Цинк-диоксидно свинцовый щелочно-кислотный мембранный аккумулятор

Авторы патента:

H01M6/24 - элементы, содержащие два различных электролита

H01M10/36 - аккумуляторы, не предусмотренные в H01M 10/06- H01M 10/34

Владельцы патента RU 2692753:

Тураев Дмитрий Юрьевич (RU)

Изобретение относится к способу получения цинк-диоксидно свинцового щелочно-кислотного мембранного аккумулятора. Цинк-диоксидно свинцовый щелочно-кислотный мембранный аккумулятор представляет собой два полуэлемента: первый полуэлемент - свинцовый электрод, покрытый слоем диоксида свинца, погруженный в раствор серной кислоты, второй полуэлемент - цинковый электрод, покрытый слоем оксида цинка, погруженный в раствор гидроксида натрия, содержащий окись цинка, при этом первый полуэлемент отделен ионообменной мембраной 1 от вспомогательного электролита, в свою очередь, вспомогательный электролит отделен ионообменной мембраной 2 от второго полуэлемента. Вспомогательный электролит - раствор сульфата натрия или серной кислоты, или гидроксида натрия, или сульфата натрия и серной кислоты, или сульфата натрия и гидроксида натрия полностью удаляется из пространства между ионообменными мембранами 1 и 2 при окончании заряда. Изобретение обеспечивает физический разрыв электрохимической цепи и прекращение процесса взаимной нейтрализации электролитов полуэлементов. 3 з.п.ф-лы.

Использование: в качестве химического источника тока.

Изобретение относится к получению химического источника тока, использующего два разных полуэлемента, отделенных друг от друга двумя ионообменными мембранами и расположенным между этими мембранами вспомогательным электролитом, и содержит способ сохранения активных масс, электролитов и высокой разности потенциалов при хранении при длительном отсутствии внешней электрической нагрузки.

Цель изобретения: разработать новый тип мембранного аккумулятора, содержащий способ увеличения времени сохранения используемых активных масс и электролитов.

Из уровня техники известны химические источники тока, использующие водные растворы электролитов и одну ионообменную (катионообменную или анионообменную) мембрану [1-4], основным отличием которых от безмембранных химических источников тока с одним водным, электролитом является большой выбор сочетаний различных по химическому составу полуэлементов (электрод-электролит) и возможность получения для некоторых специально подобранных электрохимических систем значения ЭДС более 3,0 В [1], которое невозможно получить в безмембранных химических источниках тока (ХИТ), использующих водные растворы электролитов.

Высокое значение ЭДС мембранных ХИТ, использующих одну ионообменную - мембрану, обусловлено получением наибольшего абсолютного значения электродного потенциала каждого из выбранных электродов соответствующего полуэлемента за счет адекватного подбора состава раствора электролита, контактирующего с этим электродом. Отделение друг от друга электролитов, разнородных по составу и химическим свойствам, одной ионообменной мембраной лишь в некоторых случаях тормозит процесс их взаимной реакции (нейтрализации и т.п.), наблюдаемой при хранении без подключения внешней электрической нагрузки. Взаимная нейтрализация электролитов приводит к изменению состава электролита в полуэлементе, что приводит к соответствующему изменению (уменьшению) абсолютного значения электродного потенциала и к уменьшению ЭДС ХИТ в целом. Взаимная нейтрализация электролитов с течением времени даже без подключения внешней электрической нагрузки весьма характерна для системы, описанной в [1], а в [5] для этой же электрохимической системы (Pb|PbO₂|H₂SO₄||NaOH, ZnO|Zn) приведен расчет, показывающий уменьшение ЭДС примерно в 2 раза (с 3,17 В до 1,69 В) после полной взаимной нейтрализации электролитов. Процесс заряда и разряда электрохимической системы Pb|PbO₂|H₂SO₄||NaOH, ZnO|Zn подробно описан в [1] и в [5].

Данное изобретение направлено на совершенствование электрохимической системы, описанной в [1], которая является наиболее близким прототипом.

