ВОДОРОДСОРБИРУЮЩИЙ СПЛАВ ДЛЯ ОТРИЦАТЕЛЬНОГО ЭЛЕКТРОДА НИКЕЛЬ-ГИДРИДНОГО АККУМУЛЯТОРА Российский патент 1997 года по МПК H01M4/38 H01M10/34 

Изобретение относится к электротехнике преимущественно для изготовления отрицательных электродов малогабаритных щелочных никель-гидридных аккумуляторов, используемых в качестве источников электропитания портативной радиоэлектронной аппаратуры.

Известен сплав на основе никеля и лантана [1] химической формулы LaNi₅, обладающий свойством обратимой сорбции водорода в щелочной электрохимической системе. Данный сплав удовлетворяет условиям стехиометрии и законам постоянства состава и кратных отношений элементов в сплаве.

К недостаткам сплава следует отнести значительное разрушение сплава в процессе сорбции-десорбции водорода по причине деградации гидридной фазы сплава и прямого контакта металлической фазы с кислородом, в результате поверхность частиц функционального вещества окисляется и срок службы аккумулятора снижается.

Известен водородсорбирующий сплав [2] химической формулы La_1-xZr_xNi_5-yAl_y где x0,1 0,2 и y0,3 - 0,8.

В данном сплаве часть лантана замещена цирконием, а часть никеля - алюминием, которые выполняют функции активирующих добавок, снижающих процесс деградации сплава за счет замедления окислительных реакций и уменьшения оксидных пленок на поверхности частиц функционального вещества.

Однако уменьшение в сплаве количества лантана приводит к снижению водородной емкости, а наличие в значительном количестве алюминия способствует интенсивной деградации его в межэлектродное пространство и постепенному осаждению на металлоксидный положительный электрод, в результате имеет место разрушение сплава и снижение срока службы аккумулятора.

Известен водородсорбирующий сплав, соответствующий формуле LaNi_5-xAl_x, где x 0,1-1,5 [3]
Этому сплаву присущи вышеуказанные недостатки. Ресурс работы аккумулятора с отрицательным электродом из данного сплава не превышает 400 циклов.

Из известных водородсорбирующих сплавов наиболее близким по совокупности существенных признаков к изобретению является сплав, включающий лантан, никель, алюминий, кремний и один из элементов четвертого ряда Периодической таблицы Д.И.Менделеева, которым является марганец [4]
К недостаткам сплава следует отнести низкий ресурс отрицательных электродов, использующих этот сплав, из-за деградации сплава при циклировании.

Задача изобретения заключается в повышении ресурса работы никель-гидридного аккумулятора, использующего заявленный сплав на отрицательном электроде.

Поставленная задача решается за счет того, что водородсорбирующий сплав, включающий лантан, никель, алюминий, кремний и один из элементов четвертого ряда Периодической системы элементов Д.И. Менделеева, в качестве элемента четвертого ряда содержит титан, ванадий, марганец при общей формуле
LaNi_5-x-y-zM_xAl_ySi_z,
где M -один элемент из ряда: титан, ванадий, марганец;
x 0,1 0,3;
y 0,3 0,4;
z 0,1 0,2;
y + x 0,5.

В заявляемом сплаве часть никеля замещена алюминием, кремнием и одним элементом из ряда: титан, ванадий, марганец. Наличие в сплаве кремния способствует связыванию алюминия и уменьшению деградации последнего в межэлектродное пространство, а введение в сплав одного элемента из указанного выше ряда обусловлено его стабилизирующим свойством, замедляющим протекание окислительных реакций на поверхности частиц функционального вещества, в результате повышаются стойкость сплава в щелочной среде и его прочность при длительном циклировании.

Содержание кремния в количестве 0,1-0,2 от количества автоматов в молекуле сплава обусловлено максимальным эффектом связывания алюминия, при содержании кремния менее 0,1 эффект связывания алюминия проявляется незначительно и деградация последнего остается значительной, а содержание более 0,2 нецелесообразно с практической точки зрения.

Наличие в сплаве элемента из выбранного ряда в количестве менее 0,1 от количества атомов в молекуле сплава не оказывает достаточного замедляющего воздействия на протекание окислительных реакций на поверхности частиц функционального вещества, а содержание более 0,3 нецелесообразно по причине возникновения собственных оксидных пленок, замедляющих скорость поглощения водорода.

Количество атомов алюминия и кремния в сумме 0,5 от общей суммы атомов элементов в молекуле сплава в наибольшей степени соответствует проявлению максимального связывающего эффекта кремния по отношению к алюминию.

Пример конкретного осуществления.

Сплав получали методом индукционной плавки в атмосфере инертного газа с последующей разливкой жидкого металла на охлаждаемый металлоприемник. Полученный слиток подвергали механическому измельчению в щековой и конусной дробилках. Для приготовления активной массы использовали порошок сплава с размером гранул не более 80 мкм. В качестве связующего применяли фторопласт в количестве 6% от массы металлического порошка и 20%-ный водный раствор поливинилового спирта. После нанесения пасты на пористую никелевую подложку заготовку прессовали путем прокатки между валками с усилием 350-400 кг/см², после чего полученные электродные пластины спекали в течение 10 мин при 350^oC в вакууме.

Для изготовления образцов никель-гидридных аккумуляторов использовали стандартный корпус с наружным диаметром 14 мм и высотой 50 мм. Были изготовлены аккумуляторы с отрицательным электродом из заявляемого сплава с элементами в заданных пределах и соотношениях (примеры 1, 2, 6, 7, 13-15) и выходящими за эти пределы (примеры 3-5, 8-12), а также из сплава-прототипа (пример 16, см. таблицу). Номинальная емкость аккумуляторов ограничивалась емкостью отрицательного электрода и составила 0,85 А•ч, фактическая емкость составила в среднем 0,9 А•ч. Номинальное напряжение 1,2 В. Образцы аккумуляторов подвергли циклированию в режиме разряда до 1 В и потери фактической емкости не более 40% Результаты испытаний приведены в таблице.

Из полученных результатов можно сделать вывод, что аккумуляторы с отрицательным электродом из нового сплава отличаются повышенным ресурсом работы, превосходящем более чем на 30% ресурс аккумуляторов с электродом из сплава-прототипа.

Использование: при изготовлении отрицательных электродов малогабаритных никель-гидридных аккумуляторов, предназначенных в качестве источников электропитания портативной радиоэлектронной аппаратуры. Сущность изобретения: сплав, включающий лантан, никель и алюминий, дополнительно содержит кремний и один элемент из ряда: титан, ванадий, марганец при общей формуле RaN_5-x-y-z M_x Al_y Si_z , где M - один элемент из ряда: титан, ванадий, марганец, x = 0,1 - 0,3, y = 0,3-0,4, z = 0,1 - 0,2 и y + z = 0,5. Реализация изобретения позволяет увеличить ресурс работы аккумулятора более чем на 30% за счет повышения прочности и его стойкости в щелочной среде. 1 табл.

Водородсорбирующий сплав для отрицательного электрода никель-гидридного аккумулятора, включающий лантан, никель, один из элементов четвертого ряда Периодической системы элементов, алюминий и кремний, отличающийся тем, что в качестве элемента четвертого ряда он содержит титан, ванадий или марганец при общей формуле сплава
LaNi_{5 - x - y - z} M_xAl_ySi_z
где М элемент четвертого ряда: титан, ванадий, марганец;
x 0,1 0,3;
y 0,3 0,4;
z 0,1 0,2 и
y+z 0,5.