ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА И ИХ ВОЗМОЖНОСТИ

Л. ПЕНЬКОВА, М. КОЧЕРГИИСКИЙ, Е. АПИРИНА, Э. МЕНДЖЕРИЦКИЙ, Радио №10/1966, ст.45

В основу серийно выпускаемых малогабаритных автономных ис­точников тока, предназначенных для питания существующей транзи­сторной аппаратуры, положены че­тыре электрохимические системы.

Конструкция элемента показана на вкладке (стр. 3). Положительный электрод 1 элемента состоит из смеси двуокиси марганца и углеродистых материалов, напрессованных на угольный стержень 2. Отрицательным электродом служит цинковый стакан 3, на дно которого помещена картон­ная шайба 4. Носителем электролита является диафрагма 5 из кабельной бумаги. Она пропитана солевым электролитом, после чего на нее нанесен тонкий слой пасты.

Положительный электрод встав­ляется в цинковый стакан с диаф­рагмой и подпрессовывается. Послед­нее характерно для так называемой набивной технологии. Для гермети­зации верхнюю часть элемента зали­вают изоляционной смесью 6. Между этой смесью и верхним торцом поло­жительного электрода образуется га­зовая камера 7, в которой скапли­ваются газовые продукты коррозии. Элемент заключен в картонный футляр 8. Отрицательный вывод элемента — дно цинкового ста­кана, положительный — металличе­ский колпачок 9, насаженный на угольный стержень (см. вкладку).

Набивная технология благодаря сближению электродов и увеличению количества активной массы позво­ляет без изменения внешних габа­ритов повысить работоспособность элементов в 1,5—2 раза (при преры­вистых режимах эксплуатации). Срок хранения некоторых элемен­тов и батарей МЦ достигает несколь­ких лет (в зависимости от конструкции и области применения). Они сохра­няют работоспособность в широком интервале температур от —40^Q С до +60° С. Стоимость 1 вт-ч энер­гии, получаемой от элемента 373, среднего по габаритам (в соответ­ствии с проектом международного стандарта) составляет 3 коп

Разработаны 12 видов различных по размерам МЦ-элементов, диаметр которых лежит в пределах 10—34 мм, а высота — 22—91 мм. Характе­ристики этих источников тока пред­ставлены в табл. 1.

Элементы всего ряда удовлетво­ряют требованиям проекта междуна­родного стандарта и могут иметь лучшие параметры при условии со­вершенствования технологии произ­водства.

МЦ-элементы (373, 343, 326 и 316) выпускаются серийно и в больших количествах.

В ближайшее время элементы предполагается выпускать в новом оформлении с этикетками, напеча­танными непосредственно на жестя­ных и пластмассовых корпусах.

Качество и оптимальные возмож­ности цилиндрических элементов в зависимости от их размеров и режима разряда показаны на графиках. На рис.1 представлена зависимость работоспособности источников тока от их габаритов. Элемент 373 (диа­метр 34 мм, высота 61 мм), средний по размерам, используется наиболее широко в различной транзисторной, сигнальной и осветительной аппа­ратуре.

При оптимальном режиме разряда по времени эксплуатации выгоднее применять элементы, более крупные по размерам. Та же зависимость сохраняется и для группы малога­баритных цилиндрических элементов (рис. 2). Как показывает график (рис. 2), работоспособность элемен­тов выше норм международного стан­дарта.

Зависимость работоспособности элементов цилиндрической конст­рукции, приведенная на рис. 3, 4, 5, позволяет сделать вывод, что эти элементы часто используются без учета их оптимальных возможностей. Так, например, международный стан­дарт рекомендует для элемента 316 разрядный ток, равный 5—3,5 ма, срок службы его в этом режиме 170— 180 ч, а в нашей радиоаппаратуре он используется при разрядном токе 20 ма, поэтому срок службы сокра­щается до 15 ч.

Весьма подходящим для питания транзисторных устройств можно счи­тать элемент 336 (КБ) диаметром 20 мм, высотой 58 мм (рис. 5). Оптимальный ток разряда этого элемента 20 ма, при этом его рабо­тоспособность составляет 80—85 ч. Если же повысить разрядный ток до 200 ма, продолжительность его работы сократится до 7 ч.

