СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ НИКЕЛЬ-ЦИНКОВОГО АККУМУЛЯТОРА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК H01M10/42 H01M2/38 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при эксплуатации никель-цинковых аккумуляторов для повышения их ресурса.

Основной проблемой при эксплуатации никель-цинкового аккумулятора является рост дендритов цинка и "оползание" цинкового электрода, приводящих к закорачиванию электродов и ограничению ресурса.

Известен способ эксплуатации никель-цинкового аккумулятора, в котором для повышения ресурса за счет ограничения роста дендритов турбулизируют электролит вдоль поверхности электрода. Для обеспечения этого электрода аккумулятора встряхивают посредством механического устройства [1] Указанный способ позволяет получить при заряде аккумулятора компактный слой цинка.

Недостаток этого способа связан с механическим воздействием на электроды, что предъявляет к ним требование повышенной прочности, приводящей к увеличению их массы. Кроме того, механическое воздействие требует подвижного гибкого соединения между электродами, что значительно усложняет конструкцию аккумулятора и увеличивает его массу. Введение в аккумулятор дополнительного механического устройства перемещения электродов снижает надежность работы аккумулятора.

Известно устройство для эксплуатации аккумулятора, ограничивающее рост дендритов за счет перемешивания электролита. Указанное устройство представляет собой цилиндрический вращающийся контейнер, установленный на подшипниках в герметичном корпусе. В контейнере расположен никель-цинковый аккумулятор с горизонтальными электродами. При эксплуатации электролит из донной части корпуса насосом подается в осевую область вращающегося контейнера. Под действием центробежной силы электролит растекается радиально вдоль поверхности электродов, перемешивается и выравнивает концентрацию. Перемешивание электролита ограничивает рост дендритов и способствует увеличению ресурса [2]
Недостаток рассматриваемого устройства связан с его чрезвычайной сложностью и значительным энергопотреблением на прокачку электролита и вращение аккумулятора. Сложность конструкции снижает эксплуатационную надежность аккумулятора и повышает эксплуатационные расходы.

Из известных способов по совокупности существенных признаков наиболее близким является способ эксплуатации никель-цинкового аккумулятора, согласно которому при его заряде для предотвращения роста дендритов электролит перемещают вдоль поверхности электродов за счет центробежной силы. Указанный способ реализован в аккумуляторе с вращающимися электродами [2]
Недостаток данного способа связан со сложностью устройства, обеспечивающего его реализацию, и затратами мощности на вращение электродов и прокачку электролита.

Из известных устройств наиболее близким по совокупности существенных признаков является устройство для эксплуатации аккумулятора, обеспечивающее циркуляцию электролита. Устройство содержит электролитную емкость, установленную внутри корпуса аккумулятора и соединенную трубопроводом через управляемый клапан с источником сжатого воздуха с заданным давлением, и блок управления [3] Рассматриваемое устройство в процессе эксплуатации аккумулятора обеспечивает в нем циркуляцию электролита путем периодической подачи сжатого воздуха в электролитную емкость. Под действием давления воздуха на зеркало электролита он передавливается в аккумулятор. После сброса давления из-за разностей уровней в емкости и аккумуляторе электролит возвращается в емкость. Так обеспечивается циркуляция электролита в аккумуляторе.

Указанное устройство обладает рядом недостатков. Оно может работать только при вертикальном расположении аккумулятора, поскольку в емкости имеется зеркало электролита. Возможен проскок газовой фазы в электролитную полость аккумулятора, что приведет к нарушению его работоспособности. Рассматриваемое устройство не применимо для щелочных аккумуляторов из-за прямого контакта воздуха с электролитом, что может вызвать загрязнение электролита и его карбонизацию. Кроме того, это устройство не может обеспечить требуемый режим перемещения электролита вдоль электродов аккумулятора.

Целью изобретения является создание способа эксплуатации никель-цинкового аккумулятора и устройства для его осуществления, обеспечивающих высокий ресурс, надежность эксплуатации и высокую эффективность.

