Диплом Повышение энергетических характеристик источников тока

.......
К общим проблемам вторичных источников тока можно отнести их сравнительно высокую цену, неудобства связанные с периодической необходимостью их зарядки, а также разработки зарядных устройств или зарядных схем в самих устройствах. Так например при выключенном ПВМ для сохранения информации заложенной в ней необходим источник энергии питающий модуль памяти. До недавнего времени он представлял из себя аккумулятор, а это в свою очередь определяло необходимость дорогой зарядной схемы, в силу недоступности элемента для рядового пользователя. Все перечисленные неудобства, связанные с эксплуатацией вторичных ХИТ привели к тому, что в последнее время все больше внимания уделяется разработкам источников энергии с высокими энергетическими параметрами, способными конкурировать с традиционными источниками тока, используемыми в этой области. Одними из конкурентов аккумуляторов можно рассматривать первичные элементы с высокими удельными характеристиками.
Одной из таких систем является предложенный в этой работе первичный элемент на основе системы литий-диоксид марганца. Это одна из наиболее используемых систем на основе литиевого анода, поставленная сейчас на широкомасштабное производство. К достоинствам этой системы следует отнести [3] получение достаточно высокой удельной энергии (около 200 Вт×ч/кг) при невысокой стоимости элементов. Конкурентоспособность таких элементов, по сравнению с аккумуляторами, обусловлена тем, что процесс их производства на порядок легче, процесса производства аккумуляторов. Это обуславливает более низкую стоимость таких элементов на рынке. Они работают при небольших плотностях тока, которые используются в калькуляторах, электронных часах, слуховых аппаратах, транзисторах, кинокамерах, измерительных инструментах, модулях питания элементов памяти в портативной и радиоэлектронной технике. При данных плотностях тока эти элементы могут бесперебойно работать нескольких лет, после чего необходима их замена.
Общим недостатком ряда типовых литиевых источников с апротонным электролитом, к которым относится и рассмотренная система, является низкий ток разряда, то есть низкий уровень генерируемой мощности. Это обусловлено тем, что в применяемых электролитах электропроводность на 1-2 порядка ниже, чем в водных растворах используемых в традиционных ХИТ.
Получение высоких мощностей в этих условиях у литиевых ХИТ идет чаще всего по пути увеличения работающей поверхности, например, за счет применения рулонных, спиральных, или плотно упакованных плоских электродных конструкций с минимально возможными толщинами электродов, зазоров, сепарации. Положительным качеством апротонных растворителей является расширение температурного диапазона применяемости таких ХИТ, особенно в сторону отрицательных температур (-50÷-55 °С), благодаря отсутствию в них воды. С другой стороны недопустимость присутствия влаги вынуждает делать элементы в надежном герметичном исполнении, что усложняет их разработку и изготовление.
Но герметичность - это одновременно и преимущество, т.к. обеспечивается высокая сохраняемость. По некоторым литиевым ХИТ гарантируется сохранность до 10 лет.
Также одними из несомненных преимуществ являются: экологическая чистота используемой системы, высокое и стабильное напряжение разряда, а также невысокое значение массогабаритных показателей.
Всеми вышеперечисленными обстоятельствами обусловлено бурное развитие работ по созданию источников тока с литиевым анодом и организация их промышленного производства.
...

ВВЕДЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 13
1. Общие положения 13
2. Электролиты для литиевых источников тока с диоксид марганцевым катодом 14
2.1. Жидкий электролит 14
2.2.Твердо-полимерный электролит 15
2.3. Гель-полимерный электролит 17
2.4. Поверхностная пленка образующаяся на литиевом электроде 19
3. Катодный материал для литиевых источников тока 20
3.1. Общие положения 20
3.2. Диоксид марганцевый катод для литиевых источников тока 21
3.2.1. Использование различных фаз диоксида марганца в качестве активной катодной массы ЛИТ 21
3.2.2. Предварительная термообработка катодной массы 22
3.2.3. Влияние способов получения диоксида марганца на его свойства в ЛИТ 23
3.2.4. Исследование добавок в активную массу положительного электрода 25
4. Сохраняемость ЛИТ 27
5. Контроль качества и безопасность ЛИТ 29
6. Производство ЛИТ 31
7. Заключение по литературному обзору 31
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 32
1. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 32
1.1. Описание экспериментальной ячейки 32
1.2. Измерительные приборы 33
1.3. Электрод сравнения 34
1.4. Приготовление отрицательного электрода 34
1.5. Подготовка положительного электрода 34
1.6. Подготовка электролита 35
1.7. Методика измерения пористости 35
1.8. Методика проведения структурного анализа 36
2. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ 37
3. СТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ 43
4. МАКРОКИНЕТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ КАТОДА 45
5. ОБСУЖДЕНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ 49
РАСЧЕТНО-КОНСТРУКТИВНАЯ ЧАСТЬ 52
1. КОНСТРУКТИВНАЯ ЧАСТЬ 52
2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ 69
2.1. Термодинамический расчет 69
2.2. Материальный расчет 69
2.3. Расчет удельных показателей 69
3. РАСЧЕТ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЭЛЕМЕНТА CR2325 70
3.1.Элемент на основе катода из бельгийской катодной массы с ЖЭ 70
3.2. Элемент на основе катода из бельгийской катодной массы с ГПЭ 72
3.3. Сравнение энергетических характеристик элементов 74
4. Тепловой расчет 75
ЭКОНОМИЧЕСКОЕ СРАВНЕНИЕ ЛИТИЙ-ДИОКСИД МАРГАНЦЕВЫХ
ЭЛЕМЕНТОВ CR 2325 76
1 .ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТА CR 2325 С КАТОДОМ НА ОСНОВЕ БЕЛЬГИЙСКОЙ АКТИВНОЙ МАССЫ 76
1.1. Затраты на материалы 76
1.2. Затраты на заработную плату 79
1.3. Затраты на содержание и эксплуатацию оборудования и затраты на спецоснастку 80
1.4. Накладные расходы 80
1.5. Основные затраты 81
1.6. Прочие затраты 81
1.7. Затраты на элемент 81
1.8. Себестоимость элемента и его энергетических показателей 81
2. СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ЭЛЕМЕНТОВ
СR 2325 ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ РАЗЛИЧНОГО MnO2 В КАТОДЕ 81
3. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ ЗАМЕНЫ ЖИДКОГО ЭЛЕКТРОЛИТА НА ГЕЛЬ-ПОЛИМЕРНЫЙ В ЭЛЕМЕНТЕ СR2325 83
3.1. Затраты на материалы 83
3.2. Затраты на заработную плату 84
3.3. Затраты на содержание и эксплуатацию оборудования и затраты на спецоснастку 85
3.4. Накладные расходы 85
3.5. Основные затраты 86
3.6. Прочие затраты 86
3.7. Затраты на элемент 86
3.8. Себестоимость элемента и его энергетических показателей 86
3.9. Сравнение экономических характеристик элементов на основе ЖЭ и ГПЭ 86
4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОМУ АНАЛИЗУ 87
ОЦЕНКА БЕЗОПАСНОСТИ И ЭКОЛОГИЧНОСТИ
ПРОЕКТА 87
1. ХАРАКТЕРИСТИКА КОМПОНЕНТОВ Li/MnO2 ИСТОЧНИКА ТОКА С ТОЧКИ ЗРЕНИЯ ОПАСНЫХ И ВРЕДНЫХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ФАКТОРОВ 88
1.1. Классификация веществ по степени опасности 88
1.2. Катодный материал 89
1.2.1. Физико-химические свойства марганца и его соединений 89
1.2.2. Токсическое действие марганца и его оксидов 89
1.2.3. Обеспечение безопасности при работе с марганцем 89
1.2.4. Общие меры на предприятии 90
1.3. Анодный материал 90
1.3.1. Щелочные металлы 90
1.3.2. Физические и химические свойства лития 90
1.3.3. Токсичность лития и его соединений 91
1.3.4. Обеспечение безопасности при работе с литием и его соединениями 92
1.3.5. Очистка лития от оксидных пленок 93
1.3.6. Уничтожение остатков и отходов лития 93
1.4. Электролит 93
1.4.1. Физические и химические свойства пропиленкарбоната и ТГФ и их токсическое действие 93
1.4.2. Обеспечение безопасности при работе с растворителем и электролитом 94
1.5. Обеспечение безопасности элемента в эксплуатации 94
1.6. Утилизация отработанных элементов 95
2. ВЗРЫВО И ПОЖАРООПАСНОСТЬ 96
2.1. Общие положения 96
2.2. Мероприятия пожарной безопасности 96
2.3. Средства тушения горящего лития 97
2.4. Меры при возникновении горения электролита и растворителя 97
2.5. Расчет элементов тушения порошкового огнетушителя 98
3. ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТЬ 99
3.1. Общие положения 99
3.2. Источники опасности 99
3.3. Действие электрического тока на организм человека 100
3.4. Защита от поражения электрическим током 101
3.5. Расчет зануления 102
3.5.1. Расчет на отключающую способность 102
3.5.2. Расчет сопротивления заземления нейтрали 105
3.5.3. Расчет сопротивления повторного заземления нулевого защитного проводника 106
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО РАБОТЕ 107
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

В литературном обзоре рассмотрено: современное состояние в области первичных литиевых ХИТ, электролиты и их сравнение, диоксид марганцевый катод и повышения его характеристик.
В работе был разработан первичный элемент пуговичного типа на основе системы Li-MnO2 в типоразмере СR 2325 с повышенными энергетическими характеристиками. В экспериментальной части работы рассмотрено влияние структуры MnO2 - катода на его электрохимические характеристики и целесообразность замены жидкого электролита на гельполимерный в ЛИТ. Разработана макрокинетическая модель катода и найден оптимальный размер активных частиц, составляющих положительный электрод, проведены структурные исследования и построены: разрядные и поляризационные катодные кривые, а также кривые изменения стационарного катодного потенциала в процессе разряда катодов, указывающие на: целесообразность замены жидкого электролита гелеобразным и на справедливость результатов полученных при математическом моделировании.
Расчетная часть включает в себя термодинамический, материальный и тепловой расчеты.
В экономической части оценивается целесообразность: использования дорогого, но структурно оптимизированного MnO2 и замены ЖЭ на ГПЭ.
В экологической части рассматриваются меры безопасности при работе с данным элементом и способ утилизации отходов производства.

56 наименований