ГЕРМЕТИЧНЫЙ ЩЕЛОЧНОЙ АККУМУЛЯТОР Российский патент 1998 года по МПК H01M10/34 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в герметичном щелочном аккумуляторе.

Известны и выпускаются промышленностью серийно герметичные щелочные никель-кадмиевые аккумуляторы, которые собирают в прямоугольных или цилиндрических сосудах. Для обеспечения герметичности в процессе заряда в них приняты конструктивные меры для облегчения транспорта и эффективного поглощения выделяющегося кислорода кадмиевым электродом путем применения плотной сборки блока пластин, тканевого сепаратора, соответствующей пористой структуры сепаратора и кадмиевого электрода, применение матричного электролита, т. е. строгое лимитированное количество электролита для создания в порах кадмиевого электрода трехфазной границы твердого тела, жидкости и газа.

Выделение водорода исключается наличием в электродах избытка разряженной отрицательной активной массы по отношению к положительной в пределах 20-100%. Для предотвращения деформации сосуда увеличивают его жесткость, используют сосуды цилиндрической формы, применяют датчики давления, ограничивают силу зарядного тока до 0,1 0 и время заряда [1, с. 13; 18-19; 26; 28-32; 48-50 ].

Указанные герметичные щелочные никель-кадмиевые аккумуляторы из-за строго лимитированного малого количества электролита имеют существенные недостатки.

Разрядная кривая проходит несколько ниже кривой негерметичного аккумулятора и имеет больший наклон, что объясняется более высоким внутренним сопротивлением из-за малого количества электролита. Особо заметное отрицательное влияние малых количеств электролита сказывается при больших плотностях разрядного тока и при низких температурах [1, с. 33, 67, [2].

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по совокупности признаков является герметичный щелочной никель-кадмиевый аккумулятор, содержащий герметизированные по периметру блоки положительных и отрицательных электродов, последние из которых выполнены сдвоенными с прокладкой между ними из трех слоев, крайние из которых, прилегающие к поверхности сдвоенного электрода, мелкопористые, а средний - крупнопористый. Для предотвращения выделения водорода на кадмиевых электродах их зарядная емкость превышает зарядную емкость окисно-никелевых электродов, т.е. заложен избыток разряженной отрицательной активной массы [3]. При заряде такого герметичного аккумулятора раствор электролита частично вытесняется кислородом из пор сепарационного материала отрицательного электрода, а по окончании заряда возвращается обратно, что достигается герметизацией межэлектродного зазора по периметру, использованием сдвоенных отрицательных электродов с запорным и фильтрующим слоями, помещенными между ними.

Из-за сложности конструкции, необходимости выдерживания определенного соотношения структур межэлектродной сепарации, электродов, запорного и фильтрующих слоев этот аккумулятор не нашел практического применения, поэтому все выпускаемые герметичные щелочные аккумуляторы используют лимитированное количество электролита.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем.

Предлагаемое изобретение направлено на улучшение разрядных характеристик герметичного щелочного аккумулятора за счет снижения внутреннего сопротивления при разряде путем самопроизвольного заполнения аккумулятора электролитом после выключения зарядного тока.

Указанный технический результат при осуществлении предлагаемого изобретения достигается тем, что в известном герметичном щелочном аккумуляторе, содержащем сосуд, крышку с пробкой и борнами, положительные окисно-никелевые электроды, отрицательные сдвоенные кадмиевые электроды с избытком зарядной емкости по отношению к емкости окисно-никелевых электродов, сепаратор и электролит, в котором, согласно изобретению, аккумулятор снабжен изолированной камерой, соединенной герметично с электролитом аккумулятора, например, с помощью трубки, а сдвоенные кадмиевые электроды имеют свободный зазор между собой. Изолированная камера может быть расположена внутри аккумулятора или вне аккумулятора и выполнена из эластичного щелочестойкого материала в виде складывающейся гармошки или в виде замкнутого сосуда с твердыми стенками и снабжена трубкой, один конец которой расположен у дна.

