МАЛОГАБАРИТНЫЙ ГЕРМЕТИЧНЫЙ ЦИЛИНДРИЧЕСКИЙ ЩЕЛОЧНОЙ АККУМУЛЯТОР Российский патент 1995 года по МПК H01M10/34 H01M10/28 

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при производстве малогабаритных (диаметром до 15 мм) герметичных цилиндрических щелочных аккумуляторов.

Известен малогабаpитный герметичный цилиндрический химический источник тока, содержащий цилиндрический корпус, отрицательный электрод, выполненный в виде полого цилиндра и положительный электрод, состоящие из коллектора и уплотненного активного материала, сепаратор и электролит [1]
К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного химического источника тока, относится то, что коллектор тока устанавливается во внутреннюю полость цилиндрического электрода. Поверхность внутренней полости цилиндрического электрода меньше наружной. Съем электрического тока коллектором с внутренней полости цилиндрического электрода осуществляется с большим сопротивлением, чем с наружной поверхности.

Наиболее близким к предлагаемому объекту по совокупности признаков является малогабаритный герметичный цилиндрический щелочной аккумулятор, содержащий цилиндрический корпус, отрицательный электрод, выполненный в виде полого цилиндра, и положительный электрод в виде стержня, размещенного внутри отрицательного электрода, состоящие из коллектора и уплотненного активного материала, сепаратор и электролит [2]
К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного аккумулятора, относится то, что в известном аккумуляторе не созданы условия для увеличения его удельных электрических характеристик. Это вызвано наличием дополнительного газопоглотительного электрода пленки, нанесенного по всей внутренней поверхности корпуса и занимающего объем, необходимый для размещения активных токообразующих материалов аккумулятора.

Этот аккумулятор является также ненадежным в эксплуатации.

При плотной сборке электродов в аккумуляторе подход кислорода от положительного электрода к пленке затруднен, а также возможен электрический контакт отрицательного электрода и пленки, что может нейтрализовать газопоглотительный процесс: электрический потенциал пленки будет такой же, как и электрический потенциал отрицательного электрода, что вызывает недопустимое повышение давления в аккумуляторе. Кроме того, процесс нанесения на поверхность корпуса смолы, графита и катализатора трудоемок и требует дорогостоящих материалов. В варианте практической реализации изобретения предлагается использовать платину.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является получение нового малогабаритного герметичного цилиндрического щелочного аккумулятора из известного ряда таких же аккумуляторов, который по сравнению с другими представителями этого ряда имел бы более высокие удельные электрические характеристики.

Техническим результатом, полученным при осуществлении изобретения, является аккумулятор с большой энергоемкостью в пределах его малогабаритности (с диаметром корпуса цилиндра до 15 мм) и одновременным обеспечением надежности эксплуатационных характеристик.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном малогабаритном герметичном цилиндрическом щелочном аккумуляторе, содержащем цилиндрический корпус, отрицательный электрод, выполненный в виде полого цилиндра, и положительный электрод в виде стержня, размещенного внутри отрицательного электрода, состоящие из коллектора и уплотненного активного материала, сепаратор и электролит, отношение диаметра положительного электрода к внешнему диаметру отрицательного 0,66-0,68, а отношение объемов масс активных материалов отрицательного и положительного электродов 0,76-0,91, причем активный материал применен с плотностью для отрицательного электрода в пределах 3,48-3,63 г/см³, а для положительного в пределах 1,78-1,84 г/см³.

Изобретение обеспечивает повышение электрических удельных характеристик за счет оптимальных размеров положительного и отрицательного электродов, оптимального соотношения активных материалов и степени уплотнения этих материалов.

Изобретение соответствует требованиям "новизна" и "изобретательский уровень".

На фиг. 1 изображен предлагаемый аккумулятор; на фиг. 2 сечение А-А на фиг. 1.

Аккумулятор содержит цилиндрический корпус 1, положительный 2 и отрицательный 3 электроды с расположенным между ними сепаратором 4 и щелочной электролит. Корпус закрыт крышкой 5. В аккумуляторе предусмотрен предохранительный клапан (не показан), который срабатывает при повышении давления выше допустимого. Отрицательный электрод выполнен в виде полого цилиндра. Положительный электрод выполнен в виде стержня, который размещен в полости отрицательного электрода. Электроды состоят из коллектора 6 и уплотненного активного материала. Коллекторы выполнены в виде цилиндра, охватывающего активную массу. Коллекторы могут быть выполнены из сетки или сплошного материала из металла (никеля, стали) толщиной 0,05-0,1 мм. Отрицательный электрод соединен с корпусом, а положительный с крышкой аккумулятора и изолирован от корпуса прокладками 7 из пластмассы, например винипласта.

Электроды изготовлены методом прессования (набивки) активного материала с коллекторами. При этом в положительных электродах активный материал набивается в стакан коллектора, а в отрицательных по внутренним стенкам полого цилиндра. Коллекторы расположены по внешней части электродов, что обеспечивает оптимальный токосъем.

Отношение диаметра d положительного электрода к внешнему диаметру Д отрицательного 0,66-0,7. Отношение объемов масс активных материалов отрицательного и положительного электродов 0,76-0,91. Активный материал применен с плотностью для отрицательного электрода в пределах 3,48-3,63 г/см³, а для положительного в пределах 1,78-1,84 г/см³.

При работе аккумулятора электроды и сепаратор равномерно пропитываются электролитом и при циклировании не наблюдается его миграция. Конечное напряжение при зарядах не превышает 1,48 В, разрядная емкость стабильна. Газопоглощение в аккумуляторе происходит нормально. Все это определяется оптимально выбранным соотношением объемов активных масс, степени уплотнения активных масс, подбором размеров электродов.

