ГЕРМЕТИЧНЫЙ НИКЕЛЬ-КАДМИЕВЫЙ АККУМУЛЯТОР БОЛЬШОЙ ЭНЕРГОЕМКОСТИ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 1999 года по МПК H01M10/34 H01M10/26 

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при производстве герметичных никель-кадмиевых аккумуляторов большой энергоемкости.

Известны герметичные никель-кадмиевые аккумуляторы с неподвижным или малоподвижным электролитом, ограниченность перемещения которого в объеме аккумулятора определяется размещением электролита в порах тканевой матрицы-сепаратора и порах электродов. Концентрация и состав такого электролита определяется требованиями эксплуатации и особенностями технологического процесса [1].

В целях обеспечения работоспособности обеспечения аккумуляторов в широком диапазоне температур, как правило, применяют в качестве электролита достаточно концентрированный раствор едкого кали, концентрация которого составляет 250 - 400 г/л с добавкой едкого лития порядка 10 - 20 г/л, обеспечивая при этом максимально возможное удаление из электролита карбонатов, концентрация которых не должна выходить за пределы 100 - 150 г/л по карбонату калия. Аккумуляторы таким электролитом при заряде их при комнатной температуре обеспечивают работоспособность в диапазоне температур от +40^oC до -40^oC с потерей при -40^oC не более 50% емкости. Герметичные никель-кадмиевые аккумуляторы с электролитом упомянутого состава приняты за прототип заявляемого аккумулятора [2] , в качестве прототипа способа изготовления заявляемого аккумулятора взята информация приведенная в [3].

Основным недостатком аккумулятора с вышеприведенным электролитом [2] является значительное снижение их удельных характеристик по мере увеличения номинальной емкости. Последнее связано со значительным увеличением процента потери емкости после герметизации аккумуляторов. Следует отметить, что некоторое снижение емкости при переходе от циклирования аккумулятора в негерметичном виде к эксплуатации в загерметизированном состоянии достаточно обычно. Оно определяется целям рядом факторов, таким как увеличение внутреннего сопротивления, возникновение неравномерности заряда электродных пластин по высоте вследствие стекания электролита, затруднение протекания диффузионного обмена из-за малого количества электролита, а так же значительное тепловыделение аккумуляторов при их эксплуатации в герметичном виде. Увеличение тепловыделения связано с протеканием в аккумуляторе в ходе циклирования побочных процессов выделения и поглощения кислорода. В негерметичном аккумуляторе избыточная энергия, сообщаемая аккумулятору при заряде (перезаряд), расходуется на газовыделение со сбросом выделяющихся газов в атмосферу. В герметичном аккумуляторе избыточная энергия преобразуется в тепловую. Для аккумуляторов небольшой емкости (до 1-2 Ач) такое тепловыделение влияет на его работоспособность. В аккумуляторах с емкостью до 20-50-100 Ач температура в процессе эксплуатации может увеличиваться до 40-50^oC и более из-за ухудшения условий теплосъема, особенно при работе аккумуляторов в составе батарей. При этом резко ухудшаются условия заряда положительного электрода, определяющего емкость аккумулятора. Предотвращение потери емкости при герметизации может быть обеспечено увеличением содержания едкого лития в электролите до 10-12%. Недостатками прототипа способа изготовления заявляемого аккумулятора [2] являются невозможность введения этим способом в аккумулятор достаточных количеств едкого лития из-за низкой растворимости последнего в концентрированных растворах едкого кали и связанное с этим резкое снижение емкости аккумулятора (до 50%) при переходе к его эксплуатации в герметичном виде. Максимальная растворимость едкого лития в растворах едкого кали при концентрации последнего 250-350 г/л составляет около 3%. При работе аккумулятора за счет сорбции едкого лития активной массой положительного электрода концентрация едкого лития в электролите снижается до 0,5-1,0%, что явно недостаточно для обеспечения хорошей заряжаемости положительного электрода при повышенных температурах. В связи с этим при переходе к типоразмерам аккумуляторов в 10-30-100 Ач во избежание значительной потери емкости при герметизации из-за ухудшения условий теплоотдачи, содержание едкого лития в аккумуляторах указанных номиналов должно быть увеличено в 5-10 раз.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в устранении указанных недостатков, а конкретнее - в увеличении удельных характеристик герметичных никель-кадмиевых аккумуляторов большой энергоемкости (10-100 Ач и более) за счет снижения потери емкости при герметизации.

Задача решается тем, что в герметичном никель-кадмиевом аккумуляторе содержащем блоки отрицательных и положительных пластин, разделенных щелочестойким сепарационным материалом и электролитом из водного раствора едкого кали с добавкой едкого лития, компоненты электролита выбирают из следующего соотношения, (мас.%):
Едкое кали - 10-30
Едкий литий - 5-15
Вода - Остальное
Такое содержание едкого лития позволяет снизить потери емкости при герметизации с 30-50% до уровня в 10-12% и получить аккумуляторы высокой энергоемкости с фактическими удельными характеристиками до 45-50 Вт•ч/кг.

При оптимизации соотношений ингредиентов в аккумуляторе основное внимание нами было уделено содержание едкого лития, влияние которого представлено в табл. 1.

