ТОКООТВОД ДЛЯ ЭЛЕКТРОДА СВИНЦОВО-КИСЛОТНОГО АККУМУЛЯТОРА Российский патент 2006 года по МПК H01M4/72 H01M10/06 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к производству свинцово-кислотных аккумуляторных батарей, и может найти использование при их изготовлении.

В аккумуляторах токоотвод выполняет две важнейшие функции: токосъемника и несущей основы для активной массы электрода. С одной стороны, материал токоотвода непосредственно не участвует в зарядно-разрядных процессах, происходящих в активной массе и электролите, поэтому уменьшение массы токоотвода ведет к увеличению удельной энергии аккумулятора и аккумуляторной батареи. С другой стороны, токоотвод должен обеспечивать подвод и отвод электрического тока с минимальными омическими потерями, а также надежное удержание активной массы на протяжении всего срока службы аккумуляторной батареи в условиях действия факторов, постепенно разрушающих электроды. Таким образом, с самого начала токоотвод задает техническое противоречие между требованием высокой удельной энергии и требованием высокой надежности электродов аккумуляторных батарей. Особенно это актуально для положительных электродов свинцово-кислотных батарей, поскольку электропроводность активной массы положительных электродов (диоксида свинца) значительно меньше электропроводности активной массы отрицательных (губчатого свинца), а также потому, что положительные электроды в большей степени подвержены разрушению, чем отрицательные.

В последнее время требования к токоотводам повысились в связи с использованием необслуживаемых герметизированных (с рекомбинацией газов) аккумуляторных батарей, а также с повышением средних рабочих температур, при которых эксплуатируются батареи в современных транспортных средствах. Используемые ранее и до настоящего времени свинцово-сурьмянистые сплавы отличаются хорошими литейными свойствами и позволяют отливать токоотводы достаточно сложной конструкции и малой толщины. Такие токоотводы позволяют достичь высокой удельной энергии аккумуляторной батареи, однако они непригодны для использования в необслуживаемых герметизированных батареях, т.к. наличие сурьмы приводит к повышенному газовыделению и саморазряду, а положительные токоотводы к тому же быстро разрушаются от коррозии в условиях повышенных рабочих температур. Применяемые в современных необслуживаемых батареях свинцово-кальциевые сплавы позволяют резко снизить газовыделение и саморазряд, а также увеличить коррозионную стойкость положительных токоотводов, но они отличаются пониженными литейными свойствами, что накладывает существенные ограничения на конструкцию токоотводов и требует увеличения их толщины, а это уменьшает удельную энергию аккумуляторной батареи. Таким образом, в современных необслуживаемых герметизированных аккумуляторных батареях еще более остро проявляется техническое противоречие между требованием высокой удельной энергии и требованием высокой надежности электродов.

Известен токоотвод для электрода свинцово-кислотного аккумулятора, представляющий собой решетчатую сетку из вертикальных и горизонтальных жилок постоянного сечения, расположенных внутри рамки постоянной ширины. Сечение жилок токоотвода имеет форму квадрата, ромба или трапеции. В верхней части рамки в углу находится ушко, служащее для соединения электродов в электродный блок; в нижней части рамки находятся ножки, которыми электрод опирается на дно моноблока [Стартерные аккумуляторные батареи: Устройство, эксплуатация и ремонт/ М.А.Дасоян, Н.И.Курзуков, О.С.Тютрюмов, В.М.Ягнятинский. - М.: Транспорт, 1991. - С.25-26]. Недостатками такого токоотвода являются нерациональное расположение жилок, величина и форма их сечения, а также нерациональное размещение ушка, что приводит к повышенным омическим потерям и повышенному падению напряжения, особенно при стартерных разрядах. Наибольшее падение напряжения в такой конструкции происходит в верхней части токоотвода вблизи ушка. Повышенные омические потери в токоотводе приводят к увеличению неоднородности распределения тока по высоте электрода. А это, в свою очередь, создает условия для локального глубокого разряда в верхней части электродов (особенно при стартерных разрядах), уменьшению коэффициента использования активной массы (особенно в нижней части электродов). Все это уменьшает удельную энергию аккумулятора и сокращает его долговечность. Еще одним недостатком указанного токоотвода является то, что он подвержен повышенной коррозии, особенно в верхней своей части, где наибольшая неравномерность распределения электрического тока и потенциала. Изготовление токоотвода из свинцово-кальциевого сплава несколько уменьшает коррозию, но не решает проблему, обусловленную нерациональной конструкцией токоотвода.

