ХИМИЧЕСКИЙ ИСТОЧНИК ТОКА С РЕАКЦИОННО ОБРАЗУЮЩИМСЯ ЭЛЕКТРОЛИТОМ Российский патент 2016 года по МПК H01M6/18 H01M10/36 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к химическим источникам тока, преобразующим химическую энергию в электрическую, и предназначено для применения в системах запуска в ракетно-космической технике.

Известен химический источник тока (ХИТ), содержащий анод из щелочного или щелочноземельного металла, катод из одного или смеси нескольких элементов электроотрицательных подгрупп V-VI групп Периодической системы элементов, твердого электролита в виде обладающего ионной проводимостью химического (интерметаллического) соединения или смеси соединений веществ, образующих анод и катод, размещенного между анодом и катодом и токосъемники (см. SU, авторское свидетельство 564771, Н01М 6/18, Н01М 10/36/, 1974). Если катодное вещество не обладает электронной проводимостью, например сера, то в катод добавляют вещество, обладающее электронной проводимостью, например порошок графита.

Известен также аналогичный ХИТ, отличающийся тем, что в катод дополнительно введен электролит, содержащий катион катодного вещества (см. RU, патент 2422949, Н01М 6/18, Н01М 10/36/, 2010).

В зависимости от рабочей температуры анодные и катодные вещества в таких ХИТ могут быть как твердыми, так и жидкими (расплавленными). Химическое соединение или смесь соединений, используемое в качестве электролита, во всех этих ХИТ находятся в твердом состоянии.

Высокие электрические характеристики (плотности тока, плотности мощности) данных ХИТ могут быть достигнуты только при очень малой толщине твердого электролита - от нескольких десятков нанометров до нескольких микрометров. Столь малые толщины возможны только, если электролит образуется в результате химической реакции между анодным и катодным веществами при их прямом контакте в самом ХИТ. В то же время возможно и предварительное размещение твердого электролита - химического соединения электродных веществ - между катодом и анодом.

Поскольку продуктом электрохимической реакции является то же химическое соединение (смесь соединений), которое образует электролит, толщина последнего при прохождении разрядного тока и тока саморазряда при наличии электронной составляющей проводимости твердого электролита будет увеличиваться. Поэтому для поддержания малой толщины твердого электролита он должен растворяться в одном или обоих электродных веществах и отводиться диффузией вглубь электродов. Химические соединения (Li₂S, Na₂S, Na₂Te и др.), применяемые в качестве твердого электролита, обладают растворимостью и высокой диффузионной активностью в электродных веществах (сплавах) только, когда последние являются расплавленными, т.е. при достаточно высоких температурах (150-600°С) (см. Тазетдинов Р.Г., Хотина Г.К., Крысь М.А. Химические источники тока с электролитом, образующимся в процессе химической реакции между электродными компонентами: Ч. 1. Термодинамический анализ компонентов // Электронный журнал «Труды МАИ», 2005, №20, http://www.mai.ru). При этом твердый электролит растворяется в основном в катодном сплаве. В связи с изложенным, ХИТ рассматриваемого типа с электролитом в виде соединения веществ, образующих анод и катод, представляются перспективными при работе с жидким электродами. Настоящее изобретение относится именно к таким ХИТ.

Наиболее близкий аналог предлагаемого устройства описан в монографии (см. Тазетдинов Р.Г., Тибрин Г.С. Химические источники тока с реакционно формирующимся электролитом. - М.: Изд-во МАИ, 2013, с. 158-163). Применяемые в данных ХИТ электродные вещества являются чрезвычайно химически активными, что исключает их использование на открытом воздухе. Поэтому на практике такие ХИТ имеют герметичный корпус, в котором расположены электродные камеры: анодная с жидким анодным веществом, сепаратор в виде капиллярной структуры из электроизоляционного материала, например керамики, в котором находится твердый электролит и близлежащие к нему слои анодного и катодного веществ, катодная камера с жидким или загущенным порошком графита катодным веществом.

