СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КАДМИЕВОГО ЭЛЕКТРОДА ДЛЯ ХИМИЧЕСКОГО ИСТОЧНИКА ТОКА Российский патент 1995 года по МПК H01M4/26 H01M4/80 

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при производстве щелочных химических источников тока.

Известен способ изготовления кадмиевого электрода для никель-кадмиевых аккумуляторов, включающий нанесение активной массы на токоотводящую основу и последующие формировочные циклы [1] В данном способе во время формирования при заряде происходит полностью переход активной массы в металлический кадмий, а при разряде окисляется только часть металлического кадмия, т. е. коэффициент использования активной массы не велик. Кроме того, при зарядно-разрядных циклах происходит укрупнение частиц активной массы, вызывающее уменьшение поверхности активной массы, следовательно, уменьшается и коэффициент использования активной массы.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ изготовления кадмиевого электрода для никель-кадмиевых аккумуляторов, основанный на формировании электродной заготовки, выполненной в виде токопроводящей основы с нанесенной на нее активной массой. Заготовку с активной массой подвергают подпрессовке и термообработке [2]
Недостатком способа-прототипа является то, что кадмиевый электрод, изготовленный по данному способу, обладает невысокими показателями по коэффициенту использования активной массы. Действительно активная масса кадмиевого электрода состоит из полидисперсных частиц, в центре которых расположено "ядро" чистого кадмия, а снаружи окисленные формы кадмия Cd(OH)₂ ˙H₂O. При работе кадмиевого электрода происходит восстановление наружных слоев частиц активной массы при заряде Cd(OH)₂ Cd_мет, а окисление их при разряде Cd_мет Cd(OH)₂. Таким образом, внутренняя часть ("ядро") частиц активной массы не работает, что приводит к невысоким показателям коэффициента использования активной массы.

При осуществлении изобретения достигается технический результат увеличение пластичности и коэффициента использования активной массы.

Достигаемый технический результат обеспечивается тем, что в способе изготовления кадмиевого электрода для никель-кадмиевых аккумуляторов, основанном на формировании электродной заготовки, выполненной в виде токопроводящей основы с нанесенной на нее активной массой и включающем подпрессовку последней и термообработку, в качестве токопроводящей основы используют никелевую губчатую структуру с плотностью 0,2-0,6 г/см³, термообработку ведут после формирования в инертной среде при температуре 80-250^оС в течение 1-3 ч, после чего заготовку обрабатывают в растворе щелочи с добавкой 1-5 г/л серы в течение 0,5-5 мин.

В предложенном способе увеличение коэффициента использования активной массы обеспечивается тем, что в электрохимический процесс при работе кадмиевого электрода вовлекается и "ядро" чистого кадмия, расположенное в центре частиц активной массы. При нагреве электрода происходит удаление кристаллизационной воды из Cd (OH)₂, при этом выделяющийся пар расщепляет частицы активной массы, образуя "трещины", которые впоследствии служат каналами для подвода электролита к "ядру". Таким образом, увеличивается общая поверхность работающей активной массы, что приводит к увеличению коэффициента использования активной массы. Тот факт, что образовались "трещины" каналы для подвода электролита к "ядру" металлического кадмия, дает возможность сразу после нагрева проводить обработку электрода в водном растворе щелочи с добавкой серы. При обработке электрода в растворе щелочи с серой образуется пассивирующая пленка CdS, которая, находясь между частицами активной массы, препятствует их укрупнению при заряде, тем самым величина поверхности активной массы в процессе циклирования сохраняется, а значит, не уменьшается коэффициент использования активной массы.

Оптимальное содержание серы в растворе щелочи 1-5 г/л и время обработки 0,5-5 мин определяется толщиной образующейся пассивирующей пленки CdS. При слишком высокой концентрации серы (>5 г/л) или большом временем обработки (>5 мин) на поверхности кадмия образуется толстый слой пассивирующей пленки CdS, которая не обладает пластичностью и разрушается при деформации электрода. При низкой концентрации серы (<1 г/л) и малом времени обработки пассивирующая пленка не образуется, кадмий окисляется на воздухе, что снижает пластичность и эффективность использования активной массы.

Данные, подтверждающие оптимальность заявленных диапазонов концентрации серы и времени обработки, представлены в табл. 1 и 2.

Существенным признаком является использование в качестве токопроводящей основы никелевой губчатой структуры с плотностью 0,2-0,6 г/см³. Указанный диапазон плотности структуры обеспечивает прочное удерживание активной массы в структуре электрода при деформации и высокий коэффициент использования активной массы. При плотности токопроводящей основы менее 0,2 г/см² она имеет большие поры и активная масса при изгибе осыпается. При плотности основы более 0,6 г/см³электрод имеет очень мелкие поры, что затрудняет доступ электролита к активной массе и снижает коэффициент ее использования.

