ИСТОЧНИК ТОКА, СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЕГО АНОДА И МАТЕРИАЛ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ АКТИВНОЙ ЧАСТИ АНОДА Российский патент 2001 года по МПК H01M12/04 H01M4/46 C22C21/00 

Изобретение относится к электротехническим устройствам - к источнику тока, к способам изготовления его деталей, например анода, и к материалам для изготовления анода. Более конкретно - к электрохимическому металловоздушному источнику тока с алюминиевым анодом.

Изобретение может быть использовано в качестве:
резервных источников питания для освещения, в рациях, в различных приборах;
аварийных источников питания в импульсном режиме для дорожных работ, автомобилистов и в судостроении;
бытовых осветительных приборов для туризма, отдыха, охоты, рыболовства.

Известен источник тока, включающий корпус, рабочие камеры с электролитом, разделяющие их перегородки, крышку и установленный на ней катодно-анодный блок (А.С. СССР N 464145, кл H 01 М 2/00, 1982 г.)
Недостатком данного устройства является то, что катодно-анодный блок находится в постоянном контакте с электролитом и для завершения работы необходимо выполнение дополнительных элементов (выключатель и т.д.), а это повышает стоимость конструкции и ухудшает условия эксплуатации.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является источник тока, включающий корпус, рабочие камеры с электролитом, разделяющие их перегородки, крышку, имеющую возможность возвратно-поступательного перемещения в вертикальной плоскости, и установленный на ней катодно-анодный блок (см. заявку Франции N 2583223, кл. H 01 М 6/04, 1986)
В известной конструкции после ее работы крышку вместе с катодно-анодным блоком вынимают из корпуса, вне корпуса блок промывают и заливают новый электролит перед новым использованием источника тока и смешивают его со старым.

Недостатком такого источника тока является снижение ресурса его работы за счет интенсивной коррозии во время кратковременного включения источника тока, т.к. после работы аноды находятся в электролите с катодами. Кроме того, источник не предполагает кратковременный или прерывистый режим работы, т. к. в этом случае необходимо осуществлять многократное удаление и заливку электролита.

Также известный источник тока не обладает резервностью ввиду необходимости заполнения электролитом его перед использованием.

Известен способ изготовления анода, включающий изготовление активной части анода путем приготовления расплава алюминия, ввода в него элементов лигатуры, перемешивания расплава и его разлива с последующей закалкой и окончательной обработкой и соединение активной части с токовыводом (см.патент US N 4808498, кл. 429-218, 1987 г), который является прототипом.

В известном способе изготовления анода исходный материал получают литьем слитков из сплава, содержащего малорастворимые элементы. Это приводит к ликвации состава по объему слитка при его затвердевании, что в свою очередь требует дополнительные операции по гомогенизации состава и длительного или непрерывного перемешивания расплава для достижения однородности.

Однако алюминиевые сплавы нежелательно подвергать длительному перемешиванию из-за опасности замешивания оксидов алюминия и окисления легирующих компонентов, особенно свинца, содержание которого в этом случае трудно стабилизировать.

Для небольших источников тока необходимы алюминиевые аноды в виде тонких (менее 3 мм пластин), изготовление которых является трудоемкой операцией.

В известном способе алюминиевые аноды получают прокаткой полученного сплава, который обладает высокой способностью к растрескиванию.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является материал для изготовления активной части анода, включающий чистый алюминий, олово, галлий и свинец (см.патент РФ N 2035094 кл H 01 М 4/46, 1995 г)
В известном материале содержится значительное количество галлия, что приводит к увеличению стоимости анода, а следовательно, и к росту стоимости получаемой электроэнергии.

Наличие большого количества свинца ухудшает экологию выплавки сплава и затрудняет утилизацию отработанных продуктов.

Задачами предлагаемого изобретения являются:
создание источника тока с резервными свойствами при одновременном удешевлении и упрощении процесса включения и выключения источника тока;
создание способа изготовления анода, обеспечивающего получение мелкозернистой структуры с фиксацией равномерного распределения легирующих элементов, а также возможность получения метастабильных твердых растворов;
создание материала для изготовления активной части анода, имеющего возможность достижения его стабильных высоких характеристик за счет увеличения содержания олова по отношению к галлию и свинцу.

