НИКЕЛЬ-ЦИНКОВЫЙ АККУМУЛЯТОР Российский патент 1996 года по МПК H01M10/30 H01M10/34 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при производстве и эксплуатации никель-цинковых аккумуляторов.

Известен никель-цинковый аккумулятор, содержащий корпус, раствор щелочного электролита, положительный и отрицательный электроды, разделенные сепаратором [1]
Недостатком указанного аккумулятора является низкий ресурс, связанный с неоптимальным режимом эксплуатации. Наличие избыточной емкости цинкового электрода ведет к его перезаряду и ускоренному росту дендритов, закорачивающих электроды.

Известен никель-цинковый аккумулятор, в котором для повышения ресурса используют кислород, выделяющийся при заряде на положительном электроде, для окисления дендритов цинка, зарождающихся на отрицательном электроде. Аккумулятор содержит корпус, электролит, положительный и отрицательный электроды, разделенные сепаратором. Для облегчения диффузии кислорода к отрицательному электроду сепаратор имеет гладкую поверхность со стороны отрицательного электрода и ребристую со стороны положительного электрода [2]
Недостатком этого аккумулятора является избыточность емкости цинкового электрода, что снижает удельные характеристики, а также требует периодического разряда аккумулятора до нуля, чтобы предотвратить перезаряд цинкового электрода и усиленное дендритообразование. Это усложняет технологию эксплуатации аккумулятора.

Из известных аккумуляторов наиболее близким по совокупности существенных признаков является никель-цинковый аккумулятор, содержащий корпус, раствор щелочного электролита, положительный и отрицательный электроды, разделенные многослойным сепаратором, и вспомогательный электрод, предназначенный для подавления выделения кислорода в конце заряда. Вспомогательный электрод расположен с тыльной стороны отрицательного электрода и соединен с ним электрически [3]
Недостатком этого аккумулятора является закорачивание электродов дендритами, прорастающими через сепаратор. Это ограничивает ресурс никель-цинкового аккумулятора.

Задачей изобретения является создание никель-цинкового аккумулятора, обладающего повышенным ресурсом.

Результат достигается тем, что в никель-цинковом аккумуляторе вспомогательный электрод выполнен пористым и размещен между слоями сепаратора. Наличие пористого гидрофильного электрода между слоями сепаратора, не влияя на протекание электрохимических процессов, позволяет оптимально эксплуатировать аккумулятор. Коммутируя вспомогательный электрод с положительным или отрицательным электродами, можно ограничить выделение газа на соответствующем электроде. Кроме того, вспомогательный электрод позволяет использовать избыточную емкость цинкового электрода в процессе разряда путем периодической коммутации с этим электродом. Кроме того, этот электрод механически защищает электроды от закорачивания, образовавшимися в процессе эксплуатации дендритами. Целесообразно вспомогательный электрод выполнять с внешним электрическим выводом, что дает возможность коммутации в процессе эксплуатации вспомогательного электрода с положительным или отрицательным электродами.

Наличие вывода на вспомогательном электроде позволяет производить оптимальный раздельный заряд и разряд электродов аккумулятора. Это связано с тем, что обычно в никель-цинковом аккумуляторе цинковый электрод имеет избыточную по отношению к никелевому электроду емкость. При обычном циклировании один электрод либо недозаряжен, либо другой перезаряжен.

Проведенный анализ уровня техники показал, что заявленная совокупность существенных признаков, изложенная в формуле изобретения, неизвестна. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявленного изобретения критерию "новизна".

Для определения соответствия заявленного изобретения критерию "изобретательский уровень" проведен дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения.

Установлено, что данное изобретение не следует для специалиста в данной области явным образом из известного уровня техники. Следовательно, заявленное изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень".

На чертеже приведены зависимости зарядного и разрядного напряжений от числа циклов.

На базе никель-цинкового аккумулятора НЦ-30 емкостью 30 А.ч был собран аккумулятор в соответствие с заявленным изобретением. Для реализации сборки блока электродов извлекались из корпуса, между слоями полипропиленового сепаратора устанавливался вспомогательный электрод из пористой никелевой фольги толщиной 70 мкм, пористостью 40 и средним размером пор 5 мкм. После установки вспомогательного электрода блоки электродов вновь устанавливались в корпус, аккумулятор заправляется электролитом и устанавливался на циклировании. Заряд аккумулятора проводился до напряжения 2,0 В, разряд проводился в течение часа. Зарядный и разрядный токи равнялись 6,0 А. Испытания проводились в течение более 100 циклов. Периодически проводились контрольные циклы разряда до конечного напряжения 1,65 В. Контрольные циклы разряда (50 и 100) показали значение емкости выше номинального 39 и 37 А.ч соответственно. Эффективность отдачи по току достигала 98 В процессе испытаний вспомогательный электрод подключался к положительному электроду на несколько мин или к зарядному устройству. Вспомогательный электрод быстро заряжался и отдавал емкость около 300 кулон за несколько секунд. Вспомогательный электрод может использоваться как противоэлектрод для циклирования основных электродов и как накопитель энергии.

Контрольная проверка электродов аккумулятора в процессе циклирования визуальным осмотром дендритов не обнаружила.

Характеристики аккумуляторов НЦ-30 с вспомогательным электродом и без него практически совпадают. Это дает основание утверждать, что вспомогательный электрод из пористой фольги практически не вносит вклада во внутреннее сопротивление аккумулятора.

В процессе циклирования обычного аккумулятора НЦ-30 без вспомогательного электрода наблюдается падения напряжения. Для обеспечения номинального ресурса 60 70 циклов в соответствие с технической документацией на НЦ-30 необходимо через каждые 5 циклов проводить глубокий разряд до конечного напряжения 0,15 0,30 В, так называемый "лечебный" цикл разряда. Указанный цикл предназначен для полного разряда цинкового электрода и растворения зарождающихся дендритов. Если лечебный цикл не проводить, аккумулятор выходит из строя через 15 20 циклов.

Таким образом, вышеизложенные данные свидетельствуют о том, что заявленный аккумулятор обладает повышенным ресурсом и возможностью оптимальной его эксплуатации при использовании вспомогательного электрода. Приведенные данные подтверждают возможность практической реализации заявленного аккумулятора с получением заявленного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует критерию "промышленная применимость".

Использование: щелочные аккумуляторы. Сущность изобретения: устройство содержит никелевый катод и цинковый анод, разделенные многослойным сепаратором, между слоями которого помещен вспомогательный пористый электрод, выполненный с возможностью коммутации с анодом или катодом. Аккумулятор имеет повышенный ресурс работы. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Никель-цинковый аккумулятор, содержащий корпус, раствор щелочного электролита, положительный и отрицательный электроды, разделенные многослойным сепаратором, и вспомогательный электрод, отличающийся тем, что вспомогательный электрод выполнен пористым и размещен между слоями сепаратора. 2. Аккумулятор по п. 1, отличающийся тем, что вспомогательный электрод выполнен с возможностью коммутации с положительным или отрицательным электродами.