Đang tải... (xem toàn văn)
MỤC LỤC MỤC LỤC 1MỤC LỤC PHẦN I TỔNG QUAN VỀ PIN NHIỆT 3 1 1 Cấu tạo chung của pin nhiệt 3 1 2 Một số đặc tính kỹ thuật của pin nhiệt 8 PHẦN II KẾT QUẢ KHẢO SÁT THÀNH PHẦN, CẤU TẠO PIN NHIỆT THẾ HỆ MỚI TRÊN CƠ SỞ MẪU PIN CỦA NƯỚC NGOÀI 10 2 1 Kết quả khảo sát nguồn pin nhiệt thế hệ mới 10 2 2 Kết quả khảo sát Cụm bản cực nguồn pin nhiệt thế hệ mới 11 2 3 Kết quả khảo sát thành phần hóa học pin đơn 14 2 3 1 Lớp cực âm 14 2 3 2 Lớp lá cách 15 2 3 3 Lớp cực dương 16 2 3 4 Tấm hỏa thuật 16 2 3 5 Kết.
MỤC LỤC MỤC LỤC PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ PIN NHIỆT .3 1.1 Cấu tạo chung pin nhiệt .3 1.2 Một số đặc tính kỹ thuật pin nhiệt PHẦN II: KẾT QUẢ KHẢO SÁT THÀNH PHẦN, CẤU TẠO PIN NHIỆT THẾ HỆ MỚI TRÊN CƠ SỞ MẪU PIN CỦA NƯỚC NGOÀI 10 2.1 Kết khảo sát nguồn pin nhiệt hệ 10 2.2 Kết khảo sát Cụm cực nguồn pin nhiệt hệ 11 2.3 Kết khảo sát thành phần hóa học pin đơn 14 2.3.1 Lớp cực âm .14 2.3.2 Lớp cách 15 2.3.3 Lớp cực dương 16 2.3.4 Tấm hỏa thuật 16 2.3.5 Kết luận thành phần hệ điện hóa 17 2.4 Kết phân tích định lượng thành phần hệ điện hóa 17 2.4.1 Quy trình phân tích cực âm 17 2.4.2 Quy trình phân tích cực dương – cách 19 2.4.3 Quy trình phân tích hỏa thuật .21 2.4.4 Kết luận tỷ lệ thành phần hệ điện hóa 22 PHẦN III: KẾT QUẢ CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM CÁC CHI TIẾT CỦA MẪU PIN NHIỆT THẾ HỆ MỚI 23 3.1 Kết chế tạo thử nghiệm gốm xốp cách nhiệt 23 3.2 Kết thử nghiệm chế tạo Hỏa thuật 24 3.3 Kết chế tạo thử nghiệm hệ cực cho pin nhiệt hệ 25 3.3.1 Chế tạo cực dương – cách 25 3.3.2 Chế tạo cực âm .30 3.3.3 Thử nghiệm hệ điện cực cho pin nhiệt hệ .30 KẾT LUẬN 33 TÀI LIỆU THAM KHẢO 34 PHẦN I TỔNG QUAN VỀ PIN NHIỆT 1.1 Cấu tạo chung pin nhiệt Pin nhiệt (còn gọi pin muối nóng chảy hay nguồn điện hóa học hoạt hóa nhiệt) sử dụng chất điện ly rắn trạng thái thường nóng chảy trạng thái làm việc Loại pin có thời gian bảo quản dài, thời gian hoạt hoá nhanh, mật độ lượng cường độ dòng cao nhờ độ dẫn điện tốt chất điện li nóng chảy, độ tin cậy cao, tiện dụng khơng địi hỏi bảo dưỡng Nhờ vậy, loại pin lựa chọn kĩ thuật quân sụ hàng không vũ trụ Chẳng hạn, chúng sử dụng kĩ thuật tên lửa, rocket, ngòi nổ đạn pháo, ngòi nổ chậm bom, hệ thống mục tiêu giả, hệ thống điều chỉnh quỹ đạo, ghế nhảy dù… Rafael hãng chuyên sản xuất loại pin nhiệt cho vũ khí (Hình 1) Mỗi năm hãng sản xuất khoảng 100.000 sản phẩm Hình Một số mẫu pin nhiệt hãng Rafael [2] Pin nhiệt có cấu tạo giống nguồn điện hóa học khác có cực dương, cực âm chúng cách [4]: - Thành phần cực dương pin gọi hoạt chất cực dương hay chất khử phân cực chất chất oxy hóa Trong pin nhiệt người ta thường sử dụng oxit kim loại chuyển tiếp WO 3, MoO3, V2O5, oxit sắt muối cromat CaCrO 4, PbCrO4, FeS2, CoS2 để làm chất khử phân cực [2,4] Hoạt động pin với chất điện li hỗn hợp dễ nóng chảy LiClO4, LiNO3 cải thiện cho thêm AgNO3 vào chất điện li, chất thêm làm giảm phân cực catod [5] Theo [6] chất cực dương làm từ hỗn hợp 25% chất điện li 75% bột FeS có thêm lượng nhỏ FeSO4 - Cực âm pin nhiệt thường kim loại có tính khử mạnh Ban đầu cực âm loại pin thường làm từ canxi hay magiê kim loại Pin với cực âm làm từ canxi có điện áp làm việc cao pin có cực âm magiê khoảng von Gần người ta bắt đầu sử dụng