Технический результат в предложенном решении достигают созданием источника тока, включающего корпус, рабочие камеры с электролитом, разделяющие их перегородки, крышку, имеющую возможность возвратно-поступательного перемещения в вертикальной плоскости и установленный на ней катодно-анодный блок, в котором согласно изобретению в корпусе выполнены дополнительные нерабочие камеры, а крышка установлена на корпусе с возможностью подъема, позволяющего поочередное размещение в рабочих или нерабочих камерах катодно-анодного блока.

Изобретение характеризуется тем, что в корпусе выполнена по крайней мере одна рабочая и нерабочая камеры.

Это позволяет проводить сушку анодов и снижает их коррозию при выключенном источнике.

Выполнение в нерабочей камере по крайней мере одного вентиляционного отверстия необходимо для снижения потери материала в результате коррозии.

Для увеличения производительности предлагаемой конструкции и создания более мощных источников тока на крышке корпуса установлено несколько катодно-анодных блоков.

Так как источник тока используют, например, для фонарей, то необходимо место для размещения дополнительной арматуры. Для этого на крышке корпуса установлен по крайней мере один контейнер для размещения в нем арматуры. Причем на одной половине крышки установлены катодно-анодные блоки, а на другой - контейнер для размещения в нем арматуры.

Изобретение характеризуется тем, что каждый катодно-анодный блок состоит по крайней мере из одного катода и одного анода, т.к. только в этом случае происходит процесс получения электрического тока.

Снабжение нерабочей части анода защитным покрытием позволяет удешевить получаемую энергию из-за возможности более рационального использования анода, причем покрытие может быть из герметика, из оксида алюминия или из полимера, например порошковой краски.

Изобретение характеризуется тем, что анод выполнен из магниевого сплава.

Это позволяет работать источнику тока более эффективно при низких температурах, но в условиях повышенной влажности и температуры магниевые аноды имеют пониженный ресурс хранения.

Использование в качестве электролита щелочного раствора или раствора галогенида позволяет получать стабильные высокие характеристики анодного материала.

Технический результат в предложенном решении достигают созданием способа изготовления анода, включающего изготовление активной части анода путем приготовления расплава алюминия, ввода в него элементов лигатуры, перемешивания расплава, его разлив с последующей закалкой и окончательной обработкой и соединение активной части с токовыводом, в котором согласно изобретению предварительно перед вводом элементов лигатуры в расплав алюминия их смешивают до получения сплава, затем его вводят в расплав, причем разлив расплава осуществляют путем формирования из него плоской струи, а закалку проводят путем затвердения и охлаждения расплава на поверхности вращающегося кристаллизатора, затем полученную полосу или сматывают и/или разрезают и осуществляют окончательную обработку активной части анода и соединяют ее с токовыводом.

Изобретение характеризуется тем, что в период затвердевания расплава его дополнительно деформируют, например, прокаткой.

Это позволяет стабилизировать толщину получаемой заготовки.

Выполнение зацело активной части анода и токовывода путем вырубки или резки из полученной полосы позволяет достичь отсутствия электрохимической пары материалов, которые могут разрушаться в среде электролита. В данном случае можно не наносить покрытие на анод.

Изобретение характеризуется также тем, что после окончательной обработки активной части анода производят дополнительную термообработку путем отжига.

Это обеспечивает гомогенизацию и более равномерное растворение легирующих элементов в материале анода.

Так как при высоких температурах отжига сплава алюминия основная часть легирующих компонентов переходит в твердый раствор, то проведением дополнительной термообработки активной части анода с последующей закалкой в воде фиксируют равномерное распределение легирующих элементов.

Технический результат в предложенном решении достигается созданием материала для изготовления активной части анода, включающего чистый алюминий, олово, галлий и свинец, в котором согласно изобретению он содержит следующее соотношение компонентов, мас.%:
Олово - 0,25 - 0,4
Галлий - 0,005 - 0,1
Свинец - 0,005 - 0,1
Алюминий - Остальное
Наличие значительного количества свинца ухудшает экологию выплавки сплава и затрудняет утилизацию отработанных продуктов, а высокое содержание галлия приводит к удорожанию сплава, поэтому в данном материале достигают оптимальные характеристики анодного материала за счет увеличения содержания олова по отношению к галлию и свинцу.

Единый общий изобретательский замысел, объединяющий все три изобретения в группу, заключается в том, что второе изобретение (способ изготовления анода) раскрывает способ изготовления одного из основных элементов первого изобретения (источник тока), а третье изобретение (материал для изготовления активной части анода) раскрывает состав сплава, из которого выполнен анод.

