НИКЕЛЬ-ЖЕЛЕЗНЫЙ АККУМУЛЯТОР Российский патент 1997 года по МПК H01M10/30 H01M10/34 

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

Известен никель-железный аккумулятор, содержащий корпус, щелочной электролит, положительные и отрицательные электроды, разделенные сепаратором, выполненным в виде решетки из отдельных прутков [1]
Недостаток указанного аккумулятора связан с наличием обильного газовыделения на железном электроде при заряде. Это требует наличия значительного зазора между электродами и разреженного сепаратора, обеспечивающих свободный выход образующегося при заряде газа. Рассматриваемый аккумулятор обладает увеличенными габаритами и низкими удельными характеристиками.

Из известных аккумуляторов наиболее близким по совокупности существенных признаков является никель-железный аккумулятор, содержащий корпус, раствор щелочного электролита, пористые положительные и отрицательные электроды, разделенные сепаратором. В рассматриваемом аккумуляторе для уменьшения газовыделения и обеспечения стабильной работы емкость положительного электрода меньше емкости отрицательного электрода на 20-25% [2]
Однако указанный аккумулятор неспособен разряжаться стартерными токами из-за малой активной поверхности электродов, что ограничивает область его применения.

Задачей изобретения является создание никель-железного аккумулятора, способного разряжаться стартерными токами.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном никель-железном аккумуляторе, содержащем корпус, щелочной электролит, положительный и отрицательный электроды, разделенные сепаратором, по крайней мере один из электродов дополнительно содержит хотя бы один поверхностный пористый активированный электродный слой, электрически соединенный с этим электродом. Дополнительные поверхностные электродные слои располагаются на внешней поверхности основного электрода. Указанные электродные слои имеют высокопористую структуру с развитой активной поверхностью, что позволяет обеспечить стартерные токи разряда. Дополнительные электродные слои могут быть установлены как на электродах одной полярности, так и на электродах обеих полярностей.

Целесообразно, чтобы соотношение емкостей дополнительного электродного слоя и основного электрода составляло 0,01-0,25. Указанное соотношение емкостей позволит за короткое время обеспечить несколько стартерных циклов разряда без подзарядки аккумулятора от внешнего источника энергии. Эти стартерные циклы будут обеспечиваться дополнительными электродными слоями с высокоразвитой активной поверхностью, которые между стартерными циклами заряжаются от основного электрода. При соотношении емкостей менее 0,01 время разряда в стартерном режиме будет мало и не обеспечит пуска двигателя. При соотношении емкостей более 0,25 емкость дополнительного электродного слоя будет избыточна. Кроме того, будет ограничено число возможных стартерных циклов без подзаряда аккумулятора от внешнего источника энергии.

Целесообразно, чтобы соотношение пористостей и толщин дополнительного электродного слоя и основного электрода составляло от 1,2 до 3,5 и 0,01 до 0,15 соответственно. Уменьшение соотношения толщин менее 0,01 приводит к малой толщине дополнительного слоя, что снижает его механическую прочность, усложняет технологию изготовления и сборки аккумулятора. Увеличение соотношения толщин более 0,15 нецелесообразно, поскольку это не даст дальнейшего увеличения стартерного тока, а повышает стоимость аккумулятора и снижает его удельные электрические характеристики.

Соотношение пористостей дополнительного слоя и основного электрода должно находиться в диапазоне 1,2-3,5, поскольку от пористости дополнительного слоя зависят стартерные характеристики электрода, а от пористости основного электрода емкостные характеристики. При соотношении меньше 1,2 величина стартерного тока будет ограничена из-за уменьшения активной поверхности дополнительного слоя. При соотношении более 3,5 пористость дополнительного слоя будет слишком велика, что снижает его прочность и содержание активной массы. Это, с одной стороны, может привести к разрушению дополнительного слоя при циклировании из-за разбухания основного электрода, с другой к ограничению времени стартерного цикла.

Целесообразно дополнительный электродный слой выполнить из активированной пористой никелевой фольги толщиной 40-200 мкм, пористостью 30-60% и размером пор 1-20 мкм. Активирование пористой фольги может быть выполнено, например, путем пропитки в соответствующем растворе и последующего электрохимического формирования. Применение фольги и электрохимического метода активирования упрощает технологию изготовления и стоимость производства, поскольку исключаются сложные энергоемкие технологические процессы приготовления исходной активной массы, нанесения ее на токоотвод, прессования и последующего спекания. Производство пористой никелевой фольги и методы ее активирования хорошо освоены в электротехнической промышленности и не требуют дополнительной технологической разработки.

Целесообразно дополнительный электродный слой, размещенный на отрицательном электроде, активировать соединениями кадмия, например гидроксидом кадмия. Наличие такого активированного дополнительного электродного слоя на железном электроде улучшает его разрядные характеристики, особенно при отрицательных температурах.

