Ртутно-цинковые элементы
Министерство Образования
Российской Федерации
Камский Государственный
Политехнический Институт
Кафедра Э и Э
Реферат.
на тему: Ртутно-цинковые аккумуляторы.
Выполнил ст. гр. 2410
Мансуров. Р.
Проверил профессор
Обухов С. Г.
Набережные Челны 2003 г.
Содержание.
стр.
Введение__________________________________________3
Ртутно-цинковые аккумуляторы______________________4
Теория____________________________________________4
Устройство дискового элемента_____________________5
Характеристики____________________________________7
Перезаряжаемые элементы___________________________9
Технические характеристики_______________________10
Первичные химические источники тока, разработанные для изделий
спецтехники______________________________11
ХИТ производственного назначения ртутно-цинковой системы (Hg-
Zn)______________________________________12
Ртутно-цинковые элементы и батареи________________13
Список используемой литературы____________________14
Введение.
Ртутно-цинковые элементы питания используются для автономного питания в
контрольно-измерительных приборах, дозиметрической аппаратуре,
регистрирующих измерителях напряжения, слуховых аппаратах, часах, системах
противопожарной сигнализации, геофизических устройствах.
Особенности:
. стабильное напряжение;
. миниатюрность;
. высокие разрядные токи;
Источникам данной системы не требуется время для "отдыха", элементы
прекрасно работают и в прерывистом и в непрерывистом режиме.
Кроме того, элементы обладают устойчивостью к коррозии и к высокой
относительной влажности в процессе длительного срока хранения.
Электрохимическая система: цинк-окись ртути-гидрат окиси натрия. Имеют
высокие энергетические показатели, характеризуются практически плоской
кривой разряда, но работоспособны только при положительных температурах
(0...50°C). При малых токах разряда и стабильной температуре напряжение на
элементе остается почти неизменным. Практически не имеют газовыделения. Из-
за наличия ртути экологически вредны и к применению не рекомендуются. Из-
за "ползучести" электролита могут иметь небольшой беловатый налёт соли
(карбоната) на уплотнительном кольце.
Основные области использования: фотоэкспонометры, фотоаппараты,
измерительные приборы, слуховые аппараты, электронные наручные часы (как
правило, устаревшие модели).
Срок хранения до начала эксплуатации не более 1...1,5 лет.
Ртутно-цинковые аккумуляторы.
Среди щелочных первичных элементов с цинковым анодом ртутно-цинковые
элементы (РЦЭ) в некотором роде противоположны медно-цинковым. Они
выпускаются в виде герметичных элементов малой емкости - от 0,05 до 15 А·ч.
В них используется ограниченный объем электролита [около 1 мл/(А·ч)],
находящегося в пористой матрице; вследствие этого цинковый электрод
работает только на вторичном процессе.
Современные РЦЭ были разработаны С. Рубеном в США в начале 40-х годов
нашего века. Благодаря высокой эффективности предложенной им конструкции
«пуговичных» (дисковых) элементов широкое производство таких элементов было
налажено в США еще в годы второй мировой войны, а в, других странах—после
войны.
Теория.
Основу РЦЭ составляет электрохимическая система Zn|KOH|HgO. Конечным
продуктов разряда является оксид цинка. Разряд оксида ртути описывается
реакцией
HgO+Н20+2е-(Hg+2ОН-.
В начале разряда на потенциальной кривой Е+-? наблюдается
кратковременный спад потенциала, что вызвано кристаллизационной
поляризацией при образовании первых микро капель ртути. В дальнейшем
катодный потенциал сохраняет стабильность почти до конца разряда, поскольку
поляризация мала, а омические потери напряжения в активной массе по мере
перехода оксида ртути в металлическую ртуть снижаются.
Сохранность заряда элемента определяется саморазрядом цинкового
электрода, причем лимитирующей является катодная реакция восстановления
воды до водорода.
