ЭЛЕКТРОД ДЛЯ ЩЕЛОЧНОГО АККУМУЛЯТОРА Российский патент 1998 года по МПК H01M4/24 H01M4/76 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при производстве электродов для щелочных аккумуляторов (ЩА).

Основной проблемой применения прессованных электродов в ЩА является осыпание активной массы или ее перемещение и изменение формы электрода в процессе циклирования [1]
Известен электрод для щелочного аккумулятора, в котором для решения указанной проблемы наружная поверхность активного материала на основе цинка покрыта пористой резиновой пленкой [2]
Недостаток данного электрода связан с тем, что резиновая пленка не обладает достаточной прочностью для предотвращения изменения формы электрода, так называемого "оползания" активной массы.

Известен электрод для ЩА, содержащий токоотвод, брикет активной массы и наружную оболочку из перфорированной металлической ленты. Указанные электроды имеют большой ресурс [3]
Однако эти электроды обладают невысоким удельными электрическими характеристиками из-за блокирования части поверхности материалом оболочки и затрудненной миграции электролита через перфорацию к активной массе.

Из известных электродов для ЩА наиболее близким по совокупности существенных признаков является электрод, содержащий брикет активной массы, токоотвод и оболочку из металлической сетки [4] Указанный электрод обладает высокими удельными электрическими характеристиками вследствие свободного доступа электролита к активной массе.

Однако этот электрод обладает существенным недостатком, связанным с продавливанием активной массы через ячейки сетки из-за разбухания брикета активной массы при циклировании. Это приводит в конечном итоге к закорачиванию электродов и выходу ЩА из строя.

Задачей изобретения является создание электрода для ЩА, свободного от осыпания и "оползания" активной массы и обладающего стабильными разрядными характеристиками.

Указанный технический результат достигается тем, что в электроде для ЩА, содержащем брикет активной массы, токоотвод и наружную оболочку из металла, оболочка выполнена из пористого металла.

Целесообразно, чтобы толщина оболочки, для предотвращения разбухания электрода, составляла 0,005-0,2 от толщины брикета активной массы электрода.

ЦУелесообразно, чтобы пористость наружной оболочки составляла 1,0-8,0 от пористости брикета активной массы электрода для обеспечения высоких электрических характеристик.

Целесообразно, чтобы размер пор оболочки составлял 0,0005-1,5 от размера частиц активной массы в брикете, для предотвращения вымывания и осыпания активной массы с электрода. Целесообразно, чтобы электрод содержал слой ионопроводящего материала, расположенного между брикетом и оболочкой. Необходимость промежуточного слоя между оболочкой и активной массой вызвана тем, что металл оболочки может образовать гальваническую пару с материалом активного слоя. Это будет приводить к саморазряду электрода и потере емкости.

Целесообразно, чтобы слой ионопроводящего материала был пористым для улучшения доступа электролита к активной массе.

Целесообразно оболочку выполнить из пористого никеля. Применение никеля оправдано тем, что он стоек при рабочих условиях ЩА и широко используется в технологии производства источников тока.

Целесообразно, чтобы токоотвод был отделен от наружной оболочки изолятором для исключения саморазряда электрода из-за наличия электронной связи между активной массой и материалом оболочки.

Целесообразно, чтобы токоотвод имел механический контакт с наружной оболочкой через изолятор для уплотнения выхода токоотвода через оболочку.

Целесообразно, чтобы токоотвод имел электрический контакт с оболочкой для улучшения токосъема с активной массы, это возможно при совместимости материалов оболочки и активной массы с точки зрения образования гальванической пары.

Целесообразно, чтобы наружная оболочка имела газоотводящее отверстие для удаления газа, который может выделяться на электроде при перезаряде.

Соотношение толщин 0,005-0,2 оболочки и брикета активной массы определяется условиями механической прочности электрода и его удельными электрическими характеристиками. При соотношении менее 0,005 прочность каркаса будет недостаточна, чтобы удержать активную массу от набухания и "оползания". При соотношении толщин более 0,2 доля оболочки в массе электрода будет неоправданно велика, что снижает его удельные электрические характеристики.

Соотношение пористостей оболочки и брикета активной массы 1,0-8,0 определяется, с одной стороны, прочностью каркаса, с другой электрическими характеристиками. При соотношении пористостей более 8,0 прочность оболочки недостаточна для удержания активной массы от "оползания". При соотношении пористостей менее 1,0 оболочка будет диффузионным барьером для проникновения электролита к активной массе. Это увеличивает внутреннее сопротивление электрода и снижает его разрядные характеристики.

Соотношение размеров пор оболочки и частиц активной массы в брикете, равное 0,0005-1,5, определяется характеристиками электрода и возможность вымывания активной массы. При соотношении пор более 1,5 частицы активной массы могут вымываться электролитом из брикета.

Дополнительный слой ионопроводящего материала между оболочкой и брикетом активной массы необходим, когда материалы активной массы и оболочки образуют гальваническую пару. Наличие дополнительного слоя необходимо, например для цинкового электрода и никелевой оболочки. Никель и цинк в щелочном растворе образуют гальваническую пару. При этом будет происходить растворение цинка, приводящее к саморазряду электрода. Ионопроводимость дополнительного слоя необходима для переноса ионов и протекания электродных токообразующих реакций. В качестве материала дополнительного слоя могут использоваться ионопроводящие мембраны с проводимостью по ионам OH^-.

