СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОРИСТОЙ ОСНОВЫ БЕЗЛАМЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОДОВ ЩЕЛОЧНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ Российский патент 1997 года по МПК H01M4/80 H01M10/28 

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано в производстве щелочных аккумуляторов с безламельными электродами.

Известны способы изготовления тонких пористых основ безламельных электродов подложки, непрерывное двустороннее нанесение на нее пасты из никелевого порошка с порошкообразующими и связующими добавками, сушку и спекание. Проницаемую подложку изготавливают из сеток или тонкой фольги [1] путем ее перфорирования. Активную массу в пористую основу вносят пропиткой ее в растворах солей соответствующих металлов и осаждением в виде гидроксидов в растворе щелочей.

Недостатком этих способов является то, что электродные основы имеют невысокие прочностные характеристики, припеченные к подложке высокопористые слои разрушаются при изгибе в местах перфорационных отверстий, что затрудняет механизацию процессов изготовления электродов и их применение в цилиндрических аккумуляторах. Кроме того, изготовление тонкой перфорированной фольги связано с большими трудозатратами.

В качестве прототипа выбран способ изготовления спеченных никелевых электродных пластин [2] включающий:
нанесение на металлический опорный лист толщиной 0,003 0,005 дюйма (80 120 мкм) тонкого пористого гальванического слоя;
осаждение на упомянутое покрытие слоя пасты, состоящей из никелевого порошка, преобразователя (наполнителя) и водного раствора связующего;
нагрев до температуры спекания для сцепления никелевых частиц с никелевым покрытием опорного листа, а также всех никелевых частиц между собой.

Недостатком способа является то, что электроды, изготовленные по данному изобретению, как показал эксперимент, вследствие недостаточной прочности сцепления пористого порошкового слоя с подложкой, имеют низкие механические характеристики, что приводит к их разрушению при изготовлении аккумуляторов. Причиной этого является высокая (70 80%) пористость гальванического покрытия, на которое наносится и затем припекается пористый порошковый слой.

Задача изобретения повышение механических характеристик и срока службы электродов.

Это достигается тем, что в известном способе изготовления электродной основы, включающем двустороннее нанесение на пористую подложку, изготовляемую осаждением на тонкую ленту пористого гальванического покрытия, слоя суспензии, состоящей из никелевого порошка, порообразователя (наполнителя) и водного раствора связующего, сушку, уплотнение и спекание в восстановительной атмосфере, согласно заявленному техническому решению, пористость ленты-подложки берут равной 7 11 а соотношение пористости основы и ленты-подложки выбирают в интервале 7 9.

Снижение пористости ленты-подложки обеспечивает повышение ее механической прочности и пластичности. Использование такой ленты позволяет улучшить прочность и гибкость основы и изготовляемых из нее электродов, снизить брак и механизировать процесс изготовления основы и электродов. Улучшение гибкости основы и электродов особенно важно для производства цилиндрических аккумуляторов; использование предлагаемого способа в таком производстве позволяет снизить брак в 3 раза. Выбор соотношения пористости основы и ленты-подложки в указанном интервале обеспечивает изготовление электродов с высокими механическими характеристиками без уменьшения содержания в них активной массы и ухудшения удельных электрических характеристик.

В табл. 1 приведены результаты работ по экспериментальному обоснованию выбранных режимов изготовления основы для положительных (никелевых) электродов по предлагаемому способу.

Как видно из таблицы, использование ленты-подложки с пористостью менее 7 (опыт 1) приводит к снижению удельных электрических характеристик электродов, что можно объяснить уменьшением содержания в них активной массы и ухудшением условий протекания токообразующих реакций в пороках подложки, а с пористостью более 11 (опыт 4) к ухудшению пластичности и гибкости основы и электродов. При соотношении пористости основы и ленты-подложки менее 7 (опыт 5) снижаются удельные электрические характеристики электродов за счет уменьшения содержания активной массы, при соотношении более 9 (опыт 9) содержание активной массы растет, однако удельная емкость при этом не увеличивается, что можно объяснить снижением коэффициента использования активного материала; кроме того, снижается прочность сцепления высокопористных слоев с лентой-подложкой и повышается брак.

Использование же ленты-подложки с пористостью 7 11 при соотношении пористости основы и ленты-подложки в интервале от 7 до 9 (опыт 2, 3, 6, 7 и 8) обеспечивает получение пористой основы и электродов с требуемыми характеристиками.

По описанному механизму выбранные режимы изготовления влияют и на характеристики основы для отрицательных (кадмиевых) электродов.