Цель достигается тем, что в способе эксплуатации никель-цинкового аккумулятора, основанном на перемещении электролита вдоль поверхности электродов в процессе зарядного цикла, перемещение электролита осуществляют периодически во взаимно противоположных направлениях с частотой 0,5-5,0 Гц.

В устройстве для эксплуатации никель-цинкового аккумулятора, содержащем электролитную емкость, соединенную с электролитной полостью аккумулятора, источник сжатого газа с заданным давлением, соединенный с газовой полостью электролитной емкости посредством трубопровода с установленным на нем управляемым клапаном, и блок управления, дополнительно введена вторая электролитная емкость. Эта емкость, как и первая, соединена с электролитной полостью аккумулятора и источником сжатого газа через управляемый клапан. Каждая из емкостей выполнена герметичной и содержит эластичный элемент, разделяющий газовую и электролитную полости. Газовая полость снабжена патрубком и управляемым клапаном для сообщения с окружающей атмосферой. Изменяемый объем электролитной емкости составляет 0,1-1,0 объема электролита в аккумуляторе.

Перемещение электролита вдоль поверхности электрода во взаимно противоположных направлениях обеспечивает хорошее перемешивание электролита и выравнивание концентрации цинкатных ионов, что, в свою очередь, ограничивает рост дендритов и предотвращает "оползание" цинкового электрода. Рост дендритов и "оползание" цинкового электрода, как следует из литературы (В. С. Багоцкий, А. М. Скундин, Химические источники тока. М. Энергоиздат, 1981, с. 227-229), обусловлены неравномерностью концентрации электролита и связанной с этим неравномерностью распределения зарядного тока по поверхности электрода.

Перемещение электролита вдоль поверхности электродов способствует механическому разрушению случайно образованных дендритов.

Частота переключения направления перемещения электролита 0,5-5,0 Гц обеспечивает оптимальные условия эксплуатации аккумулятора.

При частоте ниже 0,5 Гц не обеспечивается полное перемешивание электролита, необходимое для выравнивания его концентрации. При этой частоте, как показали исследования на отдельных ячейках, наблюдались случаи образования дендритов.

Увеличение частоты переключения более 5,0 Гц нецелесообразно, поскольку оно не дает заметного увеличения ресурса, а практическая его реализация известными техническими средствами вызывает значительные трудности.

Соотношение объемов электролита в емкости и аккумуляторе 0,1-1,0 для заявляемого устройства является оптимальным, поскольку позволяет обеспечить оптимальные условия эксплуатации. При соотношении объемов менее 0,1 пульсация электролита поверхностная и не обеспечивает перемешивание электролита в аккумуляторе и выравнивание концентрации. Плохое перемешивание способствует образованию дендритов цинка и нарушению работоспособности аккумулятора. Увеличение соотношения объемов электролита более 1,0 нецелесообразно, так как не оказывает заметного влияния на повышение ресурса, но значительно увеличивает габариты устройства.

Таким образом, все существенные признаки заявляемых способа и устройства отвечают поставленной задаче и показывают влияние отличительных существенных признаков на достижение технического результата.

Изобретение отвечает изобретательскому уровню, так как его существенные признаки влияют на улучшение технических характеристик аккумулятора, а сочетание признаков не известно из уровня техники.

На чертеже представлена принципиальная схема устройства для эксплуатации никель-цинкового аккумулятора.

Устройство содержит никель-цинковый аккумулятор 1, электролитная полость которого трубопроводом 2,2 соединена с электролитными емкостями 3,3¹. Емкости выполнены герметичными и содержат электролитную 4, 4¹ и газовую 5,5¹ полости, разделенные эластичным элементом 6, 6¹. Газовые полости емкости посредством трубопроводов 7,7¹ и управляемых клапанов 8,8¹ соединены с емкостью 9 со сжатым газом. Газовые полости емкости посредством клапанов 10, 10¹ сообщаются с атмосферой. Блок 11 управления включен в цепи управления клапанов.

Устройство работает следующим образом.

