ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ АККУМУЛЯТОР Российский патент 1996 года по МПК H01M10/32 H01M4/54 

Изобретение относится к химическим источникам тока многоразового использования, применяют в качестве автономного источника энергии электромобилей. Известны серебряно-цинковые и серно-натриевые аккумуляторы.

В серебряно-цинковом разрядное напряжение равно 1,7-1,4 В. Удельная энергия 100-120 Вт ч/кг. Удельная мощность 600 Вт/кг. Срок службы циклы до 100. Не пригоден в качестве основного источника энергии для двигателя автомобиля из-за большого расхода дорогостоящих серебра и цинка. Имеет малый срок службы. Серно-натриевый аккумулятор находится в стадии разработки, в качестве основного источника энергии для автомобилей годен, по не применяется, так как работает при плюс 300^оС и необходимо поддерживать в сильно нагретом состоянии, либо тратить на стартовый разогрев много времени. Разрядное напряжение 2,0-1,8 В. Удельная энергия 300 Втч/кг. Максимальная мощность 200 Вт/кг. Срок службы более 1000 циклов. Разрабатываются высокотемпературные системы с расплавленными солями в качестве электролита, в которых при заряде образуется щелочной металл и галоид (литий, хлор), а при разряде они опять ионизируются. Используют химические источники тока резервного типа, у которых электролит при температуре хранения находится в непроводящем твердом состоянии и переводится в жидкое ионопроводящее только в процессе активации, осуществляемой электрическим или пиротехническим нагревом. В качестве электролитов применяют расплавленные соли хлористого лития или калия, а материалов анода металлы кальций или литий. Катодные материалы из окислов хрома, меди, железа, ванадия и др. Рабочее напряжение до 3,0 В. Высокая удельная мощность.

Известен также аккумулятор серебряно-щелочной, который имеет все эти высокие электрические характеристики, избавлен от недостатков аналогов, при разряде не требует дополнительной энергии активации. Не требует специального изготовления электродов, которые приобретают в процессе зарядки как каталитические, так и емкостные показатели. Прост в изготовлении и в эксплуатации. Работает при нормальной температуре и давлении. Серебряные электроды не расходуются и не теpяют своей стоимости. Электролитом в заряженном состоянии является вода, а в разряженном насыщенный раствор гидроокиси натрия. В электролите и, соответственно, в электродах нет посторонних паразитных ионов, увеличивающих внутреннее сопротивление и расходующие энергию аккумулятора на образование тепла. Сущность изобретения применение в качестве электродов окиси серебра (окислителя) и сплава серебра с натрием (восстановителя) в водном растворе гидроокиси натрия, полученные в результате электролита водного раствора гидроокиси натрия на серебряные электроды. Стоимость натрия меньше, чем меди и цинка. Известен ртутный метод электролиза водного раствора хлористого натрия, при котором в результате разложения на графитовом аноде (положительный полюс) выделяется хлор, а на ртутном катоде (отрицательный полюс) выделяется натрий с образованием сплава внедрения, амальгамы натрия Na⁺ + + +Hg₂ ->> Hg₂Na + 18 ккал/моль. При этом выделение водорода и кислорода из воды не происходит. Выделение водорода происходит только при промывании амальгамы горячей водой Hg₂Na + + H₂O + 18 ккал ->> 2Hg + NaOH + H^o. Возможность применения интерметаллического сплава щелочного металла в водных растворах уже известна. Установлено неизвестное ранее явление выделения (внедрения) щелочных металлов (на примере лития, натрия и др.) на твердых катодах в водных средах с образованием твердых растворов или интерметаллических соединений с металлом катода, обусловленное повышением диффузионной проницаемости электрода. Эл./химическая система А.С.Щ. в заряженном состоянии
(-)2Ag₂Na/2H₂O/Ag₂O (+) В разряженном состоянии
4Ag/2NaOH+H₂O/2Ag
Преимущество серебряных электродов перед другими инертными электродами, например платиной, графитом, палладием, железом и другими, в том, что только серебро образует соединение (сплав) с натрием и не образует с другими щелочными металлами. Не взаимодействует с водородом, т.е. не образует гидридов и не растворяет водород, а также не растворяет кислород, если на его поверхности нет положительных вакансий. Электрохимически образует окись и закись серебра, которые разлагаются на элементы уже при плюс 100^оС или 2Ag + O ->> Ag₂O + 7 ккал/моль. Окись серебра не растворяется в воде и водных растворах щелочей. Серебро имеет относительно невысокую температуру плавления 960^оС. Поэтому при подаче на его поверхность эл./потенциалов легко образует положительные и отрицательные вакансии, в которые внедряются положительные и отрицательные ионы образуют сплав или окисел.

На чертеже изображен предлагаемый аккумулятор в заряженном состоянии, разрез.

