КОМБИНИРОВАННЫЙ ЭЛЕКТРОД ДЛЯ ЩЕЛОЧНОГО АККУМУЛЯТОРА Российский патент 1997 года по МПК H01M4/24 H01M10/28 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при производстве щелочных аккумуляторов.

Известен электрод для щелочного аккумулятора, содержащий токопроводящую основу в виде сетки и активную массу, напрессованную на сетку в виде пасты со связующим [1]
Недостатком вышеуказанного электрода является малая активная поверхность из-за наличия в активной массе связующего, которое обволакивает частицы активного материала, снижая его эффективную поверхность и коэффициент использования. Уменьшение количества связующего не решает задачи, т.к. при этом снижается прочность электрода, приводящая к его разбуханию при циклировании и осыпанию активной массы.

Из известных электродов для щелочного аккумулятора наиболее близким по совокупности существенных признаков является комбинированный электрод с многослойной структурой. Центральная часть электрода представляет собой металлическую основу из нескольких слоев металлических проволочек, спеченных по местам контакта. Наружные поверхностные слои представляют собой пористые слои из спеченного карбонильного никеля, припеченные к центральной части. Электрод активировался методом пропитки [2] При пропитке активное вещество заполняет не только поверхностные слои, но и центральную часть, что повышает емкость электрода.

Однако этот известный электрод не может разряжаться импульсными токами большой величины, что связано с малой эффективной поверхностью наружных слоев.

Задачей изобретения является создание комбинированного электрода для щелочного аккумулятора, способного разряжаться импульсными токами большой величины.

Указанный технический результат достигается тем, что в комбинированном электроде в качестве центральной части взят ламельный, прессованный, прокатанный или каркасный металлокерамический электрод, а в качестве хотя бы одного из поверхностных слоев бескаркасный металлокерамический электрод, обладающий большой эффективной поверхностью. Поверхностные слои расположены на внешней поверхности электрода, выполняющего функцию центральной части комбинированного электрода. Поверхностные слои бескаркасные металлокерамические электроды, могут располагаться как на одной, так и на двух сторонах центрального электрода в зависимости от конструкции и назначения аккумулятора.

Целесообразно, чтобы толщина поверхностного слоя составляла 0,02-0,30 толщины центральной части. Указанное соотношение толщин является оптимальным. Уменьшение соотношения менее 0,02 приводит к малой толщине металлокерамического поверхностного слоя, что снижает его механическую прочность, усложняет технологию изготовления и сборки. Увеличение соотношения толщин более 0,30 нецелесообразно, поскольку это не дает увеличения импульсного разрядного тока, а повышает стоимость аккумулятора и снижает его удельные характеристики за счет увеличения массы электрода.

Целесообразно, чтобы соотношение емкостей поверхностного слоя и центральной части электрода составляло 0,01-0,25. Указанное соотношение позволяет за короткое время осуществить несколько импульсных режимов разряда без подзарядки аккумулятора от внешнего источника энергии. Эти импульсные токи будут обеспечиваться поверхностными слоями, которые между импульсными циклами разряда будут заряжаться от центральной части комбинированного электрода.

Целесообразно, чтобы поверхностный слой был выполнен из никелевой пористой фольги толщиной 20-300 мкм, пористостью 30-60% и размером пор 1-20 мкм.

Уменьшение толщины фольги менее 20 мкм нецелесообразно, поскольку она будет иметь недостаточную механическую прочность. Увеличение толщины более 300 мкм снижает удельные электрические характеристики за счет избыточной массы фольги.

Значение пористости фольги определяет эффективную активную поверхность электрода, а следовательно, и величину допустимого импульсного тока разряда. При пористости ниже 30% снижаются импульсные характеристики из-за недостаточной величины активной поверхности, при пористости выше 60% фольга обладает недостаточной механической прочностью.

При размере пор менее 1,0 мкм электрод будет обладать повышенной поляризацией из-за диффузионных ограничений.

При размере пор более 20 мкм фольга имеет повышенное омическое сопротивление и пониженную механическую прочность.

