СВИНЦОВО-КИСЛОТНАЯ АККУМУЛЯТОРНАЯ БАТАРЕЯ Российский патент 2007 года по МПК H01M10/06 H01M4/68 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в производстве свинцово-кислотных аккумуляторных батарей.

Развитие производства свинцово-кислотных батарей показало основные технические противоречия, которые приходится преодолевать при усовершенствовании конструкции батарей и технологии их изготовления. К таким противоречивым требованиям прежде всего относятся: высокая удельная энергия (высокие стартерные характеристики, ток холодной прокрутки и емкость, пониженная масса), высокая надежность (безотказность, долговечность), а также низкий уровень эксплуатационных затрат (необслуживаемость за счет малого саморазряда, сниженного газовыделения и расхода воды). Значительный прогресс в этом направлении достигается при усовершенствовании электродов аккумуляторных батарей, в частности - при улучшении характеристик токоотводов. Как известно, в аккумуляторах токоотвод выполняет две важнейшие функции: токосъемника и несущей основы для активной массы электрода, причем условия эксплуатации токоотводов в положительных и отрицательных электродах заметно отличаются. Требования к токоотводу в отрицательных электродах, хотя и содержат технические противоречия, значительно проще: масса токоотвода должна быть минимальной, чтобы увеличить удельную энергию батареи; конструкция, количество материала и состав сплава токоотвода должны обеспечить его высокие электрические и механические свойства, чтобы достичь минимальных омических потерь, высокой прочности электродов при изготовлении и эксплуатации, надежного удержания активной массы электродов в течение всего срока службы батареи. Требования к токоотводу в положительных электродах заметно сложнее и связаны с особенностями состава и условиями работы положительных электродов. Существенными здесь являются следующие обстоятельства: электропроводность активной массы положительных электродов (диоксида свинца) значительно меньше электропроводности активной массы отрицательных электродов (губчатого свинца), что усиливает неравномерность распределения в электроде плотности тока и потенциала и обостряет техническое противоречие между требованием высокой удельной энергии и высокой надежности; между активной массой и токоотводом может образоваться пассивирующий диэлектрический слой, снижающий технические характеристики аккумуляторов, что накладывает определенные ограничения на состав сплава токоотводов и может привести к техническому противоречию между требованиями высокой удельной энергии и надежности и требованием по низкому уровню эксплуатационных затрат; аналогичную проблему создает действующий в процессе эксплуатации аккумуляторных батарей механизм переноса ионов некоторых легирующих примесей (в первую очередь, сурьмы) с положительных токоотводов на отрицательные электроды; положительные электроды в большей степени подвержены разрушению, чем отрицательные, в частности положительные электроды подвергаются коррозии токоотводов (в условиях неизбежного перезаряда и повышенных рабочих температур), оплыванию активной массы, что также усиливает техническое противоречие между требованием высокой удельной энергии и высокой надежности. Поэтому требования к токоотводу в положительных электродах, кроме перечисленных выше условий, содержат ряд дополнительных пунктов: конструкция и состав сплава токоотводов должны обеспечить высокую их коррозионную стойкость и сопротивление коррозионной деформации, надежное сцепление с активной массой и предотвращение образования в электродах пассивирующего слоя; кроме того, состав сплава токоотводов должен обеспечить малый саморазряд и сниженное газовыделение (расход воды) в аккумуляторах.

Известен свинцово-кислотный аккумулятор, состоящий из блока разнополярных электродов, разделенных сепараторами и электролитом, каждый электрод состоит из активной массы и просечного (перфорированного) токоотвода, имеющего решетчатую сетку и верхнюю рамку, на которой находится ушко, служащее для соединения электродов в электродный блок, изготовленного из свинцово-сурьмянистого сплава, содержащего 0,5-2,5% Sb, 0,05-0,40% As, 0,01-0,06% Se, 0,02-0,08% Те, остальное свинец [Заявка №5057710, Япония, Н 01 М 4/68, 24.08.93 г.].