liti dạng hợp kim với silic hay nhôm tồn trạng thái rắn pin làm việc để làm cực âm Cũng có thiết kế dùng hỗn hợp liti kim loại trộn với bột kim loại khác sắt (18%Li, 82%Fe) đặt hộp thép để làm cực âm [6] - Lá cách loại pin thường làm vật liệu cách điện chịu nhiệt, vải thuỷ tinh amiang, có lỗ xốp chứa chất điện li rắn Chúng chế tạo cách nhúng vật liệu chịu nhiệt vào chất điện li nóng chảy 4500C [7] Lá cách chế tạo cách trộn chất điện li với MgO hay amiang [8] Chất điện li sử dụng thường hỗn hợp muối vơ có thành phần otecti KCl LiCl, rắn khơng dẫn điện nhiệt độ thường, nóng chảy dẫn điện nhiệt độ hoạt động pin Có loại otecti KCl LiCl loại có chứa 40% KCl theo số mol (hay 53,9% theo khối lượng) nóng chảy 4500C loại có chứa 55,5% KCl theo khối lượng nóng chảy 3610C [9] Ngồi ra, thành phần chất điện li pin nhiệt cịn có thêm Ca(NO3)2, LiNO3, Ca(OH)2 [10, 11] Để số loại pin nhiệt hoạt động nhiệt độ thấp, người ta dùng Na[AlCl 4], hỗn hợp otecti LiClO4, LiNO3 hay KNO3 NaNO3 (hỗn hợp cuối có nhiệt độ nóng chảy 1320C) để làm chất điện li [5] Tuy nhiên, chất điện li nitrat làm cho bề mặt cực âm bị thụ động hố Khi cần thêm LiCl để làm giảm bớt khả chất điện li gây thụ động bề mặt cực âm làm từ canxi Các cực, cách pin đặt vỏ kín, cách li hồn tồn với mơi trường Do chất điện li pin nhiệt điều kiện chưa làm việc tồn trạng thái rắn không dẫn điện, pin khơng có khả tự phóng điện khơng bị dung lượng điện q trình bảo quản Đây ưu điểm bật loại pin Với dự trữ lượng điện cao, pin nhiệt có ứng dụng loại thiết bị, trang bị, vũ khí địi hỏi tính sẵn sàng chiến đấu độ tin cậy cao Thời gian bảo quản pin nhiệt đạt tới 12-20 năm [1,4] Để bắt đầu làm việc, pin nhiệt phải đốt nóng tới nhiệt độ mà hỗn hợp chất điện li nóng chảy trở nên dẫn điện Quá trình chuyển pin sang trạng thái hoạt động gọi hoạt hóa Một cách để hoạt hoá pin nhiệt xếp lớp chất cháy hay gọi hoả thuật xen kẽ với pin thành chồng (Hình 2) đốt cháy chúng Hoả thuật Hoả thuật Pin Hoả thuật Hình Sơ đồ cấu tạo pin nhiệt Trong sơ đồ trên, pin gồm cực dương, cách, cực âm đặt vỏ bảo vệ riêng Các hoả thuật không dẫn điện pin phải có dây nối Ở thiết kế khác người ta không cần vỏ bảo vệ riêng mà xếp cực dương, cách, cực âm, hoả thuật thành chồng (Hình 3) Để khơng phải làm dây nối pin, cháy chế tạo để trở thành chất dẫn điện sau bị đốt cháy nối điện cho cực âm cực dương hai pin cạnh [12] Hình Một thiết kế pin nhiệt hãng Eagle Picher Hoả thuật mồi cháy đồng thời hạt lửa (hình 4a) hay mồi cháy dây dẫn cháy (hình 4b) Thời gian hoạt hóa pin phụ thuộc vào tốc độ cháy hoả thuật cách mồi, từ 0,2s đến vài giây a b Hình Các thiết kế khác cách mồi cháy a) Sử dụng hạt lửa mồi cháy đồng thời b) Sử dụng dây dẫn cháy Sau hoạt hoá, nhiệt độ bên pin trì phụ thuộc vào cân nhiệt nhiệt sinh bên pin Vì chồng pin chất cháy cách nhiệt với vỏ bảo vệ để đảm bảo nhiệt độ làm việc cao pin Pin ngừng làm việc hoạt chất cực âm, cực dương phản ứng hết nhiệt độ hạ xuống thấp Để kéo dài thời gian làm việc pin người ta cần tăng cường chất hoả thuật vào khu vực trên, chồng pin Trong phương án khác, người ta thêm khí có độ dẫn nhiệt thấp vào pin hay tìm cách làm giảm bớt lượng khí hyđro sinh pin hoả thuật hay pin làm việc [13] Phần hoả thuật pin nhiệt hỗn hợp hai, ba, bốn thành phần: hỗn hợp 