Глава десятая.

Источники электрической энергии ПОСТОЯННОГО тока

10.1. ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ И БАТАРЕИ

Для питания аппаратуры связи и различных радиотехнических устройств широко применяются источники постоянного тока. Они преобразуют какую-либо неэлектрическую энергию (химическую, тепловую, световую и т. д.) в электрическую энергию постоянного тока. К таким источникам относятся гальванические элементы, аккумуляторы, термоэлементы, солнечные и атомные элементы и другие. Источники электрической энергии постоянного тока могут быть как основными источниками энергии для питания портативных устройств связи, аппаратуры на искусственных спутниках и космических кораблях, измерительной аппаратуры и т. д., так и резервными источниками энергии для питания аппаратуры при отключении сети переменного тока.

В качестве источников электрической энергии постоянного тока чаще всего применяются химические источники. В качестве химических источников используют гальванические элементы, аккумуляторы и топливные элементы. Гальваническими элементами называются одноразовые химические источники тока. Они отдают во внешнюю цепь энергию, запасенную в активных массах электродов в процессе изготовления, при этом имеют место необратимые химические процессы.

В настоящее время применяют исключительно сухие гальванические элементы благодаря простоте эксплуатации, дешевизне и способности работать в любом положении.

Наибольшее применение для питания аппаратуры связи нашли сухие элементы марганцево-цинковые (МЦ) и воздушно-марганце-во-цинковые (ВМЦ). Конструктивно они выполняются в виде ста-1анчиков и галет.

Отрицательным электродом в гальванических элементах МЦ и ВМЦ является цинк, выполненный в виде коробки (стакана), служащей сосудом элемента при стаканчиковой конструкции и в виде пластины при галетной конструкции.

Активным материалом положительного электрода является двуокись марганца (МпОг). Для повышения электропроводности по-8-311 225

ложительного электрода двуокись марганца смешивается с графитом в МЦ гальванических элементах, образуя агломератную массу. Агломерат располагается вокруг угольного электрода пра стаканчиковой конструкции. Угольный электрод служит токсот-водом положительного электрода элемента.

Между положительным и отрицательным электродами поме-ихается электролит - раствор нашатыря (NH4CI), для сгущенчя которого добавляется мука или крахмальный клейстер.

Для любого гальванического элемента ЭДС определяется разностью потенциалов положительного и отрицательного электродов относительно электролита и не зависит от размеров и конструкции самих электродов.

В свою очередь, потенциал электрода относительно электролита опреде7яется способностью атомов материала электродов отдавать электроны со своего внешнего энергетического уровня (отрицательный электрод) или принимать электроны (положительный электрод), т. е. ЭДС гальванического элемента зависит от материала электродов и от концентрации электролита.

Для МЦ и ВМЦ элементов ЭДС имеет величину 1,3-1,6 В в начале разряда.

Электрический ток во внешней цепи обусловлен переносом электронов с отрицательного электрода на положительный, а внутри элемента переносом ионов электролита. Положительные ионы электролита перемещаются к положительному электроду, так как по мере получения электронов из внешней цепи уменьшается потенциал этого электрода относительно электролита. Чтобы положительные ионы водорода электролита не попали на угольный электрод и не превратились в атомы водорода электролита (что повысит внутреннее сопротивление элемента, а следовательно, уменьшит напряжение во внешней цепи), положительный электрод выполняется из материала с большим содержанием кислорода (МпО?, а не Мп). В процессе разряда гальванического элемента ионы водорода соединяются с ионами кислорода, в результате чего образуются молекулы воды (HgO). Этим самым уменьшается вероятность попадания ионов водорода на угольный электрод.

Элементы ВМЦ по устройству практически не отличаются от элементов МЦ. Основное отличие состоит в том, что в материале положительного электрода есть активированный уголь, что делает электрод пористым и тем самым способным поглощать кислород Ббздуха. Это значительно повышает интенсивность превращения ионов водорода в молекулы воды. Благодаря этому, ВМЦ элементы обладают большей емкостью, чем МЦ элементы при од1-наковых габаритах.

Емкость гальванических элементов и аккумуляторов выражается в ампер-часах (А-ч), т. е. определяется как произведение токт нагрузки на время, в течение которого элемент отдает электрическую энергию. Емкость элемента зависит от его конструкции (о' количества активных материалов электродов и электролита), от температуры окружающей среды (с понижением температуры ем-

кость уменьшается) и от тока нагрузки (пр,и увеличении тока нагрузки емкость уменьшается, так как часть активных материа-\ов не успевает участвовать в реакциях). Удельная емкость МЦ этементов, т. е. количество А-ч ка килограмм массы составляет ,35 40) А-ч/кг. Удельная энергия МЦ элементов, т. е. количество В ч на килограмм массы составляет (45-50) Вт-ч/кг, а для Здщ (55-60) Вт-ч/кг.

Промышленностью выпускается широкий ассортимент элементов и батарей, составленных из МЦ и ВМЦ элементов галетной конструкции. Технические характеристики, а также маркировка их приведены в [24].

Недостатками МЦ и ВМЦ сухих элементов и батарей являются: саморазряд их в процессе хранения, большие пределы изменения напряжения при разряде, низкая удельная энергия на единицу массы и объема.

Значительно лучше по своим техническим и эксплуатационным характеристикам окисно-ртутные элементы РЦ, у которых отрицательным электродом является цинк, а положительным - окись ртути. В качестве электролита используют раствор едкого калия. ЭДС такого элемента составляет 1,35 В. Удельная энергия на единицу массы - 68 Вт-ч/кг, удельная энергия на единицу объема - ЗООВт-ч/дм (вместо 105Вт-ч/дмз для ВМЦ элементов). Эти элементы имеют значительно меньшее внутреннее сопротивление. Однако они значительно дороже МЦ и ВМЦ элементов.

Ввиду дефицитности н высокой стоимости цинка желательно использовать в качестве отрицательного электрода какой-либо другой металл, например, железо. Железо - угольные щелочные элементы ВДЖ применяются для питания радиоустройств в труднодоступных Для обслуживания местностях. Однако замена цинка железом приводит к уменьшению ЭДС элемента. Начальное напряжение ВДЖ элемента 0,75 В, напряжение в конце разряда 0,45 В. Элементы ВДЖ допускают длительное хранение и нормаль-, но работают при температурах выше 0°С. Удельная энергия на единицу объема и массы ВДЖ элементов выше, чем у ВМЦ элементов.

В настоящее время ведутся разработки по улучшению техничес- ких и эксплуатационных характеристик топливных элементов. Они, как и гальванические элементы, преобразуют химическую энергию в электрическую. В отличие от последних, запас энергии у которых сосредоточен внутри самого элемента, в топливных эле.м&нтах осуществляется непрерывная подача активных веществ из внешних хранилищ в зону, где происходит электрохимическая реакция и отвод продуктов, потучившихся при этой реакции.

10.2. КИСЛОТНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

Аккумулятором называют прибор многократного действия, обладающий способностью накапливать и сохранять в течение неко-, торого времени электрическую энергию.