Преимуществом такого аккумулятора является высокая удельная энергия за счет использования просечных (перфорированных) токоотводов, предусматривающих пониженный расход материала. Недостатками такого аккумулятора являются: пониженная надежность и недостаточно низкий уровень эксплуатационных затрат. Пониженная надежность аккумулятора определяется низкой коррозионной стойкостью и низким сопротивлением коррозионной деформации положительных токоотводов, обусловленными их конструктивными особенностями и технологией изготовления. Конструкция перфорированных токоотводов обладает пониженной механической прочностью и сопротивлением деформации из-за отсутствия вертикальных жилок и рамок. Кроме того, в процессе изготовления перфорированных токоотводов в местах выхода просечного инструмента и в точках сопряжения жилок при растягивании решетчатой сетки образуются дефекты, усиливающие коррозию. Уровень эксплуатационных затрат диктуется величиной саморазряда и газовыделения в процессе эксплуатации, связанных с составом сплава токоотводов. Ионы сурьмы, содержащейся в сплаве токоотводов, в процессе эксплуатации переносятся на отрицательные электроды и приводят к повышению саморазряда и газовыделения, что влечет необходимость регулярного контроля уровня электролита и степени заряженности батареи. Подведя итог сказанному, можно утверждать, что основная причина недостатков аккумулятора-аналога состоит в том, что в его конструкции не учтена одна из важнейших особенностей его эксплуатации - существенное отличие в условиях работы токоотводов в положительных и отрицательных электродах.

Наиболее близким техническим решением, выбранным как прототип, является свинцово-кислотная батарея, состоящая из аккумуляторов, соединенных последовательно с помощью межэлементных соединений, каждый аккумулятор состоит из блока разнополярных электродов, разделенных сепараторами и электролитом, каждый электрод состоит из активной массы, покрытой фиксирующими слоями из пористого материала, и перфорированного (просечного) токоотвода, имеющего решетчатую сетку и верхнюю рамку, на которой находится ушко, служащее для соединения электродов в электродный блок, причем токоотводы положительных электродов изготовлены из свинцово-оловянно-кальциевого сплава, содержащего 0,5-1,5 мас.% Sn, 0,04-0,06 мас.% Са, 0,001-0,05 мас.% Ag, 0,01-0,05 мас.% Al, остальное свинец [Патент №47915, Україна, Н 01 М 4/14, 15.07.2004 г., бюл. №7].

Такая аккумуляторная батарея обладает рядом преимуществ: у нее высокая удельная энергия за счет использования перфорированных токоотводов, конструкция которых обеспечивает пониженный расход материала; несколько повышенная, по сравнению с аккумулятором-аналогом, надежность по причине использования фиксирующих слоев из пористого материала, покрывающих и удерживающих активную массу; низкий уровень эксплуатационных затрат, достигнутый благодаря применению в положительных токоотводах бессурьмянистого свинцово-оловянно-кальциевого сплава. Применение указанного сплава позволяет обеспечить низкий саморазряд (до 0,1% номинальной емкости в сутки), малые потери воды в процессе эксплуатации. Все это упрощает техническое обслуживание батареи.

Преимущества батареи-прототипа вызваны тем обстоятельством, что в ней частично учтены отличия в условиях эксплуатации токоотводов в положительных и отрицательных электродах. Однако в связи с тем, что указанные отличия учтены не в полной мере, батарее-прототипу присущи определенные недостатки.