Сущность предлагаемой группы изобретений поясняется нижеследующим описанием конструкции источника тока, способа изготовления анода и материала для изготовления активной части анода, а также чертежами, где
на фиг. 1 показан источник тока с контейнером для размещения в нем арматуры;
на фиг. 2 - вид сверху на фиг. 1 (крышка условно снята);
на фиг. 3 показан анод в разрезе.

Лучший вариант осуществления изобретения.

Предлагаемый источник тока включает корпус 1, рабочие камеры 2 с электролитом 3, дополнительные нерабочие камеры 4, разделяющие их, по крайней мере одна, перегородки 5, крышку 6, имеющую возможность возвратно-поступательного перемещения в вертикальной плоскости и установленную на корпусе с возможностью дополнительного поворота или перемещения в горизонтальной плоскости, позволяющего поочередное размещение в рабочих или нерабочих камерах катодно-анодного блока, который размещен на крышке.

Количество блоков может быть любым и зависит от требуемой мощности источника тока.

В корпусе выполнены по крайней мере одна рабочая 2 и дополнительная нерабочая 4 камеры. Их количество зависит от количества катодно-анодных блоков и от размеров дополнительной нерабочей 4 камеры, предназначенной для размещения в ней блока во время отключения устройства. В каждой дополнительной нерабочей камере 4 выполнено по крайней мере одно вентиляционное отверстие 7.

На крышке 6 установлен по крайней мере один контейнер 8 для размещения в нем арматуры. Причем на одной половине крышки установлены катодно-анодные блоки, а на другой - контейнер для размещения в нем арматуры.

При этом размер контейнера 8 зависит от размера нерабочей камеры 4 и от размеров арматуры, которую нужно разместить в нем, а также его объем зависит от количества электролита 3 в рабочей камере 2, т.к. вытекание его из рабочей камере в момент нахождения там контейнера 8 недопустимо. Контейнер 8 выполняют из материала, который не вступает в реакцию с электролитом 3.

Каждый катодно-анодный блок состоит по крайней мере из одного катода 9 и одного анода 10. Причем анод 10 снабжен защитным покрытием 11.

Материал, используемый в качестве покрытия 11, может быть различным и зависит от предъявляемых к аноду требований и от электролита, который применен в источнике тока (щелочного раствора или раствора галогенида).

Покрытие 11 может быть выполнено из герметика, полимера, например порошковой краски, из оксида алюминия.

В зависимости от условий работы устройства и среды электролита анод выполняют из алюминиевого сплава или из магниевого сплава.

Работу предлагаемого источника тока осуществляют следующим образом.

В предлагаемом конструктивном решении источник тока постоянно готов к работе. В исходном положении новый электролит 3 уже залит в корпус 1, катодно-анодный блок размещен в нем, а контейнер для размещения арматуры находится в нерабочей камере 4. Начинается процесс получения электрического тока известным способом.

После кратковременной работы катодно-анодный блок помещают в дополнительную нерабочую камеру 4, тем самым прекращают работу источника. Для этого крышку 6 поднимают вверх, поворачивают ее и устанавливают ее обратно на корпусе, но уже размещают катодно-анодный блок в нерабочей камере 4, а контейнер 8 - в рабочей камере 2. В данном случае нет необходимости выливать или заменять электролит.

Для включения источника тока все операции проводят в обратном порядке.

В случае использования источника тока в качестве резервной батареи исключают операцию заливки электролита, что особенно важно в случае отсутствия освещения, т.к. наличие нерабочей камеры позволяет хранить электролит в рабочей камере, что делает источник тока в том числе резервным.

Способ изготовления анода выполняют следующим образом: изготавливают активную часть 12 анода и соединяют ее с токовыводом 13.

Изготовление активной части 12 анода рассмотрим на конкретном примере получения ленты из алюминиевого сплава.

Сначала готовят расплав алюминия. Для этого алюминий чистотой 99,9% и 99,99% загружают в тигель печи (на фиг. не показан). Разогрев печи ведут постепенно, пока температура расплава алюминия не достигнет 710-800^oC.

Предварительно перед вводом элементов лигатуры в расплав алюминия их смешивают до получения сплава. Получив сплав лигатуры, его вводят в расплав алюминия, перемешивают от 1 мин до 1 часа, затем разливают.

Материал для изготовления активной части анода состоит из чистого алюминий, олова, галлия и свинца при следующем соотношении компонентов, мас.%
Олово - 0,25 - 0,4
Галлий - 0,005 - 0,1
Свинец - 0,005 - 0,1
Алюминий - Остальное
Электрические параметры источника тока в зависимости от содержания легирующих составляющих в материале анода приведены в табл. 1 и 2.