Пример 1. Изготовление пористой основы безламельных положительных электродов никель-кадмиевого аккумулятора типа НКГЦ-2 осуществляли следующим образом.

Из никелевого порошка прокатывали пористую ленту-подложку, спекали ее в атмосфере водорода при температуре (1250±10)^oC. В результате была получена лента с пористостью 9 и толщиной (40±3) мкм.

Пасту для нанесения готовили из никелевого порошка со средним размером частиц 2,9 мкм, основного карбоната никеля (порообразователь и водного раствора натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы (связующее). Пасту на ленту-подложку наносили с двух сторон, после сушки толщина ленты составляла (780±30) мкм. Высушенную ленту обжимали в валках и спекали в атмосфере водорода при температуре (1280±10) мкм, пористость 72%
Заготовки электродов, вырезанные из основы, подвергали пропитке по режиму: выдержка в растворе азотнокислого никеля плотностью (1,65±0,01) г/л при (70±5)^oC в течение 2 ч, сушка на воздухе 1 ч, выдержка в растворе гидроксида калия плотностью (1,20±0,01) г/л при (65±5)^oC в течение 2 ч, промывка, сушка на воздухе. Проводили четыре цикла пропитки в растворе азотнокислого никеля, пятый цикл пропитки в растворе азотнокислого кобальта. Электроды формировали путем зарядки током 0,7 A/дм² в течение 10 ч, разрядки током 0,35 A/дм² до напряжения 1,5 B по цинковому электроду. Проводили три цикла формирования, емкость электродов определяли на третьем цикле.

По аналогичной схеме изготавливали пористую основу отрицательных электродов. Толщина ленты после нанесения и сушки составляла (680±30) мкм, после спекания в атмосфере водорода (530±10) мкм. Пропитку заготовок производили в водном растворе азотнокислого кадмия плотностью (1,65±0,01) г/л, всего проводили 5 циклов пропитки. Разряд при формировании электродов осуществляли до напряжения 0,8 B по цинковому электроду.

Пористость подложки и основы определяли по результатам измерения массы и объема образцов, толщину измеряли оптиметром либо микрометром. Гибкость основы и электродов оценивали путем определения минимального радиуса изгиба скручиванием на металлических стержнях различного диаметра. За величину минимального радиуса изгиба принимали тот размер стержня, при дальнейшем уменьшении которого при сворачивании образцов начинали появляться признаками механического разрушения (трещины) основы и электродов.

Механические характеристики (предел прочности при растяжении и относительное удлинение при разрыве) определяли по ГОСТ 11701-66.

Результаты приведены в табл. 2.

Пример 2. Для сравнения были изготовлены основы для положительных электродов по способу прототипа. Пропитку и формирование электродов осуществляли по способу, описанному в примере 1.

Из данных табл. 2 видно, что предлагаемый способ позволяет, по сравенению с прототипом заметно (в 1,3-2 раза) повысить прочностные характеристики электродов при сохранении их высокой емкости.

На базе никелевых и кадмиевых электродов, изготовленных по предлагаемому способу, была выпущена опытная партия герметичных цилиндрических никель-кадмиевых аккумуляторов типа НКГЦ-2, которые были подвергнуты всесторонним стендовым испытаниям. К настоящему времени аккумуляторы наработали в процессе циклирования более 1500 циклов "заряд-разряд" (при заданном для такого типа акуумуляторов ресурсе в 800 циклов), сохранив высокие электрические характеристики. При сборке аккумуляторов каких-либо признаков механического разрушения электродов отмечено не было.

Источники информации
1. Патент США N 3186871, кл. 136-29, 1965.

2. Патент США N 3377202, кл. 136-29, 1968.

Использование: производство химических источников тока. Сущность изобретения: никелевый порошок прокатывают в ленту-подложку пористостью 7 - 11%, наносят на нее с двух сторон пасту из никелевого порошка со связующим и порообразователем, сушат, уплотняют и спекают в восстановительной атмосфере. Соотношение пористости основы и ленты-подложки равно 7 - 9. Способ обеспечивает улучшение механических характеристик и срока службы электрода с такой основой. 2 табл.

Способ изготовления пористой основы безламельных электродов щелочных аккумуляторов путем двустороннего нанесения на пористую ленту-подложку пасты из никелевого порошка со связующим и порообразователем, сушки, уплотнения и спекания в восстановительной атмосфере, отличающийся тем, что пористость ленты-подложки выдерживают равной 7 11% а соотношение пористости основы и ленты-подложки от 7 до 9.