Резервные тепловые химические источники тока: этапы развития и перспективы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Резервные тепловые химические источники тока этапы развития и перспективы

А.Г. Денискин

Для современных артиллерийских и ракетных систем различного класса требуются автономные резервные источники электроэнергии для питания бортовой электронной аппаратуры, обеспечивающие технические и тактические характеристики конкретных видов вооружений. К таким источникам тока предъявляются достаточно жёсткие требования.

Они должны выдерживать значительные механические воздействия (ударные, вибрационные и линейные перегрузки), храниться и работать в различных климатических условиях при температурах от - 60^о С до + 60^о С; сохранять в течение длительного времени (более 20 лет) без потерь заданные электрические характеристики без необходимости в каких-либо регламентных работах, иметь достаточно высокие удельные энергию и мощность, а также минимальные весовые и габаритные характеристики.

Основой теплового химического источника тока (тепловой батареи) является электрохимический элемент, в котором электролит в незадействованном состоянии находится в твёрдой фазе, и для перевода электрохимического элемента в рабочее состояние требуется его разогрев до температур 450 - 600^о С. Такой разогрев в тепловых батареях осуществляется пиротехническими нагревательными элементами, каждый из которых непосредственно примыкает к электрохимическому элементу для осуществления его быстрого разогрева.

Необходимый уровень напряжения обеспечивается количеством последовательно соединенных электрохимических элементов в блоке батареи. Параллельно соединенные блоки обеспечивают заданные требования по току. тепловой батарея анодный

Высокие рабочие температуры в тепловых батареях и высокая ионная проводимость электролитов-расплавов позволяют эффективно использовать в электрохимических парах высокоэнергоёмкие электродные материалы: щелочные и щелочно-земельные металлы для анодов и соединения тяжелых металлов для катодов. Использование материалов с высокими электродными потенциалами обеспечивает в тепловых батареях высокое для первичных химических источников тока напряжение разомкнутой цепи 2 - 3 В с элемента и способность разряжаться значительными плотностями тока (до нескольких А/см²).

По применяемым в тепловых батареях электрохимическим системам и особенностям технологии их изготовления можно выделить три поколения тепловых батарей, разработанных "НПП "Квант".

Первое поколение. В качестве анодных материалов использовался кальций или магний, активным материалом катодов был либо бихромат калия, либо сульфат свинца, нанесенный из расплава на никелевую сетку. Электролитом служила смесь хлоридов лития и калия, нанесенная из расплава на стеклотканую основу. В качестве нагревателя использовался состав, состоящий из порошка циркония и хромата бария, нанесенный на асбестовую подложку или находящийся в порах асбестовой матрицы. Тепловые батареи этого поколения обеспечивали сохраняемость в течение 12 лет и работоспособность в широком интервале температур окружающей среды. Однако они имели и существенный недостаток ? низкую устойчивость к механическим воздействиям и небольшую удельную энергию (до 4 Втч/кг). Несмотря на это, сфера их использования в военной технике всё более расширялась и перед нами ставились новые задачи по их совершенствованию.

Второе поколение. Принципиальным отличием второго поколения тепловых батарей являлось изготовление электролита и катода методом прессования. Электролит загущался наполнителем из оксида алюминия -модификации с температурой плавления больше 2000^о С, обеспечивающим его устойчивость к механическим воздействиям.

Анодным материалом второго поколения тепловых батарей оставался кальций. Такой электрохимический элемент состоял из трех жестких деталей, которые при активации тепловой батареи не меняли свои геометрические размеры. Слабым местом оставался эластичный циркониевый пиронагреватель, который при сгорании давал "усадку" и не имел электронной проводимости, что требовало специальных коммутирующих элементов и дополнительных конструктивных решений с целью повышения стойкости батареи к механическим перегрузкам.

Тепловые батареи второго поколения работали при всех видах механических воздействий, возникающих при эксплуатации всех ракетных систем, их удельные характеристики были в 2 раза больше чем у батарей первого поколения, увеличились до 17 - 20 лет сроки сохраняемости.

