Химические источники тока на флоте в настоящем и будущем

 
 
 
Б. В. НИКИФОРОВ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ХИМИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА НА ФЛОТЕ  
В НАСТОЯЩЕМ И БУДУЩЕМ 
 
 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 

УДК 629.5 
ББК 39.46 
Н62 
 
 
Рецензенты: 
д. т. н., проф., зав. кафедрой теплофизических основ судовой энергетики  
(Санкт-Петербургский государственный морской технический университет)  
Дядик Александр Николаевич; 
д. т. н., проф. (Санкт-Петербургский государственный морской технический университет)  
Сеньков Алексей Петрович; 
к. т. н., доц., зам. начальника НТЦ ЗАО «Электротяга»  
Горовой Александр Федорович 
 
 
 
 
 
 
 
Никифоров, Б. В. 
Н62  
Химические источники тока на флоте в настоящем и будущем : учебное 
пособие / Б. В. Никифоров. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. – 
300 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-2014-3 
 
Проведен глубокий экскурс в историческую эволюцию химических источников 
тока для подводных лодок с оценкой современного этапа их развития для подводных 
аппаратов, судов различного назначения и нефтегазовых платформ. Анализируются 
воздухонезависимые энергетические установки как в качестве резервных, так и основных источников электроэнергии. С наибольшим вниманием рассмотрены электрохимические системы свинцовых, а также литий-ионных аккумуляторов. Дано их сравнение 
с нетрадиционными источниками энергии. Для детального в разной степени рассмотрения отобраны наиболее актуальные темы и вопросы, полезные для практического 
изучения, проектирования и эксплуатации. 
Для студентов и курсантов высших технических учебных заведений, обучающихся 
по специальностям, связанным с созданием и обслуживанием морского энергетического оборудования. Может быть полезно для научных и инженерно-технических работников, занимающихся проектированием и эксплуатацией автономных морских объектов и выбором для их потребностей мощных и надежных химических источников 
тока. 
 
УДК 629.5 
ББК 39.46 
 
 
ISBN 978-5-9729-2014-3 
” Никифоров Б. В., 2024 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 

СОДЕРЖАНИЕ 
 
ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................. 6 
ГЛАВА 1. Краткие исторические сведения о развитии  
химических источников электроэнергии  
............................................................... 12 
1.1. Электродвижение на подводных аппаратах .................................................... 12 
1.2. Общая история развития аккумуляторной техники  ...................................... 14 
1.3. Краткие сведения об истории развития отечественных АБ .......................... 20 
1.4. Аккумуляторные батареи на малых подводных аппаратах 
........................... 25 
ГЛАВА 2. Рассмотрение электрохимических систем ........................................... 31 
2.1. Традиционные системы аккумуляторов  ......................................................... 31 
2.1.1. Серебряно-цинковые аккумуляторы ............................................................. 31 
2.1.2. Никель-кадмиевые аккумуляторы  ................................................................ 33 
2.1.3. Никель-металл-гидридные аккумуляторы  
................................................... 35 
2.1.4. Серно-натриевые аккумуляторы  
................................................................... 38 
2.2. Энергетические установки с батареями топливных элементов .................... 41 
2.3. Воздухонезависимые энергоустановки с двигателями Стирлинга 
............... 70 
2.4. Различные реализации ВНЭУ на флотах  ........................................................ 84 
2.5. Газотурбинная ЭУ .............................................................................................. 95 
2.6. Требования к судовым аккумуляторам  
......................................................... 101 
2.7. Согласующий преобразователь ...................................................................... 102 
2.8. Информационные технологии при создании сложных  
морских объектов .................................................................................................... 104 
ГЛАВА 3. Свинцовые аккумуляторы. Конструкция, процессы  
при работе и сопутствующие системы  
................................................................. 107 
3.1. Конструкция свинцово-кислотных аккумуляторов  
..................................... 107 
3.2. Основные рабочие процессы в свинцовых аккумуляторах ......................... 112 
3.2.1. Теоретические основы свинцового аккумулятора 
..................................... 112 
3.2.2. Отрицательный электрод. Пассивация, сульфатация.  
Расширители. Саморазряд  ..................................................................................... 114 
3.3. Конструктивные особенности аккумуляторов большой  
мощности 
.................................................................................................................. 116 
3.3.1. Блок электродов 
............................................................................................. 116 
3.3.2. Расслоение электролита и методы борьбы с ним ...................................... 117 
3.3.3. Системы перемешивания электролита 
........................................................ 120 
3.3.4. Системы охлаждения электролита .............................................................. 122 
3.3.5. Аккумуляторные помещения ПЛ ................................................................ 125 
3.4. Режимы эксплуатации свинцовых АБ 
............................................................ 134 
3.4.1. Режимы зарядов 
............................................................................................. 134 
3 