При токе 280 ма (режим, заданный И РИА) длительность работы дости­гает 3 ч.

Источники тока воздушно-цинко­вой (ВЦ ) и марганцево-цинковой (МЦ) систем со щелочным электролитом.

В последние годы экспериментально установлено, что источники тока с воздушно-цинковой и марганцевоцин­ковой системами со щелочным элект­ролитом имеют преимущества по сравнению с аналогичными источ­никами тока, в которых использу­ется солевой электролит.

Основная трудность при создании источника тока со щелочным элект­ролитом заключалась в том, чтобы добиться длительной сохранности их в течение нескольких месяцев и даже лет без значительного сниже­ния работоспособности. Эта задача в настоящее время в основном ре­шена путем подбора концентрации щелочного электролита, разработки новой технологии производства и использования так называемого па- стированного цинка (суспензии цин­ка в электролите).

На вкладке (стр. 3) показан разрез одного галетного элемента воздушно-цинковой системы со ще­лочным электролитом. Элемент со­стоит из винипластового корпуса 7, снабженного токоотводом 2. На дне элемента расположен отрицатель­ный электрод 3 из панированного цинка, далее идут диафрагма из щелочи, сгущенной крахмалом и мукой 4, и положительный элект­род 5. Последний выполнен из ак­тивированного угля, ацетиленовой сажи и двуокиси марганца, увлаж­ненных раствором щелочи.

Из подобных элементов собирают секцию (батарею) таким образом, что один элемент вставляют в другой, п после чего их обвязывают.

В табл. 2 даны основные характе­ристики разработанных элементов, а также элементов, уже внедренных в производство, или разрабатываемых источников тока со щелочным элект­ролитом. Внедрены в производство и выпу­скаются серийно комплекты «Восток» для ламповых приемников и батареи «Крона ВЦ» для транзисторных при­емников. Выпуск батареи «Пионер» и «Полет» может быть легко освоен, так как они состоят из элементов одинаковых (накал) или аналогич­ных (анод) тем, что использованы в батарее «Восток». Батареи «Синичка» (ВЦ системы), «Финиш» и КБС щелочные (МЦ системы) в настоящее время разрабатываются и в 1967— 1968 гг. будут освоены промышлен­ностью. Батарея «Синичка» заменяет 9 батарей типа КБС (Iр_аз=40 ма), батарея КБС со щелочным электро­литом заменяет 3 батареи КБС-Л с со­левым электролитом (/р_аз=200 ма). Батарея «Финиш» заменяет кадмий-никелевую батарею типа 7Д- 0,1 (габариты их одинаковы). Бата­рея «Финиш» допускает до 25 циклов перезарядки. При первом разрядном цикле эти батареи сохраняют рабо­тоспособность в течение 90 ч при последующих 20—25 перезарядках — 10 ч.

Преимуществом этих батарей перед кадмий-никелевыми является высокая начальная емкость (она в 9 раз боль­ше, чем у 7Д-0,1). Кроме того, они гораздо дешевле. Эти батареи могут работать в условиях тропического климата.

На рис. 6 представлен график разряда щелочных батарей типа КБС на R = 15 ом. По сравнению с серийно выпускаемыми новые ба­тареи работают в 4 раза дольше. При меньших токах разряда, в частности, в случае питания транзи­сторной аппаратуры, преимущество новых батарей также сохраняется. Рис. 7. характеризует свойства се­рийно выпускаемых батарей «Крона ВЦ» в процессе хранения. Через Полгода хранения емкость батарей Практически не снижается, по исте­чении 9 месяцев хранения батареи отдают 80 % начальной емкости, а через 12 месяцев—50% начальной емкости.

Срок службы батареи «Крона ВЦ» Исчисляется 60 ч, в то время как у «Кроны 1Л», ранее выпускав­шейся, он составлял всего 20 ч.

Ртутно-цинковые элементы РЦ.

