ИСТОЧНИК ПОСТОЯННОГО ТОКА Российский патент 2012 года по МПК H01M6/04 

Изобретение относится к электрохимической и электротехнической отраслям промышленности и может быть использовано в разработке производства источников постоянного тока в виде аккумуляторов, источников разового пользования и непрерывного действия аналогично топливным элементам, предназначенным для автономного питания электро- и радиотехнических устройств.

Известны источники постоянного тока, содержащие два металлических электрода, между которыми размещен электролит [1. Эрдеи-Груз Т. Химические источники энергии. Пер. с нем. - М: Мир, 1974. - 304 с.; Кромптон Т. Первичные источники тока. Пер. с англ. под ред. Мазитова. - М: Мир, 1986. - 326 с.; 3. Романов В.В., Хашев Ю.М. Химические источники тока. - М.: Советское радио, 1978. 264 с.].

Известные источники, называемые сухими элементами, превращают химическую энергию в электрическую энергию путем химического взаимодействия электродов с электролитом. Недостатком таких источников тока является их разовое действие и небольшая энерготдача.

Наиболее близким к предлагаемому является гальванический источник тока, содержащий корпус, раствор электролита в корпусе, два электрода из разнородных материалов, размещенных в электролите [1. Вайнел Дж. Аккумуляторные батареи. Пер. с англ. - М.-Л.: Госэнергоиздат, 1960. - 80 с.; Дасоян М. Химические источники тока. Справочное пособие. - М.-Л.: Госэнергоиздат, 1961. - 350 с.].

Работа известного гальванического источника тока основана на электрохимических реакциях электролита H₂SO₄ с поверхностями электродов из свинца Pb и оксида свинца PbO₂ с образованием сульфатов PbSO₄ на поверхности. В результате электрохимической реакции на поверхности Pb в электрод из Pb поступают электроны, а из электрода PbO₂ удаляются электроны. Это обеспечивает протекание тока между электродами по внешней цепи до момента времени полной сульфатации поверхностей электродов. Пропусканием тока в обратном направлении от внешнего источника сульфаты разлагаются и источник тока приводится в исходное состояние.

Недостатком известного устройства является то, что в основе работы устройства заложено активное химическое взаимодействие электродов с электролитом. Химически активный электролит по отношению к электродам разрушает электроды с образованием неразлагаемых сульфатов на поверхностях электродов. Это снижает надежность и ограничивает ресурс работы источника.

Технический результат направлен на повышение надежности и ресурса работы источников постоянного тока.

Технический результат достигается тем, что в источнике постоянного тока, содержащем корпус, раствор электролита в корпусе, два электрода из разнородных материалов, размещенных в электролите, при этом электроды выполнены из материалов с разными работами выхода электрона с поверхностей, контактирующих с электролитом, а раствор электролита содержит отрицательные ионы, энергия сродства которых меньше работы выхода материала с меньшей работой выхода, и положительные ионы, первый потенциал ионизации которых по абсолютной величине больше работы выхода материала с большей работой выхода.

На фиг.1 представлена схема предлагаемого ионно-нейтрализационного источника постоянного тока.

На фиг.2 представлена зонно-энергетическая диаграмма предлагаемого ионно-нейтрализационного источника постоянного тока.

Ионно-нейтрализационный источник постоянного тока (фиг.1) содержит электрод отрицательной полярности 1, электрод положительной полярности 2, электролит 3 и корпус 4, в котором расположены электроды с электролитом. При этом работа выхода электрона eφ₂ поверхности положительного электрода 2, контактирующей с электролитом 3, больше работы выхода электрона eφ₁ контактирующей с электролитом поверхности отрицательного электрода 1. Работа выхода eφ есть наименьшее значение энергии связи E_св электрона с поверхностью. В составе раствора электролита 3, размещенного в корпусе 4, содержатся отрицательные 5 и положительные 6 ионы. Энергия сродства S отрицательных ионов 5 меньше работы выхода электрона eφ₁ с поверхности отрицательного электрода 1, а первый потенциал ионизации eV_i1 положительных ионов 6 по абсолютной величине больше работы выхода eφ₂ положительного электрода 2. Электроды выполнены из пористого материала с пористостью, близкой 50%, и с порами наноразмерной величины. Ионно-нейтрализационный источник постоянного тока (фиг.1) представляет собой последовательно соединенную цепь из отрицательного электрода 1 (электронного проводника), электролита 3 (ионного проводника), размещенного в корпусе 4, и положительного электрода 2 (электронного проводника).