Как видно из данных, приведенных в табл. 1, содержание едкого лития, обеспечивающее минимальные потери по емкости при герметизации, заметно зависит от значения номинальной емкости. Чем больше номинальная емкость (габариты и масса аккумулятора), тем большая концентрация едкого лития необходима для получения минимальной потери по емкости. В связи с этим для аккумуляторов средних габаритов в диапазоне емкостей от 10 до 100 Ач оптимальное содержание едкого лития в электролите должно лежать в пределах 5-15% (номера примеров в табл. 4 и 5).

Способ изготовления аккумулятора большой энергоемкости с указанным выше составом электролита заключается в следующем.

Способ включает сборку пакета электродных пластин с разделением положительных и отрицательных пластин сепаратором, осадкой блока в корпус, заливку аккумулятора электролитом, проведение формированных зарядно-разрядных циклов, а отличается тем, что после установки просепарированного блока электродов в корпус заливают водным раствором едкого лития с концентрацией 50-110 г/л, пропитывают в вакууме и заряжают, после чего сливают раствор едкого лития, заливают водным раствором едкого калия с концентрацией 300-350 г/л с добавкой едкого лития 15-35 г/л и проводят зарядно-разрядные циклы. Сущность изобретения поясняется следующими примерами:
Пример 1. Никель-кадмиевый аккумулятор, состоящий из блоков оксидно-никелевых и оксидно-кадмиевых пластин, отделенных друг от друга сепараторами, помещенных в металлический корпус, заливается электролитом - раствором едкого кали с концентрацией последнего 300 г/л. Пропитка электродного блока производится под вакуумом, после чего аккумулятор формируется 4-мя зарядно-разрядными циклами с сообщением при заряде около 150% номинальной емкости. Затем избыток электролита из аккумулятора сливается, аккумулятор герметизируется и испытывается на отдачу емкости в герметичном виде.

Пример 2. Аккумулятор, изготовленный по примеру 1 с использованием в нем электролита согласно прототипа настоящего изобретения - раствора едкого кали с концентрацией 300 г/л с добавкой едкого лития в количестве 10 г/л.

Пример 3. Аккумулятор, изготовленный в соответствии с примером 1 с использованием в нем электролита с повышенным содержанием едкого лития - раствор едкого кали с концентрацией 300 г/л с добавкой 30 г/л едкого лития - максимальным количеством едкого лития, удерживаемом в растворе едкого кали такой концентрации.

Пример 4. Аккумулятор, изготовленный в соответствии с примером 1 с пропиткой его в электролитах и формировкой в соответствии с прелагаемым изобретением (см. табл. 2, пример 4).

В табл. 2 приведены экспериментальные данные, полученные в ходе изготовления и испытаний аккумуляторов емкостью 30 и 90 Ач в соответствии с вышеприведенными примерами 1-4.

Последовательность технологических операций, приведенных в примере 4, обеспечивает конечный состав электролита в герметичном аккумуляторе, отвечающий диапазону концентраций ингредиентов, указанных в формуле изобретения и соответствующих вариантам исполнения 4 и 5 табл. 1.

Как видно из представленных данных, для аккумуляторов большой емкости только предложенный состав электролита и способ его введения в аккумулятор обеспечивает достаточно высокий уровень снижения потерь емкости при переходе к эксплуатации в герметичном виде.

Последнее позволяет довести фактические характеристики таких аккумуляторов, например, аккумуляторов типа НКГК-90СА, до уровня 45-50 Вт•ч/кг.

Использование: производство герметичных химических источников тока большой энергоемкости. Сущность изобретения: устройство содержит блок разнополярных электродов, разделенных сепаратором, и электролит, включающий 10-30 мас. % едкого кали, 5-15 мас.% едкого лития и вода - остальное. После установки собранного блока электродов в корпус производят заливку едкого лития концентрацией 50-110 г/л, пропитывают в вакууме, заряжают, сливают раствор едкого лития, заливают водным раствором едкого кали концентрацией 300-350 г/л с добавкой едкого лития 15-35 г/л и проводят заряд - разрядные циклы. Это предотвращает потери емкости при герметизации и увеличивает удельные электрические характеристики. 2 с.п. ф-лы, 2 табл.

1. Герметичный никель-кадмиевый аккумулятор большой энергоемкости, содержащий блоки отрицательных и положительных пластин, разделенных щелочестойким сепарационным материалом, и электролит из водного раствора едкого кали с добавкой едкого лития, отличающийся тем, что компоненты, вводимые в аккумулятор в составе электролита, имеют следующие соотношения, мас.%:
Едкое кали - 10 - 30
Едкий литий - 5 - 15
Вода - Остальное
2. Способ изготовления герметичного никель-кадмиевого аккумулятора, включающий сборку пакета электродных пластин с разделением положительных и отрицательных электродов сепарационным материалом, осадкой блока в аккумуляторный корпус, заливку аккумулятора электролитом и проведение формировочных зарядно-разрядных циклов, отличающийся тем, что после установки просепарарированного блока электродов в корпус его заливают водным раствором едкого лития с концентрацией 50 - 110 г/л, пропитывают в вакууме и заряжают, после чего сливают раствор едкого лития, заливают водным раствором едкого кали с концентрацией 300 - 350 г/л с добавкой едкого лития 15 - 35 г/л и проводят зарядно-разрядные циклы.