Свинцовый аккумулятор

Изобретение относится к электрохимической промышленности и может быть использовано в разработке производства аккумуляторов преимущественно подвижных устройств: автомобилей, тракторов, морских судов, самолетов. Кроме того, изобретение может быть использовано для аккумулирования электрической энергии, преобразованной от механической энергии ветряков, солнечных батарей, геотермальной энергии тепловых источников, а также для источников разового пользования и непрерывного действия аналогично топливным элементам, предназначенным для автономного питания. Задачей заявляемого изобретения является повышение емкости аккумулятора и увеличения ресурса его работы. Свинцовый аккумулятор содержит блок отрицательных электродов и блок положительных электродов, помещенных в сосуд, заполненный электролитом, электроды представляют собой цилиндрические поверхности, расположенные перпендикулярно дну сосуда, причем отрицательный электрод расположен коаксиально, внутри положительного электрода, а поверхность электродов покрыта наночастицами окиси кремния или графена.

Изобретение относится к электрохимической промышленности и может быть использовано в разработке производства аккумуляторов преимущественно подвижных устройств: автомобилей, тракторов, морских судов, самолетов. Кроме того, изобретение может быть использовано для аккумулирования электрической энергии, преобразованной от механической энергии ветряков, солнечных батарей, геотермальной энергии тепловых источников, а также для источников разового пользования и непрерывного действия аналогично топливным элементам, предназначенным для автономного питания.

Известен электрический аккумулятор, содержащий корпус, блок электродов с сепараторами в виде стержней, расположенных на расстоянии, равном толщине электродов и соединенных вверху планкой, электролит (SU 1480692 А1, МПК Н01М 2\18, опубл. 27.12.1995 г.),

Недостатком такого аккумулятора является пониженная емкость аккумулятора.

Известен свинцовый аккумулятор, содержащий блоки отрицательных и положительных электродов, разделенных между собой сепараторами и помещенных в сосуд, заполненный электролитом (RU 2325013 С1, МПК Н01М 10\06, опубл. 20.05.2008 г.). В основу его работы заложено активное химическое взаимодействие электродов с электролитом.

Недостатком такого аккумулятора является то, что химически активный электролит по отношению к электродам разрушает их с образованием не разлагаемых сульфатов на поверхности электродов. Это ограничивает мощность и емкость аккумуляторов.

Наиболее близким аналогом изобретения, который принят за прототип, является свинцовый аккумулятор, содержащий корпус, блок отрицательных электродов, блок положительных электродов, помещенных в сосуд, заполненный электролитом (RU 2325013 С1, МПК Н01М 10\06, опубл. 20.05.2008 г.).

В свинцово-сернокислотном аккумуляторе свинцовые электроды погружены вводный раствор электролита - H ₂SO₄. Свинцовые электроды, вступая в химическую реакцию с серной кислотой, плотностью 1,28 г\см 3, покрываются с поверхности слоем сернокислого свинца (сульфата свинца) PbSO ₄.

При зарядке аккумулятора на отрицательном электроде (аноде) отрицательные ионы SO₄^-2 перемещаются к электроду и превращают сульфат в перекись свинца

PbSO₄+SO₄^-2+2Н₂O=PbO₂+H₂ SO₄+2е

Положительные водородные ионы перемещаются к отрицательному электроду (катоду) и восстанавливают сульфат в металлический свинец

PbSO₄ +2H⁺²+2e=+Pb+H₂SO₄

В основе зарядки лежит идущая с поглощением энергии реакция передачи электронов от одного электрода Pb 2+ к другому. ЭДС свинцового аккумулятора близка к 2В.

Отдавая ток во внешнюю цепь, аккумулятор разряжается и процессы протекают в обратном направлении. Таким образом, при разрядке осуществляется самопроизвольно идущее с выделением энергии оттягивание электронов ионом Рв 4+ с нейтрального атома свинца.

В результате электрохимической реакции на поверхность электрода из свинца поступают электроны, а из электрода PbO₂ удаляются электроны.

Таким образом, обеспечивается протекание тока между электродами во внешней цепи до момента полной сульфатации поверхности электродов. После разрядки аккумулятора первоначальное состояние не всегда восстанавливается. Это связано с процессом перенапряжения, при котором для диссоциации электролита необходимо увеличение потенциала на электроде на определенную величину по сравнению с равновесным потенциалом. Значительным перенапряжением сопровождается выделение газообразного водорода на катоде и образование (сульфата свинца) больше PbSO₄ равновесного, что приводит к значительному увеличению внутреннего сопротивления аккумулятора. Запишем закон Ома для замкнутой цепи аккумулятора (Фриш С.Э., Тиморева А.В. Курс общей физики.т.2,М.: Физматгиз, 1962. - с.158)

Где е - ЭДС,

R - сопротивление внешней цепи,

R₀ - внутреннего сопротивление аккумулятора.

Из последнего выражения следует, что ток во внешней цепи при разрядке уменьшается с увеличением внутреннего сопротивление аккумулятора

Недостатком такого аккумулятора является его ограниченная емкость, так как происходящие химические реакции захватывают только поверхность электродов и потому количество накопленной в нем энергии ограничено.