Принцип действия предлагаемого ионно-нейтрализационного источника постоянного тока основан на явлении электронного сродства атомов, заключающемся в способности любого электрически нейтрального атома притягивать отрицательно заряженные электроны. Явление сродства при контактировании электронных проводников выражается в разной энергии связи электронов проводимости в них и проявляется вытягиванием электронов одним электрически нейтральным проводником из другого электрически нейтрального проводника с образованием контактной разности потенциалов между ними.

При приведении в контакт электрически нейтральных материалов с разной энергией связи электронов в них на границе раздела образуется межатомная сила F_ЭДС, притягивающая электроны из материала с малой энергией связи электронов атомами материала с большей энергией связи электронов (фиг.1). Между электрически нейтральными проводниками образуется электрический ток, направленный от электрода с большой работой выхода к электроду с меньшей работой выхода. Согласно определениям электротехники материал М₂ с большой работой выхода eφ₂, в который переходят электроны (то есть из которого течет ток), можно назвать положительным электродом, а материал M₁ с малой работой выхода eφ₁ - отрицательным электродом. Переход электронов приведет к разделению зарядов и образованию электростатического (кулоновского) поля зарядов на границе контакта. Кулоновское поле зарядки противодействует дальнейшему переходу электронов с силой F_кул. С увеличением количества перешедших зарядов сила противодействия увеличивается. При равенстве сил: движущей заряды межатомной силы F_ЭДС и противодействующей кулоновской силы зарядки F_кул ток между проводниками прекращается. Электродвижущая сила F_ЭДС и кулоновская сила противодействия F_кул однозначно связаны с энергетическими состояниями электронов в электродах. В состоянии равновесия они равны F_ЭДС=F_кул и однозначно характеризуют разность энергий связи электронов в электродах, а соответственно, работу, совершаемую при переносе электрона из одного электрода в другой. На основании этого электродвижущую силу F_ЭДС характеризуют в энергетических единицах E [эВ] или чаще в потенциальных единицах U [B].

Из-за зарядки между контактирующими проводниками образуется также внешнее электростатическое поле, которое является полем контактной разности потенциалов U_КРП. Уравновешенные межатомные силы, вызывающие ток, и противодействующие кулоновские силы указывают, что электродвижущая сила E_ЭДС, вызванная межатомным электрическим полем, равна по величине контактной разности потенциалов E_ЭДС=U_КРП=eφ₂-eφ₁ и выражается в единицах напряжения.

Согласно теории контактной разности потенциалов все промежуточные переходы, образованные разными материалами внешней цепи, компенсируются, и суммарная внешняя контактная разность потенциалов всегда остается равной разности работ выхода (или энергий связи электронов) поверхностей крайних электродов.

Предлагаемый ионно-нейтрализационный источник постоянного тока (фиг.1) работает на основе изложенного принципа следующим образом. При замыкании внешней цепи на межфазной границе между электродами 1 и 2 (на границе контакта) образуется электродвижущая сила, обусловленная разной энергией связи электронов E_ЭДС=Е_св2-Е_св1 в электродах и равная разности работ выхода электронов с поверхностей электродов E_ЭДС=U_КРП=eφ₂-eφ₁. Под действием этой электродвижущей силы электроны 7 переходят из отрицательного электрода 1 в положительный электрод 2. Движение электронов на контакте между электродами приводит в движение кулоновским взаимодействием электрические заряды по всему замкнутому контуру. Этим создается электрический ток в контуре.

Конструкция источника питания представляет собой своеобразный конденсатор. Он обладает энергией в незаряженном виде и не обладает свободной энергией в заряженном состоянии (до напряжения U=U_КРП).