Третье поколение. Тепловые батареи третьего поколения начали разрабатываться в "НПП "Квант" в конце 80-х годов.

В качестве отрицательного электрода (анода) впервые использовался литий в виде интерметаллического соединения с кремнием, устойчивого к рабочим температурам в батарее до 630^о С.

В качестве активного вещества катода был применён дисульфид железа - обогащённый природный минерал серный колчедан.

В электролитной смеси использовался загуститель с большой удельной поверхностью, что позволило улучшить её ионную проводимость и увеличить разрядные токи.

Были разработаны новые малогазовые пиротехнические составы с хорошей электронной проводимостью, что упростило конструкцию батареи. В качестве горючего использовался специальный порошок железа, а в качестве окислителя перхлорат калия, разработана автоматизированная технология формования из них пиротехнических нагревателей, обеспечивающая высокую точность выделяемой тепловой энергии.

Была разработана высокоэффективная тепловая изоляции с использованием в качестве основного материала оксида кремния с размерами частиц 4 - 7 нм.

Основные составные части батареи защищены 8-ю патентами России.

Удельные характеристики тепловых батарей третьего поколения в 2 - 4 раза выше удельных характеристик тепловых батарей второго поколения.

Тепловые батареи этого поколения обеспечивают питание ракетных комплексов: "С-300", "С-400", "Смерч", "Булава", "Торнадо", "Искандер", "Пакет", "Аврора", "Загон", "Ярс" и др.

В последнее десятилетие была проведена большая работа по модернизации серийно выпускаемых тепловых батарей первого и второго поколений, входящих в изготавливаемые в настоящее время комплексы вооружений для перевода их на материалы и технологии, используемые в батареях третьего поколения.

Она позволила повысить надежность работы тепловых батарей, унифицировать технологию изготовления широкой номенклатуры батарей, а, в ряде случаев, увеличить их удельную энергию и уменьшить массу и габариты.

В настоящее время в связи с поставленной задачей модернизации вооружения и достижения тактико-технических параметров мирового уровня повышены требования к автономным источникам электрической энергии.

Эти требования касаются снижения времени выхода на рабочий режим, стабильности напряжения в процессе разряда как при постоянной нагрузке, так и переменных токовых импульсах в любое время разряда, продолжительности работы до 1 часа и повышении удельной энергии.

Осуществление этих требований возможно при комплексном подходе к поиску путей модернизации всех компонентов тепловых батарей.

Перспективными направлениями повышения удельных энергетических характеристик являются, в первую очередь, разработка технологии новых анодных материалов с потенциалом чистого лития. Учитывая, необходимость работы таких анодов при температурах до 600^о С, создание таких литийсодержащих композитов является сложной технологической задачей, над решением которой "НПП Квант" работает совместно с ОАО "Энергия". Создано современное оборудование, на котором уже получены первые образцы новых анодных композиционных материалов, синтезируемых на базе системы литий-бор, а также высокопористых металлических матриц, содержащих чистый литий. Потенциал таких анодов остаётся более стабильным, до израсходования всего химически несвязанного лития.

На рис. 1 приведены сравнительные разрядные кривые электрохимического элемента с анодами из композита литий-бор и сплава литий-кремний.

Рис. 1, Разрядные кривые электрохимических элементов электрохимических систем Li-Si/FeS₂ и Li-B/FeS₂ диаметром 21 мм с массой анодов 0,1 г для батареи БТ-300.

Из графика отчётливо видны преимущества электрохимического элемента с анодом из композита литий-бор, который по ёмкости более чем в 2 раза превышает ёмкость элемента с анодом из сплава литий-кремний.

Были изготовлены миниатюрные батареи БТ-300 для перспективных средств вооружений с диаметром корпуса 27 мм с анодами из сплава Li-Si и композита Li-B, которые разряжались плотностью тока около 1 А/см². Результаты испытаний этих батарей представлены в табл. 1.

Таблица 1. Сравнительные характеристики батарей БТ-300 с анодами из сплава Li-Si (16 рабочих элементов) и композита Li-B (15 рабочих элементов)

Как видно из табл. 1, время выхода на режим, падение напряжения за 20 с и время разряда до напряжения 24 В у образцов батарей с анодами из сплава Li-B почти вдвое меньше, чем у образцов батарей с анодами из сплава Li-Si.

