КОМПОНОВКА ЭЛЕКТРОДОВ ДЛЯ НИКЕЛЬ-КАДМИЕВЫХ АККУМУЛЯТОРОВ И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 2003 года по МПК H01M4/26 H01M10/30 

Данное изобретение относится к компоновке электродов для никель-кадмиевых (НК) аккумуляторов и к способу ее изготовления. В частности, изобретение относится к компоновкам электродов для НК-аккумуляторов, у которых изготовлен, по меньшей мере, один тип электрода с применением технологии волокнистой структуры.

Обычные НК-аккумуляторы изготавливаются с применением так называемых спеченных электродов. Спеченные электроды могут изготавливаться только до определенной толщины, вследствие чего также ограничена имеющаяся в распоряжении плотность энергии. Развитие технологии волокнистой структуры улучшило это. При этом применяются металлизированные каркасы волокнистой структуры, изготавливаемые металлизацией пористых нетканых материалов или нетканых изделий, полученных иглопробивным способом, из электронепроводящих, искусственных волокон. Такие электроды с волокнистой структурой могут выполняться более толстыми, благодаря чему при той же плотности энергии аккумулятор может выполняться с меньшими размерами и более легким, и при том же размере он может иметь более высокую мощность. Преимущество электродов на базе технологии волокнистых структур состоит также в более продолжительном сроке службы. Разумеется электроды на основе технологии волокнистым структур требуют немного более высокого зарядного напряжения, чем элементы со спеченными положительными пластинами. Вследствие этого применение НК-аккумуляторов с электродами на основе технологии волокнистых структур требует учета потребности в более высоком зарядном напряжении. Одновременно повышенное зарядное напряжение может неблагоприятно сказываться на потреблении воды.

Щелочные элементы так же, как НК-аккумуляторы, могут выполняться с закрытым и открытым дизайном.

В открытой конструкции отводятся газы, возникающие в конце зарядки. При этом сепаратор не только отделяет электроды, но и предотвращает выход газов.

И, наоборот, при закрытом дизайне кислород, образующийся на положительных электродах, направляется непосредственно к отделенным отрицательным электродам. Благодаря этому в конце зарядки уменьшается зарядное напряжение. В газоплотно выполненных НК-аккумуляторах с электродами на основе технологии волокнистых структур кислород направляется над газовой фазой и пористым, газопроводящим промежуточным слоем между отрицательными электродами. Закрытая конструкция требует ограничения количества электролита для получения достаточно освобожденных от электролита газовых каналов. Кроме того, закрытые НК-элементы в волокнистой технологии используют удаление газа из корпуса элемента при изготовлении и длительную герметизацию для облегчения удаления газа. За счет ограничения количества электролита заметно уменьшается теплоемкость элементов и вследствие этого повышается опасность перегрева при перезарядке элементов.

Исходя из описанного уровня техники, в основу изобретения положена задача обеспечения изготовления призматических никель-кадмиевых аккумуляторов без ограничения количества электролита, имеющих электроды с волокнистой структурой, которые при сохранении вышеописанных преимуществ являются совместимыми с обычными НК-аккумуляторами в отношении зарядного напряжения, то есть не нуждаются в более высоких, по сравнению с ними, зарядных напряжениях и имеют уменьшенные расходы на обслуживание в плане потребления воды. Кроме того, может упрощаться их изготовление.

В отношении способа технического решения задачи предлагается способ изготовления компоновок электродов для НК-аккумуляторов с, по меньшей мере, частичным применением электродов с волокнистой структурой, причем изготавливают положительные и отрицательные пластинчатые электроды с промежуточной прокладкой сепараторного материала укладыванием с чередованием в пакет в заданном количестве для образования электродного пакета, и одинакового знака электроды соединяют соответственно друг под другом с помощью шин для соединения пластин одного знака, причем электродный пакет сжимают по всей площади при сжатии сепараторного материала, находящегося между электродами, и фиксируют с образованием стабильной формы, которая, по меньшей мере, в собранном и сжатом состоянии преимущественно препятствует прохождению газа параллельно горизонтальным поверхностям пластинчатых электродов, однако, в основном, дает ему возможность проходить поперечно поверхностям пластинчатых электродов и имеет полости для периодического промежуточного накопления газа.