В этом конденсаторе в заряженном состоянии заряды локализуются на поверхностях электродов, включая границу контакта между ними. При этом отрицательный электрод 1 (из материала M₁ с меньшей работой выхода eφ₁) из-за ухода электронов 7 заряжается положительно, а положительный электрод 2 (из материала М₂ с большей работой выхода eφ₂) заряжается из-за прихода электронов 7 отрицательно. Между электродами образуется электростатическое поле, напряженность которого направлена в сторону отрицательного электрода 1.

Напряжение зарядки электродов между любыми точками на поверхностях имеет одинаковую величину δU_кул. Согласно законам электростатики напряжение зарядки на границе раздела (на контакте) равно напряжению между внешними поверхностями электродов. Оно устанавливается быстро из-за высокой подвижности электронов в материалах электродов.

Кулоновское поле зарядки на границе раздела электродов противодействует переходу электронов, поэтому действие ЭДС ослабляется на величину напряжения зарядки до напряжения U= eφ₂-eφ₁-δU_кул, где δU_кул - величина напряжения зарядки.

Наибольшая плотность зарядов на внешних поверхностях образуется на близко расположенных противолежащих поверхностях электродов, пространство между которыми заполнено электролитом 3. Так как электролит обладает ионной проводимостью, то избыточные заряды электродов с электронной проводимостью скапливаются на поверхностях электродов и создают в электролите электрическое поле.

При напряжении зарядки электродов, значительно меньшем предельного значения зарядки, равном δU_кул<<U_КРП, ионы электролита, находящегося в пространстве между электродами 1 и 2, приходят в движение и создают электрический ток в электролите. Так как подвижность ионов в электролите высокая, то уже при малом напряжении зарядки электродов (δU_кул<0.1 В) могут обеспечиваться токи в электролите достаточной величины.

Под действием поля зарядки в электролите 3 положительные ионы 6 перемещаются в направлении положительного электрода 2, заряженного отрицательно, а отрицательные ионы 5 - в сторону отрицательного электрода 1, заряженного положительно. Движущиеся в электролите отрицательные ионы 5 (фиг.1) достигают поверхность отрицательного электрода 1, кулоновскими силами положительных зарядов притягиваются вплотную к поверхности и адсорбируются на ней. Так как энергия сродства адсорбированного отрицательного иона меньше работы выхода электрона поверхности S<eφ₂ (фиг.2), то электрон иона переходит в электрод, и ион становится нейтральным атомом или радикалом раствора электролита. В результате нейтрализации ион переходит из хемосорбированного состояния в состояние физической адсорбции, и кулоновская сила, притягивающая ион к поверхности, исчезает. Имея малую (ван-дер-ваальсовскую) энергию связи с поверхностью, он десорбирует с поверхности в электролит. Положительные ионы 6, адсорбируясь на поверхности положительного электрода 4, отбирают электроны с поверхности и также нейтрализуются, так как абсолютное значение первого потенциала ионизации eV_i1 иона больше работы выхода электрода |eV_i1|>eφ₂ (фиг.2). Нейтрализованные положительные ионы также лишаются кулоновской силы притяжения к поверхности и десорбируют с поверхности. В результате нейтрализации в приэлектродных областях создается повышенное осмотическое давление по нейтрализованным ионам. Под действием силы осмотического давления F_осмот нейтрализованные ионы вытесняются из приповерхностной области в объем электролита, освобождая место для доступа следующим притягиваемым к поверхности ионам.