Токоотвод, в котором вертикальные жилки заменены наклонными [см. там же], хотя и характеризуется несколько меньшими омическими потерями, однако принципиально ничем не отличается от указанного выше и имеет такие же недостатки.

Известен токоотвод для электрода свинцово-кислотного аккумулятора, представляющий собой решетчатую сетку из вертикальных и горизонтальных жилок переменного сечения, расположенных внутри рамки постоянной ширины. Сечение жилок токоотвода имеет форму ромба или круга и уменьшается в направлении от рамки к центру, где составляет 0,98-0,49 от толщины рамки. В верхней части рамки в углу находится ушко, в нижней части рамки находятся ножки [Патент №2127930 Россия, МПК⁶ Н 01 М 4/72, 10/12, 1999 г.]. По сравнению с приведенными выше аналогами достоинством такого токоотвода является некоторое увеличение удельной энергии аккумулятора за счет уменьшения расхода свинца и увеличения количества активной массы в центре электрода. Однако в целом указанному токоотводу присущи такие же недостатки, что и для аналогов, приведенных выше. Кроме того, предложенное уменьшение сечения жилок в центре токоотвода приводит к дополнительным омическим потерям и усилению неоднородности распределения тока по высоте электрода со всеми вытекающими негативными последствиями.

Известен токоотвод для электрода свинцово-кислотного аккумулятора, представляющий собой решетчатую сетку из разнонаправленных жилок переменного сечения, расположенных внутри рамки переменной ширины. Сечение жилок токоотвода имеет форму квадрата, ромба или круга и увеличивается в направлении от нижней рамки к верхней рамке, и уменьшается в направлении к боковым рамкам. В верхней части рамки в углу находится ушко, в направлении которого верхняя рамка расширяется; в нижней части рамки находятся ножки [Патент №5582936 США, МПК⁶ Н 01 М 4/74, 1996 г.]. Достоинством такого токоотвода является более рациональная конструкция, позволяющая снизить омические потери, особенно при стартерных разрядах, а также повысить коэффициент использования активной массы за счет уменьшения ее количества на участках с минимальным током. Это приводит к некоторому увеличению удельной энергии аккумулятора. Недостатками такого токоотвода являются сложный разнонаправленный узор жилок и нерациональное размещение ушка, что не позволяет в полной мере решить задачу снижения омических потерь и получения более однородного распределения тока по высоте электрода. Кроме того, сложный разнонаправленный узор жилок токоотвода накладывает существенные ограничения на свойства используемых для отливки свинцовых сплавов. Например, использование свинцово-кальциевых сплавов, отличающихся пониженными литейными свойствами, приводит к росту производственного брака. А это значит, что для современных необслуживаемых герметизированных (с рекомбинацией газов) аккумуляторных батарей применение предложенного токоотвода будет неэффективным и вести к увеличению материальных потерь и претензий от потребителей.

Известен токоотвод для электрода свинцово-кислотного аккумулятора, представляющий собой решетчатую сетку из радиальных и горизонтальных жилок постоянного сечения, расположенных внутри рамки постоянной ширины. Сечение жилок токоотвода имеет форму квадрата, ромба или трапеции. В верхней части рамки на расстоянии 30-35 мм от угла находится ушко, приблизительно в сторону которого направлены радиальные жилки; в нижней части рамки находятся ножки. Токоотвод изготовлен из свинцово-кальциевого сплава с добавлением других металлов [Патент №5298350 США, МПК⁵ Н 01 М 4/68, 1992 г.]. Достоинством такого токоотвода является использование свинцово-кальциевых сплавов, позволяющих применять токоотвод для необслуживаемых герметизированных аккумуляторных батарей. Другим достоинством предложенного токоотвода является сдвиг ушка на расстояние 30-35 мм от угла рамки и наличие радиальных жилок, направленных приблизительно в сторону ушка, что позволяет снизить омические потери в токоотводе и повысить мощность аккумуляторной батареи при стартерных разрядах. Недостатком предложенного токоотвода являются постоянная величина сечения жилок, что ограничивает эффект снижения омических потерь и не позволяет повысить коэффициент использования активной массы. Кроме того, используемые для отливки токоотвода свинцово-кальциевые сплавы приводят к характерным ограничениям на минимальную толщину жилок и рамки, что ограничивает удельную энергию аккумулятора.

