Наливные элементы и батареи иногда называют резервными, так как они могут быть введены в действие лишь после заливки электролитом. Электролит резервных элементов может быть жидким при обычной или низкой температуре. Некоторые виды резервных элементов требуют заливки электролитом, состоящим из расплавленных солей. Такой электролит называется твердым.

Резервные элементы отличаются весьма большим сроком службы в незалитом состоянии. После заливки электролитом срок службы элементов зависит от электрохимической пары и конструкции и колеблется в зависимости от типа элемента от нескольких секунд до 6–9 месяцев.

Номенклатура наливных элементов сравнительно невелика, однако область их применения достаточо обширна. Наливные батареи большой мощности типа МОЭ и ВД применяются для питания аппаратуры сигнализации и связи, как сухопутной, так и морской. Медно-магниевые и марганцево-цинковые батареи работают в радиозондах и геофизической аппаратуре различного назначения.

Элементы на основе окиси меди являются наиболее распространенными, так как простота конструкции и эксплуатационная неприхотливость позволяют применять их в устройствах, требующих высокой надежности. К тому же возможность восстановления отработанных положительных медных пластин для многократного их использования является положительным качеством элементов этого типа.

Положительный электрод медноокисного элемента состоит из порошкообразной окиси меди, замешанной на растворимом стекле. После ряда термических операций электрод приобретает необходимую пористость и механическую прочность.

Отрицательный электрод элемента литой и состоит из цинка с примесью ртути. Электролитом медноокисного элемента служит раствор едкого натра плотностью 1,19–1,21 или едкого кали (при температуре –30°C и ниже) плотностью 1,26.

Химическая реакция в медноокисном элементе протекает по уравнению

Медноокисные элементы выпускаются в двух модификациях — морские МОЭМ и общего назначения МОЭ. Морские элементы в качестве электролита имеют раствор едкого калия. Элементы выпускаются в виде блоков пластин, а сосуды производятся и поставляются отдельно, поэтому при использовании медноокисных элементов в стационарных установках по мере выхода из строя элементов заказываются только блоки пластин.

Степень разряда элементов контролируется визуально. Контроль осуществляется по специальным индикаторным панелям, имеющимся на отрицательных электродах. Степень истощения элемента определяется по разложению индикаторных панелей.

Э. Д. С. медноокисного элемента равна 0,9 В. Напряжение в процессе разряда изменяется от 0,8 до 0,5 В. Однако среднее напряжение разряда достаточно стабильно и держится в пределах 0,65 В, что обеспечивает питание аппаратуры без применения стабилизаторов напряжения. К числу достоинств медноокисного элемента относится большой срок службы при практически отсутствующем саморазряде, высокая стабильность разрядной характеристики и относительная дешевизна.

Недостатком элементов этого типа является низкое напряжение и невозможность использования в транспортируемой аппаратуре. Правда, первый из перечисленных недостатков может быть устранен путем обработки окиси меди в слабом (5 г на литр) растворе сульфида натрия Na₂S. По свидетельству автора этого предложения В. Н. Флерова положительные пластины медноокисных элементов, активированных Na₂S, имеют рабочий потенциал на 25% выше, чем обычных серийных МОЭ. Напряжение обработанных МОЭ составляет 0,84–0,75 В.

Другой вид наливных элементов со щелочным электролитом — элементы воздушной деполяризации ВД; они в качестве положительного электрода используют кислород воздуха, как и в элементах марганцево-цинковой системы. Отрицательным электродом элемента ВД служит литой цинк. Положительные электроды с целью создания высокой пористости для большей диффузии кислорода состоят из специально обработанной углеродистой массы. Электролитом ВД элементов служит раствор KOH плотностью 1,33–1,35.

Сравнительно высокое напряжение элементов ВД, высокая стабильность разрядной характеристики и низкий саморазряд при значительном сроке сохранности делают эти элементы приемлемыми для использования в стационарных установках, в том числе и работающих в условиях низких температур, так как работоспособность элементов ВД лежит в пределах от +40° до –40°C. Недостатком элементов ВД, так же как и элементов МОЭ, является невозможность транспортировки.

Стремление к созданию дешевого элемента с электродами из недефицитных материалов привело к разработке элемента воздушной деполяризации с железным анодом. В элементах ВДЖ в качестве положительного электрода используется кислород воздуха, запасенный в пористом угольном электроде, состоящем из угольной пыли с каучуком и парафином. Отрицательным электродом является губчатое железо. Образование тока происходит в результате окисления железа. Электролит элемента ВДЖ состоит из раствора KOH большой плотности.