Кроме того, недостатком такого аккумулятора является то, что в основу его работы заложено активное химическое взаимодействие электродов с электролитом. Химически активный электролит по отношению к электродам разрушает их с образованием не разлагаемых сульфатов на поверхности электродов. Это также снижает стойкость электродов и ограничивает емкость аккумуляторов.

Задачей заявляемого изобретения является повышение стойкости электродов и емкости аккумулятора, что способствует увеличению ресурса его работы.

Технический результат достигается тем, что свинцовый аккумулятор, содержит блок отрицательных электродов и блок положительных электродов, помещенных в сосуд, заполненный электролитом, но в отличие от прототипа, электроды представляют собой цилиндрические поверхности, расположенные перпендикулярно дну сосуда, причем отрицательный электрод установлен коаксиально, внутри положительного электрода, а поверхность электродов покрыта наночастицами окиси кремния или графена.

Выполнение электродов в виде цилиндрических поверхностей, расположенных перпендикулярно дну сосуда, причем отрицательный электрод установлен коаксиально, внутри положительного электрода, способствует увеличению емкости аккумулятора.

Покрытие поверхности электродов наночастицами окиси кремния или графена позволяет повысить их стойкость и ресурс работы аккумулятора.

Рассмотрим вещества, предлагаемые в настоящем изобретении в качестве предохраняющих электроды от образования неразлагаемых сульфатов на их поверхности. К ним относятся: графеновые нанотрубки и наночастицы диоксида кремния (SiO₂). Графеновые нанотрубки имеют следующие характеристики: предел прочности на растяжение 3400 МПа, предел текучести 2100 МПа, твердость 40-80 HRC. По данным (http//issp.ras.ru/Control/in-form/perst/2011/11_24) шероховатость поверхности графеновых нанотрубок составляет 0,15 10^-9-0,20 10^-9 м.

У металлических электродов поверхность имеет шероховатость мкм (1,2 10^-6-1,05 10^-6 м). Таким образом, нанесение графеновых нанотрубок на металлическую поверхность электродов позволяет получить шероховатость поверхности электродов 0,15 10^-9-0,20 10^-9 м, то есть снизить их шероховатость в 1000 раз по сравнению с шероховатостью непокрытых металлических электродов. В этом случае налипание нерастворенных сульфатов на металлическую поверхность электродов происходит в ограниченных количествах. Таким образом, происходит увеличение стойкости электродов и ресурса работы аккумулятора.

При нанесении наночастиц диоксида кремния (SiO₂) на отрицательный и положительный электроды сульфаты не прилипают к поверхности электродов и при пропускании тока в обратном направлении, то есть при зарядке аккумулятора, сульфаты частично разлагаются.

Таким образом, если поверхность металлических электродов покрыта графеновыми нанотрубками или наночастицами диоксида кремния, то образование неразлагаемых сульфатов на поверхности электродов сверх равновесного не происходит. Равновесная часть, разлагается при зарядке аккумулятора, а другая часть выпадает в осадок на его дно. Таким образом, повышается стойкость электродов и ресурс работы аккумулятора.

На фиг.1 схематично изображен общий вид аккумулятора (аксонометрия), на фиг.2 - разрез А-А.

На фиг.1 и 2 обозначены: 1 - корпус, 2 - катод, 3 - анод, 4 - электролит. Электроды 2 и 3 из свинца - помещаются в корпус 1, в который заливается электролит 4 (20-30% - H ₂SO₄). В результате окислительно -восстановительной реакции на электродах образуется сульфат свинца. Так как, площадь цилиндрической поверхности аккумулятора больше, чем площадь прямоугольной пластины традиционного аккумулятора в раз, то емкость заявляемого аккумулятора в 3,14 раз больше емкости традиционного аккумулятора с прямоугольными пластинами.

В традиционном аккумуляторе, принятом за прототип, при отсутствии покрытия на электродах в результате перенапряжения на катоде выделяется газообразный водород и образуется сульфат свинца больше равновесного, что приводит к увеличению внутреннего сопротивления аккумулятора и падению тока во внешней цепи.

По заявляемому изобретению при покрытии поверхности металлических электродов 2 и 3 (фиг.2) аккумулятора графеновыми нанотрубками или наночастицами диоксида кремния образование неразлагаемых сульфатов сверх равновесного на поверхности электродов не происходит. Равновесная часть разлагается при зарядке аккумулятора, а другая часть выпадает в осадок на его дно. При этом снижается внутреннее сопротивление аккумулятора, увеличивается ток во внешней цепи, а емкость аккумулятора возрастает.

Пример. Традиционный аккумулятор при 20 часовой разрядке при температуре 25°С имеет: напряжение 12В, силу тока 2,75 А, емкость 55 A ч. B заявляемом аккумуляторе при аналогичных параметрах емкость увеличивается до 173,7 А ч.

Свинцовый аккумулятор, содержащий блок отрицательных электродов и блок положительных электродов, помещенных в сосуд, заполненный электролитом, отличающийся тем, что электроды представляют собой цилиндрические поверхности, расположенные перпендикулярно дну сосуда, причем отрицательный электрод установлен коаксиально, внутри положительного электрода, а поверхность электродов покрыта наночастицами окиси кремния или графена.

РИСУНКИ