Чтение онлайн

К щелочным аккумуляторам относятся никель-железные (НЖ) и никель-кадмиевые (НК) аккумуляторы ламельного типа [2–4]. Никель-железные и никель-кадмиевые щелочные аккумуляторы, в которых использованы электрохимические системы Fe | NaOH | NiOOH и Cd | KOH | NiOOH по сравнению со свинцовыми кислотными аккумуляторами, имеют более низкие разрядные напряжения и КПД. Они дороже, хуже работают при низких температурах, имеют более низкие разрядные токи и большие внутренние сопротивления, которые увеличиваются к концу разряда. Долговечность и прочность конструкций, простота обслуживания ламельных щелочных аккумуляторов являются теми преимуществами, которые обусловили их производство. Щелочные аккумуляторы используют на электрокарах, тягачах, для освещения железнодорожных вагонов, запуска дизелей тепловозов, питания аппаратуры и т.п.

Никелево-железные аккумуляторы в основном выпускаются в ламельном исполнении. Активная масса в них заключена в ламе-ли – плоские стальные коробочки с перфорированными стенками. Никель-кадмиевые аккумуляторы выпускают как в ламельном, так и безламельном исполнении с электродами на пористой основе или с прессованными электродами. Выпускаются и комбинированные аккумуляторы с ламельными или металлокерамическими положительными электродами и прессованными отрицательными.

Основные реакции в никель-железных и никель-кадмиевых аккумуляторах выражаются уравнениями:

ЭДС аккумуляторов зависит от активностей воды и 2NiOOH.

Заряд НЖ и НК аккумуляторов протекает в твердой фазе с участием ионов электролита на границе раздела фаз.

Оксидно-никелевый электрод готовится из гидроксида никеля и графита. Гидроксид никеля растворяется плохо, концентрация ионов никеля в электролите мала. Заряд электрода протекает в твердой фазе. Соединения никеля, более богатые кислородом, проводят ток лучше гидроксида. При анодной поляризации ионы ОН– подходят поверхности зерен гидроксида, отнимают водород и превращаются в воду:

Образующийся при заряде NiOOH является полупроводником p– типа с дырочной проводимостью. В начале заряда NiOOH накапливается в решетке гидроксида никеля (II) и искажает ее. При накоплении кислорода в большем количестве, чем необходимо для образования NiOOH, формируется твердый раствор соединений никеля. Активный материал представляет собой нестехиометрический оксид, содержащий в решетке Ni3+, Ni4+, OH– и O2-.. Могут образовываться разные модификации NiOOH ( и ), которые отличаются по физическим свойствам, структуре и вкладу в заряд-разрядные характеристики. При хранении -NiOOH имеет меньший саморазряд, но его разряд проходит при менее положительных потенциалах, чем -NiOOH.

На положительном электроде при заряде идет побочный процесс выделения кислорода: 4OH– – > 2H2O + O2 + 4 e, который ускоряется к концу заряда и приводит к снижению коэффициента использования тока.

После прекращения заряда оксидно-никелевые электроды выделяют кислород и их потенциал уменьшается. Это происходит за счет распада высших оксидов никеля и снижения содержания активного кислорода в электроде при реакциях окисления воды, а также благодаря выравниванию активностей NiOOH и Ni(OH)2 при диффузии в твердой фазе.

При обеднении поверхностного слоя кислородом электропроводность массы падает и разряд может прекратиться из-за потери контакта между токопроводящими добавками и глубинными слоями зерен, богатых кислородом. Поэтому при разряде допускаются меньшие токи, чем при заряде.

В концентрированных растворах щелочи заряд проходит полнее и использование никеля в активной массе улучшается. Однако в этих растворах положительная активная масса сильнее набухает и вымывается из ламелей.

Вредными примесями к положительной активной массе являются Mg, Al, Fe(OH)3. При снижении содержания примесей на порядок в графите емкость аккумуляторов увеличивается на 25–30 %. Накоплению кислорода на электроде способствуют добавки лития. NiOOH поглощает катионы лития, это способствует образованию диспергированной подвижной структуры оксидов никеля и повышению перенапряжения выделения кислорода.

На отрицательных пластинах никель-железных и никель-кадмиевых аккумуляторов токообразующие процессы идентичны. Реакции идут через промежуточные стадии образования ионов гипоферрита или кадматов. Продукты реакции остаются на электродах.

Поляризация железного электрода вызвана замедленностью диффузии гидроксид-ионов и растет при понижении температуры и повышении плотности тока разряда.

Электроды из железа и кадмия склонны к пассивации. Для пассивации железного электрода достаточно адсорбции мономолекулярного слоя О2, для кадмиевого – нескольких таких слоев. В результате кадмиевый электрод работает лучше железного при низких температурах. Депассиваторами железного электрода служат сульфид-ионы. Вредными являются примеси Mn, Al, Ca, Ni, Tl.

Саморазряд железного электрода сопровождается реакциями:

Для его снижения используют добавки Ag. Хранят никель-железные аккумуляторы в разряженном состоянии.

Саморазряд кадмиевого электрода очень мал, и он связан с окислением кадмиевой губки кислородом:

Полезными добавками для кадмиевого электрода являются оксиды никеля и некоторые органические поверхностно-активные вещества (соляровое масло), вредное действие оказывают свинец, таллий, кальций и марганец. Для снижения стоимости аккумулятора вместо чистого кадмия часто используется его смесь с железом. Добавка железа препятствует усадке кадмиевой активной массы при длительной работе. Соотношение кадмия к железу колеблется от 1:1 до 2,7:1. Железо принимает участие в токообразующем процессе одновременно с кадмием. Несмотря на более отрицательный стационарный потенциал железа по сравнению с кадмием, разряд железа протекает при более положительном потенциале из-за пассивации. При разряде потенциалы кадмия и железа сближаются и разряд обеих составляющих протекает одновременно.

Конец ознакомительного фрагмента.