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

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

Известен никель-кадмиевый аккумулятор, содержащий корпус, щелочной электролит, ламельные положительный и отрицательный электроды и сепаратор, расположенный между электродами [1]
Недостатком указанного аккумулятора является низкий разрядный ток, величина которого ограничивается высоким внутренним сопротивлением ламельных электродов в связи с тем, что ламели имеют малую открытость активной поверхности против высыпания и вымывания активной массы из ламельного электрода.

Известен никель-кадмиевый аккумулятор, содержащий корпус, щелочной электролит, положительные и отрицательные электроды, разделенные сепаратором. Для увеличения разрядных характеристик электроды выполнены прессованными и гофрированными. За счет увеличения пористости и площади электродов обеспечивается увеличение разрядного тока [2]
Однако, рассматриваемый аккумулятор обладает рядом существенных недостатков. Он сложен в изготовлении из-за наличия гофрированных электродов. Необходимость применения одностороннего кадмиевого электрода приводит к снижению удельных электрических характеристик. Кроме того, наличие в прессованном электроде связующего ограничивает его пористость и повышает внутреннее сопротивление. Указанные факторы ограничивают максимальный разрядный ток.

Из известных аккумуляторов наиболее близким по совокупности существенных признаков является никель-кадмиевый аккумулятор, содержащий корпус, щелочной электролит, положительные и отрицательные электроды, разделенные сепаратором [3] Для улучшения стартерных характеристик используются спеченные металлокерамические окисно-никелевые электроды. Указанные электроды обладают высокой пористостью и малым внутренним сопротивлением, что позволяет снимать большие токи в течение нескольких секунд.

Однако, указанный аккумулятор обладает ограниченным значением интегральной емкости на единицу видимой поверхности электрода, что связано с малым содержанием активной массы в порах электрода. Увеличение содержания массы в порах приводит к снижению пористости, а следовательно, к снижению разрядного тока и потере основного преимущества металлокерамического электрода способности разряжаться стартерными токами.

Задачей изобретения является создание никель-кадмиевого щелочного аккумулятора, способного работать в стартерном режиме.

Указанный технический результат достигается тем, что в щелочном аккумуляторе, содержащем корпус, электролит, положительный и отрицательный электроды, разделенные сепаратором, по крайней мере, один из электродов содержит дополнительный поверхностный пористый активный слой.

Целесообразно, чтобы дополнительный активный слой был размещен на положительном электроде, на поверхности, обращенной к отрицательному электроду. При размещении положительного электрода между двумя отрицательными электродами дополнительный слой располагается на обеих поверхностях положительного электрода. Наличие на поверхности электрода дополнительного активного слоя позволяет обеспечить высокие значения токов, которые характерны для стартерного режима разряда. Наибольшая необходимость в дополнительном активном слое возникает, когда ток разряда ограничивается характеристиками положительного электрода. Так, например, в аккумуляторе с ламельным или прессованным положительным электродом ток разряда ограничивается положительным электродом из-за малой величины активной поверхности и большого внутреннего сопротивления. Введение дополнительного слоя на указанный тип электрода снимает ограничение в величине разрядного тока.

Целесообразно, чтобы дополнительный слой был размещен на отрицательном электроде. Это особенно необходимо, когда активность отрицательного электрода меньше активности положительного электрода и именно отрицательный электрод определяет величину разрядного тока. Этот случай имеет место на практике, когда в качестве отрицательного электрода, как и в случае положительного электрода, используются прессованные или ламельные электроды, обладающие низкой активностью.

Целесообразно, чтобы дополнительный активный слой был размещен и на положительном, и отрицательном электродах. Это необходимо, когда оба электрода не могут обеспечить требуемое значение стартерного тока разряда, например, когда в никель-кадмиевом аккумуляторе используются положительные и отрицательные ламельные электроды. Введение дополнительных поверхностных активных слоев на электродах позволяет снять ограничение в величине разрядного тока и обеспечить стартерный режим разряда.

Целесообразно, чтобы отношение емкостей дополнительного активного слоя и центральной части электрода составляло 0,01-0,25. Указанное соотношение емкости позволяет обеспечить стартерные циклы разряда аккумулятора. При соотношении емкостей менее 0,01 аккумулятор не обеспечивает пуска двигателя. При соотношении емкостей дополнительного слоя и центральной части электрода более 0,25 емкость дополнительного слоя избыточна, что повышает стоимость аккумулятора и снижает его удельные электрические характеристики.

Целесообразно, чтобы соотношение толщин дополнительного слоя и центральной части электрода составляло от 0,02 до 0,3. Уменьшение соотношения толщин менее 0,02 приводит к малой толщине металлокерамического слоя, что снижает его механическую прочность, усложняет технологию изготовления и сборки. Кроме того, при малой толщине дополнительного слоя он не предотвращает разбухание центральной части электрода при циклировании. Увеличение соотношения толщин более 0,3 не дает увеличения стартерного тока, а только повышает стоимость аккумулятора и снижает его удельные электрические характеристики.

Целесообразно, чтобы соотношение пористостей дополнительного слоя и центральной части электрода составляло от 1,2 до 3,5, поскольку от пористости дополнительного слоя зависят стартерные характеристики электрода, а от пористости центральной части электрода емкостные характеристики. При соотношении меньше 1,2 величина стартерного тока будет ограничена из-за снижения активной поверхности дополнительного слоя. При соотношении более 3,5 пористость будет слишком велика, что снижает прочность дополнительного слоя и уменьшает содержание активной массы. Это с одной стороны может привести к разрушению дополнительного слоя при циклировании из-за разбухания центральной части электрода, с другой к ограничению времени стартерного режима разряда.

