Распределение тока по высоте железного электрода различных конструкций в никель-железном аккумуляторе при заряде и разряде Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 544.643.076.2

А.А. Храмов, О.Л. Козина, Ю.Л. Гунько, М.Г. Михаленко

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТОКА ПО ВЫСОТЕ ЖЕЛЕЗНОГО ЭЛЕКТРОДА РАЗЛИЧНЫХ КОНСТРУКЦИЙ В НИКЕЛЬ-ЖЕЛЕЗНОМ АККУМУЛЯТОРЕ ПРИ ЗАРЯДЕ И РАЗРЯДЕ

Представлены экспериментальные данные по распределению плотности зарядного и разрядного токов по высоте железных электродов. Исследовались железные электроды следующих конструкций: прессованный, вальцованный, ла-мельный. Исследования проводились на ячейке с составными положительным и отрицательным электродами.

Вертикальное распределение тока, железный электрод, прессованная конструкция, вальцованная конструкция, ламельная конструкция

А.А. Khramov, O.L. Kozina, Yu.L. Gun’ko, М-G. Mikhalenko

VERTICAL DISTRIBUTION OF CHARGE AND DISCHARGE CURRENTS WITHIN THE IRON CONSTRUCTION ELECTRODES OF NICKEL-IRON BATTERY

The article provides experimental data referring the vertical distribution of charge and discharge current densities along the height of iron electrodes. Research has been made into pressed, rolled and lamellar constructions. The research has been focused on the positive and negative electrodes cell.

Pore, vertical distribution of current, iron electrode, pressed construction, rolled construction, lamellar construction

Исследование распределения тока по высоте электродов различных конструкций проводилось во многих работах. Из результатов этих исследований, сделанных на никель-железном аккумуляторе с ламельными электродами [1], на никель-кадмиевом аккумуляторе с металлокерамическими электродами [2] и на свинцовом аккумуляторе с намазными электродами [3], можно выявить следующую закономерность распределения тока по высоте электрода - наибольший ток сосредотачивается в верхних зонах электрода, а наименьший в нижних зонах. Такая неравномерность распределения тока по высоте электродов является причиной, ограничивающей высотные параметры электродов, а также понижает возможные удельные электрические характеристики аккумуляторов.

В вышеуказанных работах рассматривается распределение тока только в режиме разряда. При заряде, так же как и при разряде, распределение тока по высоте электродов неравномерное. Неравномерность распределения тока при заряде оказывает влияние на распределение тока при последующем разряде, и поэтому исследования по распределению тока необходимо проводить в рамках полного цикла - заряда-разряда.

Исследование распределения тока по высоте железных электродов в никель-железном аккумуляторе проводилось на ячейке с составными электродами. Для измерения токов каждый электрод (положительный - оксидно-никелевый и отрицательный - железный) аккумулятора разбивался по высоте на отдельные секции, к каждому из которых подводился токоотвод (рис. 1). Токоотводы от каждой секции соединялись вместе через общий провод. По падению напряжения V на калиброванных сопротивлениях R модели рассчитывались токи для каждой секции.

Рис. 1. Электрическая схема для измерения распределения тока по высоте положительного и отрицательного электродов НЖ-аккумулятора: 1 - положительный электрод; 2 - отрицательный электрод; 3 - токоотводы

Исследования проводились на НЖ-аккумуляторах с положительным и отрицательным электродами следующих конструкций:

1) металлокерамический оксидно-никелевый электрод и прессованный железный электрод из магнетита;

2) металлокерамический оксидно-никелевый электрод и вальцованный железный электрод из железной губки;

3) ламельный оксидно-никелевый электрод и ламельный железный электрод.

Высота каждого электрода, состоящего из секций, составляла 120 мм.

На рис. 2 представлено распределение доли плотностей зарядного Л /Лз и разрядного ЛЛр токов по высоте Н железных электродов.

