CC BY
15ХИМИЯ, ХИМИЧЕСКИЕ И БИОТЕХНОЛОГИИ
УДК 544.643.076.2
А.А. Храмов, Ю.Л. Гунько, О.Л. Козина, М.Г. Михаленко
ВЛИЯНИЕ КОНСТРУКЦИИ ЭЛЕКТРОДОВ НА РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТОКА ПО ВЫСОТЕ ЭЛЕКТРОДОВ НИКЕЛЬ-ЖЕЛЕЗНОГО АККУМУЛЯТОРА
Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева
Приведены экспериментальные данные по распределению разрядных плотностей тока по высоте оксидно-никелевого и железного электродов как в системе аккумулятора, так и в системе с инертным электродом. Объяснено различие в распределении тока между оксидно-никелевым и железным электродами. Определен электрод, обладающий наиболее равномерным распределением разрядной плотности тока по высоте электрода.
Ключевые слова: разряд, распределение тока, железный электрод, оксидно-никелевый электрод, прессованная конструкция, вальцованная конструкция, металлокерамическая конструкция, ламельная конструкция.
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], никель-кадмиевом аккумуляторе с металлокерамическими электродами [2] и 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 указанных 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 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). Токоот-воды от каждой секции соединялись вместе через общий провод. По падению напряжения на калиброванных сопротивлениях модели рассчитывались токи для каждой секции.
Исследования проводились на макетах НЖ-аккумуляторов 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;
и в ячейках с противоположным инертным электродом из просечённой никелевой фольги.
© Храмов А.А., Гунько Ю.Л., Козина О.Л., Михаленко М.Г., 2012.
Высота каждого электрода, состоящего из пяти секций, составляла 120 мм.
Рис. 1. Электрическая схема для измерения распределения тока по высоте положительного и отрицательного электродов НЖ-аккумулятора:
1 - составной положительный электрод; 2 - составной отрицательный электрод; 3 - токоотводы
Результаты исследований по распределению разрядных плотностей тока по высоте оксидно-никелевых и железных электродов различных конструкций при использовании инертного противоэлектрода представлены на рис. 2 и рис. 3.
<
16
12 -
8 -
20
40
60
80
100
120
Н, мм
Рис. 2. Распределение разрядных плотностей тока по высоте металлокерамического (1) и ламельного (2) оксидно-никелевых электродов:
противоэлектрод - просечённая никелевая фольга; J- разрядная плотность тока; плотность тока разряда - 8,6 мА/ см ; время от начала разряда - 0,5 ч
4
0
Рис. 3. Распределение разрядных плотностей тока по высоте прессованного из магнетита (1), вальцованного из железной губки (2) и ламельного (3) железных электродов:
противоэлектрод - просечённая никелевая фольга;
J - разрядная плотность тока; плотность тока разряда - 10 мА / см2; время от начала разряда - 0,5 ч
У оксидно-никелевых электродов ламельной и металлокерамической конструкций плотности тока различаются незначительно (рис. 2). Лучшее распределение тока у оксидно-никелевого электрода металлокерамической конструкции, по сравнению с ламельной, может быть связано с более высокой электропроводностью токоотводящей основы.
Большая неравномерность в распределении разрядной плотности тока наблюдается у железных электродов различных конструкций. Наиболее равномерное распределение тока наблюдается для железного электрода, изготовленного вальцеванием железной губки, а наименее равномерное распределение - у железного электрода, изготовленного прессованием активной массы из магнетита (рис. 3), что связано с конструктивными отличиями этих электродов.
Необходимо отметить, что на равномерность распределения тока по высоте одновременно влияют следующие факторы: электропроводность токоотводящей основы (ламели, металлического каркаса) и сопротивление активной массы вещества (сюда можно включить сопротивление электрохимическому процессу, сопротивление активного вещества, сопротивление электролита в порах электрода). Чем больше электропроводность токоотводящей основы и чем больше сопротивление активной массы вещества (в случае постоянства сопротивления электролита), тем более равномерным будет распределение тока по высоте.
У железных электродов вальцованной и прессованной конструкций активное вещество в заряженном состоянии представляет собой металлический железный каркас, на поверхности которого в процессе разряда формируются продукты окисления железа. В процессе разряда у вальцованного электрода из железной губки сопротивление электролита в порах, в отличие от прессованного электрода из магнетита, резко возрастает, и распределение тока по высоте становится более равномерным.