В качестве сепараторного материала применяют прочес с толщиной, по меньшей мере, от 0,5 до приблизительно 1 мм, обеспечивающей достаточное накопление газа, выражающееся также в весе, отнесенном к единице площади, который полностью или частично может смачиваться электролитом и предпочтительно состоит из полиамида, или полиолефина, или аналогичных полимеров, или смесей этих веществ, причем полиамид является предпочтительным. Сепараторный материал должен иметь длительно сохраняющуюся эластичность, обеспечивающую устойчивый, механически надежный контакт с электродами.

Неожиданно было установлено, что компоновки электродов, изготовленные способом согласно изобретению, не изменяют преимуществ НК-аккумуляторов с электродами с волокнистой структурой по сравнению с обычными НК-аккумуляторами, но, кроме того, исходят из низких зарядных напряжений, то есть являются совместимыми с другими системами и требуют уменьшенных расходов на обслуживание, так как по сравнению с обычными НК-аккумуляторами потребление воды значительно снижено. Это обусловлено фиксацией в электродном пакете кислорода, образованного в фазе перезарядки, и его последующим поглощением на отрицательной пластине, а также улучшенным тепловым режимом, создаваемым также применением более низких зарядных напряжений. Существенным является то, что сжатие осуществляется перед так называемой зарядкой перед вводом в работу, то есть перед инициирующим зарядом, а электродный пакет фиксируется формостабильно в сжатом состоянии.

Предполагается, что поглотительная способность и задерживающая способность сепараторного материала для кислорода и обеспеченное тем самым равномерное поглощение кислорода на отрицательном электроде является существенным аспектом изобретения. Из большого числа различных сепараторных материалов для этой цели подходят только сепараторы из нетканого материала. Они состоят из волокон со статическим распределением в противоположность ориентированным тканям, содержащим пучки волокон с определенными предпочтительными направлениями. Сепараторы из прочеса являются высокопористыми в отличие от других типов сепараторов. Пористость составляет от 70 до 90%. Благодаря эластичности нетканых сепараторов в направлении толщины, то есть перпендикулярно к поверхностям электродов, за счет сжатия при изготовлении пакета (стопки) элементов и фиксации в этом положении пространство между электродами полностью заполняется сепараторами. При соответствующей регулируемой скорости зарядки или тока зарядки газообразный кислород, образующийся на положительном электроде, не выходит из электродного пакета, а заполняет поры при вытеснении электролита. На граничной поверхности к отрицательному электроду кислород поглощается при деполяризации электрода. Регулирование скорости зарядки может достигаться, например, при поддержании зарядного напряжения. Этот тип регулирования не подходит для упомянутых газоплотных никель-кадмиевых элементов. Кислород, образующийся во время работы на положительных электродах, не отводится из пространства между соседними электродами и не проводится непосредственно через сепараторный материал к отрицательным электродам, а частично направляется к отрицательному электроду, частично промежуточно накапливается. Тем самым обеспечивается долго сохраняющийся, непрерывный газовый поток к отрицательному электроду, который ограничивает состояние зарядки и, тем самым, поляризацию, которые могли бы привести к повышению зарядного напряжения. Равномерное поглощение кислорода и избыток электролита уменьшает опасность перегрева. За счет сжатия электродного пакета параллельно поверхностям электродов сепаратор запирается от выхода кислорода, поперечно ему создается сопротивление переходу кислорода, вызывающему промежуточное накопление. Существенным является то, что значительная часть кислорода, образующегося в фазе перезарядки, которая может составлять от 70 до 98%, таким образом поглощается, хотя элемент обходится без ограничения количества электролита. Более того, элементы получают избыток электролита при уровне электролита вплоть до верхнего края электродного пакета аналогично открытым никель-кадмиевым элементам.