И

12

10 -

8 -

6 -

4 '

2 -

Л /

/// ш

'(/

Л

0.1

0.2

Ji/Jp

б

0.3

0.4

Рис. 2. Распределение доли плотностей тока по высоте железных электродов при заряде (а) и разряде (б)

1 - прессованный из магнетита, 2 - вальцованный из железной губки, 3 - ламельный.

Ji - плотность тока на i-й секции электрода; плотность тока заряда - 5 мА / см2, время от начала заряда - 1 ч; плотность тока разряда - 16,6 мА/см2, время от начала разряда - 20 мин

Как видно из диаграмм, наиболее равномерное распределение зарядного и разрядного токов наблюдается у ламельного электрода. Разброс доли тока по высоте электрода для ламельной конструкции самый минимальный среди остальных конструкций и составляет 3% при заряде и 6% при разряде. Для вальцованной конструкции этот разброс составляет 16% при заряде и 17% при разряде, а у прессованной конструкции 13% при заряде и 17% при разряде. Наиболее равномерное распределение тока по высоте электрода ламельной конструкции, по-видимому, связано с более высоким внутренним сопротивлением активной массы ламельных электродов по сравнению с электродами других конструкций.

Особенностью электрода прессованной конструкции является то, что в начале заряда и разряда электрохимические процессы сосредотачиваются главным образом на краях электрода (в нижних и в верхних областях), причём с каждым циклом заряда - разряда, это перераспределение усиливается и становится более заметным. Данное распределение тока, по-видимому, вызвано высоким сопротивлением токоотвода. Более низкое, чем у прессованного электрода, электрическое сопротивление токоотводов у вальцованного и ламельного электродов не привело к появлению краевого эффекта, как в случае с прессованным электродом.

Среди исследованных железных электродов наиболее равномерное распределение зарядного и разрядного тока по высоте свойственно ламельной конструкции, а наименее равномерное - вальцованной конструкции из железной губки.

ЛИТЕРАТУРА

1. Новаковский А.М. Влияние высоты электродов на напряжение никель-железного аккумулятора / А.М. Новаковский, В.В. Болотовская, Н.Ю. Шибаева // Исследования в области электрических аккумуляторов. 1988. С. 54-59.

2. Разработка моделей и исследование стационарного распределения электрохимического процесса по высоте электродов никель-кадмиевого аккумулятора / В.П. Мороз, В.З. Барсуков, Н.Н. Милютин, Л.Н. Сагоян // Сборник работ по химическим источникам тока. 1978. Вып. 12. С. 32-35.

3. Ягнятинский В.М. Распределение падения напряжения и плотности тока по поверхности электрода свинцового аккумулятора / В.М. Ягнятинский, В.К. Лужин, В.И. Львова // Исследования в области электрических аккумуляторов. 1988. С. 15-23.

Храмов Андрей Анатольевич -

аспирант кафедры

«Технология электрохимических производств» Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева Козина Ольга Леонидовна -кандидат технических наук, доцент кафедры «Технология электрохимических производств»

Andrey A. Khramov-

Postgraduate

Department of Electrochemical Technologies, Nizhniy Novgorod State Technical University

Olga L. Kozina -

Ph. D., Associate Professor

Department of Electrochemical Technologies,

а

Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева

Гунько Юрий Леонидович -

доктор технических наук, профессор кафедры «Технология электрохимических производств» Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева

Михаленко Михаил Григорьевич -

доктор технических наук, профессор, декан инженерного физико-химического факультета, заведующий кафедрой «Технология электрохимических производств» Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева

Nizhniy Novgorod State Technical University

Yury L. Gunko -

Dr. Sc., Professor

Department of Electrochemical Technologies, Nizhniy Novgorod State Technical University

Mikhalenko Mikhail G. -

Dr. Sc., Professor

Dean: Engineering Physical and Chemical Engineering Faculty,

Head: Department: of Electrochemical Technologies Nizhniy Novgorod State Technical University

Статья поступила в редакцию 24.06.12, принята к опубликованию 06.09.12