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

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

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

Пример практической реализации. Комбинированные электроды в соответствии с заявленной формулой изготавливались в двух вариантах: с ламельным и каркасным металлокерамическим электродом в качестве центральной части. В качестве поверхностных слоев при этом использовались бескаркасные металлокерамические электроды, выполненные из никелевой фольги толщиной 85 мкм, пористостью 45% и размером пор 4 мкм путем вакуумной пропитки в соответствующих растворах в течение 10-15 мин при комнатной температуре.

Для отрицательного электрода пропитка проводилась раствором нитрата кадмия, для положительного раствором нитрата никеля плотностью 1,45 г/см³. Осаждение активного вещества проводилось путем обработки в растворе гидроксида калия плотностью 1,4 г/см³. Обработанные электроды промывались дистиллированной водой и сушились при температуре 60-70^oC.

Из поверхностных электродных слоев, полученных описанным методом, были изготовлены:
а) комбинированный кадмиевый электрод с центральным ламельным и поверхностным бескаркасным металлокерамическим электродом;
б) комбинированный никелевый электрод с центральным ламельным и поверхностным бескаркасным металлокерамическим электродом;
в) комбинированный кадмиевый электрод с центральным каркасным металлокерамическим электродом и поверхностным бескаркасным металлокерамическим электродом;
г) комбинированный никелевый электрод с центральным каркасным металлокерамическим электродом и поверхностным бескаркасным металлокерамическим электродом.

Сравнительные электрические испытания комбинированных и обычных электродов без поверхностных слоев проводились в 2-х электродном электрохимическом макете аккумулятора. В качестве электролита использовался раствор гидроксида калия плотностью 1,26 г/см³ с добавкой гидроксида лития 20 г/дм³. После заряда и формировки снимались импульсные разрядные характеристики до конечного напряжения 1,0 В.

Установлено, что использование комбинированного электрода только на положительном электроде повышает разрядную мощность, в импульсе в 1,3-1,5 раза, а использование комбинированных электродов и на аноде и на катоде увеличивает разрядную мощность в 2 2,5 раза в зависимости от типа электрода, используемого в качестве центральной части. На ламельных электродах эффект увеличения импульсной мощности выше, что связано с их более высоким внутренним сопротивлением и неспособностью разряжаться импульсными токами. Многократное циклирование заявляемого электрода в составе экспериментального макета аккумулятора не оказывает влияния на его электрические характеристики.

Результаты испытаний показывают, что комбинированные электроды способны разряжаться импульсными токами.

Таким образом, вышеизложенное свидетельствует, что заявленный электрод соответствует критерию "промышленная применимость".

Использование: производство щелочных аккумуляторов с высокими удельными электрическими характеристиками. Сущность изобретения: комбинированный электрод для щелочного аккумулятора содержит в качестве центральной части ламельный, прессованный, прокатанный или каркасный металлокерамический электрод, а в качестве поверхностных слоев - бескаркасный металлокерамический электрод. Толщина поверхностного слоя составляет 0,02-0,30 толщины центральной части, номинальная емкость поверхностного слоя составляет 0,01-0,25 номинальной емкости центральной части. Поверхностный слой может быть выполнен из активированной пористой никелевой фольги толщиной 20-300 мкм, пористостью 30-60% и размером пор 1-20 мкм. Использование комбинированных многослойных электродов позволяет улучшить импульсные характеристики щелочных аккумуляторов. 4 з.п. ф-лы.

1. Комбинированный электрод для щелочного аккумулятора, содержащий центральную часть и поверхностные слои, отличающийся тем, что в качестве центральной части взят ламельный, прессованный, прокатанный или каркасный металлокерамический электрод, а в качестве хотя бы одного поверхностного слоя бескаркасный металлокерамический электрод. 2. Электрод по п.1, отличающийся тем, что толщина поверхностного слоя составляет 0,02 0,30 толщины центрального слоя. 3. Электрод по п.1, отличающийся тем, что номинальная емкость поверхностного слоя составляет 0,01 0,25 номинальной емкости центральной части. 4. Электрод по п.1, отличающийся тем, что поверхностный слой выполнен из активированной пористой никелевой фольги. 5. Электрод по п.1, отличающийся тем, что никелевая фольга имеет толщину 20 300 мкм, пористость 30 60% и размер пор 1 20 мкм.