43,5% ziriconi với 51,5% oxit sắt(III) 5% diatomit; hỗn hợp 22% Ni, 5% Zr, 16,8% KClO3, 56,2% BaCrO4[14]; hỗn hợp peoxit bari bột nhôm hay magiê, hỗn hợp bột sắt với kali clorat hay hỗn hợp bari cromat ziriconi… Các hỗn hợp bốc cháy nhanh, cho nhiều nhiệt sinh khí cháy Để làm tăng độ nhậy chất cháy, người ta thêm vào PbO 2, KClO3, K2Cr2O7 Mặc dù pin nhiệt sử dụng lâu, song phản ứng tạo dịng điện xảy mơi trường chất điện li nóng chảy có chế phức tạp nghiên cứu nên có tài liệu công bố sản phẩm tạo thành từ chất làm điện cực Trong [1] người ta xác định pin nhiệt với chất khử phân cực CaCrO có chất Li5CrO4 tạo thành với sản phẩm phức chất khác crom với mức oxi hóa thấp Người ta khơng viết phản ứng tạo dịng điện pin nhiệt giống cho hầu hết loại pin acquy khác làm việc môi trường dung dịch nước hay dung môi hữu Về nguồn điện pin nhiệt hệ cho tên lửa phịng khơng tầm thấp đối tượng nghiên cứu chế tạo không tìm tài liệu cơng nghệ chế tạo công bố Một số thông tin mô tả pin loại kiểu cũ có tài liệu tên lửa phịng khơng tầm thấp Viện tên lửa, Trung tâm khoa học công nghệ kĩ thuật quân cung cấp sau: - Thành phần cực dương chì sunfat có pha thêm liti clorua kali clorua bọc hai lớp lưới niken - Cực âm magiê hay canxi kim loại - Chất điện li hỗn hợp otecti muối LiCl KCl tẩm vào vải thuỷ tinh - Các pin cụm cực mắc nối tiếp song song - Giữa pin đặt hoả thuật để đốt nóng Ở phía nguồn có lắp kíp nổ-hạt lửa - Lá hoả thuật gồm lớp amiang cách điện ghép với lớp chất hoả thuật - Để đưa pin vào hoạt động cần phát hoả hạt lửa Hạt lửa cháy sinh tia lửa đốt cháy toàn hoả thuật Các pin đốt nóng khoảng từ 480 – 7000C chuyển sang trạng thái làm việc 1.2 Một số đặc tính kĩ thuật pin nhiệt Thơng số điện quan trọng pin dịng, điện áp làm việc thời gian làm việc Do chất điện li nóng chảy có độ dẫn điện cao (chẳng hạn otecti KCl-LiCl 6000C có độ dẫn điện 2,1 -1cm-1, độ dẫn điện dung dịch NaCl bão hồ 0,2-1cm-1) nên pin nhiệt có nội trở nhỏ dễ dàng cho dịng điện lớn (có thể đạt giá trị khoảng 4kA/m 2) Tuy nhiên, pin nhiệt thường có thời gian làm việc ngắn, từ khoảng vài giây đến 15 phút Vì lí này, pin nhiệt sử dụng cần có dịng làm việc lớn khoảng thời gian ngắn Một số tiêu cụm cực nguồn cho tên lửa phòng khơng tầm thấp là: - Thời gian hoạt hố nhiệt độ -200C đến 500C: 1s - Thời gian hoạt hoá nhiệt độ -500C đến -200C: 1,3s - Thời gian làm việc: > 30s - Điện áp nguồn: +20±2,5V; -20±2,5V; +5±0,5V Theo tài liệu cung cấp nguồn 20V phóng thử tải 10±5% ơm phải đạt điện áp 17,5V trở lên, có nghĩa phải đạt dịng khoảng 1,75A 30s Tuy vậy, thường cần dịng lớn lúc khởi động, sau dòng sử dụng giảm Việc thử nghiệm tải tĩnh yêu cầu kỹ thuật theo tài liệu đảm bảo chắn cho pin làm việc chế độ thực Có thể đưa số thơng số dịng thời gian làm việc số pin nhiệt hãng Catalyst Research sản xuất (Bảng [15]) để so sánh: Đường kính pin, mm 31,7 38,1 Dịng làm việc, A Thời gian làm việc, s 60 120 180 0,9 0,3 0,1 1,5 0,5 0,3 41,1 50,2 57,1 76,2 95,2 1,9 2,8 3,8 5,7 9,2 0,6 0,9 1,3 2,0 3,0 0,4 0,5 0,7 1,3 1,9 Bảng Kích thước, thời gian dịng làm việc mơt số loại pin nhiệt hãng Catalyst Research 10 PHỤ LỤC KẾT QUẢ PHÂN TÍCH ICP-OES DUNG DỊCH CỰC ÂM Số thứ tự Số thí nghiệm Kí hiệu mẫu 1 M1 HÀM LƯỢNG CHỈ TIÊU PHÂN TÍCH 1,01 0,45 0,51 3,16 0,60 0,01 0,02 45,09 0,11