Уровень развития исследований и разработок химических источников тока

Явление, приведшее к созданию химических источников тока (ХИТ) [14], было открыто итальянским ученым Луиджи Гальвани в 1786 году. Уче­ный описал сокращения мышц лапок свежепрепарированной лягушки, закреп­ленной на медных крючках, при прикосновении стального скальпеля.

Промышленное производство ХИТ [14] было начато в 1865 году фран­цузским ученым Ж. Л. Лекланше, им был предложен Mn-Zn элемент с солевым электролитом, а в 1880 году Ф. Лаланд создает Mn-Zn элемент с загущенным электролитом, впоследствии он был значительно улучшен и получил широкое распространение благодаря его простоте и невысокой стоимости. Позднее по­явилась щелочная версия этого источника тока.

Первая перезаряжаемая свинцово-кислотная аккумуляторная батарея была создана французским физиком Гастоном Планте в 1860 году с использо­ванием идеи русского ученого Якоби. Несмотря на более чем полуторавеко-

13 вую свою историю, на рынке ХИТ она, по-прежнему, имеет широкое распро­странение и вместе с тем является не в полной мере изученным объектом, ко­торый до настоящего времени представляет самостоятельный научный инте­рес, возросший в связи с переходом к наноразмерным компонентам.

Химические источники тока можно классифицировать по трем типам

[14] .

Первичные - источники тока, активные материалы которых можно ис­пользовать лишь однократно. После полного разряда к дальнейшему исполь­зованию они не пригодны. К таким источникам тока относятся широко рас­пространённые марганцево-цинковые батарейки.

Вторичные (аккумуляторы) - источники тока, допускающие много­кратное их использование после заряда. При заряде продукты разряда превра­щаются в первоначальные реагенты. К таким источникам тока относятся, к примеру, литий-ионные (Li-ion), литий-полимерные (Li-pol), никель-металло- гидридные (Ni-MH), никель-кадмиевые (Ni-Cd), свинцово-кислотные.

Топливные элементы, в которых окислитель и восстановитель непре­рывно подаются к электродам, преобразование химической энергии в электри­ческую происходит до тех пор, пока в источник тока поступают реагенты. Также известны полутопливные химические источники тока, в которых содер­жится один из реагентов, а второй подается извне при разряде. Как разновид­ность топливных элементов существуют «проточные батареи» - flow battery

[15] которые работают за счет взаимодействия пары жидких активных соста­вов, прокачиваемых через элемент. Преимущество этих источников - принци­пиальное разделение места, где хранится энергия (емкости с двумя электроли­тами), и узла, в котором вырабатывается ток. Электролиты не полностью жид­кие, а содержат суспензию твёрдых частиц, например - LiCoO2 и углерода. Та­кие батареи могут обладать большой удельной емкостью, но пока уступают по

некоторым характеристикам другим источникам тока, и еще не получили ши­рокого распространения.

Среди указанного ряда ХИТ в последнее время особое место заняли су­перконденсаторы [14, 16 17], отличающиеся тем, что имеют более высокую удельную мощность, высокую скорость заряда-разряда и длительный срок службы.

пленкой из УА и полианилина [19].

Рисунок 1.1- Общемировой анализ прогресса в развитии источников электрической энергии: а - сравнительная характеристика различных элек­трохимических устройств накопления энергии [16]; б - свинцово-кислот­ных аккумуляторных батарей [11]

В химических источниках тока электрохимические окислительно-вос­становительные реакции протекают на границе фаз электрод-электролит. Электроды состоят из металлического токоотвода и активной массы, содержа­щей различные по функциональному назначению активаторы, улучшающие

15 их характеристики [14]. Обобщенные данные по удельной энергии и мощно­сти различных ХИТ иллюстрирует рисунок 1.1, а [16].

Применительно к СК АБ эти характеристики являются крайне низкими, однако их широкое и длительное применение (более 150 лет) обусловлено как высокими токами разряда, так и возможностью практически полной вторич­ной переработки. Более того, потенциальные возможности СК АБ, во-первых, еще далеко не полностью исчерпаны, а, во-вторых, современные достижения в области наноматериаловедения создают уникальные перспективы для его со­вершенствования, основанного на установлении взаимосвязей структурных особенностей всех составляющих компонент с эксплуатационными характе­ристиками.

1.2