Катодные вещества данных ХИТ (S, Se, Те) имеют большую плотность, чем анодные (Li, Na). Поэтому для работы в наземных условиях катодная камера, изготовленная из электропроводящего вещества, например металла, расположена в нижней части корпуса и непосредственно касается его, а анодная камера, изготовленная из электроизоляционного материала, например керамики, вставляется внутрь катодной камеры. Сепаратор, разделяя анод и катод, герметично соединен с анодной камерой, играя одновременно роль ее днища. Либо сепаратором служит днище анодной камеры, выполненное в виде капиллярной структуры. При этом сепаратор (днище анодной камеры) погружен в жидкое катодное вещество. Токосъемник катода присоединен снаружи к корпусу элемента, а анодный токосъемник выведен наружу через изолятор в верхней части корпуса. Все свободное пространство внутри корпуса заполнено инертным газом, например аргоном.

Из стремления обеспечить максимальную рабочую площадь электродов, а также уменьшить возможность взаимного проникновения паров электродных веществ в электродные камеры зазор между электродными камерами делают минимальным или он вообще отсутствует. Отсутствие зазора между электродными камерами приводит к невозможности их взаимного перемещения при изменении объема катодного вещества при разряде элемента.

Недостатком известных ХИТ рассматриваемого типа является механическая нестабильность образующейся пленки твердого электролита, обусловленная изменениями объемов электродных веществ в процессе разряда ХИТ, разрушения вследствие этого и образования вновь адгезионно связанной со стенками каналов сепаратора пленки электролита, сопровождаемых значительным тепловыделением в результате прямой реакции анодного и катодного компонентов.

Твердые электролиты, применяемые в данных ХИТ, обладают преимущественно проводимостью по катионам анодного компонента (см. Von Möbius N.N., Witzmann N., Hartung R. Über die Jonen Beweglichkeit in Wasserfreien Natrium Sulfid // Z. Phisikalische Chemie, 1964, B. 227, №1-2, s. 40-55). Поэтому в процессе разряда элемента электролит образуется со стороны катода, т.е. снизу, что приводит к уменьшению объема части катодной камеры, заполненной катодным веществом. Твердый электролит растворяется больше в катоде, чем в аноде, что вызывает увеличение объема катодного сплава по сравнению с исходным объемом катодного вещества. Оба указанных фактора, действуя вместе, приводят к повышению давления в катодной камере и разряжению в анодной, т.е. к возникновению перепада давления на твердый электролит.

Под действием перепада давления твердый электролит относительно стенок анодной камеры или анодная камера с сепаратором или оба вместе должны перемещаться относительно катодной камеры вверх, что привело бы к механической разгрузке твердого электролита. Однако вследствие адгезии твердого электролита к стенкам капилляров сепаратора и трения друг о друга стенок электродных камер твердый электролит не может свободно перемещаться как внутри капилляра, так и вместе с анодной камерой и сепаратором. Поэтому полной механической разгрузки твердого электролита не происходит. Поскольку механическая прочность тончайшей пленки твердого электролита чрезвычайно мала, а в первые моменты времени после образования близка к нулю, в нем под действием даже незначительного перепада давления могут образовываться трещины, через которые легко проникают жидкие электродные вещества, и происходит химическая реакция между ними. Благодаря химической реакции трещины залечиваются, однако сразу же образуются другие, так как механическое давление снизу на электролит возникает вновь. При этом электродные вещества расходуются на химическую реакцию, элемент перегревается и быстро (через несколько секунд) выходит из строя.

Целью предлагаемого изобретения является увеличение времени разряда ХИТ при заданном режиме внешней нагрузки.

Техническим результатом является сохранение работоспособности ХИТ при разряде на внешнюю нагрузку.

Поставленная цель достигается тем, что в химическом источнике тока с электролитом, в виде химического соединения или смеси химических соединений анодного и катодного веществ, содержащем герметичный корпус, внутри которого размещены анодная и катодная электродные камеры с жидкими электродными веществами, сепаратор с твердым электролитом и близлежащими к электролиту слоями анодного и катодного веществ, при этом свободное пространство внутри корпуса заполнено инертным газом, а сепаратор герметично соединен с анодной камерой или выполнен в ее днище, согласно заявляемому изобретению, анодная камера с сепаратором размещена внутри катодной камеры с зазором, обеспечивающим их свободное перемещение друг относительно друга.

Наличие зазора между анодной и катодной камерами позволяет избежать механического разрушения электролита и, следовательно, повысить время разряда ХИТ при заданном режиме внешней нагрузки, благодаря обеспечению возможности свободного перемещения анодной камеры с сепаратором и электролитом относительно катодной камеры, что приводит к механической разгрузке твердого электролита.

