Система Zn  koh  HgO

Ртутно-цинковые (РЦ) элементы были разработаны в годы Второй мировой войны. Широко выпускаются до сих пор, в том числе для питания различной портативной электроники. В качестве электролита используется 40% раствор КОН (им пропитан сепаратор). Катодная полуреакция имеет вид

HgO + H₂O + 2e = Hg + 2OH^-

анодная полуреакция на цинке та же самая, что и в других щелочных системах

Zn + 2OH^- = Zn(OH)₂ + 2e или Zn + 2OH^- = ZnO + H₂O + 2e

Суммарная токообразующая реакция

Zn + HgO = ZnO + Hg

Ртутно-цинковые элементы имеют очень стабильное НРЦ, точно равное ЭДС = 1.352  0.002 В, которое почти не зависит от степени разряженности и от температуры. Поэтому эти элементы применяются также как эталоны напряжения.

Элементы выпускаются в виде герметичных элементов малой емкости – от 0.05 Ач до 15 Ач. Конструкция дисковая (пуговичная). Активная масса положительного электрода состоит из красной модификации HgO, смешанной для электропроводности с 5 – 15 масс.% графита. Активная масса отрицательного электрода – спрессованный порошок цинка. Элементы выпускают анодноограниченными, т.е. HgO находится в избытке (для безопасности при переразряде). Разрядные характеристики хорошие.

Разрядные характеристики Zn/HgO элемента при разной токовой нагрузке (схематично).

Ртутно-цинковые элементы рассчитаны на длительный разряд малыми токами. Основные достоинства – 100% использование активных веществ, малогабаритность, очень высокая стабильность разрядного напряжения, довольно высокая удельная энергия (100 – 120 Втч/кг) и самая высокая среди традиционных ХИТ объемная удельная энергия (400 – 500 Втч/л). Последнее достигается за счет высокой плотности материалов и плотной сборки. Высокая сохраняемость – 5 – 10 лет при обычной температуре. Недостатки – высокая стоимость и токсичность ртутного сырья.

Система Zn  koh  AgO (Ag2o)

Серебряно-цинковые (СЦ) источники тока являются аккумуляторами, т.е. перезаряжаемыми. Начали выпускаться в 1940-х годах и получили распространение в основном в специальных областях: в авиации, ракетной и космической технике и др. Причина – высокая стоимость. Серебряно-цинковые аккумуляторы (СЦА) содержат примерно 4 – 5 г Ag на 1 А·ч, поэтому используются только в случаях, когда другие варианты ХИТ непригодны, и важность поставленной цели оправдывает большие затраты. Электролит – 40% KOH, насыщенный K₂ZnO₂.

Элементы выпускаются в разряженном виде, так что сначала делается первичный заряд. На положительном электроде при заряде протекает следующий процесс:

I ступень 2Ag + 2OH^- = Ag₂O + H₂O + 2e

После окисления примерно трети или половины всего серебра процесс по I ступени внезапно прекращается и начинает идти реакция по II ступени при другом напряжении (большем на 0.3 Вольт):

II ступень 2Ag + 2OH^- = AgO + H₂O + 2e

После расхода почти всего серебра происходит новый резкий рост напряжения, и начинается электролиз воды с выделением кислорода. Эти процессы четко разделены на разрядной кривой.

На отрицательном Zn электроде протекают те же реакции, что и в других щелочных системах, так что суммарные токобразующие реакции при заряде и разряде следующие:

I ступень (I) Zn + Ag₂O  ZnO + 2Ag E = 1.599 В (ЭДС= НРЦ)

II ступень (II) Zn + AgO  ZnO + Ag E = 1.859 В (ЭДС= НРЦ)

НРЦ полностью заряженного СЦА определяется реакцией (II) и равно 1.86 В. НРЦ частично разряженного СЦА определяется реакцией (I) и равно 1.6 В.

Разряд положительного электрода также протекает ступенчато, что отражается на разрядной кривой ступенькой:

I ступень 2AgO + H₂O + 2e = Ag₂O + 2OH^-

II ступень Ag₂O + H₂O + 2e = 2Ag + 2OH^-

Зарядные и разрядные характеристики СЦА при различных токовых нагрузках и температурах (схематично).

При увеличении тока разряда до 2С (это очень большая токовая нагрузка, соответствующая полному разряду за ½ часа) емкость аккумуляторов меняется очень мало, что является большим достоинством данного типа ХИТ. СЦА допускают разряд как малыми, так и очень большими токами (в последнем случае длительность разряда ограничивается в основном перегревом аккумулятора).

Удельные параметры СЦА составляют 90 – 130 Втч/кг и 180 – 200 Втч/л – это очень высокие цифры для вторичных систем (например, у свинцовых аккумуляторов в 5 – 10 раз меньше). Сейчас этот уровень превышен лишь для металл-гидридных и литий-ионных аккумуляторов, о которых речь пойдет ниже. Ресурс СЦА составляет от 30 до 200 зарядно-разрядных циклов (в зависимости от конструктивного варианта и условий эксплуатации), срок службы до 2 лет. Работоспособны до –40⁰С, заметное снижение емкости начинается с –20⁰С.

Конструкция – дисковое или призматическое баночное исполнение. Очень плотно собранный электродный блок находится в пластиковом корпусе (банке). Чередующиеся положительные и отрицательные пластины разделены сепараторами и электрически скоммутированы друг с другом.

Положительный электрод изготавливают прессованием серебряного порошка, отрицательный – прессованием смеси Zn + ZnO + связующее. Особенность эксплуатации СЦА – он должен храниться в разряженном состоянии. Опасен перезаряд.

Вариант СЦА – замена цинкового отрицательного электрода на кадмиевый. Токообразующая реакция в этом случае практически та же самая (с заменой Zn на Cd). Цена такого аккумулятора еще выше, а удельная энергия вдвое ниже (70 Втч/кг и 130 Втч/л). Достоинством является высокий ресурс – более 300 циклов.