Элемент должен сохранять герметичность в течение нескольких лет,
поэтому скорость саморазряда должна быть настолько малой, чтобы не
создавалось избыточное давление, способное разгерметизировать элемент. Для
снижения скорости саморазряда цинкового анода принимают следующие меры:
используют особо чистый цинк; с целью резкого повышения водородного
перенапряжения цинк обильно амальгамируют; подавляют выделение водорода
на поверхности других металлов, контактирующих с цинковым анодом; в
качестве электролита используют раствор КОН высокой концентрации, который
предварительно насыщают цинкатом калия; структуру активной массы
отрицательного электрода создают достаточно грубодисперсной, для этого
применяют цинковые опилки или цинковый порошок крупных фракций.
Устройство дискового элемента.
Рис.1. Устройство ртутно-цинкового элемента: 1 - крышка (отрицательный
полюс); 2 - цинковый электрод; 3 - резиновое уплотнительное кольцо; 4 -
бумага, пропитанная электролитом; 5 - ртутний электрод; 6 - корпус
(положительный полюс).
Положительный электрод представляет собой активную массу 5,
впрессованную в стальной корпус 6. Активная масса состоит из
тонкокристаллического красного оксида ртути, в который добавлены графит и
дубитель БНФ. Малозольный мелкомолотый графит повышенной чистоты служит
токопроводящей добавкой. Диспергатор дубитель БНФ как органическое
поверхностно-активное вещество адсорбируется на ртути, препятствуя
образованию крупных капель металла. В результате диспергированная ртуть
равномерно распределяется в объеме электрода, повышая его электрическую
проводимость и обеспечивая высокий коэффициент использования. Кроме того,
крупные капли ртути, попав в межэлектродное пространство, способны вызвать
короткое замыкание и вывести элемент из строя.
Корпус, в который впрессована активная оксидно-ртутная масса, служит
одновременно каркасом электрода и положительным токоотводом. Он отштампован
из стальной ленты толщиной 0.3—0.4 мм и защищен от коррозии
электролитическим никелем.
Отрицательным электродом является стальная крышка 1, в которую
запрессована активная масса 2—цинковые опилки, благодаря чему электрод
обладает необходимой прочностью. Для борьбы с саморазрядом цинк
амальгамируют, содержание ртути в активной массе достигает 10%. Как и
корпус, крышка кроме своего прямого назначения выполняет функции каркаса
электрода и токоотвода. Важную роль играет компактное и достаточно толстое
(около 20 мкм) оловянное покрытие, которое служит для защиты стальной
поверхности крышки от коррозии, и препятствует саморазряду цинка, поскольку
перенапряжение выделения водорода на железе гораздо ниже, чем на
амальгамированном олове.
Не смотря на то, что оксид ртути значительно дороже чем цинка,
оксиднортутная активная масса берется в избытке, и по этому емкость
элемента лимитируется цинковым электродом. Если бы емкость ограничивалось
положительным электродом, то вслед за зарядом HgO на никелированной
поверхности корпуса начался бы процесс разрядки молекул воды с образованием
водорода. Вероятность разрушения элемента и вытекания ртути при этом весьма
велика.
В РЦ элементах в качестве электролита используют раствор КОН высокой
степени чистоты, в который предварительно вводят оксид цинка для
образования цинката калия. Иногда в раствор добавляют диоксид кремния, что
замедляет старение электролита, препятствует преждевременному распадению
тетрагидроксоцинката. Электролит пропитывает электродные активные массы и
сепаратор-диафрагму. Диафрагма 9 состоит из 2-4 слоев щелочестойкой
хлопковой бумаги, обладающей высокой пористостью и гидрофильностью,
впитывающей до восьмикратного объема электролита, плотно заполняя все
межэлектродное пространство.
Герметизация элемента осуществляется с помощью резинового или
пластмассового кольца 3, которое является одновременно и изолятором между
электродами. Давление водорода из-за малого самозаряда повышается медленно,
однако и оно способно со временем разгерметировать элемент. При завальцовке
корпуса обеспечивают такое сжатие резины, чтобы исключить вытекание
электролита и в то же время дать возможность водороду медленно
диффундировать в атмосферу.
Ртутно-цинковые элементы используют не только индивидуально, но и в
составе батарей. Для этого их комплектуют в секции по 2-10 шт., соединяя
последовательно с помощью никелевой ленты. Корпусом секции служит трубка из
многослойной полимерной пленки.
Характеристики.
Габариты, масса и емкость наиболее распространенных РЦ элементов
согласно ГОСТ 12537-76 представлены в табл.1.