Был изготовлен аккумулятор никель-кадмиевый НКГЦ 0,6 (высота Н 50 мм, диаметр корпуса 14 мм). Этот аккумулятор содержит цилиндрический корпус, положительный никелевый и отрицательный кадмиевый электроды с расположенным между ними сепаратором из нетканого полипропиленового материала и электролит (раствор едкого кали КОН) плотностью 1,24 г/см³ с добавкой едкого лития LiOH из расчета 10 г/л.

Отрицательный электрод выполнен в виде полого цилиндра, а положительный в виде стержня, размещенного в полости отрицательного электрода. Коллектор для электродов выполнен из никелевой сетки толщиной 0,05 мм.

Для положительного электрода активный материал состоит из гидрата закиси никеля 75-77% с добавлением 18-20% графита, 2,5-2,7% кобальта.

Для отрицательного электрода активный материал состоит из 67-69% окиси кадмия, 17-19% никеля карбонильного с добавлением 2,0% солярового масла и 1,0% поливинилового спирта.

В аккумуляторе диаметр d положительного электрода равен 8,8 мм, внешний диаметр D отрицательного электрода 12,9 мм, что соответствует отношению 0,68.

Объем массы активного материала отрицательного электрода V₁ равен 1,75 см³, а положительного V₂ 2,30 см³, что соответствует отношению 0,76.

Плотность активного материала для отрицательного электрода 3,55 г/см³, а положительного 1,80 г/см³.

При работе аккумулятора электроды и сепаратор равномерно пропитываются электролитом. Конечное напряжение при зарядах не превышает 1,48 В, разрядная емкость стабильна, не менее 0,6 А.ч.

Газопоглощение в аккумуляторе происходит нормально, давление не превышает 5 кг/см³ (0,5 Мпа). Соотношение электрических емкостей отрицательного и положительного электродов (-/+) 1,5-1,7. Все это определяется оптимально выбранными на основе экспериментов отношениями диаметров электродов и объемов масс активных материалов, а также степенью уплотнения активных материалов.

В табл. 1 приведены экспериментальные обоснования выбранных соотношений диаметра d положительного электрода к внешнему диаметру Д отрицательного.

Из данных табл. 1 видно, что при отношении меньше 0,66 происходит резкое увеличение зазора между отрицательным и положительным электродами, в результате чего увеличивается электросопротивление аккумулятора. При увеличении отношения больше 0,7 резко уменьшается зазор между электродами, в результате чего затруднено сепарирование электродов. Сепаратор сильно сжат. При циклировании емкость аккумулятора снижается.

В табл. 2 приведены экспериментальные обоснования выбранных отношений объемов активных масс отрицательного и положительного электродов.

Отношение объемов масс активных материалов отрицательного V₁ и положительного V₂ электродов 0,76-0,91.

Экспериментально установлено, что при отношении меньше 0,76 газопоглощение недостаточно, что ведет к увеличению давления в аккумуляторе, а при отношении больше 0,91 нецелесообразно увеличивается расход активного материала (увеличивается предел достаточности активного материала), что ведет к ухудшению удельных электрических характеристик аккумулятора.

В табл. 3 приведены экспериментальные обоснования выбранных пределов плотности активного материала положительного и отрицательного электродов.

Из данных табл. 3 видно, что если плотность активного материала меньше 3,48 г/см³ (для отрицательного электрода) и меньше 1,78 г/см³ (для положительного электрода), то электроды являются рыхлыми и непрочными.

Если плотность активного материала больше 3,63 г/см³ (для отрицательного электрода) и больше 1,84 г/см³ (для положительного электрода), то электроды после формирования увеличиваются выше предельно допустимых значений и подвержены "короблению".

В табл. 4 показаны сравнительные электрические характеристики цилиндрических герметичных (никель-кадмиевых) аккумуляторов.

Из данных табл. 4 видно, что разработанные аккумуляторы имеют удельные электрические характеристики выше, чем аккумуляторы этого же типа зарубежных фирм: объемные до 50% по массе до 20%

Использование: в производстве химических источников тока. Сущность изобретения: аккумулятор содержит цилиндрический корпус 1, в который помещены отрицательный 3 и положительный 2 электроды, разделенные сепаратором 4. Электроды 2 и 3 и сепаратор 4 пропитаны щелочным электролитом. Положительный электрод 2 помещен в полости отрицательного электрода 3. Электроды содержат коллекторы 6 с нанесенной активным материалом. Плотность активного материала отрицательного электрода 3 равна 3,4803,63 г/см³ положительного 2 1,78-1,84 2-1,78-1,84 г/см³. Отношение объемов мас. активных материалов отрицательного 3 и положительного 2 электродов 0,76-0,91. Отношение диаметра положительного электрода 2 к внешнему диаметру отрицательного электрода 3 равно 0,66-0,70. Аккумулятор имеет высокие удельные электрические характеристики за счет увеличения полезного объема, занимаемого электродами. 2 ил. 4 табл.

МАЛОГАБАРИТНЫЙ ГЕРМЕТИЧНЫЙ ЦИЛИНДРИЧЕСКИЙ ЩЕЛОЧНОЙ АККУМУЛЯТОР, содержащий цилиндрический корпус, отрицательный электрод, выполненный в виде полого цилиндра, и положительный электрод в виде стержня, размещенного внутри отрицательного электрода, состоящие из коллектора и уплотненного активного материала, сепаратор и электролит, отличающийся тем, что отношение диаметра положительного электрода к внешнему диаметру отрицательного равно 0,66 0,7, а отношение объемов масс активных материалов отрицательного и положительного электродов равно 0,76 0,91, причем плотность активного материала для отрицательного электрода равна 3,48 3,63 г/см³, а положительного - 1,78 1,84 г/см³.