Целесообразно, чтобы дополнительный слой электрода был выполнен из активированной пористой никелевой фольги. Активирование фольги производится, например, путем ее пропитки в соответствующем растворе и последующего электрохимического формирования.

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. На основании проведенного анализа установлено, что изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники. Следовательно, заявленное изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 приведены зависимости среднего разрядного напряжения от глубины разряда для базового аккумулятора и аккумуляторов с дополнительным слоем на положительном электроде, отрицательном электроде и на обоих электродах.

Пример. В качестве базового аккумулятора для проведения сравнительных испытаний взят никель-кадмиевый аккумулятор емкостью 12,5 Ач, содержащий 6 стандартных никелевых металлокерамических электродов размером 71х121х0,57 мм, 7 металлокерамических кадмиевых электродов с теми же размерами, но толщиной 0,62 мм, сепаратор положительных электродов из капроновой ткани толщиной 0.2 мм, сепаратор отрицательных электродов из полипропиленового нетканого материала толщиной 0,1 мм. Положительные электроды имели пористость 15%
Аккумулятор, в соответствии с п. 2 заявленной формулы, изготовлялся на основе базового аккумулятора путем приварки на поверхность положительных электродов дополнительных слоев и последующей сборки аккумулятора. Дополнительные слои изготавливались из активированной никелевой пористой фольги и имели емкость 80,0-90,0 А•с. Формировка указанных дополнительных слоев проводилась в составе аккумулятора. Аккумулятор содержал 12 дополнительных слоев. Для заявляемого аккумулятора соотношение емкостей дополнительного слоя и центральной части электрода составляло 0,023, соотношение пористостей 1,32 и соотношение толщин 0,16.

Аккумулятор, в соответствии с п. 3 формулы изобретения, изготавливают на основе базового аккумулятора путем приварки на поверхность кадмиевых электродов дополнительных активных слоев и последующей сборки аккумулятора. Дополнительные активные слои изготавливались из активированной никелевой пористой фольги. Аккумулятор содержал 14 дополнительных слоев. Соотношение емкостей дополнительного слоя и центральной части электрода составляло 0,034, соотношение пористостей и толщин такое же, как и в случае дополнительного слоя на положительном электроде.

Аккумулятор, в соответствии с п. 4 формулы, содержал положительные и отрицательные электроды с дополнительными слоями, выполненными как описано выше.

Сравнительные испытания базового и описанных выше аккумуляторов проводились током 5C на одинаковую глубину разряда в течение 10-15 сек. Результаты испытаний представлены на фиг. 1. Сравнение разрядных характеристик показывает, что самое низкое разрядное напряжение имеет базовый аккумулятор, самое высокое заявляемый аккумулятор с дополнительными слоями одновременно и на положительных, и на отрицательных электродах. Разрядные напряжения на аккумуляторах с дополнительными слоями на положительных электродах и отрицательных электродах практически совпадают друг с другом, но на 0,15-0,20 B выше разрядного напряжения базового аккумулятора. Повторное циклирование аккумуляторов дает хорошую воспроизводимость результатов. Анализ полученных результатов показывает, что заявляемый аккумулятор с дополнительным слоем на положительных электродах позволяет дополнительно получить при разряде в стартерном режиме 950-100 А•с, аккумулятор с дополнительным слоем на отрицательных электродах 1400-1500 А•с. Аккумулятор с дополнительными слоями на электродах обеих полярностей дает дополнительную емкость 2300-2400 А•с. Заявляемый аккумулятор допускает последовательное проведение нескольких циклов разряда в стартерном режиме без подзарядки аккумулятора от внешнего источника. Время выдержки между циклами разряда составляло 15-30 секунд. Результаты испытаний показывают, что заявляемый аккумулятор способен работать в стартерном режиме.

Таким образом, вышеизложенные данные свидетельствуют о том, что заявляемый аккумулятор обеспечивает достижение заявленного технического результата и соответствует критерию "промышленная применимость".

Использование: щелочные аккумуляторы. Сущность изобретения: никель-кадмиевый аккумулятор содержит корпус, щелочной электролит, положительный и отрицательный электроды, разделенные сепаратором, и дополнительный пористый активный слой, расположенный на поверхности, по крайней мере, одного из электродов - положительного, отрицательного или обоих электродов. Отношение емкостей дополнительного слоя и центральной части электрода составляет 0,01-0,25, отношение пористостей - 1,2-3,5 и отношение толщин - 0,02-0,3. Дополнительный слой может быть выполнен из пористой активированной никелевой фольги. Аккумулятор способен работать в стартерном режиме. 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Никель-кадмиевый аккумулятор, содержащий корпус, щелочной электролит, положительные и отрицательные электроды, разделенные сепаратором, отличающийся тем, что по крайней мере один из электродов дополнительно содержит хотя бы один поверхностный пористый активный слой, электрически соединенный с этим электродом. 2. Аккумулятор по п.1, отличающийся тем, что дополнительный слой размещен на положительном электроде. 3. Аккумулятор по п.1, отличающийся тем, что дополнительный слой размещен на отрицательном электроде. 4. Аккумулятор по п.1, отличающийся тем, что дополнительный слой размещен на электродах обеих полярностей. 5. Аккумулятор по п.1, отличающийся тем, что отношение емкостей дополнительного слоя и центральной части электрода составляет 0,01 0,25. 6. Аккумулятор по п.1, отличающийся тем, что отношение пористостей дополнительного слоя и центральной части электрода составляет 1,2 3,5. 7. Аккумулятор по п.1, отличающийся тем, что отношение толщин дополнительного слоя и центральной части электрода составляет 0,02 0,3. 8. Аккумулятор по п.1, отличающийся тем, что дополнительный слой выполнен из пористой активированной никелевой фольги.