Патент на изобретение №2279161

(54) СОЛЕВОЙ КОМБИНИРОВАННЫЙ МЕМБРАННЫЙ АККУМУЛЯТОР

(57) Реферат:

Изобретение относится к вторичным источникам электрической энергии. Согласно изобретению солевой аккумулятор представляет собой аккумулятор, в котором электроды, погруженные каждый в свой солевой электролит (католит и анолит), разделены химически стойкой анионной мембраной. Техническим результатом изобретения является создание нового типа мембранного аккумулятора.

Использование: В качестве источника электрической энергии.

Сущность изобретения: солевой комбинированный мембранный аккумулятор состоит из отрицательного электрода – цинка, погруженного в водный раствор сульфата цинка и положительного электрода – меди, помещенной в концентрированный раствор сульфата меди. Катодное и анодное пространство разделены химически стойкой анионообменной мембраной. Катодное и анодное пространство собраны в едином корпусе.

Разделение растворов двух солей пористой перегородкой из инертного материала (керамика) или с помощью электролитического ключа – стеклянной трубки заполненной токопроводящим раствором (раствор нитрата или хлорида калия или аммония) описано в общеизвестном гальваническом элементе Якоби-Даниеэля, широко использовавшемся ранее [1, 2]. Элемент состоит из цинкового электрода в растворе сульфата цинка и медного электрода, погруженного в раствор сульфата меди. Растворы разделены пористой перегородкой для предупреждения их смешивания, т.к. в противном случае медь контактно выделится на цинковом электроде (процесс цементации) согласно уравнению реакции:

В процессе работы элемента на активную нагрузку сульфат-ионы под действием электрического поля внутри элемента мигрируют от медного электрода к цинковому. Навстречу им движутся катионы цинка и меди, при этом катионы меди удаляются от цинкового электрода и не вступают с ним в реакцию, а приход катионов цинка в раствор сульфата меди не приводит к протеканию реакции между ними и медным электродом. Таким образом, в процессе разряда элемента происходит не только доставка окислителя (катионов меди) к электроду (катоду из меди) и отвод продуктов реакции (сульфат-анионов и катионов цинка) от электрода (анода из цинка), но и одновременно препятствие самопроизвольной диффузии катионов меди к цинковому электроду. Пористая перегородка не будет препятствовать смешению растворов сульфата цинка и меди при длительном отключении нагрузки.

Использование пористой перегородки не позволяет зарядить указанный элемент, т.к. в процессе заряда катионы меди под действием электрического поля мигрируют из раствора сульфата меди в раствор сульфата цинка, и поскольку стандартный электродный потенциал восстановления меди равен а цинка то в процессе электролиза (заряда элемента) на цинковом электроде будет выделяться в первую очередь металлическая медь в виде рыхлого осадка, который обеспечит короткозамкнутый гальванический элемент медь-цинк, что приведет к разрушению цинкового электрода в процессе заряда элемента и после снятия внешней поляризации (отключения внешнего источника тока).

В случае разделения растворов сульфата цинка и меди с помощью анионообменной мембраны первичный элемент Якоби-Даниэля превращается во вторичный ХИТ – комбинированный солевой аккумулятор, т.к. возможен процесс заряда.

Раствор сульфата меди является слабым окислителем, а раствор сульфата цинка окислительных свойств не проявляет, следовательно, возможно применение рядовых недорогих типов анионообменных мембран, например МА-40; необходима лишь достаточно высокая селективность выбранной анионообменной мембраны по отношению к катионам меди (т.е. препятствие их миграции или диффузии), а к катионам цинка селективность не имеет существенного значения.

Для повышения электропроводности электролитов в раствор сульфата цинка и/или меди в ограниченном количестве вводится серная кислота или сульфат натрия, калия, аммония или магния. Для предотвращения повышения рН электролитов и выпадения гидроксидов меди и цинка вводятся буферирующие добавки и вещества, препятствующие выпадению гидроксидов меди и цинка, например комплексообразующие соединения. Для предотвращения дендритообразования, которое может привести к повреждению мембраны и к короткому замыканию внутри элемента, вводятся поверхностно-активные вещества, которые, например, используются в гальваническом производстве для нанесения покрытий из цинка и меди электрохимическим методом.

В процессе заряда солевого мембранного аккумулятора основными ионами, участвующими в переносе заряда внутри аккумулятора, являются сульфат-анионы. В этом случае на цинковом электроде протекает реакция:

а на медном:

Суммарная реакция, протекающая на электродах:

ЭДС заряженного таким образом аккумулятора составляет 1,109 В. Найдем максимальную теоретическую удельную энергию аккумулятора, используя уравнение (4):

Из уравнения (1) и (4) видно, что сульфат-ионы в процессе заряда и разряда не расходуются, хотя, как было указано выше, являются основными переносчиками электрического заряда (тока) внутри аккумулятора, в отличие, например, от свинцового аккумулятора, где в процессе заряда концентрация серной кислоты увеличивается, а в процессе разряда – падает.

Максимальная теоретическая удельная энергия предложенного аккумулятора больше, чем у свинцового (175 Вт·ч/кг).

Изобретение относится к вторичным химическим источникам тока и касается способа получения комбинированного мембранного аккумулятора.

Известен наиболее близкий к предлагаемому изобретению электрохимический элемент [1, 2].

Целью изобретения является разработка нового типа мембранного аккумулятора – солевого комбинированного мембранного аккумулятора.

Комбинированный аккумулятор собран в едином корпусе из пластмассы или из иного химически стойкого материала, предусматривающем выводы для электродов и отверстия для заливки электролитов.

Данный аккумулятор отличается от известных ранее аккумуляторов:

– от свинцовых – максимальная теоретическая удельная энергия солевого аккумулятора больше благодаря использованию веществ с более низкой плотностью и молекулярной массой. Применение меди позволяет увеличить электропроводность анода,

– от наиболее распространенного никель-кадмиевого, никель-железного и дорогого серебряно-цинкового аккумуляторов – использованием экологически менее опасных, дешевых и доступных материалов, входящих в состав солевого мембранного аккумулятора, большим числом циклов разряд-заряд и сохранностью заряда (меньшим саморазрядом).

Источники информации

1. Глинка Н.Л. Общая химия. 20-е изд., испр. / Под ред. Рабиновича В.А. – Л.: Химия, 1979. – 720 с.

2. Карапетьянц М.Х., Дракин С.И. Общая и неорганическая химия. 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Химия, 1993, 592 с.

Формула изобретения

Солевой мембранный аккумулятор, содержащий электролиты, электроды, ионообменную мембрану, отличающийся тем, что солевой комбинированный мембранный аккумулятор состоит из отрицательного электрода – цинка, погруженного в водный раствор сульфата цинка, и положительного электрода – меди, помещенной в концентрированный раствор сульфата меди, катодное и анодное пространство которого разделены химически стойкой анионообменной мембраной и собраны в едином корпусе из пластмассы или из иного химически стойкого материала, предусматривающем выводы для электродов и отверстия для заливки электролитов.