Цинк-повітряне джерело струму

Цинк-повітряне джерело струму, що включає цинковий анод, повітряний електрод, електроліт, сепаратор, яке відрізняється тим, що в ньому використовується сольовий електроліт з вмістом гігроскопічної солі цинку та хлористого амонію, а до складу повітряного електрода введена суміш поліаніліну, вуглецевого волокна й електролітичного дюксиду марганцю в співвідношенні поліанілін - 40-60%, вуглецеве волокно - 1-10%, електролітичний дюксид марганцю - 39-50% Винахід відноситься до ХІМІЧНИХ джерел струму (ХДС) із комбінованим катодом і сольовим електролітом, може бути використаний у виробництві акумуляторів і первинних джерел струму Завданням винаходу є удосконалювання Zn/повітряних елементів ВІДОМІ Zn/повітряні джерела струму з катодом, до складу яких входять дорогі каталізатори з благородних металів У якості електроліту використовується луг [1] Такі елементи мають дуже високі питомі характеристики Одним із недоліків указаних ХДС є їх висока вартість Навіть при використанні змінних анодів їх експлуатація виявляється економічно невигідною Описано також джерела струму з сольовим електролітом і полімерним катодом з поліаніліну [2] Проте в них є суттєвий недолік - низька робоча напруга Прототипом є джерело струму на основі диоксиду марганцю з повітряною деполяризацією Повітряний електрод складається з гідрофобного шару, до складу якого входить ацетиленова сажа, політетрафторетилен і активний шар з електролітичного диоксиду марганцю й активованого вугілля Анод складається з цинку високої чистоти з сильно розвиненою поверхнею Електроліт - розчин гідроксиду калію Цей елемент має питому енергію 200 Вт час/кг Під час зберігання отвори для повітря закриті спеціальною плівкою, що запобігає надходженню повітря [1] Одним з основних недоліків прототипу є те, що він погано зберігається у робочому стані зі знятою плівкою, що обумовлює малий термін служби із-за карбонізації лужного електроліта Оскільки лужний електроліт карбонізується на повітрі, а використання повітряного електрода потребує гарного доступу повітря до електрода, а тому і до електроліту, то повітряні елементи в робочому стані мають невеликий строк служби, близько ЗО діб В основу даного рішення була поставлена задача збільшення строку служби і поліпшення електричних характеристик полімерного катода, надання йому циклованості за "рахунок використання сольового електроліту, не схильного до карбонізації і підвищення розрядних характеристик шляхом використання суміші полімерного і неорганічного активного матеріалу в якості каталізатора Поставлена мета досягається тим, що у відомому цинк-повітряному джерелі струму, що включає цинковий анод, електроліт та сепаратор, замість лужного електроліту використовується розчин гігроскопічної солі цинку та хлористого амонію з концентрацією 5 М ІЧЬЦСІ та 2М ZnCb Використання гігроскопічної солі цинку дозволяє запобігти висиханню та карбонізації електроліту, а хлористий амоній підтримує достатню електропровідність електроліту У якості електродного матеріалу використовується суміш струмопровідного полімеру поліаніліну, дюксиду марганцю та вуглецевого волокна 3 наведеної таблиці електричних характеристик електродів можна побачити, що найбільш високі характеристики мають електроди з співвідношенням компонентів поліаніліну 40-60%, вуглецевого волокна 1-10% та електролітичного дюксиду марганцю 39-50% Запропонований електрод виявляє більш високі електричні характеристики порівняно з електродами, виготовленими з окремих чистих компонентів Використання поліаніліну вш ю ^CO 43495 в суміші з елеісгролітичним дюксидом марганцю дозволяє в процесі роботи частково відновлювати витрачений дюксид марганцю за рахунок кисню з кисневих груп, наявних на поверхні поліаніліну Таке співвідношення поліаніліну та дюксиду марганцю приводить до їх взаємодії, яка підсилює загальну каталітичну активність Збільшення цього співвідношення не приводить до більш значного покращення електричних характеристик, а його зменшення погіршує характеристики, як бачимо з таблиці Домішка вуглецевого волокна в співвідношенні 1-10% дозволяє побудувати електропровідний кістяк електроду з хаотично орієнтованих волокон Більший їх вміст не доцільний, тому що зменшується КІЛЬКІСТЬ активних компонентів поліаніліну та дюксиду марганцю При зменшенні вмісту волокон менш ніж 1 % неможливо побудувати електропровідний кістяк Тому у цього електрода буде значний електричний опір і його характеристики зменшаться Наводимо приклади конкретного виконання винаходу Приклад 1 В ХДС в якості анода використовується цинкова фольга