СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОРИСТОЙ ОСНОВЫ БЕЗЛАМЕЛЬНОГО ЭЛЕКТРОДА ЩЕЛОЧНОГО АККУМУЛЯТОРА Российский патент 2007 года по МПК H01M4/80 H01M10/28 

Предлагаемое изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано в производстве щелочных аккумуляторов с безламельными электродами.

Известны способы изготовления пористой основы электрода щелочного аккумулятора (см. [1] - Патент США №3186871, кл. 136-29, 1965 г.) путем формирования пористой спеченной пластины слоистой структуры из пасты, состоящей из никелевого порошка, воды, пластификатора и технологических добавок. После сушки и спекания в атмосфере водорода получают основу с пористостью центрального слоя 90% и наружных слоев 70%.

Недостатком известного способа является то, что электроды, изготовленные с использованием такой основы, не обладают требуемыми механическими характеристиками, имеют малый срок службы, обусловленный разрушением электродов при эксплуатации из-за недостаточной прочности высокопористого (90%) центрального слоя.

В качестве прототипа выбран способ изготовления пористой основы электрода щелочного аккумулятора (см. [2] - Патент РФ №2040831, Н 01 М 4/80,10/28, Пр. 02.09.92), включающий двустороннее нанесение на пористую ленту-подложку пасты, состоящей из никелевого порошка со средним размером частиц 1,5-3,5 мкм, связующего и порообразователя, сушку и спекание в восстановительной атмосфере при температуре 1000-1250°С.

Недостатком способа является то, что внесение в изготовленную по данному изобретению электродную основу активной массы может быть успешно осуществлено, как показал эксперимент, лишь путем многократной последовательной пропитки основ в растворах солей соответствующих активных металлов и щелочи. Использование же такой основы для изготовления электродов по более экономичной и менее металло- и трудоемкой технологии, например намазных и вальцованных электродов, не обеспечивает получения приемлемых электрических характеристик и стабильности их при циклировании электродов и собранных из них аккумуляторов из-за малого количества внесенной активной массы и недостаточной прочности сцепления ее с основой. К недостаткам способа относится также необходимость введения в пасту при изготовлении электродной основы порообразователя (в количестве 12-15% мас. относительно никелевого порошка), в качестве которого используется основной углекислый никель, относящийся к довольно дорогостоящим химическим реактивам.

Предлагаемый способ позволяет решить задачу повышения электрических и механических характеристик электродов щелочных аккумуляторов и стабильности их при циклировании, а также экономии материалов.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в известном способе изготовления электродной основы путем двустороннего нанесения на пористую ленту-подложку пасты из никелевого порошка со средним размером частиц 1,5-3,5 мкм и связующего, сушки и спекания в восстановительной атмосфере при температуре 1000-1250°С, согласно заявляемому техническому решению никелевый порошок вводят в пасту в количестве 20-40% от общей массы, при этом толщину наружных слоев выдерживают равной 50-150 мкм.

Использование для нанесения на подложку жидкой пасты, содержащей всего 20-40% мас. никелевого порошка, позволяет формировать губчатые слои грубой структуры, причем не в виде сплошного покрытия, а в виде равномерно расположенных по поверхности подложки локальных порошковых образований («островков»), что обеспечивает внедрение активной массы в электродную основу механическим путем. Введение в пасту менее 20% мас. порошка и нанесение губчатых слоев тоньше 50 мкм приводит к получению электродной основы со слоями, имеющими слишком размытую структуру, в связи с чем в нее не удается внести активную массу в количестве, необходимом для получения высоких разрядных характеристик электродов. Кроме того, при нанесении слишком жидкой пасты из-за увеличенного количества связующего, приходящегося на частицы порошка, последние слабо припекаются к подложке, что приводит к снижению прочности сцепления активной массы с электродной основой и к ухудшению в связи с этим стабильности электрических характеристик электродов при эксплуатации, а также к увеличению брака основы. Использование пасты, содержащей более 40% мас. порошка, нанесение губчатых слоев толщиной более 150 мкм приводит к уменьшению коэффициента использования полезного объема электродной основы и соответственно к ухудшению удельных электрических характеристик электродов.

Выбранный интервал концентраций вводимого в пасту никелевого порошка и толщин наносимых слоев обеспечивает изготовление электродной основы с такой структурой губчатых слоев, которая позволяет вносить в эти слои механическим путем по намазной или вальцованной технологии требуемое количество активной массы и соответственно изготавливать электроды с высокими электрическими характеристиками, обеспечивая при этом прочное сцепление активной массы с электродной основой и тем самым устойчивость характеристик изделий при эксплуатации.

