Магний-перхлоратный элемент
Магний-перхлоратный элемент — это первичный химический источник тока, в котором анодом служит магний, катодом — диоксид марганца в смеси с графитом (до 12 %), а электролитом — водный раствор перхлората магния[1]. Аналогичный элемент с раствором бромида магния[1] в качестве электролита называется марганцево-магниевым. В основе работы элемента лежит следующая реакция[1]:
- [math]\displaystyle{ \mathsf{Mg + 2MnO_2 + H_2O \rightarrow Mg(OH)_2 + Mn_2O_3.} }[/math]
Основные свойства
Эти элементы имеют преимущество перед марганцево-цинковыми за счёт более высокого рабочего напряжения (около 2 вольт, по сравнению с 1,5 В в марганцево-цинковом элементе), вдвое большей удельной ёмкости при средних скоростях разряда (в течение 10—50 часов) и превосходной сохраняемости (после 12 недель хранения при температуре 71°С они теряют только 25 % заряда, в то время как марганец-цинковые элементы в этих условиях полностью теряют заряд через две недели)[1]. За счёт этих преимуществ они находят применение в военной аппаратуре, в особенности, работающей в тропических условиях.[2] Повышенная сохранность магниевых элементов обеспечивается образованием окисной плёнки на магниевом электроде, однако с ней связано и отрицательное свойство — «задержка напряжения», вызванная тем, что при подключении нагрузки эта плёнка разрушается не мгновенно[2].
Конструктивно эти элементы могут выполняться аналогично марганец-цинковым элементам, в которых анодом служит цинковый стакан, однако необходимо вентиляционное отверстие для выхода водорода, образующегося в результате паразитной реакции[1]:
- [math]\displaystyle{ \mathsf{Mg + H_2O \rightarrow Mg(OH)_2 + H_2\uparrow.} }[/math]
Поскольку в процессе работы активная масса расширяется за счёт образования гидроокиси магния, попытки изготовить магниевые элементы в дисковом исполнении оказались неудачными[3].
Отрицательным свойством магниевого элемента является так называемая задержка напряжения — в начале работы, при подключении к нагрузке, происходит кратковременное падение напряжения на элементе, которое затем восстанавливается. Это связано с процессом разрушения плёнки окиси (или гидроокиси) на магниевом электроде. При повышении тока нагрузки задержка увеличивается и может составлять до трёх секунд[2]. Однако при правильном подборе магниевых сплавов, состава электролита и при добавлении ингибиторов (например, хроматов), удаётся снизить время задержки до 0,3 c и меньше.[3]
Стоимость магниевых элементов лишь ненамного превышает стоимость аналогичных марганец-цинковых[3].
Максимальная ёмкость магниевых батарей достигается при непрерывном разряде в течение ~100 часов. Однако при времени разряда свыше 200 часов ёмкость заметно снижается за счёт саморазряда магниевого электрода с выделением водорода (см. уравнение выше)[2]. Прерывистый разряд при больших токах также создаёт благоприятные условия для достижения оптимальных характеристик по ёмкости[4].
Резервные источники тока
Магний-перхлоратные элементы могут также использоваться для создания резервных источников — ампульных батарей, хранимых в сухом состоянии и заполняемых электролитом (вручную либо автоматически) перед использованием[3]. Магниевые резервные элементы используются в переносных радиостанциях, радиомаяках, в устройствах радиопротиводействия и других подобных электронных устройствах. Выделяемая теплота при коррозии магниевого электрода способствует стабильной работе таких источников в широком диапазоне температур.
Конструктивно катод выполняется в виде высокоэлектропроводной металлической сетки, а анод — в виде пластин листового магния. В качестве электролита используется концентрированный раствор перхлората магния, который существенно менее коррозионно-активен, чем электролит обычных щелочных батарей. Выпускаются батареи мощностью от 2 до 300 Ватт и ёмкостью от 3 до 120 А·ч.
Характеристики
- Теоретическая энергоемкость: 242 Вт·час/кг[5].
- ЭДС: 2 В[1].
- Рабочие температуры: от −54 до +70°С[5][7].
Примечания
- ↑ 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 Кромптон, 1986, с. 171.
- ↑ 2,0 2,1 2,2 2,3 Кромптон, 1986, с. 179.
- ↑ 3,0 3,1 3,2 3,3 Кромптон, 1986, с. 173.
- ↑ Кромптон, 1986, с. 181.
- ↑ 5,0 5,1 Кромптон, 1986, с. 174.
- ↑ 6,0 6,1 Кромптон, 1986, с. 178.
- ↑ Кромптон, 1986, с. 180.
Литература
- Кромптон Т. Р. Батареи на основе системы диоксид марганца — перхлорат магния // Первичные источники тока / Пер. с англ. под редакцией к. х. н. Ю. А. Мазитова. — М.: Мир, 1986. — С. 171—181. — 328 с.