ГЕРМЕТИЧНЫЙ НИКЕЛЬ-ВОДОРОДНЫЙ АККУМУЛЯТОР Российский патент 1995 года по МПК H01M12/04 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при производстве никель-водородных аккумуляторов.

Известен герметичный никель-водородный аккумулятор [1] содержащий положительные и отрицательные электроды. Положительные электроды это металлокерамические окисно-никелевые электроды. Отрицательные газодиффузионные многослойные водородные электроды, представляющие собой никелевую металлокерамическую основу или никелевую сетку, на которую нанесен платиновый, палладиевый или платино-палладиевый катализатор с нанесенным гидрофобным слоем и чисто гидрофильные.

Отрицательные электроды расположены в аккумуляторе так, что осуществляется подача газа с их тыльной стороны.

Описанный герметичный никель-водородный аккумулятор имеет следующие недостатки: ограниченный рабочий диапазон, эксплуатационная безопасность обеспечивается применением специальных устройств и способов изготовления аккумулятора.

Причина указанных недостатков заключается в отсутствии оптимальной структуры водородного электрода и подаче газа c тыльной его стороны.

Наиболее близким по технической сути и достигаемому результате к изобретению является герметичный никель-водородный аккумулятор [2] содержащий положительные окисно-никелевые электроды, электрически связанные с отрицательными водородными электродами посредством асбестового электролитоносителя. В качестве отрицательного электрода используется газодиффузионный водородный электрод, представляющий собой металлокерамическую никелевую основу с нанесенным на нее гидрофобизированным платино-палладиевым активным слоем и фторопластовым слоем, нанесенным на поверхность активного слоя. Водородный электрод так расположен в аккумуляторе, что металлокерамическая никелевая основа имеет непосредственный контакт с электролитоносителем, а газ подводится со стороны активного слоя электрода. Отрицательный водородный электрод состоит из металлокерамической никелевой основы с пористостью 20-30% толщиной 40-120 мкм с нанесенным на нее гидрофобизированным платино-палладиевым активным слоем толщиной 1-10 мкм и фторопластовым слоем толщиной 0,25-5 мкм, нанесенным на поверхность активного слоя. Активный слой выполнен в виде чередующихся гидрофобизированных участков и гидрофильных каналов, имеющих выход на поверхность фторопластового слоя.

Недостатком прототипа является недостаточно высокий ресурс, а именно недостаточно большое количество зарядно-разрядных циклов из-за отсутствия достаточной эксплуатационной надежности водородного электрода.

Целью изобретения является увеличение ресурса путем повышения эксплуатационной надежности отрицательного водородного электрода.

Цель достигается тем, что в никель-водородном аккумуляторе, содержащем отрицательные водородные электроды, электрически связанные с положительными окисно-никелевыми электродами посредством асбестового электролитоносителя, водородный электрод представляет собой металлокерамическую никелевую основу, на которой методом фотохимического травления выполнена рельефная ячеистая сетка, ячейки последней заполнены активным слоем с нанесенным на его поверхность фторопластовым слоем. Причем поверхность фторопластового слоя располагается ниже уровня ребер сетки. Водородный электрод расположен в аккумуляторе так, что основание металлокерамической никелевой основы водородного электрода имеет непосредственный контакт с электролитоносителем, а газ подается со стороны рельефной ячеистой сетки.

Отрицательные водородные электроды состоят из металлокерамической никелевой основы пористостью 20-30% и толщиной 40-120 мкм, гидрофобизированного платино-палладиевого активного слоя толщиной 1-10 мкм и фторопластового слоя толщиной 0,25-5 мкм, нанесенного на поверхность активного слоя. Металлокерамическая никелевая основа имеет на поверхности рельефную ячеистую сетку с размерами ячейки: длина и ширина 0,5-1,7 мм, глубина 0,02-0,05 мм и расстоянием между ячейками 0,05-0,3 мм. Активный слой с нанесенным на его поверхность фторопластовым слоем расположен в ячейках рельефной сетки. Активный слой представляет собой чередующиеся гидрофобизированные участки и гидрофильные каналы, имеющие выход на поверхность фторопластового слоя. Основание металлокерамической никелевой основы имеет непосредственный контакт с электроносителем, а поверхность с газовым сепаратором.