Максимальный ток источника определяется скоростью ионов в электролите ν_{др ион}, ограничиваемой подвижностью µ_ион, их концентрацией n_ион и площадью поверхности S_элд электродов I_макс=e n_ион ν_{др ион} S_элд. Для повышения тока электроды выполнены пористыми с размерами пор и зерен наноразмерной величины. Величина рабочего тока в контуре определяется сопротивлением контура и в основном сопротивлением внешней цепи. Величина плотности тока во внешней цепи (в нагрузке) выражается как j=e n_эл ν_{др эл}, где e - заряд электрона, n - концентрация электронов в проводнике, ν_{др эл} - дрейфовая скорость перемещения электронов. Если предельная дрейфовая скорость ионов в электролите ν_{др ион}, определяемая их подвижностью µ_ион в электролите, больше величины ν_{др эл}, то величина тока в зависимости от времени остается постоянной, так как убыль электронов из отрицательного электрода полностью восполняется отрицательными ионами электролита, а прибывающие электроны в положительный электрод отбираются положительными ионами электролита. Приток электронов в отрицательный электрод и отток электронов из положительного электрода поддерживают электрический ток в контуре на уровне, заданном внешним сопротивлением.

В начальный момент времени электроды электрически нейтральны и величина электрического тока наибольшая. Зарядка электродов уменьшает напряжение на контакте между электродами и соответственно величину тока через контакт. Скорость перемещения электронов в электролите определяется их подвижностью и напряжением зарядки электродов δU_кул, поэтому зарядка электродов увеличивает ток в электролите. Вследствие этого устанавливается определенная величина зарядки δU_кул, при которой токи через контакт и через электролит равны.

Заряженность электродов δU_кул и соответственно напряжение на электродах U=eφ₂-eφ₁-δU_кул остаются постоянными до тех пор, пока концентрация ионов в электролите не уменьшится ниже критического уровня, при котором предельная скорость ν_{др ион} ионов становится меньше дрейфовой скорости ν_{др эл} электронов в нагрузке.

В этом случае скорость накопления зарядов на электродах превышает скорость их нейтрализации, напряжение зарядки электродов увеличится δU_кул, напряжение на электродах уменьшится U=eφ₂-eφ₁-δU_кул и ток через контакт уменьшится. В то же время увеличение зарядки усиливает поле в электролите, соответственно увеличивается предельная скорость ионов в электролите, что ведет к увеличению тока, проходящего через электролит. Система переходит в новое устойчивое состояние с меньшим значением напряжения на выходных клеммах.

Уход ионов из объема электролита к поверхностям электродов и их нейтрализация приводят к снижению концентрации ионов в объеме электролита. При этом нарушается равновесие между ионной и молекулярной составляющими, что приводит к дополнительной диссоциации молекул электролита в растворе. Поставка ионов из электролита к поверхностям электродов продолжается до тех пор, пока снижение концентрации ионов в электролите не приведет к снижению тока через электролит ниже величины тока во внешней цепи.

При зарядке электродов до величины δU_кул=U_КРП энергии уровней Ферми обоих электродов E_F1 и E_F2 (фиг.2) принимают значение единого электрохимического потенциала системы электродов |E_F1-E₀|=|E_F2-E₀|=µ_ЭХП, где Е₀=0 - энергия нулевого уровня. При этом величина противодействующего напряжения зарядки становится равной величине ЭДС δU_кул=U_ЭДС и ток в контуре прекращается. Источник прекращает свою работу.

Зарядовая емкость q=It, где I - отбираемый ток, t - время отбора тока, предлагаемого ионно-нейтрализационного источника постоянного тока определяется количеством перешедших электронов из отрицательного электрода в положительный электрод, что в свою очередь определяется количеством нейтрализованных отрицательных ионов (в паре с положительными ионами) электролита, обеспечивающих ток в электролите и перенос зарядов через границы раздела электродов с электролитом.

Полное количество заряда, отдаваемое источником, определяется количеством ионов в растворе электролита. Так, один грамм-моль электролита с однозарядными ионами способен обеспечить q=eА₀=1.6 10^-19 6.02 10²³=96000 кулон или 27 А·ч. С учетом необходимой остаточной проводимости электролита его зарядовая емкость будет меньше на 10-30%. Необходимая величина зарядовой емкости электролита обеспечивается количеством электролита с учетом остаточной проводимости.