Таблица 1
|Обозначение |Размеры, мм |Масса, г |Номинальная емкость,|
|элемента | | |А.ч |
| |диаметр |высота | | |
|РЦ53 |15,6 |6,3 |4,6 |0,3 |
|РЦ55 |15,6 |12,5 |9,5 |0,55 |
|РЦ63 |21,0 |7,4 |11,0 |0,65 |
|РЦ65 |21,0 |13,0 |18,1 |1,1 |
|РЦ73 |25,0 |8,4 |17,2 |1,1 |
|РЦ75 |25,5 |13,5 |27,3 |1,8 |
|РЦ83 |30,1 |9,4 |28,2 |1,8 |
|РЦ85 |30,1 |14,0 |39,5 |2,8 |
Номинальная емкость РЦ элементов равна емкости при I100 мА и 20єС или
(разрядное напряжения в 1,0 В). При 50єС емкость близка к максимально
допустимой и коэффициент использования цинка достигает 100%, при 20єС – к
90% и при 0єС – к 30%. В конце двух-, трехгодичного срока хранения емкость
должна быть не ниже 0.9 СНОМ.
Напряжение разомкнутой цепи РЦ элементов составляет 1,35 В при 250С и
при снижении температуры уменьшается незначительно.
Типичные разрядные кривые ртутно-цинковых элементов представлены на
рис.2. Элементы отличаются хорошей стабильностью напряжения в течении
большей части разряда , что для ряда областей применения является
существенным фактором. Разряд ведется до конечного напряжения 0,9-1,1 В (в
зависимости от тока); дальше напряжение резко падает. В элементах
используются сравнительно толстые электроды с большой емкостью на единицу
поверхности. Поэтому заметное снижение емкости начинается уже при разряде
токами, соответствующими jp>0.02(при плотностях тока больше 100А/м2). В
связи с этим элементы предназначены для разряда в основном малыми и
средними токами(jp=<0,01) . Нормированные внутренние сопротивления в
зависимости от конструкции колеблется от 1 до 8 Ом.А.ч.
При пониженных температурах работоспособность элементов ухудшается.
При 00С снижение емкости начинается при jp=0,005, и внутреннее
сопротивление по сравнению с сопротивлением при комнатной температуре
возрастает в 2-3 раза. При температуре -200C иjp=0,002 элементы обладают
только около 20% номинальной емкости.
Основным достоинством ртутно-цинковых элементов является их
малогабаритность. Удельная энергия на единицу массы не очень велика-100-
120Вт.ч/кг. Hо благодаря высокой средней плотности, удельная энергия на
единицу объема выше, чем у любых других источников тока с водным
электролитом, и составляет 400-500 кВт.ч/м3 (все цифры относятся к
jp=<0,02). Поэтому они применяются прежде всего в малогабаритных
устройствах: ручных электрочасах, карманных электронных калькуляторах
и.т.д.
Другим достоинством является хорошая сохраняемость: при хранении в
течении 3-5 лет потери емкости составляют 5-15%. Допускается хранение при
высоких температурах, например 3 месяца при температуре 500С и
кратковременно даже при температуре 700С,
Основными недостатками ртутно-цинковых элементов являются их высокая
стоимость и дефицитность ртутного сырья.
Рис.2.Разрядные кривые элемента РЦ53 при комнатной температуре.
Типичные разрядные характеристики на примере дискового элемента РЦ73
показаны на рис.3 (кривые 1-3).
Рис.3. Разрядные характеристики дискового элемента РЦ73 при температуре
500С(1), 200С(2) и 00С(3-5): разряд током: 1,2,3 - 0,01 Сном; 4 – 0,02
Сном; 5 – 0,04 Сном.
Большинство РЦ элементов рассчитано на эксплуатацию в температурном
интервале от 0 до 50°С при токах разряда менее I10. перегрев элемента при
повышенных как токовой нагрузке, так и окружающей температуре, опасен из-за
риска разгерметизации. Некоторые элементы разработаны для экстремальных
температурных условий. Так, элемент РЦ82 выдерживает перегрев до +700С,
элемент РЦ85 работоспособен при температуре от-30 до +500С.