Расплав подают в промежуточную емкость, в которой формируют плоскую струю расплава, и подводят ее к поверхности вращающегося водоохлаждаемого кристаллизатора сбоку. Поверхность кристаллизатора может быть цилиндрической для получения ровной полосы или рельефной для получения полосы с разветвленной поверхностью.

На поверхности кристаллизатора происходит затвердевание расплава и его охлаждение затвердевшего материала. Полосу получают толщиной от 0,2 до 3,0 мм.

Сформировавшуюся полосу после схода с кристаллизатора рубят на листы для окончательной обработки или сматывают в рулон.

Затем осуществляют окончательную обработку активной части 12 анода и соединяют ее с токовыводом 13.

Можно окончательную обработку активной части анода производить разными методами обработки металла, а именно: штамповкой, вырубкой и резкой.

Рассмотрим процесс окончательной обработки активной части анода на примере процесса резки.

Из полученных полос вырезали активную часть 12 анода заданных размеров, а затем ее соединяют с токовыводом 13.

Токовыводы 13 из алюминия или его сплава припаивают в заданном месте или приваривают с помощью контактной сварки.

Перед соединением активной части 12 анода с токовыводом 13 проводили термообработку активной части путем отжига при температурах 550-620^oC в течение 10-300 минут. При этом легирующие элементы приобретают равномерное распределение по объему материала, образуется более равнозеренная структура сплава, что приводит к более равномерному растворению рабочей поверхности анода в электролите.

Для фиксации легирующих элементов в твердом растворе алюминия проводили термообработку отжигом по указанным выше режимам с последующей закалкой в воду.

Это также приводит к равномерной работе активной поверхности анода и устраняет неоднородность растравливания анода в процессе работы.

После формирования анода его нерабочую часть, которая не располагается в источнике тока напротив катода, а также место соединения активной части анода с токовыводом покрывают защитным покрытием 11. В качестве покрытия используют полимер, или силиконовый герметик. Защитное покрытие получают и путем окраски порошковой краской, которая является также полимером.

Полученные предложенным способом изготовления анода аноды испытывали в электролите из NaCl 3М концентрации в паре с графитонаполненным газодиффузионным катодом.

Промышленная применимость.

В результате испытаний измеряли напряжение на клеммах источника тока и коэффициент использования анодов, который определяли как отношение электрической емкости испытуемого анода (A•ч/г), к расчетному значению для алюминия (2,89 A•ч/г).

Предлагаемый источник ток опробован на фонарях мощностью 2,5 и 10 Вт с напряжением 4 и 2,2 В соответственно. Аноды 10 из предлагаемого материала и полученные по предлагаемой технологии позволили осуществить непрерывную работу осветительных устройств в течение 20 часов при плотности тока 10-40 мА/см².

При кратковременном использовании источника тока после помещения анодно-катодного блока в нерабочую камеру 4 аноды 10 из алюминиевого сплава хорошо сохранялись в течение нескольких суток до повторного включения источника и позволяли получить высокие электрические характеристики.

Электролит при этом, находясь в рабочей камере 2 и герметично закрытый, также подвергался длительному хранению без изменения свойств.

Изобретение относится к электротехническим устройством - к источнику тока, к способам изготовления его деталей, например анода, и к материалам для изготовления анода, более конкретно - к электрохимическому металловоздушному источнику тока с алюминиевым анодом. Техническим результатом изобретения является создание источника тока с резервными свойствами при одновременном удешевлении и упрощении процесса включения и выключения источника тока, способа изготовления анода - обеспечение получения мелкозернистой структуры фиксацией равномерного распределения легирующих элементов, а также возможность получения метастабильных твердых растворов; активной части анода - возможность достижения его стабильных высоких характеристик, за счет увеличения содержания олова по отношению к галлию и свинцу. Согласно изобретению в корпусе источника тока выполняют дополнительные нерабочие камеры, устанавливают крышки на корпусе с возможностью подъема и дополнительного поворота или перемещения в горизонтальной плоскости, позволяющего поочередное размещение в рабочих или нерабочих камерах катодно-анодного блока, а в способе изготовления анода предварительно перед вводом элементов лигатуры в расплав алюминия их смешивают до получения сплава, затем его вводят в расплав, причем разлив расплава осуществляют путем формирования из него плоской струи, а закалку приводят путем затвердения и охлаждения расплава на поверхности вращающегося кристаллизатора, затем полученную полосу или сматывают и/или разрезают и осуществляют окончательную обработку активной части анода и соединяют ее с токовыводом. Материал для изготовления активной части анода содержит следующее соотношение компонентов, мас.%: олово 0,25-0,4, галлий 0,005-0,1, свинец 0,005-0,1, алюминий - остальное. 3 c. и 20 з.п.ф-лы, 3 ил. , 2 табл.