Недостатком такой аккумуляторной батареи является невысокая надежность вследствие недостаточной коррозионной стойкости токоотводов положительных электродов, а также их низкого сопротивления коррозионной деформации. Как уже отмечалось, указанные качества положительных токоотводов обусловлены их конструктивными особенностями и технологией изготовления: отсутствием вертикальных жилок и рамок; невысокой механической прочностью растянутой решетчатой сетки; наличием множества дефектов жилок и микродефектов структуры сплава, приводящих к ускорению коррозионных процессов. Кроме того, существует еще одна причина, ответственная за уровень коррозионной стойкости и механической прочности токоотводов из свинцово-оловянно-кальциевых сплавов - соотношение (К_Sn/Ca) массового содержания олова к массовому содержанию кальция в сплаве (отношение массы олова к массе кальция). Стабильность сплавов во времени достигается при K_Sn/Ca, равном 23-40. В батарее-прототипе в целом выдержаны достаточно удовлетворительные диапазоны концентрации указанных легирующих примесей (0,5-1,5 мас.% Sn, 0,04-0,06 мас.% Са), однако во многих случаях соотношение их массового содержания (K_Sn/Ca) не обеспечивает стабильность сплавов, что приводит к постепенной утрате механической прочности, а также к снижению коррозионной стойкости вследствие изменений в структуре сплавов. Например, при содержании олова 1,1 мас.% и кальция 0,044 мас.% соотношение K_Sn/Ca составляет 25, что обеспечивает стабильность сплавов; при содержании олова 0,9 мас.% и кальция 0,06 мас.% соотношение K_Sn/Ca составляет 15, и такой сплав уже нестабилен.

В основу изобретения поставлена задача повышения надежности аккумуляторной батареи при условии сохранения ее высокой удельной энергии и низкого уровня эксплуатационных затрат за счет повышения механических и электрических свойств электродов, увеличения коррозионной стойкости положительных токоотводов, с учетом отличий в условиях работы токоотводов в положительных и отрицательных электродах.

Поставленная задача решается тем, что в свинцово-кислотной батарее, состоящей из аккумуляторов, соединенных последовательно с помощью межэлементных соединений, каждый аккумулятор состоит из блока разнополярных электродов, разделенных сепараторами и электролитом, каждый электрод состоит из активной массы и токоотвода, причем отрицательные электроды содержат перфорированные токоотводы, имеющие решетчатую сетку и верхнюю рамку, на которой находится ушко, служащее для соединения электродов в электродный блок, согласно изобретению, токоотвод для положительного электрода представляет собой решетчатую сетку из горизонтальных и вертикальных жилок постоянного сечения, расположенных внутри рамки, в верхней части которой находится ушко, служащее для соединения электродов в электродный блок, количество вертикальных жилок в 1,6-2,4 раза больше количества горизонтальных жилок, в верхней части решетчатой сетки, составляющей не менее 2/3 от общей площади решетчатой сетки, распределение горизонтальных жилок характеризуется уплотнением в сторону нижней части решетчатой сетки, в узлах сопряжения горизонтальных жилок с вертикальными имеются скругления радиусом 0,40-2,00 мм, в состав сплава токоотвода для положительного электрода включены 0,70-1,20 мас.% Sn, 0,03-0,05 мас.% Са, 0,0003-0,02 мас.% Ag, 0,01-0,025 мас.% Al, 0,0002-0,03 мас.% Bi, суммарное содержание остальных примесей не более 0,01 мас.% при максимальном содержании любого слагаемого примесного элемента 0,002 мас.%, при соотношении массового содержания олова к массовому содержанию кальция в сплаве K_Sn/Ca, равном 23-40; в состав сплава токоотвода для отрицательного электрода включены: 0,20-0,35 мас.% Sn, 0,07-0,11 мас.% Са, 0,0003-0,02 мас.% Ag, 0,01-0,025 мас.% Al, 0,0002-0,03 мас.% Bi, суммарное содержание остальных примесей не более 0,01 мас.% при максимальном содержании любого слагаемого примесного элемента 0,002 мас.%.

