30 Дек

ИССЛЕДОВАНИЕ ГАЗОВЫДЕЛЕНИЯ ПРИ ТЕПЛОВОМ РАЗГОНЕ В НИКЕЛЬ-КАДМИЕВЫХ АККУМУЛЯТОРАХ




Номер части:
Оглавление
Содержание
Журнал
Выходные данные


Науки и перечень статей вошедших в журнал:

Введение

В некоторых типах никель кадмиевых аккумуляторов в процессе заряда при постоянном напряжении может возникнуть явление теплового разгона. Это явление сопровождается  резким увеличением тока заряда, что приводит к разогреву, вскипанию электролита, выделению пара, дыма и к разрушению аккумулятора, сопровождающемуся взрывом и возгоранием. В этой статье исследована экспериментально  вероятность возникновения теплового разгона в зависимости от напряжения заряда, срока службы (эксплуатации) аккумуляторов, а также приведены результаты определения состава газовой смеси, выделившейся  в процессе теплового разгона. Данная статья продолжает исследования по тепловому разгону в никель-кадмиевых аккумуляторах начатые в работах [1-15].

Экспериментальная часть

Для исследования были взяты аккумуляторы НКГ-8К и НКГ-50СА с плотной упаковкой электродов и тонкими сепараторами. Выбор этих аккумуляторов обусловлен тем, что одной из причин возникновения теплового разгона в них является прорастание дендритов кадмия  через сепаратор. Процесс прорастания дендритов зависит от толщины сепаратора, структуры и диаметра пор и значительно замедляется с увеличением толщины сепаратора и уменьшением диаметра пор [1-8]. Аккумуляторы заряжались при постоянных напряжениях в соответствии с инструкциями по их  эксплуатации. Режимы заряда, разряда и контрольно тренировочных циклов приведены в таблице 1.

Таблица 1

Режимы циклирования аккумуляторов

Тип аккумулятора НКГ-8К НКГ-50СА
Заряд Напряжение. В 1,45;   1,67;   1,87;  2,2
Время, час 8
 

Разряд

Ток. А 10 15
Конечное

Напряжение, В

1 1
Контр.

заряд

Ток, А 5 8
Время, час 8 8

В таблице 2. представлены результаты циклирования аккумуляторов НКГ-8К, НКГ-50СА.

Анализ полученных результатов позволяет сделать вывод о том, что из всех 640 выполненных зарядно-разрядных циклов имели место  только два случая теплового разгона для аккумуляторов НКГ-8К и НКГ-50СА. В этих случаях теплового разгона проводилось исследование состава газовой смеси.

Таблица 2

Результаты циклирования никель-кадмиевых аккумуляторов

Тип аккумулятора НКГ-8К НКГ-50СА
Число используемых аккумуляторов 10 10
Число зарядно-разрядных циклов 640 640
Число тепловых разгонов 1 1
Срок службы аккум. с тепловым разгоном, лет 4,8; 5,0
Напряжение заряда при тепловом разгоне, В 2,20 1,87

 

Определение состава газовой смеси, выделившейся в процессе теплового разгона

Выделившийся в результате теплового разгона газ через трубку, одетую на полый штуцер, попадал в специальную эластичную ёмкость объёмом 1060 литров. По завершению процесса теплового разгона первоначальный объём газовой смеси охлаждался до комнатной температуры. Затем повторно измерялся объём газовой смеси. Разность первоначального и повторного  измерения объёма давала объём выделившегося пара. В табл. 3 приведен состав газовой смеси, выделившейся в процессе теплового разгона. Объём измерялся с точностью не ниже 5%. Интенсивное выделение газа  и пара из аккумулятора происходит в течение 2-4 минут. Выделившаяся  парогазовая смесь имеет температуру не ниже 300 0С.

Таблица 3

Состав газовой смеси, выделившейся в результате теплового разгона

Тип аккумулятора Номер аккумулятора Общее кол-во газовой смеси, выделившейся при тепловом азгоне, л Количество

выделившегося

пара, л

Оставший-ся газ, л
НКГ-8К 1 26 6 20
НКГ-50СА 1 165 36 129

Анализ газа, полученного в результате теплового разгона

В процессе теплового разгона выделяются пары воды, продукты горения составных частей аккумулятора, водород и кислород (как результат разложения воды и оксидов в электродах). Качественный и количественный анализ состава газовой смеси, после отделения пара проведен с помощью объёмно-оптического газоанализатора ООГ-2М, который способен определять процентное содержание  углекислого газа, кислорода, оксида углерода, водорода и метана в газовой смеси. Содержание углекислого газа, кислорода,  и оксида углерода определялись газо-объёмным методом, а метана и водорода с помощью встроенного интерферометра. В табл. 4 представлены результаты анализа газовой смеси, полученной из исследуемых аккумуляторов в процессе теплового разгона. Абсолютная ошибка процентной концентрации газов в табл.4 составляет 0,3-0,5 %.

Таблица 4

Состав газовых смесей после теплового разгона

Тип аккумуляторов Номер аккумулятора Концентрация

водорода, %

Концентрация

кислорода, %

Концентрация

прочих газов, %

НКГ-8К 1 95 4,5 0,5
НКГ-50СА 1 91 8,4 0,6

 

Выводы

Исходя из предположения, что в результате теплового разгона происходит только разложение воды на кадмиевом и никелевом электродах электрохимическим путем, по уравнениям (1) и (2), соответственно,  а также из-за высокой температуры, термическим путём, по уравнению (3), процентное соотношение между водородом и кислородом в газовой смеси должно быть следующим: кислорода 33,3 %, водорода 66,7 %, ( т.е. один к двум).