1. Источник тока, включающий корпус, по крайней мере, одну рабочую камеру с электролитом, разделяющие их перегородки, крышку, имеющую возможность возвратно-поступательного перемещения в вертикальной плоскости и установленный на ней катодно-анодный блок, отличающийся тем, что в корпусе выполнена, по крайней мере, одна дополнительная нерабочая камера, а крышка установлена на корпусе с возможностью подъема, позволяющего поочередное размещение в рабочих или нерабочих камерах катодно-анодного блока. 2. Источник тока по п.1, отличающийся тем, что в корпусе выполнены одна рабочая и одна дополнительная нерабочая камеры. 3. Источник тока по любому из пп.1 - 2, отличающийся тем, что в дополнительной нерабочей камере выполнено, по крайней мере, одно вентиляционное отверстие. 4. Источник тока по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что на крышке корпуса установлено несколько катодно-анодных блоков. 5. Источник тока по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что на крышке корпуса установлен, по крайней мере, один контейнер для размещения в нем арматуры. 6. Источник тока по любому из пп.1 - 5, отличающийся тем, что на одной половине крышки установлены катодно-анодные блоки, а на другой - контейнер для размещения арматуры. 7. Источник тока по любому из пп.1 - 6, отличающийся тем, что каждый катодно-анодный блок состоит, по крайней мере, из одного катода и одного анода. 8. Источник тока по п.7, отличающийся тем, что нерабочая часть анода катодно-анодного блока снабжена защитным покрытием. 9. Источник тока по п.8, отличающийся тем, что защитное покрытие анода выполнено из герметика. 10. Источник тока по п.8, отличающийся тем, что защитное покрытие анода выполнено из полимера. 11. Источник тока по п.10, отличающийся тем, что в качестве полимера используют порошковую краску. 12. Источник тока по п. 8, отличающийся тем, что защитный слой анода выполнен из оксида алюминия. 13. Источник тока по любому из пп.7 - 12, отличающийся тем, что анод выполнен из алюминиевого сплава. 14. Источник тока по любому из пп.7 - 12, отличающийся тем, что анод выполнен из магниевого сплава. 15. Источник тока по любому из пп.1 - 14, отличающийся тем, что в качестве электролита используют щелочной раствор или раствор галогенида. 16. Способ изготовления анода из алюминиевого сплава, включающий изготовление активной части анода путем приготовления расплава алюминия, ввода в него элементов лигатуры, перемешивания расплава и его разлива с последующей закалкой и окончательной обработки, и соединение активной части с тоководом, отличающийся тем, что предварительно перед вводом элементов лигатуры в расплав алюминия их смешивают до получения сплава, затем его вводят в расплав, причем разлив расплава осуществляют путем формирования из него плоской струи, а закалку проводят путем затвердения и охлаждения расплава на поверхности вращающегося кристаллизатора, затем полученную полосу или сматывают и/или разрезают и осуществляют окончательную обработку активной части анода и соединяют ее с токовыводом. 17. Способ изготовления анода по п.16, отличающийся тем, что в период затвердевания расплава его дополнительно деформируют. 18. Способ изготовления анода по любому из п.16 и 17, отличающийся тем, что расплав дополнительно деформируют прокаткой. 19. Способ изготовления анода по любому из пп.16 - 18, отличающийся тем, что активную часть анода и токовывод выполняют зацело путем вырубки или резки из полученной полосы. 20. Способ изготовления анода по любому из пп.16 - 19, отличающийся тем, что после окончательной обработки активной части анода производят дополнительную термообработку. 21. Способ изготовления анода по п.20, отличающийся тем, что дополнительную термообработку производят путем отжига. 22. Способ изготовления анода по любому из пп.16 - 19, отличающийся тем, что после окончательной обработки активной части анода производят ее дополнительную термообработку и последующую закалку в воде. 23. Материал для изготовления активной части анода из алюминиевого сплава, отличающийся тем, что он содержит следующее соотношение компонентов, мас.%:
Олово - 0,25 - 0,4
Галлий - 0,005 - 0,1
Свинец - 0,005 - 0,1
Алюминий - Остальное