Ртутно-цинковые элементы отличаются высокой механической прочностью,
они устойчивы к вибрации, ударам, центробежному ускорению. Они также
работоспособны в условиях как повышенного давления (до 106 Па), так и
глубокого вакуума (около 10-4 Па), для них неопасна 98% влажность. Удельная
энергия лучших образцов достигает 110 Вт·ч/кг, или около 400 Вт·ч/л; срок
службы 3(5 лет при саморазряде за три года не выше 10% (20°С). Недостатками
элементов являются их низкая технологичность, а также высокая стоимость,
обусловленная применением дорогостоящей и дефицитной ртути и ее оксида.
Производство РЦ элементов, связанное с применением токсичных веществ,
требует специальных мер по технике безопасности.
Перезаряжаемые элементы.
Ртутно-цинковые источники тока могут быть изготовлены и в
перезаряжаемом (аккумуляторном) варианте. Однако при этом встречаются
значительные трудности из-за того, что образующаяся при заряде
металлическая ртуть сливается в большие капли, которые потом трудно
окислить при заряде. Для предотвращения этого эффекта в массу
положительного электрода вместо графита добавляют тонкий серебряный
порошок. При разряде элемента, по мере образования металлической ртути,
серебро амальгамируется. Удельная энергия перезаряжаемых ртутно-цинковых
элементов в 4-5 раз меньше, чем удельная энергия первичных элементов; она
так же уступает удельной энергии малогабаритных перезаряжаемых серебряно-
цинковых элементов.
Технические характеристики.
Таблица 2
|Наименование |Размеры (мм) |Масса |Напряжение|Емкость|Срок |
| | |(кг) |(В) |(Ач) |хранения|
| | | | | |(мес) |
|RTS-15 |РЦ-15 |6.3х6.0 |0.085 |1.25 |0.033 |24 |
|RTS-17 |РЦ-17 |5.5х24.5 |0.0024|1.25 |0.1 |31 |
|RTS-32 |РЦ-32 |10.9х3.6 |0.0014|1.25 |0.1 |9 |
|RTS-53 |РЦ-53 |15.6х6.3 |0.0046|1.25 |0.3 |18 |
|RTS-53U|РЦ-53У |15.6х6.3 |0.0046|1.25 |0.175 |60 |
|RTS-55 |РЦ-55 |15.6х12.5 |0.0095|1.22 |0.55 |36 |
|RTS-57 |РЦ-57 |16.6х17.8 |0.017 |1.25 |1 |18 |
|RTS-63 |РЦ-63 |21.0х7.4 |0.011 |1.25 |0.65 |24 |
|RTS-65 |РЦ-65 |21.0х13.0 |0.018 |1.22 |1.1 |36 |
|RTS-73 |РЦ-73 |25.5х8.4 |0.017 |1.25 |1.1 |24 |
|RTS-75 |РЦ-75 |25.5х13.5 |0.027 |1.22 |1.8 |36 |
|RTS-82 |РЦ-82 |30.1х9.4 |0.03 |1.25 |1.5 |24 |
|RTS-83 |РЦ-83 |30.1x9.4 |0.028 |1.25 |1.8 |24 |
|RTS-83H|РЦ-83Х |30.1x9.4 |0.0253|1.25 |1.5 |18 |
|RTS-85 |РЦ-85 |30.1x14.0 |0.039 |1.22 |2.8 |36 |