Пример 1. Для изготовления электродной основы на ленту-подложку толщиной 60 мкм и пористостью 12%, полученную прокатом никелевого порошка с последующим спеканием в атмосфере водорода при температуре (1250±10)°С, наносили с двух сторон пасту, которую получали смешиванием 30 мас. ч. никелевого порошка со средним размером частиц 2,9 мкм и 70 мас. ч. связующего (3,5%-ного водного раствора метилцеллюлозы). После нанесения ленту вначале сушили на воздухе (толщина ее при этом составила (280±20) мкм), а затем спекали в атмосфере водорода при температуре (1000±10)°С. Толщина готовой электродной ленты в среднем составила 260 мкм, толщина наружных слоев - 100 мкм.

Электродная лента была использована для изготовления кадмиевых электродов с размером пористой части (122×71,2×0,42) мм двух типов: по намазной технологии и вальцованных. Электроды первого типа изготавливали путем двустороннего нанесения на электродную ленту пасты, полученной замешиванием на 3%-ном водном растворе поливинилового спирта порошковой шихты из оксида кадмия (88,4% мас.), гидроксида никеля (7,2% мас.), графита (2,0% мас.) и соляровой фракции (2,4% мас.). После сушки при температуре (100±10)°С в течение 1 ч толщина ленты с нанесенными слоями составила 940-950 мкм; путем подкатки в валках она была доведена до заданного (420 мкм) значения.

Вальцованные электроды изготавливали путем нанесения на ленту с двух сторон пасты, полученной замешиванием оксида кадмия на этиловом спирте (80 см³ на 100 г оксида кадмия) с добавкой гидроксида никеля, 60%-ной водной суспензии фторопласта - 4 Д и метилцеллюлозы (соответственно 7%, 3 и 1% относительно оксида кадмия). После сушки (при температуре до 100°С) толщина ленты составила 940-950 мкм; прессованием она была доведена до рабочего значения (420 мкм).

Электроды обоих типов были подвергнуты испытаниям циклированием в режиме «заряд током 0,7 А в течение 5,5 ч - разряд током такой же величины до напряжения 0,9 В относительно окисно-никелевого электрода сравнения».

Результаты испытаний представлены в таблице 1. Для удобства в таблице показаны лишь значения емкости на первом и десятом циклах и далее через каждые 10 циклов.

Пример 2. Для сравнения была изготовлена электродная основа с такой же средней толщиной (260 мкм), как и в примере 1, по способу прототипа. Пасту готовили замешиванием 60 мас. ч. шихты из никелевого порошка со средним размером частиц 2,9 мкм, содержащей 12% мас.порообразователя (карбоната никеля), и 40 мас. ч. связующего. Электродная лента была использована для изготовления намазных кадмиевых электродов по способу, описанному в примере 1. Результаты испытаний электродов циклированием приведены в таблице 1.

Таблица 1
Разрядные характеристики электродов в зависимости от способа изготовления№ п.пСпособ изготовленияТип ЭлектродаЕмкость электродов, А·ч, по циклам11020304050607080901ПредлагаемыйНамазной2,362,392,352,342,332,402,422,402,372,372Вальцованный2,402,382,362,342,302,462,412,382,372,363Известный (прототип)Намазной1,681,661,651,641,611,621,591,571,561,55

Из данных таблицы1 видно, что емкость электродов на базе электродной основы, изготовленной предлагаемым способом, за счет увеличения полезной доли объема, занимаемой активной массой, заметно (примерно на 30%) превышает емкость электродов, изготовленных из основы по прототипу. Такие электроды отличаются также более высокой стабильностью характеристик при циклировании.

Применение предлагаемого способа изготовления основы позволяет не менее чем на 50% сократить расход никелевого порошка на формирование наружных слоев и полностью отказаться от использования порообразователя (основного углекислого никеля). Кроме того, использование этого способа облегчает механизацию процесса изготовления основы и электродов, позволяет организовать ленточную технологию их производства, обеспечивая тем самым дополнительную экономию материалов, снижение трудоемкости и себестоимости изделий в целом.

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано в производстве щелочных аккумуляторов с безламельными электродами. Техническим результатом изобретения является повышение электрических и механических характеристик электрода. Согласно изобретению, способ изготовления пористой основы безламельного электрода щелочного аккумулятора путем двустороннего нанесения на пористую ленту-подложку пасты из никелевого порошка со средним размером частиц 2,9 мкм и связующего, сушки и спекания в восстановительной атмосфере при температуре 990÷1010°С, при этом никелевый порошок вводят в пасту из расчета 20÷40% от общей массы, а толщину наружных слоев основы выдерживают равной 50÷150 мкм. 1 табл.

Способ изготовления пористой основы безламельного электрода щелочного аккумулятора путем двустороннего нанесения на пористую ленту-подложку пасты из никелевого порошка со средним размером частиц 2,9 мкм и связующего, сушки и спекания в восстановительной атмосфере при температуре 990÷1010°С, отличающийся тем, что никелевый порошок вводят в пасту из расчета 20÷40% от общей массы, при этом толщину наружных слоев основы выдерживают равной от 50 до 150 мкм.