Эти элементы обладают высокой удельной энергией (примерно в 2 раза больше, чем в элементах МЦ с соле­вым электролитом), стабильным на­пряжением, высокой надежностью (сохранение свойств параметров с те­чением времени), механической проч­ностью. Они широко применяются в транзисторной, в том числе и в малогабаритной радиоаппаратуре, в измерительной технике, в медицин­ской аппаратуре и т. п. в качестве стабильных источников опорного на­пряжения.

Конструкция элементов проста (см. вкладку стр. 3). Активную массу положительного электрода 2 за­прессовывают в железный корпус элемента 7, а активный материал от­рицательного электрода 5—цинковый порошок, состоящий из красной оки­си ртути и графита, — в крышку элемента 6 Между электродами по­мещают фильтровальную бумагу 3, пропитанную электролитом (в окис- но-ртутных элементах это концентри­рованный раствор едкого кали и оки­си цинка). Корпус 1 и крышка 6 эле­мента служат одновременно его токоотводами. Они изолированы друг от друга резиновым кольцом 4. После сборки элемент герметизи­руют штамповкой.

Разработаны и внедрены в произ­водство 20 видов таких элементов (табл. 3), отличающихся своими раз­мерами (диаметр 4,7—31 мм, высота от 3,5 до 60 мм, емкость от 0,02 до 13 а.ч). Ток разряда в пределах 0,1—З00ма в зависимости от габаритов.

Промышленность освоила выпуск пяти серий элементов различных по конструкции и области примене­ния: пуговичные (РЦ 53, РЦ 55, РЦ 63, РЦ 65, РЦ 73, РЦ 83, РЦ 85); пуговичные с двойными корпусами (РЦ 82, РЦ 84); цилиндрические (РЦ 57, РЦ 59, РЦ 93); миниатюрные (РЦ 11, РЦ 13, РЦ 25, РЦ 31, РЦ 32); холодостойкие (РЦ 83х, РЦ 85х).

На рис. 8 представлены универ­сальные разрядные кривые элемен­тов четырех типов в координатах напряжение — емкость, отдаваемая элементами при различных нагруз­ках в условиях комнатной темпера­туры (+20° С). Напряжение ртутно­цинковых элементов при малых токах изменяется в процессе разряда очень незначительно. Так, при токе 2 ма напряжение элемента РЦ 63 при отдаче полной емкости снижается на 2,3%. При том же токе 2 ма напря­жение элемента РЦ 65 изменяется от 1,30 ев начале разряда до 1,26 в к концу разряда, то есть перепад напряжения составляет всего 3,1%. При меньших токах напряжение элементов еще более стабильно. По мере увеличения плотности разряд­ного тока уменьшается номинальное напряжение и увеличивается пере­пад напряжения в процессе разряда элементов. Кроме того, уменьшается емкость, отдаваемая элементами до резкого спада напряжения

Рис 9. показывает оптимальные возможности тех же элементов при температурах 0° С, + 20^с С, +50° С п -20° С.

Представленные на рис. 10 вольт- амперные кривые соответствуют ста­тическому изменению нагрузки в разрядной цепи. При быстрых изме­нениях нагрузки эффективная ве­личина внутреннего сопротивления оказывается несколько меньшей, чем могла бы быть в соответствии с рис. 8.

Элементы с цифрой 3 в конце обозначения лучше работают при больших токах, чем элементы с цифрой 5. В условиях отрицательных температур электрические характе­ристики РЦ элементов значительно ни­же. Однако в последнее время начался серийный выпуск холодостойких РЦ.

Из указанных элементов 20 типов можно собрать батареи с различными номинальными напряжениями (от 1 до 3000 в). Полностью подготовлены к массовому производству секции из всех пуговичных РЦ с числом эле­ментов от 1 до 10.

Зарубежные фирмы выпускают свы­ше 20 видов элементов РЦ. Послед­ние уступают отечественным по мощ­ности, холодостойкости, миниатюрно­сти. Так, диаметр наименьшего (по каталогам) элемента РМ 312 составляет 8 мм против 4,7 мм- (РЦ И), по стабильности ЭДС наша промышленность гарантирует 0,1% В год, а американские фирмы 1,0%. Сравнение характеристик элемен­тов дается на примере наиболее рас­пространенных типов: PM 1 (американский) и РЦ57 (отечественный).