Корпус 1 выполнен из пластмассы, устойчивой к гидроокиси натрия. Емкость заполнена водой с незначительной примесью гидроокиси натрия электролит. В электролит 2 погружены серебряные электроды 3. Поверхность катода 4 в два раза меньше поверхности анода 5, электролитически покрыта окисью серебра, а анода сплавом внедрения натрия в сеpебро. Емкость закрыта пробкой 6. Аккумулятор в разряженном состоянии представляет систему
4Ag/2NaOH + H₂O/2Ag. При заряжении на электродах появляется разность электрических потенциалов как в конденсаторе электрическом. На положительном полюсе расстояния между атомами серебра увеличиваются и соответственно их подвижность, что эквивалентно нагреванию, а на отрицательном полюсе уменьшаются, что соответствует охлаждению. Происходит перестройка поверхности электродов за счет поглощения энергии внешнего источника. Образуются вакансии, способные включить в себя противоположно заряженный ион. При этом выделяется энергия и возвращается источнику. Образованное соединение имеет частично электронную связь с электродом, а частично ионную связь. При наличии разности электрических потенциалов внутренней К.Р.П. или от внешнего источника на положительном полюсе остается только положительная связь, а на отрицательном отрицательная. Возникают силы отталкивания, и ионы уходят в раствор. У серебра на образование вакансий расходуется от 0,3 до 0,6 В или в переводе на тепло от 7 ккал/моль до 13,5 ккал/моль. Поэтому пока на поверхности не образуется гальваническая пара с К.Р.П. больше 0,3 В на катоде или не нагреется до 100^оС, то растворения кислорода не будет. На аноде больше 0,6 В или нагреванию больше 147^оС растворения натрия не будет. Итак, при заряде энергия источника уходит на образование вакансий и образование окиси серебра на положительном полюсе, а сплава серебра на отрицательном полюсе. Сразу же возникает обратная ЭДС между кислородом и натрием 0,401 В (-2,713 В) 3,114 В. Нейтрализация с источника выравнивает напряжение до нуля и подымает его до напряжения разложения гидроокиси натрия 1,69 В. Итого для зарядки А.С.Щ. необходимо напряжение внешнего источника не менее 4,804 В. Хотя вольтметр покажет ток в цепи 1,69 В. Химические реакции на положительном полюсе при заряде 2Ag 2 + 2O Ag₂O + H₂O+ 7 ккал/моль, на отрицательном 4Ag + 2 + 2a 2Ag₂Na + 13,5 ккал/моль. Ввиду того, что реакции идут на поверхности электродов, для получения электронного баланса площадь отрицательного электрода должна быть больше положительного в два раза. После зарядки вместо гидроокиси натрия теоретически между электродами должна остаться вода, а практически остается слабый раствор гидроокиси натрия. Если электроды и электролит не загрязнены посторонними примесями, то саморазряда А. С. Щ. не происходит. Разряд наступает после замыкания электродов. Возникает электронная К.Р.П. и соответственно ЭДС, равная разности стандартных электродных потенциалов между кислородом и натрием 3,114 В. Более положительные атомы сеpебра катода перетягивают лишние электроны от атомов серебра анода, в итоге от натрия к кислороду. На аноде два положительных иона натрия, на катоде двухзарядный отрицательный ион кислорода. Силы отталкивания одинаковых зарядов на электродах и силы притяжения разноименных зарядов между электродами двигают ионы в водный раствор, где они взаимодействуют с водой, ионизируют воду на ионы гидроксида и протона. Вода из диэлектрика переходит в проводник, электронно-ионная цепь замыкается. В итоге у катода накапливается вода, а у анода гидроокись натрия. Таким образом вода при разряде переходит в электролит, а при заряде в диэлектрик.

Суммарная реакция 1/2O₂ + 2Na ->> Na₂O + 100 ккал/моль (электроэнергия)
Серно-натриевая суммарная реакция дает энергии на 10% меньше:
S + 2Na ->> Na₂S + 90 ккал/моль
Экономический эффект многогранный и не поддается простому учету:
экологическое оздоровление окружающей среды, особенно городов;
аккумулирование энергии электростанций в нерабочее время на заправочных станциях (заряжающих станциях) и выравнивание пиков в системе электроснабжения;
широкое применение электродвигателей вместо двигателей внутреннего сгорания внесет громадные экономические и политические изменения во всем мире.

Использование: химические источники тока. Сущность изобретения: устройство содержит анод из интерметаллического соединения, поверхность которого в два раза больше поверхности катода из оксида одновалентного серебра, и электролит - водный раствор гидроксида натрия. Аккумулятор имеет высокие удельные электрические характеристики и большой срок службы. 1 ил.

Электрический аккумулятор (серебряно-щелочной), содержащий помещенные в корпус катод из оксида одновалентного серебра, анод и щелочной электролит, отличающийся тем, что анод выполнен из интерметаллического соединения Ag₂Na, в качестве щелочи взят гидроксид натрия, а поверхность анода в два раза больше поверхности катода.