|RTS-93 |РЦ-93 |30.6х60.8 |0.17 |1.25 |13.6 |36 |
|RTS-93S|РЦ-93С |30.6х60.8 |0.17 |1.25 |13.6 |63 |
|2RTS53-|2РЦ53-10РЦ53 |15.6Н16-72 |0.01-0|2.5-12.5 |0.25 |15 |
|10RTS53| | |.05 | | | |
|2RTS55-|2РЦ55-10РЦ55 |16.2Н28-132 |0.02-0|2.44-12.2 |0.5 |24 |
|10RTS55| | |.098 | | | |
|2RTS63-|2РЦ63-10РЦ63 |21.6Н18-81 |0.02-0|2.5-12.5 |0.55 |18 |
|10RTS63| | |.113 | | | |
|2RTS65-|2РЦ65-10РЦ65 |21.0Н29-137 |0.037-|2.44-12.2 |1 |24 |
|10RTS65| | |0.183 | | | |
|2RTS73-|2РЦ73-10РЦ73 |26.1Н20-91 |0.036-|2.5-12.5 |1 |18 |
|10RTS73| | |0.176 | | | |
|2RTS75-|2РЦ75-10РЦ75 |26.1Н30-142 |0.056-|2.44-12.2 |1.5 |24 |
|10RTS75| | |0.28 | | | |
|2RTS83-|2РЦ83-10РЦ83 |30.7Н22-101 |0.057-|2.5-12.5 |1.5 |18 |
|10RTS83| | |0.285 | | | |
|2RTS85-|2РЦ85-10РЦ85 |30.7Н31-147 |0.084-|2.44-12.2 |2.5 |24 |
|10RTS85| | |0.42 | | | |
|4RTS57 |4РЦ57 |18.9х73.0 |0.085 |5 |0.54 |12 |
|5RTS53U|5РЦ53У"Мотив" |17.1х41.0 |0.042 |6.25 |0.02 |60 |
|7RTS53U|7РЦ53У |17.3х53.5 |0.05 |8.75 |0.1 |54 |
|5RTS83H|5РЦ83Х |30.7х52.0 |0.142 |6.25 |1.5 |9 |
|6RTS83H|6РЦ83Х |30.7х62.0 |0.171 |7.5 |1.5 |9 |
|9RTS83H|9РЦ83Х |30.7х91.0 |0.256 |11.25 |1.5 |9 |
|2401 |26х6х15 |0.007 |2.5 |0.1 |30 |
|2402 |26х6х25 |0.0125|2.5 |0.2 |30 |
|2403 |26х6х35 |0.0177|2.5 |0.3 |30 |
|3601 |6.2х80 |0.0106|3.75 |0.1 |30 |
|3602 |26х6х35 |0.0177|3.75 |0.2 |30 |
|BOR |БОР |24.5х53.5 |0.075 |7.5 |0.2 |12 |
|PRIBOY-|ПРИБОЙ-2С |137.5х80х25.5 |0.05 |9.4 |1.98 |30 |
|2S | | | | | | |
|PRIBOY-|ПРИБОЙ-3К |137.5х80х25.5 |0.05 |9.4 |1.98 |18 |
|2K | | | | | | |
|ACTSIYA|АКЦИЯ |24.2х60.0 |0.082 |7.5 |0.2 |15 |
|6RTS63 |6РЦ63 |89.2х24.8х29.6 |0.145 |7 |1 |9 |
|6RTS53 |6РЦ53 |34х18.4х26.5 |0.04 |7 |0.19 |9 |
|12RTS63|12РЦ63 |71х46х105 |0.91 |15.5 |1.8 |9 |
|3RTS93 |3РЦ93 |30.5х188.0 |0.55 |3.75 |7 |20 |
Первичные химические источники тока, разработанные для изделий
спецтехники.
Таблица 3
|Наименование |Габаритные |Масса, |Напряжение,|Емкость, | ГСХ, |
| |размеры, мм |кг. | |Ач. | |
| | | |В. | |мес. |
|РЦ-15 |(6,3х6 |0,0850 |1,25 |0,033 |24 |
|РЦ-17 |(5,5х24,5 |0,0024 |1,25 |0,100 |31 |
|РЦ-32 |(10,9х3,6 |0,0014 |1,25 |0,100 |9 |
|РЦ-53 |(15,6х6,3 |0,0046 |1,25 |0,300 |18 |
|РЦ-53у |(15,6х6,3 |0,0046 |1,25 |0,175 |60 |
|РЦ-55 |(15,6х12,5 |0,0095 |1,22 |0,550 |36 |
|РЦ-57 |(16,6х17,8 |0,0170 |1,25 |1,000 |18 |
|РЦ-63 |(21,0х7,4 |0,0110 |1,25 |0,650 |24 |