В литературе [6] приведены сведения о хранении, активации, работе и сроке службы резервных химических источников тока ампульного или наливного типа, использующие водные растворы электролитов.

В литературе [6-7] даны сведения о том, что химические источники тока и аккумуляторы, содержащие полуэлементы Pb|PbO₂|H₂SO₄ или NaOH, ZnO|Zn, имеют срок хранения в заряженном состоянии равный нескольким месяцам.

Сущность изобретения: поскольку полуэлементы Pb|Pb0₂|H₂S0₄ или NaOH, ZnO|Zn по отдельности обладают хорошей сохранностью при длительном хранении, то необходимо создать условия, при которых в электрохимической системе Pb|PbO₂|H₂SO₄||NaOH, ZnO|Zn произойдет разрыв физического контакта (отделение) полуэлемента Pb|PbO₂|H₂SO₄ от полуэлемента NaOH, ZnO|Zn. Это достигается расположением двух ионообменных мембран и вспомогательного электролита (расположенного между этими двумя ионообменными мембранами) между двумя полуэлементами:

где:

полуэлемент Pb|Pb0₂|H₂S0₄ содержит раствор серной кислоты с концентрацией 10-70% масс;

полуэлемент NaOH, ZnO|Zn содержит раствор гидроксида натрия с концентрацией 10-50% масс, в котором растворена окись цинка до насыщения;

1 2

||,|| - соответственно, ионообменная мембрана 1 и ионообменная мембрана 2. Ионообменная мембрана 1, также как и ионообменная 2, может быть катионообменной различных марок, например, марки МФ4СК, МК-40, МК-40Л или анионообменной различных марок, например, марки МА-40, МА-40Л. Выбор марки ионообменной мембраны определяется, в первую очередь, ее ионообменными свойствами, химической стойкостью, типом и химическим составом рассматриваемой электрохимической системы, а также расположением ионообменной мембраны относительно выбранной активной массы элемента и электролита;

вспомогательный электролит - это раствор серной кислоты с концентрацией 1-70% масс, или раствор гидроксида натрия с концентрацией 1-50% масс, или раствор сульфата натрия с концентрацией 1-400 г/л или раствор серной кислоты с концентрацией 1-70% масс. + раствор сульфата натрия с концентрацией 1-400 г/л или раствор гидроксида натрия с концентрацией 1-50% масс. + раствор сульфата натрия с концентрацией 1-400 г/л. В случае необходимости, при заряде или разряде мембранного химического источника тока, используемый объем вспомогательного электролита может периодически или непрерывно заменяться на такой же объем свежего вспомогательного электролита путем обустройства соответствующего потока жидкости в принудительном или самотечном режиме. Толщина вспомогательного электролита определяется расстоянием между ионообменной мембраной 1 и ионообменной мембраной 2 и равняется от 1 до 100 мм и поддерживается с помощью специального профилированного сепаратора, изготовленного из химически стойкого материала, и расположенного в вспомогательном электролите между ионообменной мембраной 1 и 2. Сепаратор предотвращает контакт ионообменных мембран 1 и 2 друг с другом, который может возникнуть, например, из-за деформации (набухания) ионообменных мембран при их контакте с водными растворами электролитов.

При переводе описываемого мембранного химического источника тока в режим хранения (например, после проведения процесса заряда) вспомогательный электролит полностью удаляется из пространства между двумя ионообменными мембранми, что обеспечивает физический разрыв электрохимической цепи и прекращение процесса взаимной нейтрализации электролитов полуэлементов.

Конструктивно описываемый мембранный химический источник тока электрохимической системы:

(+)Pb|PbO₂|H₂SO₄||вспомогательный электролит||NаОН, ZnO|Zn(-) расположен в трехкамерном мембранном электролизере с двумя ионобменными мембранами, в котором каждый из выбранных полуэлементов - электрод-раствор расположен в своей крайней камере, а в средней (центральной) камере находится вспомогательный водный раствор электролита. Трехкамерный мембранный электролизер снабжен крышкой, в которой имеются отверстия для установки электродов и заливки растворов электролитов.