Существенным признаком является также температура нагрева кадмиевого электрода в инертной среде. Максимальная температура нагрева ограничивается тем, что при слишком высоких температурах происходит спекание частиц активной массы, тем самым уменьшается поверхность частиц, что приводит к образованию менее развитой поверхности активной массы, а значит, уменьшается коэффициент использования активной массы. Минимальная температура нагрева определяется тем, что при низких температурах не происходит полностью удаление воды, тем самым не образуется достаточного количества "трещин" каналов для подвода электролита к "ядру" металлического кадмия, следовательно, коэффициент использования активной массы уменьшается.

Также существенным признаком является время, в течение которого кадмиевый электрод нагревают. Максимальная величина времени нагрева ограничивается тем, что при слишком длительном процессе происходит спекание частиц активной массы, тем самым уменьшается удельная поверхность частиц, что приводи к образованию менее развитой поверхности активной массы, а значит, уменьшается коэффициент использования активной массы. Минимальная величина времени нагрева определяется тем, что в слишком короткий промежуток времени не происходит полного удаления воды, тем самым образуется малое количество "трещин", следовательно, не все "ядра" частиц активной массы вовлечены в электрохимические процессы при работе электрода, тем самым коэффициент использования активной массы уменьшается.

Кадмиевый электрод нагревают в инертной среде, поскольку при высоких температурах начинается процесс окисления металлического кадмия, что приводит к образованию CdO, на котором невозможно получить пассивирующую пленку CdS, следовательно, коэффициент использования активной массы уменьшается.

Таким образом, проведение нагрева после формировки в инертной среде при температуре 80-250^оС в течение 1-3 ч существенно для достижения технического результата увеличения коэффициента использования активной массы.

Сходных признаков с признаками, изложенными в отличительной части предложенной формулы, в доступных источниках информации не обнаружено. Таким образом, предложенный способ является новым по сравнению с известными способами изготовления кадмиевого электрода и обеспечивает достижение технического результата увеличение пластичности и коэффициента использования активной массы.

Результаты испытаний, проведенных на предприятии и подтверждающих оптимальность выбора заявляемых диапазонов температуры нагрева кадмиевого электрода в инертной среде, времени нагрева приведены в табл. 3 и 4.

П р и м е р. Готовят активную массу смесь окиси кадмия 95% и 5% гидрата закиси никеля Ni(OH)₂. Полученную смесь наносят на основу из никелевой губки толщиной 2 мм со средним размером пор 0,6 мм на прокатном стане ЮД-2200 с подвесным бункером. Затем проводят поджатие до толщины 0,5 мм. После этого осуществляют вырубку электрода размером 40х80 мм, приваривают к основе токоотводы. Далее проводят формировку. Проводят три зарядно-разрядных цикла током 0,3 А. После последнего цикла контейнер с электродами помещают в печь СНОЛ 1,6 2,5 1/9-ИЗ в среду аргона и выдерживают в печи 2 ч при температуре 200^оС. Затем извлекают контейнер из печи и проводят продувку холодным аргоном в течение 0,5 ч. После этого кадмиевый электрод обрабатывают в водном растворе КОН плотностью 1,25 г/см³, в котором растворено 2 г/л серы, в течение 3 мин. Далее электрод промывают водой и сушат при 50-60^оС в течение 2 ч.

Образцы электродов, изготовленные по технологии, описанной в примере, но при других значениях плотности токоотводящей основы, концентрации серы в щелочи, времени обработки, температуры и времени нагрева подвергались механическим испытаниям на прочность удержания массы при изгибе (пластичность) и электрохимическим испытаниям (коэффициент использования активной массы).

Как следует из анализа полученных результатов (см. табл. 1, 2, 3 и 4), оптимальными являются плотность губчатой никелевой основы 0,2-0,6 г/см³, концентрация серы в щелочи 2-5 г/л, время обработки в щелочи 0,5-5 мин, температура нагрева в инертной среде 80-250^оС и время нагрева 1-3 ч.

Использование: в производстве щелочных аккумуляторов. Сущность изобретения: на токопроводящую основу из губчатого никеля с плотностью 0,2-0,6 г/см³ наносят активную массу, подпрессовывают, формируют, термообрабатывают в инертной среде при температуре 80-250°С в течение 1-3 ч, после чего обрабатывают в растворе щелочи с добавкой 1-5 г/л серы в течение 0,5-5 мин. Электрод пластичен и имеет высокий коэффициент использования активной массы. 4 табл.

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КАДМИЕВОГО ЭЛЕКТРОДА ДЛЯ ХИМИЧЕСКОГО ИСТОЧНИКА ТОКА путем нанесения на токопроводящую основу активной массы, подпрессовки, термообработки при температуре, нижний предел которой составляет по крайней мере 180^oС, а верхний предел равен 250^oС, в течение 1-3 ч и формирования, отличающийся тем, что токопроводящую основу выполняют из губчатого никеля плотностью 0,2-0,6 г/см³, термообработку проводят после формирования в инертной среде, нижний предел температуры термообработки берут равным 80^oС, а после термообработки проводят пропитку в растворе щелочи с добавкой 1-5 г/л серы в течение 0,5-5 мин.