Сжатие осуществляется предпочтительным образом до заданного расстояния между электродами, и/или до заданного состояния сжатия сепаратора, и/или до создания определенной силы сжатия.

Согласно предпочтительному выполнению изобретения в качестве сепараторного материала применяется материал, длительно сохраняющий эластичность, а сепаратор сжимают между электродами предпочтительно на 70-90% от его первоначальной толщины. В качестве сепараторного материала применяют так называемый прочес, который согласно особенно предпочтительному выполнению изобретения является многослойным. Согласно еще одному предпочтительному аспекту изобретения может применяться сепаратор, окружающий электроды в форме кожуха. За счет этого автоматически образуется многослойность, с одной стороны, и защита кромок, с другой стороны. Размещение в кожухе облегчает, в частности, работу с электродами.

В остальном же сепаратор обладает всеми обычными свойствами существующих сепараторов, то есть имеет возможность электрической сепарации, имеет, по меньшей мере, стандартизированную ионную проводимость в состоянии заполнения электролитом.

Определенное преимущество можно получить, если электронные пластины выравниваются по поверхности перед накладыванием сепараторного материала. Говорят о так называемом предварительном калибровании. Предварительное калибрование может согласно предлагаемому изобретению осуществляться в заполненных и сухих электродах механически, с помощью валков, причем могут, в значительной мере, удаляться выступающие или стимулирующие рост дендритов металлизированные концы волокон или металлизированные остатки волокон и уменьшаться шероховатость поверхностей электродов. Уменьшение шероховатости имеет особое значение, так как сжатие электродного пакета приводит к длительно остающемуся эластичным по всей площади контакту между поверхностью электродной пластины и сепараторным материалом, благодаря чему практически не может осуществляться прохождение газа вдоль поверхности электродной пластины.

Сжатие и/или фиксирование электродного пакета могут осуществляться перед встраиванием в корпус гальванического элемента или же в самом корпусе гальванического элемента.

Особенно предпочтительным является применение способа согласно изобретению при использовании электродов, причем применяются металлизированные волокнистые структурные каркасы, образованные металлизацией пористых нетканых волокнистых материалов или нетканого иглопробивного материала из электрических непроводящих искусственных волокон, причем пористость лежащих в основе текстильных структур лежит между 50 и 98%, и диаметр волокон составляет от 5 до 40 мкм, причем вес, отнесенный к единице площади нетканого волокнистого материала или нетканого иглопробивного материала, составляет от 50 г/м² до 800 г/м², а толщина текстильного материала лежит в диапазоне от 0,5 до 5 мм.

Способ согласно изобретению позволяет изготовить НК-аккумуляторы, более легкие и компактные по сравнению с обычными НК-аккумуляторами той же мощности, совместимые по требованиям к зарядному напряжению и сопоставимые по расходам на их обслуживание. Компоновки электродов, изготовленных способом согласно изобретению, являются новыми и неизвестными, а также неблизкими к уровню техники.

С точки зрения устройства для технического решения задачи предложена компоновка электродов для НК-аккумуляторов с, по меньшей мере, частичным применением электродов с волокнистой структурой, причем изготавливают положительные и отрицательные пластинчатые электроды, укладывают с чередованием в пакет в заданном количестве с прокладкой сепараторного материала для образования электродного пакета, и одинаково направленные электроды соединены соответственно друг под другом с помощью шин для соединения пластин одного знака, причем электродный пакет сжимают по всей площади со сжатием сепараторного материала, находящегося между электродами, и фиксируют с образованием стабильной формы, для чего электродный пакет помещают между механическими зажимающими элементами. Предпочтительно применяется сепараторный материал, который, по меньшей мере, в собранном и сжатом состоянии, в основном, препятствует прохождению газа параллельно горизонтальным поверхностям пластинчатых электродов, однако дает возможность проходить преимущественно поперечно к поверхностям пластинчатых электродов и имеет полости для периодического промежуточного накопления газа. В качестве сепаратного материала применяют волокнистый прочес с толщиной, обеспечивающей достаточное накопление газа, которое выражается также в весе, отнесенном к единице площади, который частично или полностью смачивается электролитом и состоит предпочтительно из полиамида, или полиолефина, или аналогичных полимеров, или смесей этих веществ, причем предпочтительным является полиамид. Сепараторный материал должен иметь длительно сохраняющуюся эластичность, обеспечивающую устойчивый, механически надежный контакт с электродами.