Для заряда (или разряда) электрохимической системы (1) вспомогательный электролит заливают в среднюю (центральную) камеру трехкамерного мембранного электролизера и проводят заряд (или разряд). При переводе мембранного химического источника тока в режим длительного хранения раствор вспомогательного электролита полностью удаляют (переливают) из средней камеры в отдельную емкость, а все отверстия для заливки электролитов закрываются пробками.

Пример 1.

В трехкамерный мембранный электролизер с двумя катионообменными мембранами марки МФ4СК помещают в одну крайнюю камеру свинцовый электрод, покрытый слоем диоксида свинца и 40% масс, раствор серной кислоты. В другую (противоположную) крайнюю камеру этого же электролизера помещают электрод из цинка и 40% масс, раствор гидроксида натрия, в котором растворена окись цинка до насыщения. В среднюю камеру этого же мембранного электролизера наливают 40% раствор серной кислоты. Полученный таким образом цинк-диоксидно свинцовый щелочно-кислотный мембранный аккумулятор готов к работе. Проводят разряд мембранного аккумулятора на активную омическую нагрузку. После разряда мембранного аккумулятора проводят его заряд от внешнего источника постоянного тока. После окончания заряда раствор из среднего пространства полностью удаляется в отдельную емкость, все отверстия для заливки электролитов закрываются пробками, и цинк-диоксидно свинцовый щелочно-кислотный мембранный аккумулятор готов к длительному хранению.

Пример 2.

В трехкамерный мембранный электролизер с двумя катионообменными мембранами марки МФ4СК помещают в одну крайнюю камеру свинцовый электрод, покрытый слоем диоксида свинца и 50% масс, раствор серной кислоты. В другую (противоположную) крайнюю камеру этого же электролизера помещают электрод из цинка и 30% масс, раствор гидроксида натрия, в котором растворена окись цинка до насыщения. В среднюю камеру этого же мембранного электролизера наливают 40% раствор гидроксида натрия. Полученный таким образом цинк-диоксидно свинцовый щелочно-кислотный мембранный аккумулятор готов к работе. Проводят разряд мембранного аккумулятора на активную омическую нагрузку. После разряда мембранного аккумулятора проводят его заряд от внешнего источника постоянного тока. После окончания заряда раствор из среднего пространства полностью удаляется в отдельную емкость, все отверстия для заливки электролитов закрываются пробками, и цинк-диоксидно свинцовый щелочно-кислотный мембранный аккумулятор готов к длительному хранению.

Источники информации

1. Тураев Д.Ю. Комбинированный кислотно-щелочно-солевой мембранный аккумулятор. Патент RU 2131633 С1 Россия. Заявлено 05.11.97. Опубликовано 10.06.99 Бюл. №16.

2. Тураев Д.Ю. Щелочно-солевой мембранный аккумулятор. Патент RU 2239260 С1 Россия. Заявлено 28.01.03. Опубликовано 27.10.04 Бюл. №30.

3. Тураев Д.Ю. Кислотный комбинированный мембранный аккумулятор. Патент RU 2 282 918 C1 Россия. Заявлено 09.11.04. Опубликовано 27.08.06 Бюл. №24.

4. Тураев Д.Ю. Солевой комбинированный мембранный аккумулятор. Патент RU 2 279 161 С1 Россия. Заявлено 09.11.04. Опубликовано 27.06.06 Бюл. №18.

5. Д.Ю. Тураев. Применение ионообменных мембран в химических источниках тока. Журнал прикладной химии. 2005 г. Т. 78. Вып. 10., с. 1643-1647.

6. Справочник по электрохимии. Под ред. A.M. Сухотина. - Л. Химия, 1981.-488 с.

7. Прикладная электрохимия. Под ред. А.П. Томилина, М. 1984 г., 520 с.