Элементы ВДЖ по величине рабочего напряжения, высоким удельным характеристикам, малой величине саморазряда при длительном хранении имеют несомненные преимущества по сравнению с другими наливными элементами. К достоинствам ВДЖ элементов относится также возможность их транспортировки, так как приведение их в рабочее состояние производится при выпуске с завода. Недостатком железо-угольных элементов является плохая их отдача при температуре ниже нуля.

Для питания аппаратуры радиозондов применяются наливные марганцево-цинковые и медно-магниевые элементы. Марганцево-цинковые элементы по конструкции не отличаются от сухих МЦ элементов и приводятся в действие путем заливки электролита, состоящего из раствора 5 весовых частей хлористого аммония в 6 весовых частях воды с примесью одной части спирта. Спирт добавляется для обеспечения работы батареи в условиях низких температур при подъеме радиозонда в область больших высот. После пропитки в течение 20–60 минут батареи готовы к употреблению. Залитые батареи должны быть немедленно использованы, так как срок их сохранности в этом состоянии ограничен. Марганцево-цинковые наливные батареи типа РЗН и РЗА работоспособны при температуре –25°C, однако срок их работы при этой температуре уменьшается вдвое.

Медно-магниевые элементы хотя и относятся к наливным элементам, но не требуют заливки электролитом, а смачиваются перед употреблением водой, так как хлоридные соли присутствуют в электродных материалах. Положительным электродом элемента служит хлористая медь, напрессованная на медную решетку, а отрицательным — металлический магний. Токообразующая реакция в элементе протекает по уравнению

Так как при соединении магния с водой происходит экзотермическая реакция с выделением тепла, все магниевые элементы хорошо работают пр температуре минус 50–70°C. По удельной энергии медно-магниевые элементы приближаются к марганцево-цинковым стаканчиковым элементам обычной технологии.

Другую разновидность магниевых элементов представляют элементы, где в качстве положительного электрода применяется хлористый свинец. В отличие от медно-магниевого элемента, напряжение которого составляет 1,2–1,4 В, элемент с хлористым свинцом работает при напряжении около 1 В. По удельным характеристикам и температурному диапазону работы элементы с хлористым свинцом аналогичны медно-магниевым элементам.

Весьма интересными по конструктивному исплнению являются малогабаритные батареи "Маячок", приводимые в действие погружением в морскую или речную воду. Эти батареи относятся к электрохимической системе магний — хлористая медь и применяются для аварийных спасательных работ, где батарея с лампочкой крепится на специальном жилете или нагруднике и служит миниатюрным маяком. Высокие удельные характеристики этих батарей дают все основания для широкого их применения в малогабаритной аппаратуре, работающей в режиме кратковременного использования.

Среди элементов магниевой группы привлекают внимание элементы с положительным электродом из серы. Элементы этого типа хотя и дают небольшое напряжение — 0,7 В, но отличаются хорошей сохранностью в сухом виде и дешевы.

Один из элементов серно-магниевого типа, рассчитанный на длительное действие, относится к элементам сухого исполнения с электролитом из бромистого магния. Хотя элемент имеет и невысокое рабочее напряжение (0,9 В), его удельная энергия приближается к СЦ аккумуляторам, а разрядная характеристика отличается хорошей стабильностью по напряжению. Недостатком элементов в серой является выделение во время работы сероводорода, что ограничивает возможность их применения в помещении.

Особое место в элементах с магнием занимают хлорсеребряно-магниевые элементы, химические процессы в которых не отличаются от процессов в медно-магниевых и свинцово-магниевых элементах, однако эксплуатационные качества делают их незаменимыми в тех видах аппаратуры, где в течение весьма короткого времени требуется получить высокую плотность тока. По возможности работы в коротких режимах разряда хлорсеребряно-магниевые элементы превосходят даже серебряно-цинковые аккумуляторы, разрядная плотность которых составляет 0,4 А на квадратный сантиметр поверхности электрода. ХСМ элементы допускают разряд плотностью 0,8 А/см². Приведение в действие этих элементов производится пресной или морской водой в течение короткого времени.

Рабочее напряжение ХСМ элементов значительно выше, чем других элементов магниевой группы, и составляет 1,5 В. Разрядная характеристика после стабилизации напряжения, связанной с замочкой элемента, отличается хорошим постоянством в довольно широком интервале нагрузок, в том числе и в условиях работы при температурах до –50°C. Сохранность в залитом состоянии ХСМ элементов невысока — до 48 часов.

В апаратуре, требующей мгновенного включения источника, рассчитанного на разряд большим током в течение нескольких секунд, широкое применение нашли серебряно-цинковые (СЦ) одноразовые элементы. В отличие от серебряно-цинковых аккумуляторов, рассчитанных на длительную работу с рядом повторных перезарядок, СЦ одноразовые элементы выпускаются в сухом виде, но с предварительно заряженными электродами.