то в результате увеличилось бы процентное содержание кислорода, но не водорода. Таким образом, исследование состава газовой смеси, полученной в результате теплового разгона, дало неожиданные результаты, поскольку содержание водорода в газовой смеси оказалось более значительным. Полученный результат можно объяснить, если предположить, что водород в какой-либо форме уже присутствовал в электродах до теплового разгона и из-за высокой температуры он выделился в большом количестве. Это предположение могло бы объяснить и тепловые эфекты и изменение напряжения на клеммах аккумуляторов в процессе теплового разгона. Однако, требуется детальная проверка этого предположения, что и составляет предмет дальнейшего исследования.

Список литературы:

  1. Галушкина Н.Н., Галушкин Н.Е., Галушкин Д.Н. Исследование процесса теплового разгона в никель-кадмиевых аккумуляторах // Электрохимическая энергетика. 2005. Т. 5. №1. С. 40-42.
  2. Galushkin D.N., Yazvinskaya N.N., Galushkin N.E. Investigation of the process of thermal runaway in nickel-cadmium accumulators //Journal of Power Sources. 2008. Vol.177. № 2.  P. 610-616.
  3. Галушкин Д.Н., Румянцев К. Е., Галушкин Н.Е. Исследование нестационарных процессов в щелочных аккумуляторах. Шахты: Изд. ЮРГУЭС, 2001. — 112с.
  4. Галушкин Н.Е., Кукоз В.Ф., Язвинская Н.Н., Галушкин Д.Н. Тепловой разгон в химических источниках тока. Шахты: Изд. ЮРГУЭС, 2010.- 210с.
  5. Галушкин Н.Е., Язвинская Н.Н., Галушкина И.А. Возможность теплового разгона в никель-кадмиевых аккумуляторах большой емкости с ламельными электродами // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Серия: Технические науки. 2012. № 3. С. 89-92.
  6. Галушкин Н.Е., Язвинская Н.Н., Галушкина И.А. Возможность теплового разгона в цилиндрических и дисковых никель-кадмиевых аккумуляторах // Химическая промышленность сегодня. 2012. № 7. С. 54-56.
  7. Галушкин Н.Е., Язвинская Н.Н., Галушкин Д.Н. Тепловой разгон в никель-кадмиевых аккумуляторах с металлокерамическими и прессованными электродами // Электрохимическая энергетика. 2012. Т. 12. № 1. С. 42-45.
  8. Галушкин Д.Н., Галушкин Н.Е., Язвинская Н.Н. Тепловой разгон в никель-кадмиевых аккумуляторах //Фундаментальные исследования. 2012. № 11(1). С. 116-119.
  9. Галушкин Н.Е., Язвинская Н.Н., Галушкин Д.Н. Тепловой разгон в никель-кадмиевых аккумуляторах //Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Серия: Технические науки. 2013. № 2(171). С. 75-78.
  10. Галушкин Н.Е., Язвинская Н.Н., Галушкин Д.Н. Исследование причин теплового разгона в герметичных никель-кадмиевых аккумуляторах //Электрохимическая энергетика. 2012. Т. 12. № 4. С. 208-211.
  11. Galushkin N.E., Yazvinskaya N.N., Galushkin D.N. Ni-Cd batteries as hydrogen storage units of high-capacity //ECS Electrochemistry Letters. 2013. Vol. 2. № 1. P. A1-A2.
  12. Галушкин Н.Е., Язвинская Н.Н., Галушкина И.А. Тепловой разгон в щелочных аккумуляторах //Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Серия: Технические науки. 2013. № 6(175). С. 62-65.
  13. Galushkin D.N., Galushkina I.A. Thermal Runaway in Sealed Alkaline Batteries //International Journal of Electrochemical Science. 2014. Vol. 9. P. 3022-3028, http://www.electrochemsci.org/papers/ Vol.9/90603022.pdf.
  14. Galushkin N.E., Yazvinskaya N.N., Galushkin D.N., Galushkina I.A.Causes Analysis of Thermal Runaway in Nickel–Cadmium Accumulators// Journal of The Electrochemical Society. 2014. Vol. 161.  P. A1360-A1363.
  15. Галушкин Н.Е., Язвинская Н.Н., Галушкин Д.Н., Галушкина И.А. Возможность теплового разгона в никель-кадмиевых аккумуляторах фирмы Saft // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Серия: Технические науки. 2014. № 3(178). С. 87-90.
    ИССЛЕДОВАНИЕ ГАЗОВЫДЕЛЕНИЯ ПРИ ТЕПЛОВОМ РАЗГОНЕ В НИКЕЛЬ-КАДМИЕВЫХ АККУМУЛЯТОРАХ
    Written by: Галушкин Дмитрий Николаевич, Попов Владимир Павлович, Галушкин Николай Ефимович, Язвинская Наталья Николаевна
    Published by: БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА
    Date Published: 06/17/2017
    Edition: ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_ 30.12.2014_12(09)
    Available in: Ebook