На фигуре показана схема предлагаемой конструкции ХИТ. Жидкий катод 1 размещен в катодной камере 2 из электропроводящего материала. Жидкий анод 3 размещен в анодной камере 4 из электроизоляционного материала. Твердый электролит 5, являющийся химическим соединением или смесью химических соединений анодного и катодного веществ содержится в порах сепаратора 6 из электроизоляционного вещества. Сепаратор 6 разделяет анод и катод и герметично соединен с анодной камерой или выполнен в днище анодной камеры. Корпус 7 выполнен из электропроводного материала. Катодный токосъемник 8 присоединен непосредственно к корпусу снаружи. Анодный токосъемник 9 выведен наружу через гермоввод 10.

Катодная камера с катодом расположена в нижней части корпуса и касается его. Анодная камера с анодным веществом и сепаратором вставлена внутрь катодной камеры с зазором так, что она свободно погружена в жидкое катодное вещество. Все свободное пространство корпуса заполнено инертным газом. Если катодное вещество само не обладает электронной проводимостью, например сера, то в катод добавляется вещество, являющееся электронным проводником, например мелкодисперсный порошок графита. В катод также может быть добавлен посторонний электролит, обладающий проводимостью по катионам анодного вещества.

Химический источник тока рассматриваемого типа работает следующим образом. При разряде ХИТ образуется продукт электрохимической реакции, составляющий сам твердый электролит, поэтому толщина электролита увеличивается. Поскольку твердый электролит обладает преимущественно проводимостью по катионам анодного вещества, то это увеличение происходит в основном со стороны катода. Часть электролита растворяется в электродных веществах, причем также преимущественно в катоде. В силу двух указанных причин объем катода увеличивается, а объем анода уменьшается. Вследствие этого со стороны катода увеличивается давление на твердый электролит, а также на сепаратор. Под действием возникающего перепада давлений электролит вместе с сепаратором и анодной камерой движутся вверх, что приводит к выравниванию давлений сверху и снизу на электролит. Благодаря наличию зазора между анодной и катодной камерами указанное движение происходит свободно. Поскольку процессы образования, растворения электролита и выравнивания давлений на электролит происходят во времени непрерывно, то твердый электролит всегда будет механически разгружен и избежит поломки. Соответственно, при заданном режиме внешней нагрузки время разряда увеличится.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к химическим источникам тока, преобразующим химическую энергию в электрическую, и предназначено для применения в системах запуска и бортового электроснабжения в ракетно-космической технике. Согласно изобретению ХИТ содержит анод из щелочного или щелочноземельного материала, например литий и катод из элементов V-VI групп Периодической системы элементов, например сера. Электролитом является соединение анодных и катодных веществ, обладающих ионной проводимостью. Для обеспечения достаточно высокой плотности тока толщина электролита должна быть минимальной. В частном случае, электролит может образовываться при контакте анодного и катодного компонентов. При разряде ХИТ объем катода увеличивается, вследствие чего пленка электролита может ломаться и образовываться вновь. В результате возникает нестабильность работы элемента, обусловленная также значительным тепловыделением в результате прямой реакции анодного и катодного компонентов. Для устранения этой нестабильности предлагается обеспечить возможность перемещения анодного блока при увеличении объема катода путем свободного погружения анодного блока в жидкий катодный компонент с обеспечением гарантированного зазора между корпусными элементами анодного и катодного блоков. Повышение стабильности разряда, увеличение времени разряда ХИТ при заданном режиме внешней нагрузки являются техническим результатом изобретения. 1 ил.

Химический источник тока с электролитом в виде химического соединения или смеси химических соединений анодного и катодного веществ, содержащий герметичный корпус, внутри которого размещены анодная и катодная электродные камеры с жидкими электродными веществами, сепаратор с твердым электролитом и близлежащими к электролиту слоями анодного и катодного веществ, при этом свободное пространство внутри корпуса заполнено инертным газом, а сепаратор герметично соединен с анодной камерой или выполнен в ее днище, отличающийся тем, что анодная камера с сепаратором размещена внутри катодной камеры с зазором, обеспечивающим возможность свободного перемещения анодной камеры с анодным веществом, сепаратором и электролитом относительно катодной камеры.