Применение металл-кислородных систем

Оценивая возможности использования электрохимических генераторов для силовой батареи электромобиля, можно уверенно сказать, что современный технологический уровень практически не оставляет шансов ТЭ стать массовым источником электроснабжения электромобиля. Главным препятствием является использование драгоценных металлов: платины – на отрицательном электроде; добавки серебра – на положительном. Использование никеля Ренея вместо платины в качестве катализатора маловероятно ввиду необратимой потери активности никелем Ренея при обращении полярности, которой не избежать в многовольтовой батарее топливных элементов.

Если исходить из того, что минимальное удельное содержание платины составляет 10 мг/см2, то для обеспечения мощности в 6 кВт при разумном значении плотности тока 0,1 А/см2 и напряжении 7,0 В на элемент потребуется 600 г платины, что по экономическим соображениям (при цене 108 руб./г) совершенно неприемлемо.

Кроме того, чрезвычайно сложна система обслуживающей автоматики, что допустимо в стационарной, но не в автономной мобильной установке.

Попыткой совместить достоинства топливного элемента и классического аккумулятора явилась разработка металл-кислородных систем: цинк, железо, алюминий-кислород, а также аккумуляторов типа цинк-хлор и цинк-бром.

В аккумуляторах цинк-кислород и железо-кислород реализуются следующие токообразующие реакции:

Конструкция железного и цинкового электродов соответствует используемой в НЖА и НЦА. Конструкция кислородного (воздушного) электрода разрабатывается на базе катода топливного элемента.

Столь простые и энергоёмкие системы обладают рядом эксплуатационных трудностей, которые до настоящего времени сдерживают их промышленное освоение. Наиболее существенная трудность – неполная обратимость кислородного электрода.

При заряде выделение кислорода сопровождается необратимыми изменениями в структуре матрицы и катализатора, которые существенно ухудшают мощность электрода в режиме ионизации кислорода. В связи с этим мощностные характеристики аккумулятора ухудшаются при увеличении срока службы. Это негативное явление исследователи пытаются предотвратить с помощью двух альтернативных инженерных решений. Первое состоит в изготовлении кислородного электрода с двумя пространственно разделёнными зонами токообразования: в одной зоне имеет место генерация, в другой – ионизация кислорода. Кроме того, предложено использовать аккумуляторы с третьим электродом, который подключается только на заряде в качестве противоэлектрода цинкового или железного электродов. Этот приём требует дополнительных конструктивных изменений и (что самое существенное) исключает последовательную коммутацию аккумуляторов при заряде для предотвращения выделения кислорода на рабочем кислородном электроде.

Дополнительными проблемами, препятствующими широкому освоению железокислородных аккумуляторов, являются: карбонизация щелочного электролита, генерация водорода на железном электроде (проблема безопасности), низкая мощность кислородного катода. Тем не менее, железокислородная система является чрезвычайно перспективной благодаря сравнительно высокой удельной энергии – 70-80 Вт·ч/кг (при мощности 10-20 Вт/кг) и доступности источников сырья для производства основных компонентов аккумуляторов.

Для цинково-кислородного аккумулятора специфичны более высокое разрядное напряжение (1,5-1,4 В) и удельная энергия (80-ПО Вт·ч/кг), а также лучшее использование зарядного тока. Однако возникают дополнительные проблемы, свойственные цинковому электроду – вероятность коротких замыканий как результат дендритообразования при заряде.

Алюминиево-кислородный источник энергии должен рассматриваться как первичный ввиду чрезвычайно плохой обратимости алюминиевого электрода (выход по току при заряде составляет 7-8 %). Главная трудность при создании элемента этого типа состоит в замедлении реакции непосредственного взаимодействия Аl с водой. Эту проблему удалось в значительной степени разрешить применением в качестве электролита 2 Н раствора NaCl наряду с добавкой в Аl талия, индия или галлия (массовое содержание 0,2 %). Потери на коррозию при разряде составляют 10 %. При относительно доступных основных материалах необходимо решить проблему коррозии при хранении, быстрой смены анодов, регенерации окислов алюминия (на специальных электролизных производствах) и т. д.