1. Цинк-диоксидно свинцовый щелочно-кислотный мембранный аккумулятор представляет собой два полуэлемента: первый полуэлемент - свинцовый электрод, покрытый слоем диоксида свинца, погруженный в раствор серной кислоты, второй полуэлемент - цинковый электрод, покрытый слоем оксида цинка, погруженный в раствор гидроксида натрия, содержащий окись цинка, при этом первый полуэлемент отделен ионообменной мембраной 1 от вспомогательного электролита, в свою очередь, вспомогательный электролит отделен ионообменной мембраной 2 от второго полуэлемента, отличающийся тем, что вспомогательный электролит - раствор сульфата натрия или серной кислоты или гидроксида натрия или сульфата натрия и серной кислоты или сульфата натрия и гидроксида натрия полностью удаляется из пространства между ионообменными мембранами 1 и 2 при окончании заряда, что обеспечивает физический разрыв электрохимической цепи и прекращение процесса взаимной нейтрализации электролитов полуэлементов.

2. Цинк-диоксидно свинцовый щелочно-кислотный мембранный аккумулятор по п. 1, отличающийся тем, что в качестве вспомогательного электролита используется раствор серной кислоты с концентрацией 1-70% масс. или раствор гидроксида натрия с концентрацией 1-50% масс. или раствор сульфата натрия с концентрацией 1-400 г/л или раствор серной кислоты с концентрацией 1-70% масс. + раствор сульфата натрия с концентрацией 1-400 г/л или раствор гидроксида натрия с концентрацией 1-50% масс. + раствор сульфата натрия с концентрацией 1-400 г/л.

3. Цинк-диоксидно свинцовый щелочно-кислотный мембранный аккумулятор по п. 1, отличающийся тем, что тип ионообменной мембраны 1 и 2 взят из ряда - МФ4СК, МК-40, МК-40Л, МА-40, МА-40Л.

4. Цинк-диоксидно свинцовый щелочно-кислотный мембранный аккумулятор по п. 1, отличающийся тем, что для улучшения электрических характеристик химического источника тока концентрация щелочи в цинк-цинкатном полуэлементе равна 41-50% масс.

Настоящее изобретение относится к керамической мембране, проводящей щелочные катионы, по меньшей мере, часть поверхности которой покрыта слоем из органического катионо-проводящего полиэлектролита, который нерастворим и химически устойчив в воде при основном рН.

Гальваническая батарея // 2349004

Изобретение относится к гальваническим батареям, в частности к источникам резервного питания. .

Гальванический элемент // 2284616

Изобретение относится к электротехнике, в частности к гальваническим элементам, и может использоваться на электромобилях. .

Кислотный комбинированный мембранный аккумулятор // 2282918

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при изготовлении кислотного комбинированного аккумулятора, в котором электроды, погруженные каждый в свой электролит, разделены химически стойкой перфторированной катионной мембраной.

Солевой комбинированный мембранный аккумулятор // 2279161

Изобретение относится к вторичным источникам электрической энергии. .

Щелочно-солевой мембранный аккумулятор // 2239260

Изобретение относится к источникам энергии, в частности к щелочно-солевым мембранным аккумуляторам. .

Комбинированный кислотно-щелочно-солевой мембранный аккумулятор // 2131633

Изобретение относится к области электротехники, а именно к источникам тока с двумя электролитами. .

Высокотемпературный литий-кислородный (воздушный) аккумулятор // 2126192

Изобретение относится к электрохимическим устройствам, в частности к вторичным источникам тока, работающим при высоких температурах, и может быть использовано для аккумулирования электрической энергии в различных отраслях народного хозяйства.

Первичный химический источник тока // 665827

Ознаяjrr-m л f^i;;л1>&:.-«пй| // 396759

Вторичная водная литий-ионная аккумуляторная батарея, способ получения композита анодного активного материала и способ получения вторичной водной литий-ионной аккумуляторной батареи // 2689773

Изобретение относится к вторичной водной литий-ионной аккумуляторной батарее, к способу получения композита анодного активного материала и способу получения вторичной водной литий-ионной аккумуляторной батареи.

