента на слабо- и среднетоковых нагрузках в 1,5-3 раза (в зависимости от величины разрядного тока) по сравнению со стандартными герметичными элементами МЦ системы с водно-солевым электролитом.

Использование: первичные воздушно-цинковые химические источники тока. Сущность изобретения: химический источник тока содержит цилиндрический корпус отрицательный электрод, электролит, сепаратор, катод с токовыводом и газовой камерой в виде каналов, равномерно расположенных по окружности в толще катода с отношениям их диаметра к высоте 0,08 0,11 и суммарного объема каналов к объему катода, равного 6 18% 2 ил.

ЦИЛИНДРИЧЕСКИЙ ХИМИЧЕСКИЙ ИСТОЧНИК ТОКА ВОЗДУШНО-ЦИНКОВОЙ СИСТЕМЫ, содержащий корпус отрицательный электрод, электролит, сепаратор, катод с токоотводом и газовой камерой в виде каналов, проходящих вдоль оси катода и равномерно расположенных по его окружности, отличающийся тем, что каналы расположены в толще катода с отношениями их диаметра к высоте 0,08 ^oC 0,11 и сумманого объема каналов к объему катода 6 18%