ХИТ с твердым электролитом

Первичные ХИТ с твердым электролитом начали интенсивно разрабатываться после 1960г. Ионная проводимость в твердых солях может быть обусловлена тепловыми колебаниями ионов в узлах кристаллической решетки, при которых происходит переход ионов из узлов решетки в межузлия (дефекты Френкеля) или когда происходит полный отрыв иона из узла с переходом его на поверхность кристалла (дефекты Шоттки). Проводимость солей, обусловленная этими дефектами, составляет всего 10^-5 – 10^-2 См/м и резко возрастает при повышенных температурах. Имеются также кристаллические структуры с большим числом структурных вакансий (что связано с разупорядочением структуры кристаллической решетки). Электрическая проводимость таких электролитов может достигать 1…100 См/м, т.е. электрической проводимости кислот высокой концентрации.

Твердые электролиты, применяемые в ХИТ, не должны обладать полупроводниковыми свойствами, т.е. иметь смешанную ионно-электронную проводимость, которая будет способствовать возникновению коротких замыканий в элементе.

Достаточно высокую ионную проводимость при комнатной температуре имеют, например, двойные соли на основе хорошо проводящих ток иодидов серебра (RbAg₄I₅). В качестве катодных активных веществ при этом используют полииодиды, аноды-серебрянные. Известно также применение электролитов на основе диоксидов циркония (ZrO₂∙nMO_x) или так называемых бета-алюминатов натрия (Na₂O∙nAl₂O₃).

На основе твердых электролитов, являющихся одновременно и сепараторами, сконструирован ряд низкотемпературных миниатюрных элементов и батарей стаканчиковой, таблеточной и пленочной конструкций, обладающих большой механической прочностью, очень малым саморазрядом и практически неограниченным сроком службы (~ 20 лет). Элементы работоспособны вплоть до -55°С, сохраняя при этом пологие разрядные характеристики. В пленочных конструкциях твердый электролит наносят на пластиковую сетку, прижимаемую электродами. Толщина батареи ХИТ, используемой для кардиостимуляторов, при площади электродов 1 см² составляет всего 100 мкм.

Так как в силу высокого сопротивления электролита разряд большинства элементов с твердыми электролитами ведут малыми (10^-6…10^-12 А) токами, а последовательно соединенные элементы со средним разрядным напряжением около 0,6В могут давать напряжение более 100 В, эти ХИТ используют чаще всего в лабораторной технике для подзаряда конденсаторов, питания приборов с высокими омическими сопротивлениями, в электронных часах, для устройств защиты памяти в ЭВМ. Примеры некоторых электрохимических систем с твердыми электролитами и их характеристики приводятся ниже.

Ag|RbAg₄I₅|I₂,RbJ₃,CÅ

RbI₃ + 2Ag → RbI + 2AgI, (4.н)

U_p = 0,67 B, i_p = 5А/дм²; К_иав ≈ 90%.

К преимуществам ХИТ с твердыми электролитами следует отнести, таким образом, высокие удельные энергии, в особенности по объему; пологие разрядные характеристики в широком интервале рабочих температур; практически неограниченный срок годности; миниатюрность и герметичность конструкций, их транспортабельность и безопасность эксплуатации. Применяют элементы в устройствах с малым потреблением энергии и длительным сроком службы, который сокращают продолжительные (0,5 ч) короткие замыкания и шунтирования.