Катодный активный материал и фторид-ионный аккумулятор // 2683278

Изобретение относится к области электротехники, а именно к катодному активному материалу, который может быть использован для фторид-ионного аккумулятора. Катодный активный материал, используемый для фторид-ионного аккумулятора, имеет стехиометрический состав, представленный формулой Pb2-xCu1+xF6, где 0≤x<2.

Устройство и способ сварки трением с перемешиванием устройства накопления электрической энергии // 2627135

Изобретение может быть использовано при получении модуля для накопления энергии посредством соединения двух конденсаторов или суперконденсаторов (10). Каждый герметичный корпус (14) конденсатора или суперконденсатора содержит трубчатый элемент (16) и по меньшей мере одну крышку (18), закрывающую трубчатый элемент на его конце.

Химический источник тока с реакционно образующимся электролитом // 2585275

Изобретение относится к электротехнике, в частности к химическим источникам тока, преобразующим химическую энергию в электрическую, и предназначено для применения в системах запуска и бортового электроснабжения в ракетно-космической технике.

Электролит для вторичного аккумулятора и аккумулятор с металлическим анодом // 2579145

Изобретение относится к жидкому электролиту для вторичного аккумулятора, включающему смесь двух солей, растворенных в органическом растворителе. При этом первая соль содержит катион металла, совпадающий с материалом анода, и анион, выбранный из группы: C l O 4 − , TFSI-, BOB-, C F 3 S O 3 − , I-, Br-, P F 6 − , B F 4 − , а вторая соль с концентрацией 0,001-2 М содержит катион, выбранный из группы: ТМА+, ТЕА+, ТВА+, ТРеА+ и анион, выбранный из группы: C l O 4 − , TFSI-, BOB-, C F 3 S O 3 − , I-, Br-, P F 6 − , B F 4 − .

Конструктивный аккумулятор (варианты) // 2530266

Изобретение относится к аккумуляторным батареям. Технический результат - обеспечение наряду с функциями аккумуляторов функций элементов конструкции транспортных средств.

Аккумуляторная батарея (варианты) и узел электрического инструмента и аккумуляторной батареи (варианты) // 2515945

Изобретение относится к аккумуляторной батарее, которая используется в качестве источника питания для переносных электрических инструментов. Техническим результатом является создание новой конструкции аккумуляторной батареи, которую легко извлечь из корпуса электрического инструмента.

Электролит для батареи гальванических элементов // 2496188

Предложенное изобретение относится в основном к неорганическим электролитам, предпочтительно не содержащим атомы углерода, вместе с тем оно применимо к электролитам, которые содержат органические компоненты, такие как ацетонитрил.

Усовершенствованное устройство аккумулирования энергии // 2460180

Изобретение относится к устройствам аккумулирования энергии, Техническим результатом изобретения является увеличение срока службы. .

Химический источник тока // 2422949

Изобретение относится к электротехнике, в частности к химическим источникам тока (ХИТ), преобразующим химическую энергию в электрическую. .

Электролизер для экстракции индия из расплавленных сплавов // 2597832

Изобретение относится к электролизеру для извлечения индия из расплавов сплавов. Электролизер содержит обогреваемые анодную ванну и катодную ванну из перфорированного цилиндра, покрытого двумя слоями диафрагмы из кварцевой ткани, пропитанными электролитом, и чашей внутри, насос циркуляции анодного сплава и анодный экран в виде цилиндра с кольцевым карманом, в стенке цилиндра по всему периметру выполнены отверстия для орошения диафрагмы анодным сплавом, катодная ванна выполнена в виде цилиндра с перфорацией в средней части, на которой плотно закреплена внутренняя диафрагма, а снизу на дне перфорированный цилиндр герметично соединен с чашей для сбора катодного сплава, при этом катодная ванна погружена в корзину наружной диафрагмы из кварцевой ткани с зазором для электролита.