Сдвоенные кадмиевые электроды с зазором между ними необходимы для облегчения подхода кислорода к поверхности кадмиевого электрода. Перед началом заряда аккумулятор, в том числе и зазоры, заполнены электролитом. Для его вытеснения из зазоров выделяющимся при заряде кислородом в аккумуляторе имеется изолированная камера, герметично соединенная с электролитом трубкой. Уровень электролита в зазорах понижается в зависимости от силы зарядного тока. Происходит поглощение кислорода кадмиевым электродом. При выключении зарядного тока образующийся за счет соединения кислорода с кадмием вакуум засасывает электролит обратно. При хранении и при разряде аккумулятор будет заполнен электролитом так же, как и негерметичный аккумулятор, а следовательно, при одинаковой конструкции электродов и блока пластин у них будет и одинаковое внутреннее сопротивление.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах изобретения, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам предлагаемого изобретения, определение из аналогов прототипа, позволил выявить совокупность существенных отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, изобретение соответствует требованию "Новизна" по действующему законодательству.

Для подтверждения соответствия изобретения требованию изобретательского уровня заявитель провел дополнительный анализ и установил, что изобретение не очевидно для специалиста явным образом из известного уровня техники, т.к. предлагаемым изобретением не предусматриваются следующие преобразования:
- дополнение известного средства какой-либо известной частью;
- замена какой-либо части известного средства другой известной частью;
- исключение какой-либо части средства с одновременным исключением обусловленной ее наличием функции и достижением при этом обычного для такого исключения результата;
- создание средства, состоящего из известных частей, выбор которых и связь между ними осуществлены на основании известных правил, и достигаемый при этом технический результат обусловлен только известными свойствами частей этого объекта и связей между ними.

Следовательно, изобретение соответствует требованию "Изобретательский уровень" по действующему законодательству.

На фиг.1 представлен общий вид герметичного аккумулятора с изолированной камерой, расположенной вне аккумулятора, в данном случае над крышкой аккумулятора, где показаны сосуд 1, крышка 2 с пробкой 3 и борнами 4, блок электродных пластин 5, трубка 6, соединяющая изолированную камеру 7 с электролитом аккумулятора 8. Изолированная камера выполнена из эластичного щелочестойкого материала в виде складывающейся гармошки.

На фиг. 2 изображен тот же аккумулятор, вид сбоку, где показаны положительный окисно-никелевый электрод 9, тканевый сепаратор 10, сдвоенные кадмиевые электроды 11 и свободный зазор 12 между ними.

На фиг. 3 изображен тот же аккумулятор с изолированной камерой внутри аккумулятора, где изолированная камера 7 расположена на дне аккумулятора и выполнена в виде замкнутого сосуда с твердыми стенками, снабженная внутренней дугообразной трубкой 6, один конец которой герметично выведен через дно камеры, а другой находится внутри у дна камеры.

Перед зарядом аккумулятор (фиг. 1) полностью заливают электролитом. В процессе заряда выделяющийся кислород создает в аккумуляторе давление и вытесняет электролит из электродных зазоров через трубку 6 в сложенную эластичную камеру 7, раздвигая ее стенки. Для более интенсивного поглощения кислорода кадмиевым электродом создают некоторое избыточное давление в аккумуляторе за счет, например, подпружинивания стенок камеры. Изолированная камера может быть расположена и у торцевой стенки аккумулятора. В аккумуляторе (фиг. 3) при возникновении давления электролит из зазоров поступает в изолированную камеру через отверстия в ее дне и внутреннюю трубку, которая предотвращает выход воздуха из камеры при наклонах аккумулятора. Поступающий в камеру электролит сжимает воздух камеры, и в аккумуляторе создается давление, полезное для поглощения кислорода. При давлении в 1 атм половина объема камеры заполнится электролитом.

При выключении зарядного тока образующийся за счет соединения кислорода с кадмием вакуум засасывает электролит в аккумулятор.

Согласно изобретению по фиг.1 в стальном сосуде был изготовлен герметичный никель-кадмиевый аккумулятор емкостью 30 Ач. Положительные электроды - металло-керамические, сепаратор ФПП-20С. Отрицательные электроды - сдвоенные, намазные с зазором 0,2 мм. Величина зазора не имеет отрицательного значения, но целесообразно делать их минимально возможными, т.к. при увеличении зазора необходимо увеличивать и объем изолированной камеры для вытесненного электролита. Эластичная складывающаяся камера в развернутом виде имела объем 124 см³, а высоту - 44 мм.

При испытании указанного аккумулятора в негерметичном виде, без пробки, емкость его составила 30 Ач, разряду подвергали током 6 А до 1 B, заряжали током 5 A и сообщали 150% номинальной емкости. Аккумулятор герметизировали после полного разряда кадмиевого электрода, емкость которого на 70% превышала емкость положительного электрода.

