Исследование процессов токообразования в никель - металлогидридной системе методом математического моделирования

• Автор: Швецов, Александр Степанович
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Новоуральск
• Количество страниц: 133 с. : ил.

СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ
ГЛАВА 1. Основные механизмы процессов, протекающих в пористых электродах
1.1 Основные положения теории электродных процессов
1.2 Электродные реакции в никель-металлогидридной системе
1.3 Особенности токообразования в пористых электродах
Выводы к главе
ГЛАВА 2. Кинетика процессов переноса в щелочном электролите
никель-металлогидридной системы
2.1 Кинетические коэффициенты переноса компонентов в щелочном электролите при протекании электродных процессов
2.2 Исследование влияния геометрии токосъема на процессы переноса
в электролите
Выводы к главе
ГЛАВА 3. Математическое моделирование процессов токообразования
в пористом электроде
3.1 Одномерная задача распределения токообразующих процессов
в №-МН системе
3.2 Математическая модель токообразующих процессов с учетом размеров электрода и способа токосъема
3.3 Общие закономерности токообразования в электродах, следующие из математической модели
3.4 Влияние геометрии и способа токосъема на величину омических потерь
в электроде
Выводы к главе
ГЛАВА 4. Анализ эффективности работы электродов при разработке
никель-металлогидридных аккумуляторов
4.1 Определение эффективной электропроводности материалов
и электролита в пористых электродах
4.2 Цилиндрический герметичный никель-металлогидридный аккумулятор типоразмера АА
4.3 Никель-металлогидридная батарея с биполярными электродами
4.4 Плоская герметичная никель-металлогидридная батарея
для носимых радиостанций
Выводы к главе

ВЫВОДЫ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.

СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ

№-МН
№-Сб

а,-

сн1о
с+,с.
П+,П.

- тип сплава на основе циркония или титана;
- тип сплава на основе редкоземельных элементов;
- никель-металлогидридная система;
- никель-кадмиевая система;
- интерметаллическое соединение;
- коэффициент полезного действия;
- металлогидридный электрод;
- напряжение разомкнутой цепи;
- оксидно-никелевый электрод;
- химический источник тока;
- активность компонента;
- молярная концентрация электролита, моль/см3;
- молярная концентрация электролита в равновесных условиях, моль/см3;
- средняя молярная концентрация электролита, моль/см3;
- молярная концентрация воды в растворе электролита, моль/см3;
-молярные концентрации ионов в электролите, моль/см3;
- коэффициенты диффузии ионов, см2/с;
- эффективный коэффициент диффузии ионов в электролите в отсутствии конвекции раствора, см2/с;
- эффективный коэффициент диффузии молекул воды в электролите при вынужденной конвекции раствора, см2/с;
- эффективный коэффициент диффузии ионов в электролите при вынужденной конвекции, см2/с;
- толщина слоя электролита (сепаратора), см;
- стандартная ЭДС электрохимической системы, В;
- ЭДС электрохимической системы, В;
- постоянная Фарадея, к/моль;
- молярная плотность потока воды в электролите при протекании электрохимических процессов, моль/(см2с);
- изменение термодинамического потенциала Гиббса, Дж/моль;
- изменение энтальпии, Дж/моль;
- ширина электрода, см;
- сила тока во внешней цепи, А;
- плотность тока обмена, А/см2;
- молярные плотности потока ионов в электролите, моль/(см2-с);
- плотность электрического тока, А/см2;
- суммарная плотность тока в объеме электрода, ,1 = ]т + /э, А/см2;
- параметр, определяющий распределение процессов по длине электрода, см'1;
- коэффициент использования активных веществ;
- длина электрода, см;
- ширина токоотвода, см;
- общее число компонентов в системе;
- количество элементарных зарядов, участвующих в реакции (порядковый индекс);

- безразмерный параметр, Р = -—-;
- тепловая мощность, Вт;
- универсальная газовая постоянная, Дж/(моль-К);
- сопротивление электрическому току, Ом;
- сопротивление, вызванное активационной поляризацией;
- сопротивление, вызванное концентрационной поляризацией;
- внутреннее сопротивление, Ом;
- площадь активной поверхности электрода, см;
- габаритная площадь поверхности электрода, см;
- удельные объемная и массовая площади поверхности материалов, см'1, см2/г;

ГЛАВА 3. Математическое моделирование процессов токообразования в пористом электроде
Известно [28,34], что измеренные в экспериментах электрохимические характеристики пористых электродов определяются процессами переноса компонентов электролита и электрохимическими реакциями на электродной поверхности. Вид распределения токообразующих процессов в пористых электродах во многом определяется значением кинетических параметров электролита и материалов электрода (электропроводностью, коэффициентами диффузии и др.). Кроме того, существенное влияние оказывают структурные характеристики материалов (пористость, размер пор и др.). В связи с этим большой практический интерес представляет оптимизация пористой структуры, формы и размеров таких электродов и геометрии токосъема. При решении практических задач, возникающих при создании химических источников тока, более глубокому пониманию способствует математическое моделирование процессов с использованием основных закономерностей токообразования в объеме пористого электрода.
3.1 Одномерная задача распределения токообразующих процессов в №-МН системе
Пористый электрод представляет собой многофазную гетерогенную систему, состоящую из металлического каркаса, частиц активного материала, различных добавок, улучшающих работу электрода, и заполняющего поровое пространство электролита. Как правило, твердофазные компоненты имеют высокоразвитую поверхность. Согласно модели, предложенной Зельдовичем [33], для описания кинетических процессов пористый электрод может бьггь представлен в виде псевдогомогенной системы, условно состоящей из однородной смеси указанных компонент. При этом структурные особенности твердофазных компонент и электролита учитываются путем введения поправочных коэффициентов при определении кинетических коэффициентов (например, коэффициентов диффузии, электропроводности и др.), которые входят в найденные решения.
Проведем постановку задачи для математического описания токогенерирующих процессов в электродной группе, схематически изображенной на рис.7, состоящей из двух пористых электродов толщиной и и слоя сепаратора толщиной <1 между