Первичные химические источники тока с литиевым анодом. 
Основные характеристики, токообразующие реакции, устройство

Токообразующая реакция водно-литиевых элементов имеет вид:

2Н₂О + 2Li > 2LiOH + Н₂.

Сложность проблемы заключается в том, что литий интенсивно химически взаимодействует с водой, т. е. выделение водорода по реакции происходит не только на железном катоде (что дает возможность полезного использования электрической энергии), но и на поверхности самого литиевого электрода (бесполезное саморастворение или коррозия лития).

Практическое использование литиевого электрода в таких элементах стало возможным после того, как было показано, что при некоторой концентрации LiOH в воде литий частично пассивируется — резко снижается саморастворение; при этом, правда, также несколько снижается максимально возможная плотность тока анодного растворения. Чем больше концентрация LiOH, тем более пассивен электрод; поэтому каждой плотности тока нагрузки соответствует некоторая оптимальная концентрация LiOH.

В водно-литиевых батареях используются биполярные электроды. Катодом служит ребристая (для облегчения протока раствора) стальная пластинка с приваренной железной сеткой; для повышения активности поверхность сетки разрыхлена, например, пескоструйной обработкой. Литий используется в виде тонкого листа. Пассивирующая пленка на поверхности лития не только уменьшает саморастворение, но имеет также значительное сопротивление электронному току. По этой причине литиевый анод может быть прижат к сеточному катоду без опасности возникновения короткого замыкания. Образуется очень узкий межэлектродный зазор за счет сетки и каналов в стальной пластине; омические потери в этом зазоре невелики, несмотря на частичное газонаполнение.

Электролитом служит вода. При первом запуске в нее добавляют некоторое количество LiOH. После начала работы концентрация щелочи в растворе из-за реакции постепенно нарастает. Из контура циркуляции электролита постоянно удаляют часть концентрированного раствора и вводят в него новые порции воды. Регулируя скорость циркуляции, можно очень точно регулировать стационарную концентрацию щелочи вблизи электродов.

Напряжение разомкнутой цепи водно-литиевых элементов — около 2,2 В. Напряжение разряда составляет 1,1−1,4 В. Разработаны автоматические устройства, которые при изменении плотности тока, температуры или других факторов воздействуют на скорость циркуляции электролита с целью установления оптимальной концентрации LiOH; индикатором служит потенциал электрода, который является хорошим показателем степени пассивирования электрода. С использованием таких систем можно работать в интервале плотностей тока от 0,5 до 6 кА/м ². Стационарная концентрация LiOH меняется при этом в диапазоне от 4,5 до 3,5 моль/л. При тщательном регулировании концентрации можно получить коэффициент использования лития 50−80%.

Удельная энергия водно-литиевых батарей (без учета массы воды) доходит до 400 Вт-ч/кг, а удельная мощность — до 200 Вт/кг. Так как установка содержит вспомогательные узлы — насос для циркуляции, теплообменники, устройства для разбавления раствора и регулирования скорости циркуляции, то эти показатели относятся только к установкам сравнительно большой общей мощности например, выше 0,5 кВт.

Водно-литиевые батареи разрабатываются для использования в различных морских устройствах: в электрических торпедах, буях, подводных аппаратах.

Для наземного применения, когда невозможна непрерывная подача воды, разрабатывают варианты этой системы с двумя принципиальными отличиями: а) используется внешний окислитель-кислород воздуха; б) открытый циркуляционный контур, в который извне добавляется вода, заменяется замкнутым контуром. Проблема удаления продукта реакции LiOH и регулирования его концентрации решается добавлением СO₂; при этом избыток LiOH превращается в малорастворимый карбонат лития. Общая токообразующая реакция приобретает сравнительно простой вид:

O₂ + 4Li + 2СO₂ > 2Li₂CO₈.

Из-за меньшей эффективности воздушного электрода плотности тока в воздушно-литиевом элементе не превышают 1,5 кА/м ²; связанное с этим уменьшение мощности несколько компенсируется более высоким напряжением разряда, составляющим 2,2−2,4 В. Напряжение разомкнутой цепи элементов равно 3,4 В. Для установки в целом (включая запас СO₂) могут быть получены значения удельной энергии 300−350 Вт-ч/'кг. Разработка воздушно-литиевых батарей пока менее продвинута, чем разработка водно-литиевых. Обсуждается вопрос о возможности использования таких энергоустановок на электромобилях. В этом случае они должны иметь запас лития на 2−3 тыс. км и периодически (например, каждые 200−300 км) дозаправляться СO₂ и водой.

Проводятся также работы по созданию литиевых источников тока с использованием в качестве окислителя перекиси водорода.