Использование совокупности отличительных признаков позволяет достичь положительного эффекта или цели изобретения за счет повышения эксплуатационной надежности водородного электрода путем улучшения механической прочности связи активного слоя с основой, устранения непосредственного контакта активного слоя с нанесенным фторопластовым слоем с газовым сепаратором и их взаимных перемещений при эксплуатации аккумулятора и в процессе его работы, приводящих к разрушению активного и фторопластового слоев электрода.

Не известно применение металлокерамической никелевой основы указанной конструкции для обеспечения эксплуатационной надежности водородного электрода.

Известны отрицательные электроды для никель-водородных аккумуляторов, имеющие ячеистую структуру, но другой конструкции и из других конструктивных материалов (например, патент США N 4250235, кл. 429/211, Н 01 М 4102, 16.08.79). Основой для отрицательного электрода служит никелевая перфорированная фольга, на которую нанесен слой тефлона. Образованные таким образом ячейки заполнены активной массой.

Однако в заявляемом электроде его основой служит не никелевая фольга, а пористая металлокерамика, а не перфорированная, а имеющая рельефную ячеистую сетку на поверхности, причем глубина ячеек составляет не более 50% от толщины металлокерамической основы. В приведенном примере ячеистая структура основы водородного электрода служит для уменьшения омического сопротивления и улучшения токосъема, а не для повышения эксплуатационной надежности водородного электрода. Ячеистые рельефные поверхности применяются и в других областях техники, например в легкой промышленности, пищевой, в строительстве.

Известны ячеистые рельефные подошвы и прокладки некоторых видов обуви, поверхности лестниц, поверхности упаковок для конфет и других продуктов. Ячеистые рельефные поверхности служат или для удобства эксплуатации, или для удобства транспортировки.

Отличительные признаки каждый в отдельности известны, но их новая совокупность позволяет повысить эксплуатационную надежность водородного электрода, обеспечив увеличение ресурса, а именно количество зарядно-разрядных циклов при сохранении широкого рабочего диапазона и эксплуатационной безопасности аккумулятора.

Указанные размеры рельефной ячеистой сетки выбраны из следующих соображений. При длине и ширине более 1,7 мм не удается полностью исключить влияние сепаратора на активный слой электрода. При длине и ширине менее 0,5 мм уменьшение активной поверхности электрода начинает заметно сказываться на его активности. Глубина ячейки определяется количеством активной массы, которую необходимо поместить в ячейки, для получения требуемой активности водородного электрода. Расстояние между ячейками определяется прочностными свойствами ребра при взаимодействии его с сепаратором.

На фиг. 1 и 2 показан аккумулятор, в корпусе 1 которого расположены окисно-никелевые электроды 2, водородные электроды 3, асбестовый электролитоноситель 4, посредством которого осуществляется электрическая связь между электродами, и газовый сепаратор 5. Электролит, содержащийся в асбесте, представляет собой раствор КОН плотностью 1,26 г/см³ на 1 л которого добавлено 30 г LiOH. Водородный электрод состоит из металлокерамической никелевой основы 6 с ячейками 7 глубиной h 0,02-0,05 мм, образующими на поверхности рельефную сетку, активного 8 и фторопластового 9 слоев. Активный слой состоит из чередующихся гидрофобизированных участков 10 и гидрофильных каналов 11. Водородный электрод так расположен в аккумуляторе, что основание металлокерамической никелевой основы имеет непосредственный контакт с электролитоносителем и обеспечивает активный слой электролитом. Газ к активному слою подается со стороны рельефной ячеистой сетки через газовый сепаратор.

На фиг. 3 показана поверхность водородного электрода, состоящая из ячеек 12 длиной а и шириной b (a b 0,5-1,7 мм) и взаимно пересекающихся горизонтальных и вертикальных ребер 13 шириной с d0,05-0,3 мм.

