Электрический аккумулятор и способы его работы

Изобретение относится к аккумулятору и способам его заряда и разряда. Техническим результатом изобретения является создание аккумулятора, обладающего простотой конструкции и малой массой. Согласно изобретению аккумулятор содержит корпус, электролит и два электрода, угольный анод и медный катод, погруженные в электролит, отличающийся тем, что электролитом является 5÷15% водный раствор сульфата меди CuSO₄. Анод выполнен в виде войлочной прокладки из графитовых волокон диаметром 0,1÷1 мкм, укрепленной на графитовой пластине или на внутренней поверхности графитового цилиндра, а катод выполнен в виде медной пластины или медного цилиндра. Способ заряда выполняют путем присоединения внешнего источника постоянного тока минусом к графитовому электроду и плюсом к медному и при этом медный электрод частично растворяется, медь которого в виде положительно заряженных ионов Cu²⁺ переходит в водный в раствор сульфата меди, а на тонких графитовых волокнах ионы меди выделяются в виде тонкого слоя меди толщиной 0,1÷1 мкм. Разряд аккумулятора осуществляют подключением внешней нагрузки. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к химическим источникам постоянного электрического тока и, в частности, к аккумуляторам. Оно может использоваться там, где в настоящее время применяют аккумуляторы и гальванические элементы.

Известны химические источники постоянного электрического тока, называемые гальваническими элементами, которые состоят из корпуса, наполненного электролитом в виде водного раствора кислоты или соли или нескольких солей и двух электродов [1]. При работе источника тока на одном из электродов при его химическом взаимодействии с электролитом происходит восстановительная реакция, в результате которой отрицательно заряженные ионы электролита присоединяют к себе электроны, а электрод заряжается положительно. Электрод с положительным электрическим зарядом в электрохимии называют катодом [1]. На другом электроде одновременно другие ионы переходят в электролит, оставляя на электроде часть своих электронов. В электрохимии это называют окислительной реакцией. При этом электрод заряжается отрицательно, и его называют анодом. При включении гальванического элемента в электрическую сеть электроны с анода будут переходить на катод, совершая работу до тех пор, пока в электролите происходят химические реакции. Работа гальванического элемента прекращается, когда химические компоненты электролита будут израсходованы.

Гальванические элементы находят очень широкое применение там, где требуются маломощные источники постоянного тока с низким напряжением: радиоприемники, магнитофоны, электронные фотоаппараты, электронные часы и т.п.

Главным недостатком гальванических элементов является то, что после прекращения работы их просто выбрасывают.

Известны также химические источники постоянного тока, называемые аккумуляторами [2]. По существу это специализированные гальванические элементы, отличающиеся тем, что после исчерпывания исходных химических веществ электродов и в электролите, присоединив на определенное время внешний источник постоянного тока плюс к плюсу и минус к минусу аккумулятора путем пропускания тока через электролит аккумулятора, можно реализовать химические реакции в электролите и на электродах, восстанавливающие их исходный химический состав, и таким образом восстанавливать их работоспособность. Зарядку и разрядку аккумуляторов можно производить многократно.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является широко применяемый свинцовый аккумулятор [3], принятый за прототип, в котором электролитом является 35-40% водный раствор серной кислоты, анодом - электрод из металлического свинца, а катодом - электрод из диоксида свинца PbO₂.

При работе аккумулятора на аноде свинец соединяется с серной кислотой и образуется сульфат свинца PbSO₄, а на катоде диоксид свинца также превращается в сульфат свинца. При этом концентрация серной кислоты понижается.

Главным недостатком свинцового аккумулятора является использование электролита с большим содержанием серной кислоты, опасной для человека.

Дополнительный недостаток - большой вес, обусловленный большим количеством свинца в аккумуляторе. Кроме того, сам свинец - токсичный материал.

Целью настоящего изобретения является создание аккумулятора с простой конструкцией, малым весом и не содержащего вредных компонентов.

Это достигается благодаря тому, что аккумулятор, содержащий корпус, электролит и два электрода, анод и катод, погруженные в электролит, отличается тем, что электролитом является 5-15% водный раствор сульфата меди CuSO₄, анод выполнен в виде войлочной прокладки из графитовых волокон диаметром 0,1-1 мкм, укрепленной на графитовой пластине или внутренней поверхности графитового цилиндра, а катод выполнен в виде медной пластины или медного цилиндра.

Способ работы аккумулятора при зарядке состоит в том, что внешний источник постоянного тока присоединяют минусом к графитовому электроду и плюсом к медному, и при этом медный электрод частично растворяется, медь которого в виде положительно заряженных ионов меди Cu²⁺ переходит в водный раствор сульфата меди, а на тонких графитовых волокнах ионы Cu²⁺ выделяются в виде тонкого слоя меди толщиной 0,1-1 мкм.

Способ работы аккумулятора в рабочем режиме при разрядке состоит в том, что ионы меди с тонких графитовых волокон значительно легче переходят в раствор [4], чем с массивного медного электрода, что может быть истолковано как химическая реакция окисления, графитовый электрод заряжается отрицательно и служит анодом, а на массивном медном электроде избыточное количество ионов меди выделяется в виде металлической меди, что является восстановительной реакцией, медный электрод заряжается положительно и служит катодом [1].