Наиболее близким техническим решением, взятым в качестве прототипа, является токоотвод для электрода свинцово-кислотного аккумулятора, представляющий собой решетчатую сетку из наклонных жилок переменного сечения и горизонтальных жилок, расположенных внутри рамки переменной ширины. Сечение жилок токоотвода имеет форму квадрата, ромба или трапеции, причем сечение наклонных жилок увеличивается по направлению от рамки к ушку в 1,5 раза. В верхней части рамки на расстоянии 35-38 мм от угла находится ушко, служащее для соединения электродов в электродный блок; в нижней части рамки находятся ножки, которыми электрод опирается на дно моноблока. Ширина нижней рамки уменьшена в 1,5 раза, а ширина вертикальной удаленной от ушка рамки уменьшена в 1,2-1,3 раза по сравнению с остальными рамками [Ягнятинский В.М., Лужин В.К., Львова В.И. Распределение падения напряжения и плотности тока по поверхности электрода свинцового аккумулятора./ Исследования в области электрических аккумуляторов. Сборник научн. трудов. Л.: Энергоатомиздат, 1988. - С.15-23]. Достоинством токоотвода-прототипа является сдвиг ушка на расстояние 35-38 мм от угла рамки и наличие наклонных жилок, направленных в сторону этого угла рамки, что позволяет снизить омические потери в токоотводе и повысить мощность аккумуляторной батареи при стартерных разрядах. Снижению омических потерь способствует и переменное сечение наклонных жилок, увеличивающееся в сторону ушка, где происходит наибольшее падение напряжения. Кроме того, токоотвод-прототип позволяет снизить расход материала на свое изготовление и повысить коэффициент использования активной массы электрода за счет уменьшения ширины нижней рамки и вертикальной удаленной от ушка рамки. В результате достигается большая, чем у аналогов, удельная энергия аккумулятора и меньшие, чем у аналогов, омические потери.

Тем не менее, токоотвод-прототип не свободен от ряда недостатков, которые все еще приводят к высоким показателям производственного брака отливок, низкой производительности изготовления токоотводов, а также снижают надежность электродов и стойкость их к вибрациям и ударам. При отливке тонких токоотводов часто происходит нарушение направленной кристаллизации по всем рамкам и жилкам токоотвода, что порождает усадочные процессы, дополнительные дефекты и напряжения в конструкции. Это вынуждает также удлинять время выдержки в литейной форме после кристаллизации. Наиболее уязвимыми местами являются: место сопряжения ушка с верхней рамкой, особенно когда ушко слишком удалено от угла рамки; места сопряжения ножек с нижней рамкой; места сопряжения жилок с рамками. Особенно это актуально при использовании прототипа в герметизированных (с рекомбинацией газов) аккумуляторных батареях. Свинцово-кальциевые сплавы, обладающие низкой жидкотекучестью, значительно усиливают эти недостатки, что может даже приводить к непроливанию жилок токоотвода в центральной части решетчатой сетки.

Кроме того, прототипу присущ один общий со всеми указанными выше аналогами недостаток - низкая прочность токоотвода вблизи ножек, расположенных в нижней части рамки. Существующие в настоящее время технологии изготовления токоотводов и электродов предусматривают разделение намазанных электродов на отдельные, единичные. При этом разделение производится между спаренными ножками. В результате этой операции возникают деформации нижней рамки, а также заусенцы на ножках, способные повредить сепаратор. Более совершенный способ разделения спаренных электродов с помощью дисковых ножей, позволяющий полностью устранить ножки и заусенцы, все равно не исключает деформаций нижней рамки и нарушения сплошности активной массы. Это увеличивает производственный брак электродов, снижает долговечность и стойкость электрода к вибрациям и ударам.