Дополнительный слой может быть выполнен также из пористого сепараторного материала, который после пропитки электролитом становится ионопроводящим.

Когда материалы оболочки и активной массы не образуют гальванической пары, целесообразно оболочку использовать как основной или дополнительный токосъемник при наличии электрического контакта между оболочкой и токоотводом. При этом дополнительный слой отсутствует и оболочка находится в контакте с брикетом активной массы.

Необходимость газоотводящего отверстия в оболочке электрода определяется наличием газовыделения в активной массе при перезаряде. Капиллярно-пористая оболочка, смоченная электролитом, непроницаема для газа. Выделяющийся газ будет раздувать оболочку, образуя газовые полости, что увеличивает внутреннее сопротивление электрода. При наличии специального отверстия в оболочке газ свободно удаляться.

При отсутствии газовыделения в электроде необходимость в газоотводящем отверстии отпадает.

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

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

Установлено, что заявленное изобретение не следует явным образом для специалиста в данной области из известного уровня техники. Следовательно, заявленное изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень". На фиг.1 схематично изображен поперечный разрез заявляемого электрода; на фиг.2
продольный разрез заявляемого электрода в зоне токоотвода.

Заявленный электрод содержит брикет активной массы 1, оболочку из пористого металла 2, слой ионопроводящего материала 3, токоотвод 4, газоотводящее отверстие 5 и изолятор 6.

Пример практической реализации.

Электрод, в соответствии с заявленным изобретением, изготавливали из смеси порошков, металлического цинка, оксида цинка, органического ингибитора коррозии и связующего. Из приготовленной смеси изготавливали брикет путем прессования на просечную сетку из оцинкованной медной фольги. Затем на обе поверхности полученного брикета напрессовывали пористую никелевую фольгу, покрытую пленкой из гидратцеллюлозы со стороны активного слоя. По периметру брикета кромки фольги сваривались, образуя карман. Толщина брикета составляла 1,5 мм, пористость- 23% при размере пор 20 мкм. Используемая пористая никелевая фольга имела толщину 70 мкм, пористость 40% и размер пор 12 мкм. Соотношение толщин оболочки из пористой фольги и активного слоя составляло 0,046, соотношение пористостей 1,7 и соотношение размеров пор 0,5. Изготовленный электрод испытывался в составе металловоздушного элемента с щелочным электролитом. Элемент разряжался током 10-15 мА/см² при напряжении 1,0-1,1В. элемент имел стабильные разрядные характеристики. Вымывание активной массы не наблюдалось. Отрицательного влияния пористой никелевой оболочки на электрические характеристики элемента не обнаружено.

Предложенный электрод будет особенно перспективен при использовании в щелочных аккумуляторах, где одной из основных проблем является "оползание" активной массы.

На основании изложенного можно сделать заключение о возможности практической реализации заявленного изобретения с достижением указанного технического результата, а следовательно и о соответствии заявленного изобретения критерию "промышленная применимость".

Использование: щелочные аккумуляторы с повышенным ресурсом. Сущность изобретения: электрод содержит брикет активной массы, токоотвод и наружную оболочку из пористого металла, например никеля. Толщина оболочки составляет 0,005 - 0,2 от толщины брикета, пористость оболочки составляет 1,0 - 8,0 от пористости брикета, а размер пор брикета составляет не более 1,5 от размера частиц активной массы в брикете. Оболочка может быть отделена от брикета слоем ионопроводящего материала, в том числе пористого. Токоотвод может быть отделен от оболочки изолятором. Оболочка имеет механический и/или электрический контакт с брикетом активной массы. Оболочка может быть снабжена газоотводящим отверстием. В электроде предотвращается осыпание и оползание активной массы, что обеспечивает стабильность разрядных характеристик. 10 з.п.-флы, 2 ил.

1. Электрод для щелочного аккумулятора, содержащий брикет активной массы, токоотвод и наружную металлическую оболочку, отличающийся тем, что оболочка выполнена из пористого металла. 2. Электрод по п.1, отличающийся тем, что толщина оболочки составляет 0,005 0,2 толщины брикета активной массы. 3. Электрод по п.1, отличающийся тем, что пористость оболочки составляет 1,0 8,0 пористости брикета активной массы. 4. Электрод по п.1, отличающийся тем, что размер пор оболочки составляет не более 1,5 размера частиц активной массы в брикете. 5. Электрод по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит слой ионопроводящего материала, расположенный между брикетом активной массы и наружной оболочкой. 6. Электрод по п.5, отличающийся тем, что дополнительный слой ионопроводящего материала выполнен пористым. 7. Электрод по п.1, отличающийся тем, что пористая оболочка выполнена из никеля. 8. Электрод по п.1, отличающийся тем, что токоотвод отделен от наружной оболочки изолятором. 9. Электрод по п.1, отличающийся тем, что токоотвод имеет механический контакт с наружной оболочкой. 10. Электрод по п.1, отличающийся тем, что токоотвод имеет электрический контакт с наружной оболочкой. 11. Электрод по п.1, отличающийся тем, что наружная оболочка имеет газоотводящее отверстие.