КОМБИНИРОВАННЫЙ КИСЛОТНО-ЩЕЛОЧНО-СОЛЕВОЙ МЕМБРАННЫЙ АККУМУЛЯТОР Российский патент 1999 года по МПК H01M10/36 H01M6/24 

Использование: В качестве источника электрической энергии.

Сущность изобретения: Аккумулятор состоит из цинкового электрода, представляющего из себя сетку с нанесенной на нее смесью порошка Zn и ZnO и связующего. Цинковый электрод погружен в раствор KOH (NaOH) с концентрацией 30-40% (массовые %), насыщенный ZnO, и отделен от мембраны пористым сепаратором. Положительный электрод состоит из свинцовой сетки с нанесенным на нее слоем PbO₂, погруженной в раствор H₂SO₄ с концентрацией 30^oC75% (массовые %). Положительный электрод отделен от мембраны пористым сепаратором.

Вместо раствора KOH (NaOH) также используется раствор Na₂S, Na₂S₂ либо смесь растворов Na₂S, Na₂S₂ и NaOH. Концентрация Na₂S, Na₂S₂ выбирается максимально возможной по растворимости.

Вместо свинцового электрода можно также использовать графитовый электрод, погруженный в смесь MnO₂₊C, либо в чистый MnO₂, использовать также свинцовую сетку с нанесенной на нее смеси C + MnO₂, либо чистый MnO₂ поверх тонкого слоя PbO₂.

Вместо свинцового электрода (свинцовой сетки) можно использовать электрод "ОРТА", освинцованный титан.

Изобретение относится к вторичным химическим источникам тока и касается способа получения комбинированного мембранного аккумулятора.

Известна вторичная батарея с ионобменной пористой мембраной, отделяющей отрицательный электрод, погруженный в раствор ZnBr от положительного электрода, погруженного в раствор ZnBr + Br [1].

Известен наиболее близкий к предлагаемому изобретению электрохимический элемент [2] , представляющий вариант воздушно-цинковой системы, имеющий перегородку, выполняющую роль мембраны (т.е. пропускающую только OH^-, H⁺ и H₂O).

Характерная особенность его: Zn находится в кислом электролите (соль металла или кислоты), второй электрод - в среде KOH. Для поддержания работы, кроме мембраны, применена многослойная диафрагма-сепаратор рядом с отрицательным электродом. Как вариант дается конструкция, где вместо одной мембраны - перегородка из двух мембран, а промежуток заполнен третьим электролитом - водным раствором K₂SO₄. Перегородка пропускает только ионы OH^- и не пропускает кислотные остатки. В этом случае появляется и второй положительный электрод, служащий полюсом при заряде. Материал для положительного электрода Ni в среде KOH. Исследованиями подтверждена работоспособность данного элемента. Недостатки аналога: рабочее положение - горизонтальное. Электроды, мембраны, диафрагмы, сепараторы имеют горизонтальное расположение, обычное, вертикальное, только как возможно. Далее, реализованный в [2] вариант комбинации электродов и электролитов не наилучший (напряжение заряда 1,8 В, разряда 1,2 - 1,3 В). Таким образом, в вышеуказанном источнике нет возможности получения максимального потенциала электродов в силу заранее определенного сочетания электродов и электролитов.

Целью изобретения является достижение на основе новой конфигурации сочетание электродов и электролитов максимального потенциала электродов, высокой удельной энергии и большего ресурса, а также компактности аккумулятора, работающего в любом положении.

Вся электрохимическая система сооружена в едином пластмассовом корпусе, где имеются: выводы для электродов, отверстия для заливки электролитов, снабженные (закрывающиеся) обратными клапанами, рассчитанные на малое избыточное давление газов изнутри.

Данный аккумулятор отличается от известных ранее аккумуляторов, которые имеют:
1. Низкое напряжение разомкнутой цепи (НРЦ) НРЦ = 1,2 - 2,1 В на один элемент.

2. Низкую удельную энергию до 500 Вт ч/кг (теоретически) и до 140 Вт ч/кг (практически).

3. Системы, содержащие Zn, имеют малое число циклов заряд - разряд, следовательно малый срок службы из-за межэлектродных замыканий, вызванных растущими кристаллами Zn (дендритами) при заряде.

4. Системы, содержащие Pb (свинцовый аккумулятор), не используют раствор H₂SO₄ с концентрацией более 30 - 40% (мас.%) так как увеличивается разряд аккумулятора.

Предлагаемая система реализует:
1. Высокое значение НРЦ, равное 2,5 - 3,5 В, которое сильно увеличивается при увеличении концентрации электролита.

2. Высокое значение теоретической и практической удельной энергии Вт•ч/кг (для системы 970 Вт•ч/кг (теоретически) (особенно при замене PbO₂ на MnO₂).

3. Отсутствие межэлектродных замыканий, образованных кристаллами Zn, т. е. большое число циклов ~1000 и высокий срок службы.

4. Использование мембраны позволяет из раствора нейтральной соли Na₂SO₄ получить растворы NaOH и H₂SO₄ (при заряде аккумулятора).

5. Свинцовый электрод медленнее разрушается по сравнению со свинцовым аккумулятором, где в результате циклов заряд - разряд все новые слои Pb переходят в соединения Pb²⁺, Pb⁴⁺, а в предлагаемой системе имеет место реакция (схемы):
1) PbO₂ ---> PbSO₄; 2) PbSO₄ ---> Pb^o
6. Возможное увеличение внутреннего сопротивления аккумулятора (из-за мембраны) ликвидируется увеличением площади поверхности мембраны (гофрированная мембрана).

Реакции в системе:






Накопление щелочи:

Накопление кислоты:

Примечание:
1) В данной системе под словом мембрана подразумевается ионообменная мембрана.

2) В системе
использовать катионообменную мембрану
3) В системе
использовать анионобменную мембрану
4) Использование и выбор ионообменной мембраны должно быть таким, чтобы не разрушало работу элемента (заряд - разряд).

5) При разряде аккумулятора концентрация щелочи и кислоты падает, а концентрация соли Na₂SO₄ растет. При заряде, наоборот.

1. Патент США N 4824743 кл. 409-101, 1989.

2. Заявка ФРГ N 3324212 кл. H 01 M 2/16, H 01 M 4/38, H 01 M 6/24, H 01 M 8/22, H 01 M 12/02, 1983.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к источникам тока с двумя электролитами. Согласно изобретению кислотно-щелочно-солевой мембранный аккумулятор представляет собой два электрода, погруженные каждый в свой электролит (щелочной и кислотный); электролиты разделены ионообменной мембраной. Электроды отделены от мембраны пористым сепаратором, предотвращающим непосредственный контакт активных масс с мембраной. Вся система смонтирована в едином корпусе. Техническим результатом изобретения является повышение удельных электрических характеристик.

Комбинированный кислотно-щелочно-солевой мембранный аккумулятор, содержащий электролиты, электроды с сепараторами, ионообменную мембрану в едином корпусе, имеющем выводы для электродов и отверстия для заливки электролитов, закрытые обратными клапанами, рассчитанными на малое избыточное внутреннее давление, отличающийся тем, что отрицательный Zn электрод помещен в раствор NaOH или КОН 30-40% (мас.%), а положительный электрод PbО₂ или МпО₂ + C в раствор Н₂SO₄ 30-75 (мас.%).