3.4.2. Разряды ........................................................................................................... 140 
3.4.3. Перезаряды и лечебные циклы .................................................................... 141 
3.5. Техническое диагностирование свинцовых аккумуляторов  
и методы их восстановления .................................................................................. 142 
3.5.1. Методы диагностирования и способы восстановления ............................ 142 
3.5.2. Система контроля и диагностирования АБ ................................................ 150 
3.5.3. Тренажер СКД АБ ......................................................................................... 154 
3.6. Зарядно-разрядный комплекс АБ ................................................................... 161 
3.7. Зарубежные подходы к заряду АБ 
.................................................................. 165 
3.8. Испытания и эксплуатация стационарных аккумуляторов .................................... 
166 
3.9. Стационарные аккумуляторы зарубежных фирм ......................................... 173 
3.10. Международный опыт эксплуатации АБ на ПЛ ......................................... 185 
ГЛАВА 4. Погружные аккумуляторы ................................................................... 189 
4.1. Режимы работы и требования к погружным ХИТ 
........................................ 190 
4.2. Погружные свинцовые аккумуляторы ........................................................... 191 
4.3. Никель-водородные аккумуляторы 
................................................................ 199 
4.4. Никель-цинковые аккумуляторы 
.................................................................... 201 
4.5. Топливные элементы ....................................................................................... 203 
4.6. Литий-ионные аккумуляторы ......................................................................... 203 
4.7. Герметизированные аккумуляторы ................................................................ 205 
ГЛАВА 5. Литий-ионные аккумуляторные батареи 
............................................ 208 
5.1. Обоснованность перспективности литиевых источников тока 
................... 208 
5.2. Принцип действия и конструкция  ................................................................. 211 
5.3. Основные технологии изготовления элементов ........................................... 213 
5.4. Особенности создания химических источников  
с литиевым анодом 
.................................................................................................. 214 
5.5. Материалы, альтернативные металлическому литию 
.................................. 215 
5.6. Типы литий-ионных аккумуляторов  ............................................................. 216 
5.6.1. Литий-кобальтовый аккумулятор  
............................................................... 217 
5.6.2. Литий-марганцевый аккумулятор  .............................................................. 218 
5.6.3. Литий-никель-марганец-кобальт-оксидный аккумулятор  
....................... 219 
5.6.4. Литий-железо-фосфатный аккумулятор  .................................................... 220 
5.6.5. Литий-никель-кобальт-алюминий-оксидный аккумулятор  
..................... 224 
5.6.6. Литий-титанатный аккумулятор  
................................................................. 225 
5.6.7. Литий-полимерные аккумуляторы  ............................................................. 228 
5.6.8. Натрий-ионные аккумуляторы  ................................................................... 230 
5.7. Методы снижения рабочей температуры  ..................................................... 234 
5.8. Безопасность эксплуатации литий-ионных аккумуляторов ........................ 235 
4 

5.9. Оценка мощности тепловыделений ЛИАБ в аккумуляторном  
помещении  .............................................................................................................. 240 
5.10. Заряд литий-ионного аккумулятора  ............................................................ 250 
ГЛАВА 6. Утилизация аккумуляторов ................................................................. 252 
6.1. Утилизация свинцовых аккумуляторов ......................................................... 252 
6.1.1. Разделка аккумуляторного лома и основные схемы  
его комплексной переработки  
............................................................................... 253 
6.1.2. Десульфатация оксидно-сульфатной фракции  ......................................... 255 
6.1.3. Переплавка металлической части аккумуляторного лома  
....................... 258 
6.1.4. Термические методы переработки аккумуляторного лома ...................... 259 
6.1.5. Электрохимические методы переработки аккумуляторного лома .......... 261 
6.2. Утилизация литиевых источников тока 
......................................................... 263 
ГЛАВА 7. Литий-ионные АБ на судах и морских объектах 
............................... 267 
7.1. Отечественные разработки для автономных объектов ................................ 267 
7.2. Промышленное производство литий-ионных аккумуляторов  
для объектов морской техники  ............................................................................. 270 
7.3. Альтернативные аккумуляторные батареи для судов  
................................. 278 
7.4. Полностью электрические суда  ..................................................................... 284 
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ  ................................................................... 291 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ....................................................................................................... 293 
ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ ................................................................................. 295 
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 
.................................................................... 297 
5 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Применительно к электроэнергетике рассматривается ряд накопителей 
энергии: маховиковые, сверхпроводниковые индукционные, суперконденсаторы, но самую обширную нишу заполнили химические источники постоянного 
тока (ХИТ). При всех положительных функциях и характеристиках современных ХИТ сохраняется очень весомый недостаток – недостаточная емкость для 
продолжительной работы изделия в автономном режиме. Создание ХИТ для 
длительной работы различных изделий и объектов в автономном режиме остается актуальной проблемой и позитивно решаемой.  
 