Сжатый газ из емкости 9 подается через клапан 8 в газовую полость 5 электролитной емкости 3. Под действием газа, действующего на эластичный элемент 6, электролит через электролитную полость аккумулятора 1 передавливается в полость 4¹ емкости 3¹, вызывая перемещение эластичного элемента 6¹, при этом клапаны 10 и 8¹ закрыты, а клапан 10¹-открыт. Через некоторый промежуток времени прекращается подача газа в емкость 3 путем закрытия клапанов 8 и 10¹ и осуществляется подача газа в емкость 3¹ путем открытия клапанов 8¹ и 10. Газ давит на эластичный элемент 6¹, вызывая перемещение электролита в обратном направлении. Периодически с частотой 0,5-5,0 Гц подавая газ в емкости 3 и 3¹, можно обеспечить пульсирующую прокачку электролита в аккумуляторе.

Частота прокачки определяется временем переключения соответствующих клапанов. Управление работой клапанов осуществляется блоком управления.

Таким образом, обеспечивается пульсирующая прокачка электролита через никель-цинковый аккумулятор в процессе его заряда, обеспечивающая ингибирование роста дендритов цинка и способствующая увеличению ресурса.

П р и м е р. Способ эксплуатации и устройство для его осуществления были реализованы при циклировании экспериментального образца никель-цинкового аккумулятора емкостью 10А ˙ ч. Экспериментальная установка была выполнена согласно схеме, приведенной на чертеже. В качестве электролитных емкостей использовались эластичные мешки из щелочестойкой резины, размещенные в герметичных металлических корпусах, в качестве управляемых клапанов нормально закрытые электромагнитные клапаны типа КЭ-1, в качестве блока управления многопозиционное реле времени. Аккумулятор циклировался на глубину ≈ 60% при токе заряда 0,1С и токе разряда 0,3 С. В процессе заряда в корпуса электролитных емкостей поочередно подавался сжатый воздух путем открытия и закрытия соответствующих электромагнитных клапанов. Частота переключения направления подачи клапанов составляла 1 ± 0,1 Гц. В указанном режиме аккумулятор циклировался в течение ≈ 6000 ч без видимого снижения электрических характеристик. За это время аккумулятор выдержал более 500 заряд/разрядных циклов. Анализ электролита после испытаний показал отсутствие дендритов и наплывов. Поверхность осажденного цинка плотная и однородная. Результаты испытаний показали, что предложенные способ эксплуатации никель-цинкового аккумулятора и устройство для его осуществления обеспечивают высокий ресурс и надежность эксплуатации.

Использование: эксплуатация щелочных никель-цинковых аккумуляторов. Сущность изобретения: устройство содержит две герметичные электролитные емкости с эластичными элементами, разделяющими газовые и электролитные полости. Газовые полости через управляемые клапаны соединены с окружающей атмосферой или через клапаны с источником сжатого газа, а электролитные полости соединены трубопроводами с электролитной полостью аккумулятора. Изменяемый объем электролитной емкости составляет 0,1 1,0 объема электролита в аккумуляторе. Управление работой клапанов осуществляется через блок управления. В процессе заряда электролит перемещают вдоль поверхности электродов во взаимно противоположных направлениях с частотой 0,5 - 5,0 Гц. Это обеспечивает высокий ресурс и эффективность, а также надежность в эксплуатации. 2 с. п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ эксплуатации никель-цинкового аккумулятора, основанный на перемещении электролита вдоль поверхности электродов в процессе зарядного цикла, отличающийся тем, что перемещение электролита осуществляют периодически во взаимопронотивоположных направлениях с частотой 0,5 5,0 Гц. 2. Устройство для эксплуатации никель-цинкового аккумулятора, содержащее электролитную емкость, соединенную с электролитной полостью аккумулятора, источник сжатого газа с заданным давлением, соединенный трубопроводом через управляемый клапан с электролитной емкостью, и блок управления, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит вторую электролитную емкость, соединенную с аккумулятором и источником сжатого газа посредством трубопровода с управляемым клапаном, при этом каждая из емкостей выполнена герметичной и содержит эластичный элемент, разделяющий газовую и электролитную полости, и патрубок с управляемым клапаном для сообщения с атмосферой, при этом изменяемый объем электролитной емкости составляет 0,1 1,0 объема электролита в аккумуляторе.