В табл. 2 приведены сравнительные характеристики тепловой батареи диаметром 70 мм с временем работы 610 с, требованием к которой является обеспечение больших импульсных токовых нагрузок до 100 А на всём протяжении времени разряда.

Таблица 2. Сравнительные результаты испытаний макетных образцов тепловых батарей 70 мм, Н = 172 мм с электрохимическим элементом 50 мм с различным составом анодов

* максимальный ток от от 63 до 110 А при R_Н = 0,2 Ом.

На 1,5 секунде после задействования батарея должна выдерживать импульс тока не менее 60 А, обеспечиваемый с большим запасом батареей с анодами из композита литий-бор, что особенно заметно при самой нижней отрицательной температуре. Требования по напряжению на 602-й секунде при разряде на нагрузку 2,45 Ом во всём интервале температур обеспечивает только батарея с анодами из композита литий-бор, у которой в конце разряда на 610-й секунде напряжение значительно выше по сравнению с напряжением батареи с анодами из сплава литий-кремний.

Рис. 2. Разрядные кривые элементов диаметром 35 мм двух электрохимических систем до U_КОН = 0,8 U_МАКС: кривая 1 - Li-B/твёрдый электролит/соль меди, кривая 2 - Li-Si/LiCl,KCl/FeS₂.

Наряду с созданием новых анодных материалов на НПП «Квант» ведётся разработка новых электролитных композиций, в которых основную долю составляют так называемые твёрдые электролиты - вещества, обладающие высокой проводимостью по иону лития, но остающиеся при этом твёрдыми при рабочих температурах батарей. Данные композиции обладают двумя преимуществами: прессованные электроды из них механически более прочны, что обеспечивает устойчивость батарей, работающих при больших механических перегрузках, а также, позволяют использовать другие высокоактивные катодные материалы с высокими электродными потенциалами. Рабочее напряжение электрохимического элемента с катодными материалами на основе солей никеля и меди достигает величины 2,5 - 3 В, что позволяет снизить габариты и массу батарей, уменьшив количество элементов в блоке.

Наглядным примером служат разрядные кривые элементов двух электрохимических систем на основе солей меди (кривая 1) и дисульфида железа (кривая 2), приведённые на рис. 2.

На электрохимической системе Li-B/твёрдый электролит/соль никеля были собраны макетные образцы аналога батареи БТ-300 с 12-ю рабочими элементами диаметром 21 мм. Результаты приведены в табл. 3.

Таблица 3. Характеристики макетных образцов аналога батареи БТ-300 (12 рабочих элементов) на электрохимической системе Li-B/твёрдый электролит/соль никеля

Из табл. 3 видно, что батарея с меньшим числом электрохимических элементов обеспечивает заданное время работы (20 с) с трёхкратным запасом.

Ведутся исследования по улучшению путём создания новых быстрогорящих пиросоставов такого важного параметра, как время активации батарей,. В настоящее время разработаны малогабаритные батарей с временем выхода на режим 0,25 - 0,40 с, которые можно использовать, например, для катапультного кресла самолётов.

Стоящие задачи миниатюризации батарей требуют новых подходов и новых технологических решений по изготовлению, как составляющих компонентов батарей, так и самого сборочного процесса, особенно в свете их массового производства.

Примером таких задач является батарея, разрабатываемая для снайперского комплекса "Фломастер", которая при диаметре 8,5 и высоте 43 мм должна разряжаться плотностью тока 2 А/см² в течение не менее 20 секунд и быть стойкой к чрезвычайно большим ударным и линейным перегрузкам.

Над решением стоящих задач в свете поставленных Правительством о перевооружении Армии и Флота до 2020 г. НПП «Квант» в рамках Гособоронзаказа активно сотрудничает с предприятием ОАО "Энергия" города Ельца, осуществляющего серийное и опытное производство тепловых батарей.

Размещено на Allbest.ru