 
 
Рис. В.1. Классификация химических источников тока 
 
По принципу работы ХИТ делятся на группы (рис. В.1): 
– первичные ХИТ – элементы одноразового действия, в которых заложен 
определенный запас реагентов, после расходования которого (полного разряда) 
они теряют работоспособность; 
– аккумуляторы – перезаряжаемые, вторичные или обратимые источники. 
После разряда повторно заряжаются посредством пропускания тока с внешней 
цепи в обратном направлении. В процессе заряда в аккумуляторе в виде химической энергии накапливается электрическая энергия от внешнего источника 
тока. Количество таких циклов заряд-разряд может достигать тысяч. Конструкторы при выборе источников учитывают, что аккумуляторы обладают большей 
мощностью, а элементы – более высокой удельной энергией; 
– топливные элементы (не учтены на рисунке). 
Считается, что основные принципы работы аккумуляторных батарей, использующихся по настоящее время, открыты в конце XVIII века. Работы итальянцев Луиджи Гальвани, а впоследствии Алессандро Вольта привели к созданию «вольтова столба» (рис. В.2). Он представлял собой 20 пар кружочков из 
двух различных металлов, разделенных кусочками кожи или ткани, смоченными в водном растворе.  
6 

Рис. В.3. Аккумулятор 
Планте  
 
  
 
Рис. В.2. «Вольтов столб» 
 
Первый работоспособный свинцово-кислотный 
аккумулятор создан французским исследователем Гастоном Планте в 1859 году с использованием  
в качестве электродов свинцовых пластин, а сепаратора – полотно (рис. В.3). Вся конструкция сворачивалась 
в спираль и вставлялась в емкость с 10 % раствором 
серной кислоты.  
Уже в 1881 году Э. Фолькмаром предложена  
в качестве электродов намазная решетка, затем запатентована решетка из сплава сурьмы и свинца.  
В том же году по Сене ходила лодка с электрическим двигателем и батареей аккумуляторов Планте. 
Правда, много ранее, в сентябре 1837 года Академик 
Петербургской академии наук Б. С. Якоби впервые 
проверил электродвижение на Неве на основе гальванических элементов и электромагнитного двигателя постоянного тока мощностью ¾ л. с. (рис. В.4). 
В 1884 году на Неве прошел испытания электрический катер, который 
развил скорость до 6 узлов и преодолел расстояние в 30 миль.  
С изобретением динамо-машины, то есть с появлением возможности легко и быстро заряжать аккумуляторы с помощью генератора, аккумуляторы получили широчайшее распространение. 
В 1899 году Вальдмар Юнгнер из Швеции изобрел никель-кадмиевый аккумулятор, в котором в качестве положительного электрода предложен диоксид 
никеля, а отрицательного – кадмий. И наконец, двумя годами позже американец 
Томас Эдисон предложил альтернативу, заменив кадмий железом. По существу, 
речь шла о создании нового типа аккумулятора, в котором электролитом служит щелочь, а отрицательным электродом – измельченное железо с некоторыми примесями. 
7 

 
 
Рис. В.4. Электроход Якоби 
 
В 1903 году Эдисон приступил к промышленному производству со свойственным ему размахом, так как верил, что это самый большой прогресс в аккумуляторной технике со времен ее зарождения, и емкость нового аккумулятора оказалась в 2,5 раза больше, чем у прежнего свинцового.  
Однако первые щелочные аккумуляторы оказались весьма далеки от совершенства: они плохо держали заданную величину напряжения, часто давали 
течь и дополняли отрицательные качества многими мелкими дефектами. После 
10 тысяч опытов по усовершенствованию в 2010 году новый аккумулятор 
нашел достойное распространение на транспорте, электростанциях, небольших 
судах и на подводных лодках! 
Батареи и аккумуляторы претерпели немало изменений, прежде чем приобрели вид, к которому все привыкли. Совершенствуются они и по настоящее 
время, о чем речь пойдет в дальнейшем. Но, вспоминаем, что в 1932 году 
немецкие ученые Шлехт и Аккерман изобрели спрессованный анод, а в  
1947 году французский ученый Нойман разработал первый никель-кадмиевый 
полностью герметичный аккумулятор.  
В 1959 г. появились первые алкалиновые элементы. В середине 1970-х 
годов разработаны свинцово-кислотные аккумуляторные батареи с регулируемыми клапанами. В 1990 году началось коммерческое производство никельметаллгидридных батарей, а в 1992 г. в Канаде – производство перезаряжаемых 
алкалиновых батарей.  
Аккумуляторные батареи отличаются многообразием химических схем.  
С переменным успехом разрабатываются и эксплуатируются никелькадмиевые, серно-натриевые и цинк-бромидные батареи. Однако больше половины эксплуатируемых аккумуляторов – свинцовые, которые, например, для 
ПЛ до настоящего времени практически безальтернативны и в настоящее время 
выдерживают конкуренцию с литий-ионными АБ.  
За более чем вековой интервал развитие ПЛ характеризуется прогрессирующими параметрами, рост которых подтверждается: 
– подводное водоизмещение более чем в 250 раз; 
– скорость подводного хода в 5 раз; 
– автономность в 15 раз. 
8 

