CC BY
15
ДИАГНОСТИКА СОСТОЯНИЯ ХИМИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ ТОКА МЕТОДОМ
ШУМОВОЙ СПЕКТРОСКОПИИ
Бобов К.Н.1, Кубанцев И.С.2, Луковцев В.П.3, Петренко Е.М.4 ©
1М.н.с.; 2инж.-исл.; 3зав. лаб, к.т.н.; 4ст.н.с., к.т.н.
ФАНО России Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина Российской академии наук
Аннотация
Рассмотрена возможность использования шумовой спектроскопии химических источников тока (ХИТ) в качестве независимого метода диагностики их состояния. Разработано аппаратурно-программное обеспечение для регистрации и обработки шумовых характеристик ХИТ.
Ключевые слова: шумовая спектроскопия, химические источники тока, диагностика. Keywords: noise spectroscopy, diagnostic, electrochemical power souse.
1. Введение
Вопрос оценки текущего состояния ХИТ имеет большое значение с точки зрения возможности их использования в аппаратуре, к которой предъявляются требования высокой надежности. Такая оценка должна, в первую очередь, давать информацию о степени разряженности предполагаемых к применению источников тока. Наибольшие сложности возникают при диагностике ХИТ, разрядные характеристики которых практически не зависят от степени разряженности (например, литий-тионилхлоридные, литий ионные, никель-кадмиевые источники).
Одним из путей решения указанной проблемы является применение спектроскопии электрохимического импеданса, позволяющей оценивать полное внутреннее сопротивление ХИТ, включающее в себя как активные, так и реактивные составляющие, которые имеют вполне определенный физический смысл.
Импедансная спектроскопия позволяет получить в условиях оперативного неразрушающего контроля большое число параметров, каждый из которых, а также их функционально связанные значения, могут быть использованы как корреляторы степени разряженности ХИТ [1-3].
Дальнейшее развитие методики диагностирования состояния источников тока целесообразно провести в области шумовой спектроскопии. Привлечение этого независимого метода позволит значительно повысить достоверность получаемых результатов и с большей точностью определить степень разряженности ХИТ.
К преимуществам метода, основанного на регистрации шумов, следует отнести то, что он является пассивным, то есть проведение соответствующих измерений не предполагает какого-либо возмущения электрохимической системы внешними воздействиями и может использоваться для неразрушающего контроля исследуемых объектов.
2. Регистрация и обработка электрохимических шумов ХИТ.
В качестве объекта исследования рассматривали литиевые ХИТ (ЛХИТ), в частности, литий-тионилхлоридные элементы, которые в настоящее время широко используются в качестве источников автономного электропитания.
Электрохимические шумы ЛХИТ обусловлены характерными процессами активации и пассивации при работе как литиевого анода, так и пористого углеродного катода. По мере разряда и саморазряда меняется состояние и состав обоих электродов, меняется степень микро- и макрогетерогенности, локальной или общей запассивированности электродов, что отражается на флуктуациях напряжения.
© Бобов К.Н., Кубанцев И.С., Луковцев В.П., Петренко Е.М., 2016 г.
Так, на поверхности катода формируется и растет пленка нерастворимых продуктов электрохимического процесса, в основном хлорида лития и серы. Указанные продукты блокируют поверхность углеродного катода и забивают его поры. Неравномерность распределения продуктов реакции вызывает флуктуации потенциала катода, вносящие вклад в электрохимические шумы ЛХИТ.
Растворяющийся в ходе разряда литиевый анод также претерпевает изменения, связанные как с трансформацией пассивной пленки, так и с неравномерностью растворения лития. Это в той или иной степени сказывается на внутреннем сопротивлении разряжаемого элемента и на потенциале литиевого электрода.
Указанные явления на разных стадиях разряда могут быть разными, что должно отражаться на шумовых характеристиках.
Для исследования электрохимических шумов ЛХИТ разработано устройство, в котором учтена необходимость регистрации малых сигналов, уровень которых сравним с фундаментальными джонсоновскими шумами. Также учтено наличие большого уровня постоянной составляющей напряжения ЛХИТ (более 3,6 В), существенно подавляющего предельно малые шумовые сигналы (менее ± 1 мкВ). Это устройство, помимо высокой чувствительности, не требует компенсации постоянной составляющей шумовых сигналов. То есть, исключается влияние шумов, неизбежное при использовании любого компенсатора.
Разработанное программное обеспечение позволяет, наряду с необходимыми функциями задания-измерения параметров эксперимента, построить для каждого типа ХИТ калибровочную кривую, представляющую собой зависимость информативной характеристики от степени разряженности элемента.
В основных узлах устройства регистрации и обработки электрохимических шумов ХИТ используются интегральные микросхемы фирмы Analog Device. Эти узлы включают в себя малошумящий, 24-х разрядный аналогоцифровой преобразователь, USB блок преобразования сигналов и передачи их в ПК.
Внешний вид устройства представлен на рисунке 1.
Рис. 1. Внешний вид устройства
Пример калибровочной кривой, построенной на основании оценки степени разряженности литиевых ХИТ фирмы Tadiran (SL-2780) представлен на рисунке 2.
степень разряженности, % Рис. 2. Пример калибровочной кривой для ЛХИТ 8Ь-2780
Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант № 16-29-09375).
Заключение
Установлено, что шумовая спектроскопия может быть использована для диагностики состояния (степени разряженности) ХИТ.
Разработанное аппаратурно-программное обеспечение позволяет проводить регистрацию малых шумовых сигналов (менее ± 1мкВ) на уровне постоянной составляющей напряжения ЛХИТ более 3,6 В без компенсации, а также осуществлять обработку полученных результатов и построение калибровочных кривых. На примере ЛХИТ БЬ-2780 показана монотонность зависимости спектральной плотности шума источника от степени его разряженности.
Литература
1. Петренко, Е. М. Оценка состояния литиевых химических источников тока методом импедансной спектроскопии / Е.М. Петренко, А.В. Дрибинский, В.П. Луковцев, А.Л. Клюев // Электрохимическая энергетика. - Саратов, 2010. - Т. 10, № 3. - С. 128-132.
2. Патент на изобретение №2295139 от 21.04.2005 А.В Дрибинский, В.П.Луковцев, Е.М.Максимов, З.А. Ротенберг
3. Луковцев, В. П. Оценка степени разряженности тионилхлоридно-литиевых источников тока по их импедансным характеристикам / В.П. Луковцев, З.А. Ротенберг, А.В. Дрибинский, Е.М. Максимов, В Н. Урьев // Электрохимия. 2005. Т. 41, № 10. С. 1234-1238.