В основу изобретения поставлена задача повышения надежности и стойкости электрода к вибрациям и ударам при условии сохранения его высокой удельной энергии за счет увеличения прочности токоотвода, задача уменьшения производственного брака изготовления токоотводов и электродов, а также задача повышения производительности изготовления токоотводов.

Поставленная задача решается тем, что в токоотводе для электрода свинцово-кислотного аккумулятора, представляющем собой решетчатую сетку из негоризонтальных жилок переменного сечения и горизонтальных жилок, расположенных внутри рамки переменной ширины, в верхней части рамки находится ушко, согласно изобретению, негоризонтальные жилки являются радиальными, направленными к ушку, сечение радиальных жилок увеличивается по направлению от рамки к ушку в 1,3-1,4 раза, сетка упрочнена тремя утолщенными горизонтальными и тремя утолщенными радиальными жилками, равномерно распределенными по полю сетки, в местах сопряжения горизонтальных жилок с вертикальной приближенной к ушку рамке горизонтальные жилки имеют клиновидное расширение с уклоном 8-12° и длиной 4-6 мм, ширина верхней рамки в направлении ушка увеличивается в 1,5-1,6 раза, ушко расположено на расстоянии 18-24 мм от угла рамки, нижняя рамка имеет два уширения длиной 33-40 мм, шириной 3,5-4,5 мм.

Раскроем сущность заявленного технического решения. Наличие радиальных жилок, направленных к ушку, сечение которых увеличивается в этом направлении в 1,3-1,4 раза, позволяет снизить омические потери в токоотводе и повысить мощность аккумуляторной батареи при стартерных разрядах. В отличие от прототипа, где используются наклонные жилки, радиальные жилки более эффективны для целей снижения электросопротивления за счет своего более рационального направления - направления к ушку. Это приводит к некоторому выравниванию распределения тока по высоте электрода. Этим обусловлено и то, что оптимальным увеличением сечения радиальных жилок в сторону ушка является 1,3-1,4, вместо 1,5 - у прототипа. Меньшее, чем в 1,3 раза, увеличение сечения неэффективно для снижения омических потерь. Большее, чем в 1,4 раза, увеличение сечения приводит к перерасходу материала и снижению удельной энергии электрода.

Цели снижения омических потерь и выравнивания распределения тока по высоте электрода служат уширение верхней рамки в направлении ушка в 1,5-1,6 раза и расположение ушка на расстоянии 18-24 мм от угла рамки. Указанные параметры определены эмпирически. Меньшее, чем в 1,5 раза, уширение верхней рамки к ушку, а также меньший, чем на 18 мм, сдвиг ушка от угла недостаточны для снижения омических потерь в токоотводе. Большее, чем в 1,6 раза, уширение верхней рамки к ушку приводит к перерасходу материала. Больший, чем на 24 мм, сдвиг ушка от угла может привести к образованию дефектов усадочного происхождения в месте сопряжения ушка с рамкой, особенно при использовании свинцово-кальциевых сплавов. По этой же причине толщина ушка делается на 10-20% меньшей, чем толщина верхней рамки.

В местах сопряжения горизонтальных жилок с вертикальной приближенной к ушку рамке, которая примыкает непосредственно к литнику и заливочной чаше, горизонтальные жилки имеют клиновидное расширение с уклоном 8-12° и длиной 4-6 мм. Это способствует поддержанию фронта направленной кристаллизации в этих близких к литнику областях и предотвращению усадочных процессов. Решетчатая сетка токоотвода упрочнена тремя утолщенными горизонтальными и тремя утолщенными радиальными жилками, равномерно распределенными по полю сетки. Кроме функции увеличения прочности токоотвода, эти утолщенные жилки задают толщину вмазываемой пасты при изготовлении электродных пластин и уменьшают электросопротивление токоотвода. Утолщенные жилки также предотвращают непроливание остальных жилок токоотвода в центральной части решетчатой сетки при использовании свинцово-кальциевых сплавов, поскольку служат распределителями жидкого расплава. По этой же причине, а также для обеспечения направленной кристаллизации к самой верхней горизонтальной утолщенной жилке сопряжены короткие наклонные жилки в количестве 6-10 шт. Направленная кристаллизация расплава позволяет сократить технологический цикл изготовления токоотвода за счет сокращения времени выдержки в литейной форме после кристаллизации.