В герметичном виде аккумулятор заряжали током 3A и сообщали 150% номинальной емкости. После выключения зарядного тока электролит возвращался в первоначальное положение. Разрядная емкость составила 29/30 Ач на разных циклах при разряде током 6 A до 1 B. В герметичном состоянии аккумуляторы разряжали током 30 A. В обоих случаях емкость составила 25 Ач, причем разрядные кривые практически совпали между собой.

Согласно изобретению по фиг.3 изготовили в полиэтиленовом сосуде герметичный никель-кадмиевый аккумулятор на 70 Ач с ламельными положительными электродами, сепаратором их хлориновой ткани и кадмиевыми сдвоенными электродами с зазором между ними, равным 0,3 мм. Учитывая, что ламельные положительные электроды в процессе работы набухают и могут ликвидировать зазор между кадмиевыми электродами, то для фиксации зазора вертикально вставляли стальные стержни из проволоки.

Изолированную камеру для вытесненного электролита изготовили в виде прямоугольной закрытой коробки из стальной ленты. В дне камеры выполнено отверстие, внутри камеры расположена дугообразная трубка, один конец которой герметично вставлен в отверстие, а другой конец дуги опущен до дна камеры. Камера установлена в сосуде аккумулятора на дне.

В процессе испытаний аккумулятора в негерметичном состоянии емкость его составила 70 Ач, разряд проводили током 10 A до напряжения 1 B, заряд током 15 А , сообщили 150% номинальной емкости.

Аккумулятор герметизировали после полного разряда кадмиевого электрода, емкость которого на 80% превышала емкость положительного электрода. В герметичном состоянии аккумулятор заряжали током 7 A и сообщали 150% номинальной емкости. В конце заряда давление в аккумуляторе составило 0,6-0,8 атм. После выключения зарядного тока электролит возвращался в первоначальное положение. Разрядная емкость на разных циклах составила 68-71 Ач при разряде током 10 A до напряжения 1 B.

Разрядные кривые аккумулятора, заряженного в герметичном и негерметичном состоянии, практически сливаются в единую кривую.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о том, что герметичный щелочной аккумулятор, изготовленный по заявленному изобретению, способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Средство, воплощающее изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в промышленности, именно в производстве герметичных щелочных аккумуляторов никель-кадмиевой системы с электродами прессованной, металлокерамической и ламельной конструкции.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при производстве герметичных никель-кадмиевых щелочных аккумуляторов. Герметичный щелочной аккумулятор содержит сосуд, крышку с пробкой и борнами, положительные окисно-никелевые электроды, отрицательные сдвоенные кадмиевые электроды с избытком зарядной емкости по отношению к емкости окисно-никелевых электродов, сепаратор и электролит и дополнительную изолированную камеру, соединенную герметично с электролитом аккумулятора, например, с помощью трубки, а сдвоенные кадмиевые электроды имеют свободный зазор между собой. Изолированная камера может быть расположена внутри аккумулятора или вне его и выполнена из эластичного материала в виде складывающейся гармошки или в виде замкнутого сосуда с твердыми стенками и снабжена трубкой, один конец которой расположен у дна камеры. Изобретение позволяет повысить разрядные характеристики аккумулятора. 4 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Герметичный щелочной аккумулятор, содержащий сосуд, крышку с пробкой и борнами, положительные окисно-никелевые электроды, отрицательные сдвоенные кадмиевые электроды с избытком зарядной емкости по отношению к емкости окисно-никелевых электродов, сепаратор и электролит, отличающийся тем, что аккумулятор снабжен изолированной камерой, соединенной герметично с электролитом аккумулятора, например, с помощью трубки, а сдвоенные кадмиевые электроды имеют свободный зазор между собой. 2. Аккумулятор по п.1, отличающийся тем, что изолированная камера расположена вне аккумулятора. 3. Аккумулятор по п.1, отличающийся тем, что изолированная камера расположена внутри аккумулятора. 4. Аккумулятор по п.1, отличающийся тем, что изолированная камера выполнена из эластичного щелочестойкого материала в виде складывающейся гармошки. 5. Аккумулятор по п.1, отличающийся тем, что изолированная камера выполнена в виде замкнутого сосуда с твердыми стенками и снабжена трубкой, один конец которой расположен у дна.