Введение к работе
Актуальность работы. Никель-железные (НЖ) аккумуляторы достаточно широко распространены. Это обусловлено их достаточно стабильными электрическими характеристиками даже в условиях неправильной эксплуатации: перезаряд, глубокий разряд, короткое замыкание, вибрация, термические удары. НЖ-аккумуляторы просты в обслуживании, имеют очень большой срок службы и более экологически безопасны, чем их аналоги.
Основными областями применения НЖ-аккумуляторов является железнодорожный транспорт и средства электрифицированной тяги. Перспективность использования развиваемых в последнее время солнечных батарей и ветрогенераторов повышает интерес к никель-железным батареям, функция которых будет заключаться в аккумулировании электрической энергии.
Использованию НЖ-аккумуляторов в других областях препятствует низкий коэффициент использования активного вещества ламельного железного электрода, что выражается в плохой работоспособности при отрицательных температурах и на интенсивных режимах разряда, а так же высокий саморазряд при высоких температурах хранения. Замена традиционной ламельной конструкции железного электрода на безламельную, сможет позволить существенно повысить удельные характеристики аккумулятора. Вальцованный железный электрод из металлической губки, разработанный специально для замены ламельного железного электрода, имеет достаточно высокие удельные характеристики. Однако его использование в НЖ-аккумуляторах приводит к существенному увеличению себестоимости их производства. Наиболее перспективным на сегодняшний день является прессованный железный электрод из магнетита. Коэффициент использования активного вещества у электрода такой конструкции в полтора раза больше, чем у ламельного электрода. Однако, несмотря на это, коэффициент использования активного вещества железного электрода всё ещё остаётся не высоким. Существующий способ повышения активности железного электрода путём введения в его активную массу соединений серы уже не достаточно эффективен. Требуются новые активирующие добавки, поиск которых необходимо вести не только среди неорганических веществ, но и среди органических.
Одним из серьёзных недостатков всех аккумуляторов является неравномерное распределение электрохимических процессов по высоте электродов. Это является причиной несинхронности в работе верхних и нижних зон электродов, что приводит к снижению удельных электрических характеристик аккумуляторов. Особенно сильно этот фактор проявляется в тяговых НЖ-аккумуляторах, высота которых достигает 60 см. Оптимизация параметров традиционных и вновь разрабатываемых конструкций электродов аккумулятора, с целью повышения равномерности распределения тока по высоте аккумулятора, могут быть быстро и эффективно проведены с помощью математического моделирования процессов, протекающих в аккумуляторе.
Таким образом, разработка новых активирующих добавок для активной массы железного электрода, изучение факторов, влияющих на равномерность распределения электрохимических процессов по высоте электродов, и оптимизация конструкций электродов аккумуляторов являются актуальными практическими и научными задачами.
Цель работы:
-
Создание двумерной модели разряда никель-железного аккумулятора, которая позволит определить распределение тока по высоте электродов различных конструкций и размеров.
-
Определение с помощью методов математического моделирования и экспериментального исследования факторов, влияющих на равномерность распределения тока по высоте электродов.
-
Оптимизация конструкции никель-железного аккумулятора путём математического моделирования протекающих в нём разрядных процессов.
-
Повышение удельной ёмкости прессованного железного электрода никель-железного аккумулятора путём введения активирующих добавок в электролит аккумулятора.
Научная новизна работы:
- Разработана двумерная математическая модель разряда никель-железного аккумулятора, позволяющая рассчитать распределение тока и концентрации щёлочи по толщине электродов и высоте аккумуляторного блока.
- Впервые выявлена роль естественной циркуляции электролита в межэлектродном пространстве в контроле электрических характеристик никель-железного аккумулятора.
- Установлено влияние добавки -оксинафтойной кислоты на электрические характеристики прессованного железного электрода из магнетита в условиях свободной сборки электродного блока.
Практическая значимость работы:
- Проведена оптимизация конструкции никель-железного аккумулятора путём двумерного математического моделирования, протекающих в нём процессов, и обоснована перспективность замены железного и оксидноникелевого электродов ламельной конструкции на безламельные.
- Повышен коэффициент использования активной массы железного электрода путём введения добавки -оксинафтойной кислоты в щелочной электролит никель-железного аккумулятора.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
- двумерная математическая модель разряда никель-железного аккумулятора;
- влияние конструкции и габаритов положительного и отрицательного электродов на равномерность распределения тока по их высоте и электрические характеристики никель-железного аккумулятора;
- оптимизация конструкции никель-железного аккумулятора путём математического моделирования;
- влияние добавки -оксинафтойной кислоты на электрические характеристики прессованного железного электрода.
Достоверность результатов исследований. Достоверность результатов математического моделирования и лабораторных опытов, базируется на использовании современных физико-химических методов исследования, имеющих высокую воспроизводимость экспериментальных данных.
Вклад автора в разработку проблемы. Личное участие автора выразилось в формулировке темы диссертации, разработке методик проведения экспериментов, непосредственном выполнении лабораторных опытов, обработке и анализе экспериментальных и расчётных данных, формулировании выводов по работе.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научных конференциях: 15-я Нижегородская сессия молодых учёных. Естественные науки (Нижний Новгород, 2010); IX Международная молодёжная научно-техническая конференция «Будущее технической науки» (Нижний Новгород, 2010); X Международная молодёжная научно-техническая конференция «Будущее технической науки» (Нижний Новгород, 2011); XI Международная молодёжная научно-техническая конференция «Будущее технической науки» (Нижний Новгород, 2012).
Публикации. По данным диссертационной работы опубликовано 8 работ, из которых 4 статьи в научных журналах, в том числе 3 в изданиях рекомендованных Высшей аттестационной комиссией, 4 тезисов докладов на 3-х международных и 1-ой региональной конференциях.
Структура и объем диссертации. Работа изложена на 130 страницах машинописного текста и состоит из введения, литературного обзора, методики эксперимента, экспериментальной части, выводов, списка цитируемых источников, включающего 145 наименования, и 2 приложений. Диссертация иллюстрирована 58 рисунками и содержит 6 таблиц.
