Введение к работе
Актуальность работы. Резервные химические источники тока (ХИТ) в основном применяются в космической и военной технике, в аварийно-спасательных и сигнализирующих системах, как дублирующие источники электрической энергии в объектах бесперебойного питания. В связи с этим, главными требованиями, предъявляемыми к резервным батареям, являются длительный срок сохранности в неактивированном состоянии и готовность в любой момент к использованию в широком диапазоне температур, способность выдерживать большие механические нагрузки, работоспособность при интенсивных режимах разряда. Этим требованиям наиболее полно удовлетворяют ампульные батареи, так как сочетают в себе многолетний срок хранения (до 10 лет и более) с постоянной готовностью к разряду форсированным режимом.
Информация в периодической печати по малогабаритным ампульным и водоактивируемым батареям резервных ХИТ малочисленна. В ряде источников приведены самые общие схемы конструктивных вариантов и лишь упоминания о способах изготовления электродов.
Одной из систем, применяемых в резервных ХИТ, является электродная пара Pb/PbO2 в HClO4. Напряжение разомкнутой цепи для системы Pb/PbO2 составляет 1,81,9 В, рабочее напряжение 1,61,8 В. Для данной системы характерна работоспособность в широком интервале температур. Следует отметить, что имеется ряд недостатков, связанных с сравнительно низкими разрядными характеристиками при отрицательных температурах, сложностью технологического процесса нанесения активных слоев электродов (Pb и PbO2).
Исходя из востребованности резервного источника тока на основе хлорной кислоты, работы, направленные на улучшение электрохимических характеристик электродных материалов, являются актуальными. Проблема совершенствования электрохимической системы резервного источника тока на основе хлорной кислоты может быть решена путем изменения технологии изготовления свинцового электрода, а также изыскания возможности замены анодного материала на другой, обеспечивающий высокие разрядные характеристики системы.
Цель работы состояла в усовершенствовании и разработке электрохимического способа получения свинцовых и цинковых слоев на материале подложки и исследовании их анодного поведения в хлорной кислоте.
Задачи исследования:
определить состав электролита и режим электролиза получения электролитических слоев свинца и цинка на материале подложки, обеспечивающих высокие электрохимические характеристики;
исследовать влияние материала подложки и способа его предварительной обработки на анодное поведение электролитически осажденного свинца в растворе хлорной кислоты;
изучить анодное поведение электрохимически полученных электродов (Pb и Zn) в хлорной кислоте в широком диапазоне температур от -300С до +55 0С;
провести сравнительную оценку электрических характеристик систем Pb/HClO4/PbO2 и Zn/HClO4/PbO2 в диапазоне температур от -30 до +55 0С;
на основании проведенных исследований разработать технологические рекомендации для электрохимического способа получения свинцового и цинкового электродов, отвечающих требованиям, предъявляемые к электродам резервных источников тока.
Научная новизна работы. Впервые установлено влияние электрохимического оксидирования стальной поверхности перед электролитическим осаждением Pb и Zn на физико-механические свойства покрытия и его электрохимические характеристики (стационарный потенциал, разрядное напряжение). Впервые исследовано поведение электрохимически осажденного Zn в растворах хлорной кислоты и выявлена стабильность электрохимических характеристик электролитического цинка в диапазоне температур от -30 до +55 0С. Показано, что процесс анодного растворения цинка протекает с диффузионным контролем. Проведен сравнительный анализ электрических характеристик систем Pb/HClO4/PbO2 и Zn/HClO4/PbO2 при использовании гальванически осажденных Pb и Zn. Установлено, что использование цинка позволяет увеличить разрядное напряжение системы на 500 мВ при +55 0С и на 550 мВ при – 30 0С.
Практическая значимость результатов работы. Разработаны основы технологии получения свинцовых и цинковых электродов для резервных химических источников тока. Свинцовые слои, нанесенные на предварительно оксидированную сталь из борфтористоводородного электролита имеют стабильные электрические характеристики в диапазоне температур от -30 до +55 0С. С целью повышения электрических характеристик резервного ХИТ на основе хлорной кислоты предлагается заменить свинец на электролитический цинк. Разработанные электродные материалы апробированы в макетах ХИТ на ЗАО «НИИХИТ-2», г. Саратов.
Апробация результатов работы Основные результаты работы докладывались на научно-практической конференции «Актуальные проблемы электрохимической технологии» (г. Энгельс 2008 г.), научно- практической конференции «Теоретические и прикладные аспекты современной технологии гальванических покрытий и химических источников тока» (г. Санкт-Петербург, 2009), на 6-й Международной конференции «Покрытия и обработка поверхности» (Москва, 2009), на Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых «Инновации и актуальные проблемы техники и технологий» (Саратов, 2009, 2010).
На защиту выносятся следующие основные положения:
1. Выбор состава электролита и режима электролитического осаждения слоев свинца и цинка на материал подложки.
2. Исследование влияния материала основы электрода и способа его предварительной обработки на анодное поведение электролитически осажденного свинца в растворе хлорной кислоты.
3. Анодное поведение электрохимически осажденных Pb и Zn в хлорной кислоте в диапазоне температур от -30 0С до +55 0С.
4. Сравнительная оценка электрических характеристик систем Pb/HClO4/PbO2 и Zn/HClO4/PbO2.
5. Технологические рекомендации для электрохимического способа получения свинцового и цинкового электродов, обеспечивающих требования, предъявляемые к электродам резервных источников тока.
Публикации. По материалам диссертации опубликованы 3 статьи в журналах, рекомендуемых ВАК РФ, 6 статей в сборниках трудов и материалах конференций.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, литературного обзора, методического и экспериментальных разделов, общих выводов, списка использованной литературы и приложения. Изложена на 125 страницах и включает 63 рисунка, 14 таблиц, список использованной литературы состоит из 105 наименований.