Сечение всех жилок решетчатой сетки имеет шестиугольную форму, близкую к правильному шестиугольнику с отсутствием острых углов, в отличие от аналогов и прототипа. Это позволяет жилкам лучше удерживать пасту и активную массу, а также эффективней противостоять коррозии, которая начинается в области повышенных механических напряжений и повышенных концентраций дефектов вблизи острых граней жилок (острых углов сечения жилок).

Нижняя рамка вблизи ножек имеет два уширения длиной 33-40 мм, шириной 3,5-4,5 мм. Перед разделением спаренных электродов к этим уширениям непосредственно сопряжены технологические перемычки, соединяющие спаренные электроды. Технологические перемычки имеют длину в 2,8-3,2 раза меньшую, чем длина уширений, и ширину 0,8-1,2 от ширины уширений. Наличие двух уширений позволяет повысить прочность нижней рамки и предотвратить производственный брак при разделении спаренных электродов: деформацию нижней рамки, нарушение сплошности активной массы. Указанные выше размеры уширений нижней рамки подобраны эмпирически из соображений достижения достаточной прочности при минимальных затратах материала. Меньшие размеры уширений снижают эффективность упрочнения токоотвода, большие размеры приводят к перерасходу материала. Предотвращению производственного брака при разделении спаренных электродов способствуют также приведенные выше отношения размеров уширений и размеров технологических перемычек, а также наличие на технологических перемычках специальных утоньшенных мест - меток для разделения.

Линейные размеры ячеек решетчатой сетки, т.е. размеры пустых зон ячеек ограничены в пределах 6-12 мм. При размерах, больших чем 12 мм, происходит повышенное выпадение пасты, а затем и выпадение активной массы из ячеек. Это уменьшает долговечность электродов и стойкость к вибрациям и ударам. При размерах, меньших чем 6 мм, может происходить непромазывание ячеек пастой, что также снижает долговечность и удельную энергию электродов.

По имеющимся у авторов сведениям предложенные существенные признаки, характеризующие суть изобретения, не известны в данном разделе техники.

Предложенное техническое решение может быть использовано на предприятиях по изготовлению свинцово-кислотных аккумуляторов и аккумуляторных батарей, особенно - в производстве герметизированных (с рекомбинацией газов) аккумуляторных батарей.

Критерий "промышленное использование" подтверждается актуальностью технического решения и его практичною привязкою к реальным производственным технологиям.

На фиг. 1 приведен общий вид единичного токоотвода, а также вид сечения радиальных и горизонтальных жилок. На фиг. 2 показано соединение спаренных электродов, а также сечение уширений нижней рамки и технологических перемычек. На фиг. 3 укрупненным планом показано сопряжение горизонтальных жилок с вертикальной приближенной к ушку рамкой, а также клиновидные расширения горизонтальных жилок.

Токоотвод представляет собой решетчатую сетку из радиальных жилок 1 и горизонтальных жилок 2, расположенных внутри рамки 3. Сечение радиальных жилок 1 увеличивается в 1,3-1,4 раза по направлению к ушку 4. Верхняя рамка 3 расширяется в 1,5-1,6 раза по направлению к ушку 4. Ушко 4 расположено на расстоянии а=18-24 мм от угла рамки. Нижняя рамка имеет два уширения 5. Длина а₂ и ширина b₂ уширений 5 равны: а₂=33-40 мм, b₂=3,5-4,5 мм. Длина a₁ и ширина b₁ технологических перемычек 6 связана соотношениями с длиной и шириной уширений: a₂/a₁=2,8-3,2, b₁/b₂=0,8-1,2. Решетчатая сетка упрочнена тремя утолщенными горизонтальными жилками 7 и тремя утолщенными радиальными жилками 8. К самой верхней горизонтальной утолщенной жилке 7 сопряжены шесть коротких наклонных жилок 9. Сечение А-А жилок решетчатой сетки имеет шестиугольную форму, близкую к правильному шестиугольнику с отсутствием острых углов.

В местах сопряжения горизонтальных жилок 2 с вертикальной приближенной к ушку рамке 10, которая примыкает непосредственно к литнику и заливочной чаше, горизонтальные жилки имеют клиновидное расширение 11 с уклоном α=8-12° и длиной с=4-6 мм.