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

Для проверки соответствия заявленного изобретения критерию "изобретательский уровень" проведен дополнительный поиск известных технических решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения. Установлено, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники. Следовательно, заявленное изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень".

На чертеже приведены вольт-амперные характеристики никель-железных аккумуляторов: 1 аккумулятор без дополнительных электродных слоев; 2 - аккумулятор с дополнительным электродным слоем на положительном электроде; 3 - аккумулятор с дополнительными электродными слоями на положительном и отрицательном электродах.

Пример практической реализации. В качестве базового аккумулятора для проведения сравнительных испытаний взят никель-железный аккумулятор емкостью 6 A*h, содержащий 3 окисноникелевых ламельных электрода размером 105х60х4,3 мм и 2 железных ламельных электрода размером 105х60х2,6 мм. Между электродами в качестве сепараторов размещались пластмассовые трубки диаметром 1,5 мм.

Аккумулятор, в соответствии с заявленной формулой, изготавливался на основе базового аккумулятора путем размещения дополнительных электродных слоев из активированной никелевой фольги на железных электродах, а также на железных электродах и на окисноникелевых электродах. Дополнительные электродные слои изготавливались из никелевой фольги толщиной 0,1 мм и пористостью 45% Активирование никелевой фольги, используемой на железных электродах, производилось путем последовательной обработки в растворе нитрата кадмия плотностью 1,4 г/см³ и растворе гидроксида калия плотностью 1,35-1,40 г/см³. Активирование фольги, используемой на окисноникелевых электродах, производилось аналогичным образом, но вместо нитрата кадмия использовался нитрат никеля.

Перед проведением сравнительных испытаний макетов аккумуляторов в стартерном режиме они были отформированы путем проведения 6 зарядно-разрядных циклов при токах 1,0-1,5 А.

Для вышеуказанного аккумулятора соотношение емкостей дополнительного слоя и железного электрода составляло 0,02, соотношение пористостей 1,25 и соотношение толщин 0,04. Соотношение емкостей дополнительного слоя и окисноникелевого электрода составляло 0,025, соотношение пористостей 1,31 и соотношение толщин 0,02.

Сравнительные стартерные испытания аккумуляторов проводились импульсным током в течение 5 с до конечного напряжения 0,8 В.

Результаты испытаний представлены на чертеже. Сравнение характеристик показывает, что величина разрядного тока для аккумулятора с дополнительными электродными слоями на железных электродах возрастает по сравнению с током для базового аккумулятора в 1,5 раза, а для аккумулятора с дополнительными электродными слоями на электродах обеих полярностей возрастает в 2,5 раза по сравнению с базовым.

Полностью заряженный аккумулятор с дополнительными электродными слоями на электродах обеих полярностей обеспечивает 45 стартерных циклов током 6С при длительности импульса 5 с.

Анализ полученных результатов показывает, что заявленный аккумулятор позволяет обеспечить стартерный режим работы.

Таким образом, вышеизложенные данные свидетельствуют о том, что заявленный аккумулятор соответствует критерию "промышленная применимость".

Использование: химические источники тока. Сущность изобретения: устройство содержит корпус, положительный и отрицательный электроды, разделенные сепаратором, щелочной электролит и пористый активированный слой на поверхности по крайней мере одного из электродов, электрически соединенный с этим электродом. Слой может быть на отрицательном, положительном или на обоих электродах, может быть выполнен из никелевой фольги, активированной, например, соединениями кадмия. Отношение емкостей, пористостей и толщин дополнительного слоя и электрода может быть равно соответственно 0,01-0,25, 1,2-3,5 и 0,01-0,15. Это обеспечивает стартерный режим разряда. 8 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Никель-железный аккумулятор, содержащий корпус, щелочной электролит, положительный и отрицательный электроды, разделенные сепаратором, отличающийся тем, что по крайней мере один из электродов на своей поверхности дополнительно содержит хотя бы один пористый активированный электродный слой, электрически соединенный с этим электродом. 2. Аккумулятор по п.1, отличающийся тем, что дополнительный электродный слой размещен на положительном электроде. 3. Аккумулятор по п.1, отличающийся тем, что дополнительный электродный слой размещен на отрицательном электроде. 4. Аккумулятор по п.1, отличающийся тем, что дополнительные электродные слои размещены на электродах обеих полярностей. 5. Аккумулятор по п.1, отличающийся тем, что отношение емкостей дополнительного электродного слоя и основного электрода составляет 0,01 - 0,25. 6. Аккумулятор по п.1, отличающийся тем, что отношение пористостей дополнительного электродного слоя и основного электрода составляет 1,2 3,5. 7. Аккумулятор по п.1, отличающийся тем, что отношение толщин дополнительного электродного слоя и основного электрода составляет 0,01 - 0,15. 8. Аккумулятор по п.1, отличающийся тем, что дополнительный электродный слой выполнен из пористой активированной никелевой фольги. 9. Аккумулятор по пп.3 8, отличающийся тем, что дополнительный электродный слой активирован соединениями кадмия.