товщиною 0,07 мм і масою 0,6 г Сепаратор - целюлозна плівка товщиною 002 мм, масою 0,13 г Катод масою 0,5 г, що складається з гідрофобного прошарку 0,3 г, до складу якого входить 0,225 г ацетиленової сажі пдрофобізованої, 0,075 г емульсії фторопласта Ф-4Д і 0,2 г активного прошарку, що складається з суміші 0,08 г поліаніліну (40%), 0,02 г вуглецевого волокна (10%) і 0,1 г ЕДМ (50%) Електролгг 2 мл розчину 5М NH4CI і 2М ZnCI2 Приклад 2 В ХДС в якості анода використовується цинкова фольга товщиною 0,07 мм і масою 0,6 г Сепаратор - целюлозна плівка товщиною 002 мм, масою 0,13 г Катод масою 0,5 г, що складається з гідрофобного прошарку 0,3 г, до складу якого входить 0,225 г ацетиленової сажі пдрофобізованої, 0,075 г емульсії фторопласта Ф-4Д і 0,2 г активного прошарку, що складається з суміші 0,12 г поліаніліну (60%), 0,002 г вуглецевого волокна (1%) і 0,078 г ЕДМ (39%) Електроліт 2 мл розчину 5М NH4CI i2MZnCI 2 Приклад З В ХДС в якості анода використовується цинкова фольга товщиною 0,07 мм і масою 0,6 г СеСклад електрода № 1 паратор - целюлозна плівка товщиною 002 мм, масою 0,13 г Катод масою 0,5 г, що складається з гідрофобного прошарку 0,3 г, до складу якого входить 0,225 г ацетиленової сажі пдрофобізованої, 0,075 г емульсії фторопласта Ф-4Д і 0,2 г активного прошарку, що складається з суміші 0,1 г поліаніліну (50%), 0,01 г вуглецевого волокна (5%) і 0,09 г ЕДМ (45%) Електроліт 2 мл розчину 5М NH4CI і 2М ZnCI2 Приклад 4 В ХДС в якості анода використовується цинкова фольга товщиною 0,07 мм і масою 0,6 г Сепаратор - целюлозна плівка товщиною 002 мм, масою 0,13 г Катод масою 0,5 г, що складається з гідрофобного прошарку 0,3 г, до складу якого входить 0,225 г ацетиленової сажі пдрофобізованої, 0,075 г емульсії фторопласта Ф-4Д і 0,2 г активного прошарку, що складається з суміші 0,04 г поліаніліну (20%), 0,04 г вуглецевого волокна (20%) і 1,2 г ЕДМ (60%) Електроліт 2 мл розчину 5М NH4CI і 2М ZnCI2 Приклад 5 В ХДС в якості анода використовується цинкова фольга товщиною 0,07 мм і масою 0,6 г Сепаратор - целюлозна плівка товщиною 002 мм, масою 0,13 г Катод масою 0,5 г, що складається з гідрофобного прошарку 0,3 г, до складу якого входить 0,225 г ацетиленової сажі пдрофобізованої, 0,075 г емульсії фторопласта Ф-4Д і 0,2 г активного прошарку, що складається з суміші 1,6 г поліаніліну (80%) і 0,4 г ЕДМ (20%) Електроліт 2 мл розчину 5М NH4CI і 2М ZnCI2 Приклад 6 (прототип) В ХДС в якості анода використовується цинкова фольга товщиною 0,07 мм і масою 0,6 г Сепаратор - целюлозна плівка товщиною 002 мм масою 0,13 г Катод масою 0,5 г, що складається з гідрофобного прошарку 0,3 г, до складу якого входить 0,225 г ацетиленової сажі пдрофобізованої, 0,075 г емульсії фторопласта Ф-4Д і 0,2 г активного прошарку, що складається з ЕДМ (100%) Електроліт 2 мл розчину 5М NH4CI і 2М ZnCI2 Результати випробувань виготовлених ХІМІЧНИХ джерел струму приведені в таблиці Як видно з таблиці, по своїх електричних характеристиках ХДС, що заявляється (приклади 1-3), вигідно відрізняється від прототипу (приклад 6) Напруга роНапруга при Питома енергія Кількість зімкнутого лан- густині струму (Вт • год/кг) циклів заряду2 цюга (В) 5 мА/см (В) розряду Поліаніліну - 40% вуглецевого волокна -10% 1,280 1,05 230 20-30 1,275 1,04 225 20-30 1,280 1,05 228 20-30 ЕДМ - 50% 2 Поліаніліну - 60% вуглецевого волокна -1 % ЕДМ - 39% 3 Поліаніліну - 50% вуглецевого волокна - 5% ЕДМ - 45% 43495 Продовження таблиці Склад електрода № 4 Напруга розімкнутого ланцюга (В) Напруга при Питома енергія Кількість густині струму (Вт • год/кг) циклів заряду2 5 мА/см (В) розряду Поліаніліну - 20% 1,190 0,88 201 5-Ю 1,180 0,86 200 20-30 1,200 вуглецевого волокна - 20% 0,92 205 6 ЕДМ - 60% 5 Поліаніліну - 80% вуглецевого волокна - 0% ЕДМ - 20% 6 Поліаніліну - 0% вуглецевого волокна - 0% ЕДМ-100% Список лггератури 1 Т Кромптон Первичные источники тока М Мир, 1986, 328 с 2 Ми S , Ye G , Wang Y A rechargeable Zn/ZnCb, NbUCI/polyamline/carbon dry battery // J Power Sources, 1993, 45, №2, P 153-159 3 Mac Diormid Alan Y , Heager Alan J , Nigrey Paul J Batteries Having Conjugated Polymer Electrodes - University Patent/Пат 4442187, США Заявл 29 08 80, № 220496 Опубл 10 04 84, МКИ Н01М 4/60 4 Бычковский С К , Есаян Л П , Пилюч Н Е , Ярошевская Н П , Касюра В П , Осипова А В Катодная масса для ХИТ с водно-солевым электролитом (Пат России № 2050637 от 20 12 91 Опубл 30 12 92 Бюл № 35, МКИ НОШ 4/50 Тираж 50 екз Відкрите акціонерне товариство «Патент» Україна, 88000, м Ужгород, вул Гагаріна, 101 (03122) 3 - 7 2 - 8 9 (03122) 2 - 5 7 - 0 3 43495