При отливке токоотвода свинцовый расплав поступает от литника к вертикальной приближенной к ушку рамке, которая примыкает непосредственно к литнику и заливочной чаше, а также к верхней рамке и ушку. Клиновидные расширения 11 способствуют поддержанию фронта направленной кристаллизации в близких к литнику областях и предотвращению усадочных процессов. Одновременно расплав стремится заполнить три утолщенные горизонтальные жилки 7 и три утолщенные радиальные жилки 8. Утолщенные жилки предотвращают непроливание остальных жилок токоотвода в центральной части решетчатой сетки, особенно при использовании свинцово-кальциевых сплавов, поскольку служат распределителями жидкого расплава. Улучшению условий проливания, а также обеспечению направленной кристаллизации по всем жилкам токоотвода способствуют короткие наклонные жилки 9. Стабилизация процесса кристаллизации расплава в теплонапряженных зонах позволяет сократить технологический цикл изготовления токоотвода на 8-12% за счет сокращения времени выдержки в литейной форме после кристаллизации.

Отлитый сдвоенный токоотвод подлежит намазке электродной пастой, при этом утолщенные жилки 7 и 8 задают толщину вмазываемой пасты. Полученную спаренную электродную пластину затем разделяют на две единичные пластины по технологическим перемычкам 6 с помощью дисковых ножей. Разрез производится по специальным утоньшенным местам 12 на перемычках 6. Уширения 5 нижней рамки повышают прочность нижней рамки и предотвращают производственный брак при разделении.

Электродные пластины затем участвуют в сборке аккумуляторных батарей и электрохимическом формировании.

Полученные таким образом аккумуляторные батареи были подвергнуты лабораторным испытаниям. Испытания аккумуляторных батарей с заявляемыми электродными токоотводами показало соответствие их требованиям ГОСТ 959 и EN 50342 (EN 60095-1) по емкости, стартерным характеристикам и долговечности.

Изобретение относится к области электротехнической промышленности, в частности к производству свинцово-кислотных аккумуляторных батарей. Согласно изобретению токоотвод для электрода свинцово-кислотного аккумулятора представляет собой решетчатую сетку из негоризонтальных жилок переменного сечения, увеличивающегося по направлению от рамки к ушку в 1,3-1,4 раза, и горизонтальных жилок, расположенных внутри рамки переменной ширины, сетка упрочнена тремя утолщенными горизонтальными и тремя утолщенными радиальными жилками, равномерно распределенными по полю сетки, в местах сопряжения горизонтальных жилок с вертикальной приближенной к ушку рамке горизонтальные жилки имеют клиновидное расширение с уклоном 8-12° и длиной 4-6 мм, в верхней части рамки на расстоянии 18-24 мм от угла находится ушко, ширина верхней рамки в направлении ушка увеличивается в 1,5-1,6 раза, нижняя рамка имеет два уширения длиной 33-40 мм, шириной 3,5-4,5 мм. Технический результат: увеличение прочности токоотводов, уменьшение производственного брака изготовления токоотводов и электродов, сокращение технологического цикла изготовления токоотводов. 3 ил.

Токоотвод для электрода свинцово-кислотного аккумулятора, представляющий собой решетчатую сетку из негоризонтальных жилок переменного сечения и горизонтальных жилок, расположенных внутри рамки переменной ширины, в верхней части рамки находится ушко, отличающийся тем, что негоризонтальные жилки направлены к ушку, сечение негоризонтальных жилок увеличивает по направлению от рамки к ушку в 1,3-1,4 раза, сетка упрочнена утолщенными горизонтальными и тремя утолщенными негоризонтальными жилками, равномерно распределенными по полю сетки, в местах сопряжения горизонтальных жилок с вертикальной приближенной к ушку частью рамки горизонтальные жилки имеют клиновидное расширение с уклоном 8-12° и длиной 4-6 мм, ширина верхней части рамки в направлении ушка увеличивается в 1,5-1,6 раза, ушко расположено на расстоянии 18-24 мм от угла рамки, нижняя рамка имеет два уширения длиной 33-40 мм, шириной 3,5-4,5 мм.