У электродов ламельной конструкции из-за большой толщины и низкой степени перфорации ламельной ленты в процессе разряда происходит быстрое снижение концентрации электролита. Это сказывается как на омических потерях в порах, так и на величине поляри-
зации при анодном окислении железа, и соответственно, приводит к наиболее равномерному распределению тока по высоте электрода такого типа.
<
20
16
12 -
8 -
20
40
60
80
100
120
Н, мм
Рис. 4. Распределение разрядных плотностей тока по высоте металлокерамического оксидно-никелевого (1) и вальцованного железного (2) электродов в НЖ-аккумуляторе:
I - разрядная плотность тока; плотность тока разряда - 12 мА / см ; время от начала разряда - 0,5 ч
4
0
<
3
20
16 -
12 -
8 -
20
40
60
80
100
120
Н, мм
Рис. 5. Распределение разрядных плотностей тока по высоте ламельного оксидноникелевого (1)и ламельного железного (2)электродов в НЖ-аккумуляторе:
J - разрядная плотность тока; плотность тока разряда - 12 мА / см ; время от начала разряда - 0,5 ч
4
0
Исследование распределения тока по высоте электродов непосредственно в никель-железном аккумуляторе показало значительное отличие от характера распределения тока в
системе с инертным противоэлектродом. Наиболее равномерное распределение тока по высоте электрода наблюдается у железного электрода, а наименее равномерное - у оксидно-никелевого, как в аккумуляторах ламельного, так и безламельного типа. Более равномерное распределение тока у вальцованного (рис. 4), ламельного (рис. 5) и прессованного (рис. 6) железных электродов, по сравнению с оксидно-никелевыми электродами, может быть связано с более высокой электропроводностью токоотводящей основы электрода. Более высокая электропроводность основы ламельного железного электрода, чем у ламельного оксидно-никелевого электрода, связана с тем, что во время формировки ламельного железного электрода внутри его ламели, где находится активная масса, образуется металлический железный каркас, что и повышает электропроводность токоотводящей основы.
Н, мм
Рис. 6. Распределение разрядных плотностей тока по высоте металлокерамического оксидно-никелевого (7)и прессованного железного (2)электродов в НЖ-аккумуляторе:
J - разрядная плотность тока; плотность тока разряда - 18,6 мА / см2; время от начала разряда - 0,5 ч
Таким образом, в случае использования инертного электрода среди различных типов железных электродов наиболее равномерным распределением тока по высоте обладает вальцованная конструкция из железной губки. У оксидно-никелевого электрода в этом случае наиболее равномерным распределением тока по высоте обладает металлокерамическая конструкция. В никель-железном аккумуляторе наиболее равномерным распределением тока по высоте обладает железный электрод.
Библиографический список
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. - Л.: Энергоатомиздат, 1988. С. 54-59.
2. Мороз, В.П. Разработка моделей и исследование стационарного распределения электрохимического процесса по высоте электродов никель-кадмиевого аккумулятора / В.П. Мороз, [и др.] // Сборник работ по химическим источникам тока. Л.: Энергия, 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. - Л.: Энергоатомиздат, 1988. С. 15-23.
Дата поступления в редакцию 23.04.2012
А.А. Khramov, Yu.L. Gunko, O.L. Kozina, М.G. Mikhalenko
INFLUENCE OF ELECTRODES' CONSTRUCTION ON A VERTICAL DISTRIBUTION OF CURRENT IN A NICKEL-IRON ACCUMULATOR
Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.Y. Alekseev
Purpose: Determinate a vertical distribution of current on positive and negative electrodes of a nickel-iron accumulator. Design/methodology/approach: The experimental data was gotten with physical modeling on sectional electrodes. Findings A uniformity of current on the iron electrode is better than a uniformity of current on the oxide-nickel electrode. The metal-ceramic oxide-nickel electrode has a feature for example a maximal current concentrates on the top and at the bottom of electrode.
Research limitations/implications An iron electrode's electrocondactivity of current collector is high. A uniformity of current on the bar electrode is better than a uniformity of current on the rolled and press electrodes.
Key words: discharge, distribution of current, iron electrode, oxide-nickel electrode, press construction, rolled construction, metal-ceramic construction, bar construction.