Как и в серебряно-цинковом аккумуляторе положительным электродом СЦ элемента служит окисно-серебряный электрод, несколько отличающийся по конструкции и технологии изготовления. Отрицательный цинковый электрод изготавливается либо осаждением губчатого цинка на подложку из фольги, либо прессовкой порошка из цинка со ртутью. Сепарация СЦ элементов практически не отличается от применяемой в СЦ аккумуляторах, за исключением толщины пленки и количества слоев, которые для СЦ элементов выбираются минимальными, так как срок службы залитых электролитом СЦ элементов по условиям работы невелик.

Приведение в действие серебряно-цинковых гальванических батарей производится почти мгновенно с помощью пиротехнического устройства, обеспечивающего выдавливание электролита из ампулы в сосуды батареи. Здесь по команде включается поджиг пиропатрона. Газы, выделяющиеся при взрыве, выбивают с помощью шарика металлический диск, который разбивает ампулу с электролитом. Другие устройства используют для подачи электролита сжатый воздух или инертные газы. Для работы в условиях низких температур применяются различные подогреватели.

Несколько меньшее распространение имеют наливные элементы с положительными электродами на основе свинца — свинцово-цинковые элементы, свинцово-кадмиевые и свинцовые элементы с хлорной кислотой.

Свинцово-цинковые элементы рассчитаны на питание установок большой мощности и обеспечивают разряд током порядка 100 А и более. Электролитом в свинцово-цинковых элементах является серная кислота, вследствие чего срок их службы в залитом состоянии не превышает 4 часов. Напряжение свинцово-цинкового элемента 2,2 В, что обуславливает их довольно высокие удельные характеристики, приближающиеся к удельным характеристикам СЦ аккумуляторов, особенно по удельной энергии на единицу объема. К числу недостатков свинцово-цинковых элементов относится полная неработоспособность при температурах, близких к нулю, и значительное газовыделение во врема работы.

Свинцово-кадмиевые элементы по стоимости значительно выше свинцово-цинковых, но достаточно хорошо работают при температуре –30°C. Напряжение свинцово-кадмиевых элементов довольно высокое — около 2 В. Электролит свинцово-кадмиевых элементов — серная кислота плотностью 1,30, что также обуславливает кратковременность их службы в залитом состоянии. Удельные характеристики свинцово-кадмиевых элементов выше, чем у свинцовых аккумуляторов, а стабильность разрядного напряжения позволяет применять их в устройствах, требующих плавной разрядной характеристики. Недостатком свинцово-кадмиевых элементов является сильное выделение газов во время разряда.

Свинцовый элемент с хлорной кислотой в качестве положительного электрода имеет двуокись свинца, нанесенную на решетку из меди, пассивированную металлом, стойким в хлорной кислоте. Отрицательный электод изготавливается из свинца. Электролитом, как сказано выше, служит хлорная кислота — весьма агрессивный химикат, требующий чрезвычайно осторожного обращения.

Достоинством свинцовых элементов с хлорной кислотой является хорошая работоспособность при низких температурах. Батареи, составленные из элементов ХС-15, при температуре –40°C отдавали до 90% своей номинальной емкости, а температурный предел элементов ХС простирается до –60°C, в чем элементы ХС не имеют себе равных. К недостаткам элементов этого типа относятся малый срок службы в залитом состоянии и необходимость крайне осторожного обращения с электролитом — хлорной кислотой, вызывающей тяжелые ожоги при попадании на кожу человека, а также способной к самовозгоранию и взрыву при соединении с органическими веществами.

К числу резервных элементов, которые, однако, трудно назвать наливными, относятся гальванические элементы с твердым электролитом. Элементы этого типа в качестве отрицательного электрода имеют пластины из листового кальция или магния. Положительный электрод состоит из окиси вольфрама в смеси с хромовокислым свинцом, нанесенным на никелевую решетку. Электролит элемента состоит из смеси хлористого калия и хлористого лития и при обычной температуре представляет твердую кристаллическую массу. Элемент приводится в действие путем нагревания электролита до температуры 400–600°C до перехода в расплавленное состояние. Элемент при этой температуре позволяет снимать весьма большой ток в течение короткого промежутка времени. Образец кальциевого элемента с твердым электролитом из смеси KCl и LiCl, имеющий размеры 9x51 мм (диаметр), весом 38 г при разряде током 10 А работал в течение 5 минут с напряжением 1,8 В. Элементы такого типа в коротких режимах разряда развивают удельную мощность до 880 Вт/кг. Недостаток элемента, как и других резервных источников тока, — малая сохранность после задействования элемента. Срок сохранности элементов в незадействованном состоянии 10 лет. В качестве источников тепла для приведения электролита в расплавленное состояние служат специальные термитные таблетки, помещаемые непосредственно в электролите.