Электродные пластины могут сжиматься в уложенном в пакеты состоянии сначала перед сборкой в корпус элементов и фиксируются путем расположения соответствующих деталей. Например, на внешние электродные пластины могут накладываться рамочные пластины, которые после сжатия соединяют с перемычками, проходящими вдоль боковых кромок электродный пластины. При этом соединение может осуществляться сваркой, свинчиванием и т.п., соединение может также дополнительно регулироваться, благодаря чему толщина пакета и давление в пакете могут устанавливаться дополнительно.

Для получения еще одного преимущества предлагается, чтобы внешние электродные пластины являлись отрицательными пластинами, на которые, без промежуточной прокладки сепараторного материала, накладывается материал зажимной рамки.

Компоновка электродов согласно изобретению позволяет изготовить отрицательные НК-аккумуляторы, более легкие и компактные по сравнению с обычными НК- аккумуляторами той же мощности, совместимые по требованиям к зарядному напряжению и сопоставимые по расходам на их обслуживание. Компоновки электродов, изготовленных способом согласно изобретению, являются новыми и неизвестными или не близкими к уровню техники.

Другие преимущества и признаки изобретения следуют из описания чертежей.

На фиг.1 показан вид сбоку на компоновку электродов согласно изобретению в одном примере выполнения,
фиг.2 - вид снизу на пример выполнения,
фиг. 3 - возможная фиксация электродного пакета с применением эластично действующих натяжных лент вокруг зажимных пластин,
фиг.4 - вид снизу согласно фиг.3,
фиг. 5 - возможная фиксация электродного пакета с применением опорных элементов, отводящих силу, действующую на стенку элемента или его кромки,
фиг.6 - вид снизу на фиг.5,
фиг. 7 - применение зажимных оболочек, которые фиксируются сваркой, свинчиванием или другой техникой соединения геометрическим или силовым замыканием,
фиг.8 - вид снизу на фиг.7 и
фиг. 9 - применение сепараторных кожухов вокруг всех электродов с применением примера выполнения согласно фиг. 7 и 8.

На отдельных фигурах одни и те же элементы обозначены одинаковыми ссылочными позициями.

Положительные электроды 1 и отрицательные электроды 2 - оба выполнены предпочтительно в виде электродов с так называемой волокнистой структурой и собраны с чередующейся прокладкой сепараторного материала 3 с образованием электродного пакета. Положительные электроды 1 соединены с полюсной пластиной 6, отрицательные электроды 2 соединены с электрически отделенной полюсной пластиной 7 и снабжены болтом 8 крепления полюса. С обеих сторон на электроды наложены прижимные пластины 4 и соединены зажимными элементами 5, предпочтительно зажимными перемычками или зажимными скобами. Соединение может осуществляться, например, винтами, сваркой и т.п. Комплект вставляется в корпус 9 гальванического элемента. На фигурах 3 и 4 показана альтернативная форма выполнения, причем пакет электродов с двух сторон одинаковым образом снабжается прижимными пластинами 4, соединенными зажимными лентами 10. При этом зажимные ленты 10 могут быть соединены техникой склеивания или сварки, а также любой другой известной техникой соединения.

Другая альтернативная форма выполнения показана на фигурах 5 и 6. Здесь с двух сторон проложены электродные пластины с прижимными пластинами 4. Однако функция сжатия в полости корпуса 9 гальванического элемента осуществляется соответствующими опорными элементами 11. Опорные элементы 11 расположены предпочтительно внутри корпуса гальванического элемента таким образом, что силы отводятся по углам. Сжатие электродной стопки снаружи корпуса фиксируется внутри корпуса гальванического элемента опорными элементами 11.