|РЦ-65 |(21,0х13,0 |0,0180 |1,22 |1,100 |36 |
|РЦ-73 |(25,5х8,4 |0,0170 |1,25 |1,100 |24 |
|РЦ-75 |(25,5х13,5 |0,0270 |1,22 |1,800 |36 |
|РЦ-82 |(30,1х9,4 |0,0300 |1,25 |1,500 |24 |
|РЦ-83 |(30,1х9,4 |0,0280 |1,25 |1,800 |24 |
|РЦ-83Х |(30,1х9,4 |0,0253 |1,25 |1,500 |18 |
|РЦ-85 |(30,1х14,0 |0,0390 |1,22 |2,800 |36 |
|РЦ-93 |(30,6х60,8 |0,1700 |1,25 |13,600 |36 |
|РЦ-93С |(30,6х60,8 |0,1700 |1,25 |13,600 |63 |
|4РЦ57 |(18,9х73 |0,0850 |5,00 |0,540 |12 |
|5РЦ53У”Мотив”|(17,1х41 |0,0420 |6,25 |0,020 |60 |
|7РЦ53У |(17,3х53,5 |0,0500 |8,75 |0,100 |54 |
|5РЦ83Х |(30,7х52 |0,1420 |6,25 |1,500 |9 |
|6РЦ83Х |(30,7х62 |0,1710 |7,50 |1,500 |9 |
|9РЦ83Х |(30,7х91 |0,2560 |11,25 |1,500 |9 |
|БОР |(24,5х53,5 |0,0750 |7,50 |0,200 |12 |
|ПРИБОЙ-2с |137,5х80х25,5 |0,5000 |9,40 |1,980 |30 |
|ПРИБОЙ-2к |137,5х80х25,5 |0,5000 |9,40 |1,980 |18 |
|АКЦИЯ |(24,2х60 |0,0820 |7,50 |0,200 |15 |
|6РЦ63-2(2-01)|89,2х24,8х29,6|0,1450 |7,00 |1,000 |9 |
|6РЦ53(2-03) |34х18,4х26,5 |0,0400 |7,00 |0,190 |9 |
|12РЦ63-6(2-02|71х46х105 |0,9100 |15,50 |1,800 |9 |
|) | | | | | |
|3РЦ93 |(30,5х188 |0,5500 |3,75 |7,000 |20 |
Ртутно-цинковые элементы и батареи.
Таблица 5
|МЭК |ГОСТ, ТУ |Габариты |Масса, |Напряжение, |Емкость, |
| | |(D * h), мм|г. |В |мА*ч |
|Элементы |
|MR6 | |10,5 * 44,5|25 |1,35 |1700 |
|MR9 |РЦ 53 |16 * 6,2 |4,2...4,6|1,35 |250...360 |
|MR19|РЦ 85 |30,8 * 17 |43 |1,35 |3000 |
|MR42|РЦ 31 |11,6 * 3,6 |1.4...1.6|1,35 |110 |
|MR52|РЦ 55 |16,4 * 11,4|8...9 |1,35 |450...500 |
| |РЦ 63 |21 * 7,4 |11 |1,34 |700 |
| |РЦ 65 |21 * 13 |18,1 |1,34 |1500 |
| |РЦ 73 |25,5 * 8,4 |17,2 |1,34 |1200 |
| |РЦ 75 |25,5 * 13,5|27,3 |1,34 |2200 |
| |РЦ 82 |30,1 * 9,4 |30 |1,34 |2000 |
| |РЦ 83 |30,1 * 9,4 |28,2 |1,34 |2000 |
| |РЦ 93 |31 * 60 |170 |1,34 |13000 |
|Батареи |
|3MR9|3РЦ 53 |17 * 21,5 |15 |4,05 |250...360 |
|4MR9|4РЦ 53 |17 * 27 |20 |5,4 |360 |
|2MR5|2РЦ 55с |17 * 23 |19 |2,7 |450 |
|2 | | | | | |
|3MR5|3РЦ 55с |17 * 35 |28 |4,05 |450 |
|2 | | | | | |
| |4РЦ 55с |16,2 * 53 |40 |5,4 |450 |
| |5РЦ 55с |16,2 * 66 |50 |6,7 |450 |
| |6РЦ 63 |23 * 48 |72 |7,2 |600 |
[pic]
|[pic] | |
Список используемой литературы:
1. Багоцкий В.С., Скундин А.М. - «Химические источники тока».
2. Варыпаев В.Н. и др. – «Химические источники тока».
3. Деордиев С.С. – «Аккумуляторы и уход за ними». |