На этом пути вместе с ПЛ совершенствовались аккумуляторные батареи, 
также внося свою лепту в улучшение тактико-технических характеристик кораблей и судов. 
Большой прогресс в создании воздухонезависимых энергоустановок 
(ВНЭУ) для ПЛ (с электрохимическим генератором в Германии, с парогазовой 
установкой во Франции) не исключили установку АБ на корабль. В настоящее 
время нетрадиционные ВНЭУ применяются на ДЭПЛ только в гибридном варианте совместно с АБ и дизель-генераторами.  
Примечательно заявление экспертов, организованного в 2005 году в Германии отделения военно-морских проектов страхового общества «Lloyd’s Register», которые считают: «воздухонезависимые энергоустановки, в каком бы варианте не выбирались, обусловливают более высокий риск для экипажа и самой 
ПЛ по сравнению с обычной ДЭПЛ, питаемой в подводном положении только 
аккумуляторной батареей». 
Вместе с тем отсутствие на российских лодках ВНЭУ приводит не только 
к дополнительной уязвимости неатомного подводного флота, но и к экономическим потерям. ПЛ «Kilo – class» порой проигрывает международные тендеры 
менее совершенным иностранным лодкам, которые способны находиться под 
водой без всплытия от трех недель до месяца. 
Из-за отсутствия на ДЭПЛ ВНЭУ эта самая малошумящая в мире лодка 
лишь частично соответствует присвоенному ей НАТО званию «черной дыры». 
Субмарине приходится всплывать через 5–6 дней для запуска дизель-генератора 
и зарядки АБ. В этом положении она легко обнаруживается противолодочными 
самолетами, мало выручает и зарядка под РДП. Надо отметить, что в последние 
десятилетия ХХ века Россия заняла активную позицию по продвижению своих 
проектов НАПЛ с ВНЭУ (рис. В.5, В.6). 
 
 
 
Рис. В.5. С.-Петербургская делегация корабелов в штаб-квартире Ллойда.  
В центре Завалишин А. А. – главный инженер ЦКБ МТ «Рубин».  
Лондон. 2003 год 
9 

Вне всякого сомнения, в мире водородная революция активно нарастает.  
С десяток стран приняли водородные программы. Исландия к 2030 году отказывается от углеводородов вообще. Япония заявила, что у нее будет водородная 
экономика. Австралия выходит из второго кризиса за счет водородной экономики.  
Водород – самый безвредный газ. Окисляясь, давая энергию, он превращается в воду, а не в свинец, цинк и прочее. 
Это исключительно полезная вещь, потому что водород – это неисчерпаемое топливо, он есть везде. Известно 19 методов добычи водорода. С экономических оценок на первом месте паровая обработка метана: газ превращают в 
водород (процентов 70), на втором – электролиз воды. На третьем, четвертом и 
пятом месте – подземная газификация угля, расщепление угля. 
 
 
 
Рис. В.6. Стенд С.-Петербургской делегации в составе «Росвооружения»  
с рекламой НАПЛ с ВНЭУ. Сантьяго, Чили. 1996 год 
  
В последнее время значительно расширилась номенклатура литийионных аккумуляторов емкостью в сотни ампер-часов. Это происходит посредством внедрения новых анодных материалов на основе углерода и катодных – 
на базе, например, литированных оксидов Co, Mn, Ni, а также совершенствованием конструкции и технологии изготовления аккумуляторов. Переход на электроды с модифицированными наноразмерными материалами (прежде всего, литированные оксид титана и фосфат железа) позволил увеличить ресурс работы 
при глубоких разрядах и разрядные токи. Новые электроды, наряду с модифицированными электролитами допускают разряд элементов при температурах  
до – 40 °С и ниже. Интенсивный рост объемов производства привел к обвальному снижению цен на эту продукцию (до 0,5 $/Вт ā ч). 
Продвижение мощных литий-ионных АБ (ЛИАБ) началось с фрагментарного использования в отдельных маломощных системах и распространилось на легкие торпеды. Внедрение электропривода на тяжелые торпеды тянет 
10