Восстановление работоспособности источника тока осуществляется пропусканием тока через источник в обратном направлении от внешнего источника питания или заменой электролита. Насыщение поверхности отрицательного электрода электронами от внешнего источника приводит к уменьшению электрохимического потенциала µ_ЭХП поверхности, а соответственно, к сближению уровня Ферми E_F1 с уровнем сродства S отрицательного иона. Уменьшением разности E_F1-S создаются условия перехода электронов с поверхности отрицательного электрода на уровень сродства нейтрального радикала (атома) отрицательного иона.

Внешний источник тока при обратном включении создает на положительном электроде нехватку электронов. Положительная зарядка сближает уровень Ферми E_F2 с потенциалом ионизации положительного иона. При этом нейтрализованные положительные ионы за счет сил сродства притягиваются к поверхности и передают свой электрон поверхности. Ионизованные атомы отталкиваются от поверхности в направлении объема. Этим создаются условия доступа к поверхности других нейтрализованных ионов. Таким образом, подачей обратного напряжения от внешнего источника осуществляется восстановление зарядового состояния электролита.

Основные характеристики ионно-нейтрализационного источника следующие.

Электродвижущая сила источника E_ЭДС определяется разностью работ выхода электрона с поверхностей электродов и в зависимости от выбранной пары материалов может быть в пределах долей и единиц вольт (0,5-2 В).

Напряжение на клеммах источника сравнимо со значением ЭДС: U=E_ЭДС-δU_кул и меньше на величину зарядки электродов, необходимой для обеспечения тока в электролите.

Величина тока I=е n_ион ν_{др ион} S определяется площадью электродов S и дрейфовой скоростью ν_др ионов, определяемой, в свою очередь, концентрацией n_ион и подвижностью µ_{др ион} ионов.

Зарядовая емкость источника определяется количеством электролита между электродами и в источнике в целом.

Ресурс работы источника определяется регенерацией (ионизацией) электролита и поддержанием постоянства атомного состава поверхности (работы выхода) электродов. Для этой цели выбирают электроды и электролит, не взаимодействующие химически друг с другом.

Сопоставительный анализ с прототипом показал, что предлагаемый ионно-нейтрализационный источник постоянного тока позволяет обеспечивать большие зарядовые емкости за счет многократной нейтрализации на одном и том же участке поверхности электрода в одном цикле работы. В прототипе - в химическом источнике тока - зарядовая емкость ограничена образованием 1-2-х монослоев химического соединения на поверхности электрода.

Предлагаемый источник постоянного тока в сравнении с прототипом обладает также большим ресурсом работы и большей надежностью благодаря отсутствию необходимости в химических реакциях для рабочего процесса и, соответственно, меньшей деградации рабочих поверхностей электродов.

Создание такого источника питания возможно на основе стандартных аккумуляторов (аккумуляторных батарей) с использованием конструкторско-технологической базы, а также обеспечением требований формулы изобретения к материалам электродов и составу электролита.

Изобретение относится к электрохимической и электротехнической промышленностям и может быть использовано в разработке производства источников постоянного тока в виде аккумуляторов, источников разового пользования и непрерывного действия аналогично топливным элементам, предназначенным для автономного питания электро- и радиотехнических устройств. Технический результат направлен на повышение надежности и ресурса работы источников постоянного тока. Согласно изобретению источник постоянного тока содержит корпус, раствор электролита в корпусе, два электрода из разнородных материалов, размещенных в электролите, при этом электроды выполнены из материалов с разными работами выхода электрона с поверхностей, контактирующих с электролитом, а раствор электролита содержит отрицательные ионы, энергия сродства которых меньше работы выхода материала с меньшей работой выхода, и положительные ионы, первый потенциал ионизации которых по абсолютной величине больше работы выхода материала с большей работой выхода. 2 ил.

Источник постоянного тока, содержащий корпус, раствор электролита в корпусе, два электрода из разнородных материалов, размещенных в электролите, отличающийся тем, что электроды выполнены из материалов с разными работами выхода электрона с поверхностей, контактирующих с электролитом, а раствор электролита подбирают таким образом, чтобы он содержал отрицательные ионы, энергия сродства которых меньше работы выхода материала с меньшей работой выхода, и положительные ионы, первый потенциал ионизации которых по абсолютной величине больше работы выхода материала с большей работой выхода.