Сущность изобретения состоит в следующем. Уже давно известно, что атомы твердого тела с большой поверхностью на единицу массы этого тела значительно легче переходят в раствор (в данном случае в электролит), чем атомы твердого тела того же химического состава, но с малой поверхностью на единицу массы этого тела [4]. В рассматриваемом изобретении роль твердого тела с большой поверхностью на единицу массы играет тонкий слой меди на графитовых волокнах анода, образовавшийся при зарядке аккумулятора, а роль тела с малой поверхностью на единицу массы играет медный катод. При разрядке аккумулятора ионы меди с графитовых волокон переходят в водный раствор сульфата меди заметно активнее, чем ионы меди с массивного медного катода. В результате отрицательный электрический заряд на графитовым аноде окажется больше, чем аналогичный заряд на медном катоде. Между анодом и катодом возникнет разность потенциалов, и при включении аккумулятора в электрическую цепь электроны с анода начнут перетекать к катоду, т.е. возникнет постоянный электрический ток, который будет поддерживаться до тех пор, пока тонкий слой меди на графитовых волокнах анода полностью не растворится и соответствующее количество меди не выделится на массивном медном катоде. После этого зарядку аккумулятора необходимо повторить.

На чертеже изображено принципиальная схема устройства предлагаемого аккумулятора.

Аккумулятор содержит: 1 - графитовый электрод, анод, с прикрепленной к нему накладкой 2 в виде войлока из графитовых волокон диаметром 0,1-1 мкм, 3 - медный электрод-катод, 4 - водный раствор сульфата меди с его концентрацией 5-15%, 5 - корпус в виде емкости, материал которой инертен к электролиту. Накладка 2 электрически соединена с графитовым анодом 1 и механически может быть прикреплена к нему с помощью графитовых винтов.

Работа аккумулятора происходит следующим образом.

При зарядке аккумулятор присоединяется к внешнему источнику постоянного тока с низким напряжением. Клемму источника со знаком плюс присоединяют к катоду 3, а клемму со знаком минус присоединяют к аноду 1. После этого через электролит 4 протекает постоянный ток, обеспечивающий электролиз, в ходе которого медный катод 3 частично растворяется в электролите 4, поставляя в электролит ионы Cu²⁺.

Одновременно на графитовых волокнах прокладки 2 ионы Cu²⁺ из электролита 4 теряют свой электрический заряд и выделяются в виде тонкого металлического слоя. После того как толщина этого слоя станет сравнима с диаметром графитовых волокон, зарядка прекращается. Количество меди, перешедшей в электролит с катода 3, равно количеству меди, выделившейся на графитовых волокнах прокладки 2.

Время зарядки для каждого конкретного аккумулятора подбирают экспериментально.

Заряженный аккумулятор используют как источник постоянного тока низкого напряжения. При включении в электрическую сеть клеммой со знаком минус является анод 1, а клеммой со знаком плюс - катод 3. При этом на электродах 1 и 3 идут процессы, обратные тем, которые происходили при зарядке аккумулятора. Медь с графитовых волокон будет постепенно растворяться в электролите 4 в виде ионов меди Cu²⁺, а эти же ионы из электролита 4, приобретая на катоде электроны, будут выделяться в виде металлической меди. Количество меди, перешедшей с графитовых волокон накладки 2 в электролит 4, будет равно количеству меди, выделившейся из электролита 4 на катоде 3.

Предлагаемый аккумулятор очень простой по конструкции, имеет малый вес по сравнению с прототипом (с широко применяемым свинцовым аккумулятором) и не содержит дорогих и вредных для здоровья людей компонентов и потому должен найти широкое применение в тех же отраслях техники, где в настоящее время используют ранее известные аккумуляторы и гальванические элементы.

Дополнительным достоинством предлагаемого аккумулятора является то, что на его основе можно создать по той же схеме много других аккумуляторов, использующих для электролита другие соли металлов и, соответственно, другие металлы для анодов и катодов.

Экономический эффект от применения предлагаемого аккумулятора будет значительным, но количественно его в настоящее время оценить трудно.

Литература

1. Глинка Н.Л. Общая химия. Ленинград: Химия, 1985 г., стр.264.

2. Там же, стр.264, 512, 559, 675.

3. Там же, стр.512.

4. Там же, стр.301.

1. Электрический аккумулятор, содержащий корпус, электролит и два электрода, угольный анод и медный катод, погруженные в электролит, отличающийся тем, что электролитом является 5-15%-ный водный раствор сульфата меди (CuSO₄), анод выполнен в виде войлочной прокладки из графитовых волокон диаметром 0,1÷1 мкм, укрепленной на графитовой пластине или на внутренней поверхности графитового цилиндра, а катод выполнен в виде медной пластины или медного цилиндра.

2. Способ работы при зарядке аккумулятора состоит в том, что внешний источник постоянного тока присоединяют минусом к графитовому электроду и плюсом к медному, и при этом медный электрод частично растворяется, медь которого в виде положительно заряженных ионов Cu²⁺ переходит в водный раствор сульфата меди, а на тонких графитовых волокнах ионы меди выделяются в виде тонкого слоя меди толщиной 0,1÷1 мкм.