СОЛЕВОЙ КОМБИНИРОВАННЫЙ МЕМБРАННЫЙ АККУМУЛЯТОР Российский патент 2006 года по МПК H01M10/36 H01M6/24 

Использование: В качестве источника электрической энергии.

Сущность изобретения: солевой комбинированный мембранный аккумулятор состоит из отрицательного электрода - цинка, погруженного в водный раствор сульфата цинка и положительного электрода - меди, помещенной в концентрированный раствор сульфата меди. Катодное и анодное пространство разделены химически стойкой анионообменной мембраной. Катодное и анодное пространство собраны в едином корпусе.

Разделение растворов двух солей пористой перегородкой из инертного материала (керамика) или с помощью электролитического ключа - стеклянной трубки заполненной токопроводящим раствором (раствор нитрата или хлорида калия или аммония) описано в общеизвестном гальваническом элементе Якоби-Даниеэля, широко использовавшемся ранее [1, 2]. Элемент состоит из цинкового электрода в растворе сульфата цинка и медного электрода, погруженного в раствор сульфата меди. Растворы разделены пористой перегородкой для предупреждения их смешивания, т.к. в противном случае медь контактно выделится на цинковом электроде (процесс цементации) согласно уравнению реакции:

В процессе работы элемента на активную нагрузку сульфат-ионы под действием электрического поля внутри элемента мигрируют от медного электрода к цинковому. Навстречу им движутся катионы цинка и меди, при этом катионы меди удаляются от цинкового электрода и не вступают с ним в реакцию, а приход катионов цинка в раствор сульфата меди не приводит к протеканию реакции между ними и медным электродом. Таким образом, в процессе разряда элемента происходит не только доставка окислителя (катионов меди) к электроду (катоду из меди) и отвод продуктов реакции (сульфат-анионов и катионов цинка) от электрода (анода из цинка), но и одновременно препятствие самопроизвольной диффузии катионов меди к цинковому электроду. Пористая перегородка не будет препятствовать смешению растворов сульфата цинка и меди при длительном отключении нагрузки.

Использование пористой перегородки не позволяет зарядить указанный элемент, т.к. в процессе заряда катионы меди под действием электрического поля мигрируют из раствора сульфата меди в раствор сульфата цинка, и поскольку стандартный электродный потенциал восстановления меди равен а цинка то в процессе электролиза (заряда элемента) на цинковом электроде будет выделяться в первую очередь металлическая медь в виде рыхлого осадка, который обеспечит короткозамкнутый гальванический элемент медь-цинк, что приведет к разрушению цинкового электрода в процессе заряда элемента и после снятия внешней поляризации (отключения внешнего источника тока).

В случае разделения растворов сульфата цинка и меди с помощью анионообменной мембраны первичный элемент Якоби-Даниэля превращается во вторичный ХИТ - комбинированный солевой аккумулятор, т.к. возможен процесс заряда.

Раствор сульфата меди является слабым окислителем, а раствор сульфата цинка окислительных свойств не проявляет, следовательно, возможно применение рядовых недорогих типов анионообменных мембран, например МА-40; необходима лишь достаточно высокая селективность выбранной анионообменной мембраны по отношению к катионам меди (т.е. препятствие их миграции или диффузии), а к катионам цинка селективность не имеет существенного значения.

Для повышения электропроводности электролитов в раствор сульфата цинка и/или меди в ограниченном количестве вводится серная кислота или сульфат натрия, калия, аммония или магния. Для предотвращения повышения рН электролитов и выпадения гидроксидов меди и цинка вводятся буферирующие добавки и вещества, препятствующие выпадению гидроксидов меди и цинка, например комплексообразующие соединения. Для предотвращения дендритообразования, которое может привести к повреждению мембраны и к короткому замыканию внутри элемента, вводятся поверхностно-активные вещества, которые, например, используются в гальваническом производстве для нанесения покрытий из цинка и меди электрохимическим методом.

В процессе заряда солевого мембранного аккумулятора основными ионами, участвующими в переносе заряда внутри аккумулятора, являются сульфат-анионы. В этом случае на цинковом электроде протекает реакция:

а на медном:

Суммарная реакция, протекающая на электродах:

ЭДС заряженного таким образом аккумулятора составляет 1,109 В. Найдем максимальную теоретическую удельную энергию аккумулятора, используя уравнение (4):

Из уравнения (1) и (4) видно, что сульфат-ионы в процессе заряда и разряда не расходуются, хотя, как было указано выше, являются основными переносчиками электрического заряда (тока) внутри аккумулятора, в отличие, например, от свинцового аккумулятора, где в процессе заряда концентрация серной кислоты увеличивается, а в процессе разряда - падает.

Максимальная теоретическая удельная энергия предложенного аккумулятора больше, чем у свинцового (175 Вт·ч/кг).

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

Известен наиболее близкий к предлагаемому изобретению электрохимический элемент [1, 2].

Целью изобретения является разработка нового типа мембранного аккумулятора - солевого комбинированного мембранного аккумулятора.

Комбинированный аккумулятор собран в едином корпусе из пластмассы или из иного химически стойкого материала, предусматривающем выводы для электродов и отверстия для заливки электролитов.

Данный аккумулятор отличается от известных ранее аккумуляторов:

- от свинцовых - максимальная теоретическая удельная энергия солевого аккумулятора больше благодаря использованию веществ с более низкой плотностью и молекулярной массой. Применение меди позволяет увеличить электропроводность анода,

- от наиболее распространенного никель-кадмиевого, никель-железного и дорогого серебряно-цинкового аккумуляторов - использованием экологически менее опасных, дешевых и доступных материалов, входящих в состав солевого мембранного аккумулятора, большим числом циклов разряд-заряд и сохранностью заряда (меньшим саморазрядом).

Источники информации

1. Глинка Н.Л. Общая химия. 20-е изд., испр. / Под ред. Рабиновича В.А. - Л.: Химия, 1979. - 720 с.

2. Карапетьянц М.Х., Дракин С.И. Общая и неорганическая химия. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Химия, 1993, 592 с.

Изобретение относится к вторичным источникам электрической энергии. Согласно изобретению солевой аккумулятор представляет собой аккумулятор, в котором электроды, погруженные каждый в свой солевой электролит (католит и анолит), разделены химически стойкой анионной мембраной. Техническим результатом изобретения является создание нового типа мембранного аккумулятора.

Солевой мембранный аккумулятор, содержащий электролиты, электроды, ионообменную мембрану, отличающийся тем, что солевой комбинированный мембранный аккумулятор состоит из отрицательного электрода - цинка, погруженного в водный раствор сульфата цинка, и положительного электрода - меди, помещенной в концентрированный раствор сульфата меди, катодное и анодное пространство которого разделены химически стойкой анионообменной мембраной и собраны в едином корпусе из пластмассы или из иного химически стойкого материала, предусматривающем выводы для электродов и отверстия для заливки электролитов.