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:
- 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.
- 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.
- Галушкин Д.Н., Румянцев К. Е., Галушкин Н.Е. Исследование нестационарных процессов в щелочных аккумуляторах. Шахты: Изд. ЮРГУЭС, 2001. — 112с.
- Галушкин Н.Е., Кукоз В.Ф., Язвинская Н.Н., Галушкин Д.Н. Тепловой разгон в химических источниках тока. Шахты: Изд. ЮРГУЭС, 2010.- 210с.
- 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.
- 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.
- 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.
- Галушкин Д.Н., Галушкин Н.Е., Язвинская Н.Н. Тепловой разгон в никель-кадмиевых аккумуляторах //Фундаментальные исследования. 2012. № 11(1). С. 116-119.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- Galushkin D.N., Galushkina I.A. Thermal Runaway in Sealed Alkaline Batteries //International Journal of Electrochemical Science. 2014. Vol. 9. P. 3022-3028, Vol.9/90603022.pdf.
- 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.
- 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.[schema type=»book» name=»ИССЛЕДОВАНИЕ ГАЗОВЫДЕЛЕНИЯ ПРИ ТЕПЛОВОМ РАЗГОНЕ В НИКЕЛЬ-КАДМИЕВЫХ АККУМУЛЯТОРАХ » author=»Галушкин Дмитрий Николаевич, Попов Владимир Павлович, Галушкин Николай Ефимович, Язвинская Наталья Николаевна» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-06-17″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_ 30.12.2014_12(09)» ebook=»yes» ]