Другая альтернативная форма выполнения показана на фигурах 7 и 8. Здесь вместо прижимных пластин на электроды с двух сторон накладываются нажимные оболочки 12, которые при сборке прижимаются друг к другу под действием силы и фиксируются. Фиксирование осуществляется соединением с геометрическим или силовым замыканием. Предпочтительно может применяться точечная сварка, с помощью которой оболочки могут соединяться друг с другом.

И, наконец, на фиг. 9 показано применение сепараторных кожухов вокруг всех электродов с применением примера выполнения согласно фиг. 7 и 8.

Сепараторные кожухи, например, из нетканого материала окружают все электродные пластины. Кожухи вокруг отрицательных электродов, расположенных снаружи, вырезаны и служат для защиты боковых кромок электродов. Сепараторные кожухи обозначены ссылочной позицией 13.

Описанные примеры выполнения служат для пояснения и не являются ограничивающими.

Изобретение относится к компоновке электродов для никель-кадмиевых (НК) аккумуляторов и к способу ее изготовления. Техническим результатом изобретения является повышение удельных электрических характеристик и увеличение срока службы их аккумуляторов. Согласно изобретению предлагается компоновка электродов для НК-аккумуляторов с, по меньшей мере, частичным применением электродов с волокнистой структурой, причем изготавливают положительные и отрицательные пластинчатые электроды с промежуточной прокладкой сепараторного материала, чередующимся образом укладываемого в заданном количестве в пакеты с образованием электродного пакета, и одинакового знака электроды соединяют соответственно друг под другом с помощью шин для соединения пластин одного знака, причем электродный пакет сжимают по всей площади со сжатием сепараторного материала, находящегося между электродами, и фиксацией стабильно по форме, для чего электродный пакет размещают между механическими зажимными элементами. 2 с. и 32 з.п.ф-лы, 9 ил.