В жестких режимах эксплуатации, например при ударах вибрации, температурных градиентах возможны взаимные перемещения газового сепаратора и водородного электрода. При длительной эксплуатации аккумулятора происходит увеличение размеров окисно-никелевых электродов, сопровождающееся деформацией сепаратора, что также приводит к взаимным перемещениям водородного электрода и сепаратора. В предлагаемой конструкции в процессе взаимных перемещений сепаратор взаимодействует лишь с ребрами ячеистой сетки металлокерамической никелевой основы и не нарушает целостности активного и фторопластового слоев водородного электрода. Следовательно, полностью исключается возможность снижения активности водородного электрода.

Таким образом, механическая прочность связи активного слоя с металлокерамической никелевой основой и отсутствие непосредственного контакта электрода и сепаратора обеспечивают эксплуатационную надежность водородного электрода.

Технические преимущества заявляемого герметичного никель-водородного аккумулятора по сравнению с прототипом заключаются в том, что при сохранении широкого рабочего диапазона и высокой эксплуатационной безопасности обеспечивается эксплуатационная надежность водородного электрода за счет повышенной механической прочности связи активного слоя с металлокерамической никелевой основой и отсутствия непосредственного контакта электрода и газового сепаратора, что позволяет повысить ресурс и количество зарядно-разрядных циклов аккумулятора. Рельефная ячеистая структура металлокерамической никелевой основы обеспечивает сохранение достаточной механической прочности водородного электрода при уменьшении его массы, что приводит к возрастанию удельной мощности и удельной энергии аккумулятора.

Использование: в герметичных никель-водородных аккумуляторах. Сущность изобретения: аккумулятор содержит окисно-никелевые положительные электроды, электрически связанные посредством асбестового электроносителя с отрицательными водородными электродами, состоящими из металлокерамической никелевой основы пористостью 20 30% и толщиной 40 120 мкм, гидрофобизированного платино-палладиевого активного слоя толщиной 1 10 мкм, на поверхность которого нанесен фторопластовый слой толщиной 1 10 мкм, на поверхность которого нанесен фторопластовый слой толщиной 0,25 5 мкм, представляющий собой чередующиеся гидрофобизированные участки и гидрофильные каналы, имеющие выход на поверхность фторопластового слоя. Поверхность металлокерамической никелевой основы выполнена в виде рельефной ячеистой сетки с площадью поверхности ячеек, составляющей 75 80% от площади основы, с глубиной ячеек, составляющей 16,7 50% толщины основы, но не менее 0,02 мм и расстоянием между ячейками 0,05 0,3 мм. Активный слой с нанесенным на его поверхность фторопластовым слоем расположен в ячейках рельефной сетки,основание металлокерамической никелевой основы имеет непосредственный контакт с электроносителем, а ее поверхность с газовым сепаратором. 3 ил.

ГЕРМЕТИЧНЫЙ НИКЕЛЬ-ВОДОРОДНЫЙ АККУМУЛЯТОР, содержащий окисно-никелевые положительные электроды, электрически связанные посредством асбестового электролитоносителя с отрицательными водородными электродами, состоящими из металлокерамической никелевой основы пористостью 20 30% и толщиной 40 120 мкм, гидрофобизированного платино-палладиевого активного слоя толщиной 1 10 мкм, на поверхность которого нанесен фторопластовый слой толщиной 0,25 5 мкм, представляющего собой чередующиеся гидрофобизированные участки и гидрофильные каналы, имеющие выход на поверхность фторопластового слоя, отличающийся тем, что, с целью увеличения ресурса, поверхность металлокерамической никелевой основы выполнена в виде рельефной ячеистой сетки с площадью поверхности ячеек, составляющей 75 80% от площади основы, с глубиной ячеек, составляющей 16,7 50% толщины основы, но не менее 0,02 мм, и расстоянием между ячейками 0,05 0,3 мм, причем активный слой с нанесенным на его поверхность фторопластовым слоем расположен в ячейках рельефной сетки, основание металлокерамической никелевой основы имеет непосредственный контакт с электролитоносителем, а ее поверхность с газовым сепаратором.