Железо- железохлоридный электрод для химического источника тока

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ЖЕЛЕЗО-ЖЕЛЕЗОХЛОРИДНЫЙ ЭЛЕКТРОД ДЛЯ ХИМИЧЕСКОГО ИСТОЧНИКА ТОКА(71) Заявитель Государственное научнопроизводственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(72) Авторы Новиков Владимир Прокофьевич Ищенко Надежда Николаевна(73) Патентообладатель Государственное научно-производственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(57) Железо-железохлоридный электрод для химического источника тока со структурой из пористого железа, пропитанного твердым безводным хлоридом железа, и находящейся в электрическом контакте с токосъемником, отличающийся тем, что структура из пористого железа выполнена в виде волокон, ориентированных параллельно друг другу с расстоянием между волокнами 50-500 нм, имеющих поперечный размер 50-500 нм и соединенных одним концом с токосъемником, другим - с поверхностью электрода. Фиг. 1 Изобретение относится к перезаряжаемым химическим источникам тока, в частности к химическим источникам, имеющим железохлоридный электрод (2 / ). Натриевые аккумуляторы, имеющие железохлоридный электрод, обладают высокими характеристиками удельной мощностью и удельной запасенной энергией. В их объеме протекают следующие электрохимические процессы 2202 и 02 е . Известен металл/металлхлоридный электрод, представляющий собой пластинку металла, покрытую хлоридом металла 1. 12377 1 2009.10.30 Недостатком известного электрода является низкая величина удельной поверхности границы раздела металл/хлорид металла и, как следствие, низкие разрядные токи и низкий КПД. С целью снижения удельного сопротивления электрода используются металлы с пористой структурой. Наиболее близким по технической сущности к заявленному решению является металл/ металлхлоридный электрод, состоящий из пористого железа, пропитанного твердым безводным хлоридом железа, находящегося в электрическом контакте с токосъемником. Пористое железо для электродов этого типа получают спеканием железных порошков. Полости между спеченными частицами металла образуют структуру с открытой пористостью. Эти поры заполняют хлоридом железа. Общая удельная поверхность границы раздела между металлической и солевой компонентами электрода зависит от размера частиц порошка и степени уплотнения порошка перед спеканием 2. Недостатком известного электрода является низкий коэффициент использования массы электрода. Обусловлено это тем обстоятельством, что пористая структура, выполненная из хорошо спеченного железного порошка, имеет относительно низкую долю свободного объема (35-20 ) и, следовательно, низкое содержание окислителя (2). При использовании же слабоспеченного металла суммарный объем пор возрастает, но при этом происходит нарушение электрического контакта между частицами в процессе эксплуатации, в результате чего часть пористой металлической структуры теряет контакт с токосъемником. Это приводит к росту сопротивления электрода и уменьшению массы железа, участвующей в токообразующей реакции. Эти обстоятельства снижают электротехнические характеристики электрода. Задача изобретения - повышение коэффициента использования массы электрода, увеличение удельной электрической энергии аккумулятора и улучшение электротехнических характеристик электрода. Поставленная задача достигается тем, что в известном электроде со структурой из пористого железа, пропитанного твердым безводным хлоридом железа и находящегося в электрическом контакте с токосъемником, структура из пористого железа выполнена в виде волокон, ориентированных параллельно друг другу с расстоянием между волокнами 50-500 нм, имеющих поперечный размер 50-500 нм и соединенных одним концом с токосъемником, другим - с поверхностью электрода. Новым, по мнению авторов, является то, что пористое железо выполнено из волокон,ориентированных параллельно друг другу, имеющих поперечный размер 50-500 нм, расстояние между волокнами 50-500 нм, и соединенных одним концом с токосъемником,другим - с поверхностью электрода. Перечень рисунков на чертеже. Фиг. 1 - строение электрода 1 - железные волокна, 2 - хлорид железа, 3 - токосъемник. Фиг. 2 - микрофотография фрагмента заявленного электрода. (Хлорид железа частично удален растворением для выявления волоконного строения железной компоненты). Сущность изобретения. В заявляемой конструкции электрода упорядоченное и линейное распределение металлической компоненты (волокон из железа) улучшает условия токосъема и протекания окислительно-восстановительных токообразующих реакций по сравнению с конструкцией прототипа, в которой используется спеченный железный порошок. Кроме того, такая конструкция обеспечивает низкое сопротивление электрода и позволяет варьировать в широких пределах соотношение двух активных фаз железа и хлорида железа. Это обстоятельство позволяет обеспечить более полное использование материала электрода в токообразующих электрохимических реакциях. Создание данной структуры электрода стало возможным благодаря обнаруженному авторами эффекту, имеющему место при электролизе некоторых солей железа. Он заклю 2 12377 1 2009.10.30 чается в том, что при определенных составах электролита и режимах электролиза на аноде образуется структура, представляющая собой упорядоченную композицию, состоящую из железных волокон и безводного хлорида железа. Линейные скорости осаждения обоих компонентов композиции (железа и хлорида железа) в данном процессе равны между собой, поэтому состав и структура композита не меняются в процессе его роста. Пример конкретного выполнения Электрод с заявленной структурой получали при помощи разработанного авторами метода. Для получения электрода использовался электролит, представляющий собой раствор 2 6 Н 2 О концентрацией 15-35 вес.в диметилформамиде. Электролиз осуществляли на постоянном токе с железными катодом и анодом при плотности тока на катоде-50-400-мА/см 2. Железный катод представлял собой пластину толщиной 1 мм и площадью 8 см 2. На поверхности анода параллельно протекали две восстановительные электрохимические реакции 1. Восстановление ионов железа по схеме 32. Эта реакция инициирует образование солевой компоненты композита, поскольку соли одновалентного железа меньше растворимы в диметилформамиде, чем двухвалентного, в результате чего на катоде достигается пресыщение и образование осадка соли 2. 2. Реакция восстановления железа до металла 330, обеспечивающая формирование металлических волокон. Оба приведенных процесса протекают согласованно и с одинаковой линейной скоростью роста обеих компонент. В тех случаях, когда состав электролита и плотность тока на аноде находились в приведенных выше пределах, осадок на катоде представлял собой слой вещества серого цвета толщиной около от 0,1 до 5 см в зависимости от времени электролиза. Исследования методом сканирующей электронной фотографии, а также методом микропробного анализа показали, что нано- (микро-) проволоки железа толщиной в диапазоне 50-500 нм образуют упорядоченный композит с хлоридом двухвалентного железа. Микро- (нано-) волокна железа в этом композите ориентированы параллельно друг другу. Расстояние между волокнами составляло 50-500 нм. Железная пластина, используемая в описанном процессе как анод, в полученном устройстве играет роль токосъемника. Таким образом, полученный в данном процессе структура имела все элементы заявленного нами электрода, а именно железные волокна, ориентированные параллельно друг другу и имеющее контакт с токосъемником, хлорид железа, пропитывающий свободное пространство между проволоками,и токосъемник. Благодаря сочетанию высокой удельной поверхности границы раздела фаз и хорошим контактам волокон с металлическим токосъемником, электрод имеет низкое электросопротивление. Это обстоятельство обеспечивало достижение поставленной в изобретении цели - повышение электротехнических характеристик устройства. Источники информации 1.4945012, 1990. 2.5019470, 1991. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4