1. Способ изготовления компоновок электродов для НК-аккумуляторов с, по меньшей мере, частичным применением электродов с волокнистой структурой, причем изготавливают положительные и отрицательные пластинчатые электроды, укладывают в пакет с чередующимся промежуточным слоем сепараторного материала в заданном количестве для образования электродного пакета и соединяют электроды одинакового знака, соответственно, друг с другом с помощью шин для соединения пластин одного знака, причем электродный пакет сжимают по всей площади при сжатии сепараторного материала, находящегося между электродами, и фиксируют с образованием стабильной формы, причем применяют сепараторный материал, который, по меньшей мере, в сжатом и фиксированном состоянии имеет различную газопроницаемость в разных направлениях, так что, в основном, предотвращается перемещение газа параллельно горизонтальным поверхностям пластинчатых электродов, однако возможно его перемещение поперечно поверхностям пластинчатых электродов, и который имеет полости для периодического промежуточного накопления газа. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что сжатие осуществляют с предварительно заданным давлением. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве сепараторного материала применяют материал, длительно сохраняющий эластичность. 4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что сепаратор в электродном пакете или в элементе сжимают на 70-90% от его исходной толщины. 5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что в качестве сепаратора применяют прочес. 6. Способ по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что сепаратор размещают в несколько слоев. 7. Способ по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что сепаратор имеет достаточную толщину, выражающуюся в весе, отнесенном к единице площади, от 70 до 200 г/м². 8. Способ по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что сепаратор выполняют в виде кожухов, в которые вкладывают пластинчатые электроды. 9. Способ по любому из пп.1-8, отличающийся тем, что пластинчатые электроды имеют гладкие плоские поверхности. 10. Способ по любому из пп.1-9, отличающийся тем, что сжатие электродного пакета осуществляют перед установкой в корпус гальванического элемента. 11. Способ по любому из пп.1-9, отличающийся тем, что сжатие электродного пакета осуществляют в корпусе гальванического элемента. 12. Компоновка электродов для НК-аккумуляторов с, по меньшей мере, частичным применением электродов с волокнистой структурой, причем изготавливают положительные и отрицательные пластинчатые электроды, укладывают в пакет с промежуточной прокладкой сепараторного материала чередующимся образом в заданном количестве для образования электродного пакета, и одинакового знака электроды соединяют, соответственно, друг под другом с помощью шин для соединения пластин одного знака, причем электродный пакет сжат по всей площади при сжатии сепараторного материала, находящегося между электродами, и зафиксирован с образованием стабильной формы, для чего электродный пакет размещен между зажимными элементами. 13. Компоновка элементов по п.12, отличающийся тем, что используют сепараторный материал, который, по меньшей мере, в собранном и сжатом состоянии предотвращает прохождение газа параллельно горизонтальным поверхностям пластинчатых электродов, однако допускает его прохождение поперечно поверхностям пластинчатых электродов и имеет полости для периодического промежуточного накопления газа. 14. Компоновка электродов по п.12 или 13, отличающаяся тем, что сепараторный материал является материалом, длительно сохраняющим эластичность. 15. Компоновка электродов по любому из пп.12-14, отличающаяся тем, что сепаратор сжат в электродном пакете или элементе на 70-90% от его исходной толщины. 16. Компоновка электродов по любому из пп.12-15, отличающаяся тем, что сепаратор представляет собой прочес. 17. Компоновка электродов по любому из пп.12-16, отличающаяся тем, что сепаратор расположен в несколько слоев. 18. Компоновка электродов по любому из пп.12-17, отличающаяся тем, что сепаратор выполнен в виде кожухов, в которые вставлены пластинчатые электроды. 19. Компоновка электродов по любому из пп.12-18, отличающаяся тем, что пластичные электроды выполнены с гладкими, плоскими поверхностями. 20. Компоновка электродов по любому из пп.12-19, отличающаяся тем, что сжатие и фиксирование внутри корпусов гальвонических элементов осуществляется посредством опоры через корпус гальванического элемента. 21. Компоновка электродов по п.20, отличающаяся тем, что опора выполнена в зоне кромок корпуса гальванического элемента. 22. Компоновка электродов по любому из пп.12-21, отличающаяся тем, что пластинчатые электроды вставлены в зажимную раму. 23. Компоновка электродов по п.22, отличающаяся тем, что зажимная рама выполнена в виде клетки. 24. Компоновка электродов по п.22 или 23, отличающаяся тем, что зажимная рама включает в себя зажимные скобы. 25. Компоновка электродов по любому из пп.22-24, отличающаяся тем, что зажимная рама выполнена регулируемой. 26. Компоновка электродов по любому из пп.22-25, отличающаяся тем, что элементы зажимной рамы соединены сваркой. 27. Компоновка электродов по любому из пп.22-26, отличающаяся тем, что элементы зажимной рамы соединены винтами. 28. Компоновка электродов по любому из пп.22-27, отличающаяся тем, что элементы зажимной рамы соединены с геометрическим замыканием. 29. Компоновка электродов по любому из пп.22-29, отличающаяся тем, что зажимная рама выполнена из металла или металлизированной пластмассы, причем в качестве металлических компонентов, предпочтительно, применяют сплавы железа, никель или сплавы железа, покрытые никелем. 30. Компоновка электродов по любому из пп.12-29, отличающаяся тем, что наружными пластинами электродного пакета являются отрицательные пластинчатые электроды. 31. Компоновка электродов по п.30, отличающаяся тем, что на наружные отрицательные пластинчатые электроды наложены элементы зажимной рамы без сепараторного материала. 32. Компоновка электродов по любому из пп.12-31, отличающаяся тем, что боковые кромки пластинчатых электродов защищены сепараторным материалом. 33. Компоновка электродов по любому из пп.12-32, отличающаяся тем, что пластинчатые электроды имеют лепестковый вывод для подключения к шинам для соединения пластин одного знака, которые являются эластичными. 34. Компоновка электродов по любому из пп.12-33, отличающаяся тем, что уровень электролита находится выше верхнего края пластин.