Раскроем суть заявленного технического решения. Поскольку конструкция токоотвода для положительного электрода достаточно проста в изготовлении, а именно - представляет собой решетчатую сетку из горизонтальных и вертикальных жилок постоянного сечения, расположенных внутри рамки, в верхней части которой находится ушко (служащее для соединения электродов в электродный блок), то уменьшается вероятность производственного брака и образования различных дефектов, способствующих снижению механической прочности и коррозионной стойкости токоотвода. Кроме того, наличие вертикальных жилок и рамки существенно упрочняет конструкцию и предотвращает коррозионную деформацию токоотвода. За счет того, что в положительном токоотводе количество вертикальных жилок в 1,6-2,4 раза больше количества горизонтальных жилок, достигается увеличение равномерности распределения тока и потенциала по высоте электрода, увеличение токосъема. Кроме того, такое соотношение жилок приводит к увеличению механических свойств токоотвода, снижению деформационного роста положительных электродов в период эксплуатации, увеличению срока службы аккумуляторной батареи. Если соотношение числа вертикальных жилок к числу горизонтальных менее 1,6, то исчезает полезный эффект; если указанное соотношение более 2,4, то возникает перерасход материала, ведущий к снижению удельной энергии электрода. Наличие в верхней части решетчатой сетки уплотнения распределения горизонтальных жилок в сторону нижней части решетчатой сетки токоотвода позволяет снизить омические потери при токосъеме. Это достигается за счет более равномерного токосъема практически по всей поверхности электрода, а также за счет увеличения равномерности распределения тока и потенциала по высоте электрода. Причем указанная равномерность достигается, если уплотнение распределения горизонтальных жилок выполняется в наиболее ответственной верхней части решетчатой сетки - хотя бы в верхних двух третях по площади. Все вместе это приводит к повышению коэффициента использования активной массы, увеличению мощности аккумуляторной батареи при емкостных и стартерных разрядах, препятствует процессу оплывания активной массы в нижней части электрода при эксплуатации аккумуляторной батареи. Достигнутое равномерное распределение тока и потенциала по высоте электрода приводит к снижению скорости коррозии. Повышению коррозионной стойкости токоотвода способствует и наличие скруглений радиусом 0,40-2,00 мм в узлах сопряжения горизонтальных жилок с вертикальными на всей территории решетчатого поля (сетки). Если радиус скруглений менее 0,40 мм, то большая кривизна поверхности металла способствует увеличению скорости коррозии за счет локальной неравномерности распределения электрического тока и потенциала в узлах решетчатой сетки, повышенной концентрации механических напряжений и дефектов структуры свинцового сплава. При радиусе скруглений более 2,00 мм заметного увеличения полезного эффекта не наблюдается, зато начинает увеличиваться расход материала, что влечет снижение удельной энергии электрода.

Достижению требуемого технического результата способствует также состав сплава положительного токоотвода. Олово в сплаве снижает "горячее" трещинообразование токоотводов, улучшает литейные свойства сплава, повышает механическую прочность и коррозионную стойкость токоотводов. Кроме того, олово препятствует пассивации электродов при эксплуатации, усиливая электрический контакт между токоотводом и положительной активной массой за счет образования в этой зоне кристаллов полупроводника n-типа с высокой электропроводимостью. Все вместе это увеличивает долговечность, вибропрочность и электрические характеристики батареи. При содержании олова менее 0,70 мас.% увеличивается вероятность образования пассивирующего слоя между токоотводами и положительной активной массой, при содержании олова более 1,20 мас.% начинает увеличиваться время естественного "старения" и затвердения ленты из такого сплава, что ведет к увеличению продолжительности технологического процесса изготовления электродов. Наличие в сплаве положительных токоотводов кальция обеспечивает высокую механическую прочность токоотводов, достаточную коррозионную стойкость их в условиях высоких рабочих температур, а также сопротивление коррозионной деформации. Снижение количества кальция в сплаве менее 0,03 мас.%, увеличивая коррозионную стойкость, приводит к ухудшению механических свойств токоотводов и ухудшению сцепления с активной массой, что влечет сокращение срока службы аккумуляторной батареи. Увеличение количества кальция в сплаве более 0,05 мас.% несколько снижает коррозионную стойкость положительных токоотводов. Важно отметить, что содержание олова 0,70-1,20 мас.% и кальция 0,03-0,05 мас.% взаимообусловлено, причем одновременно должно выполняться условие, что соотношение массового содержания олова к массовому содержанию кальция в сплаве K_Sn/Ca составляет 23-40. Выполнение этого условия необходимо для обеспечения стабильности свинцовых сплавов во времени, что гарантировало бы стабильность их механических свойств, высокий уровень коррозионной стойкости и надежную адгезию положительной пасты и активной массы к токоотводу. Указанное условие связано с образованием упрочняющего сплав интерметаллического соединения Sn₃Са, а также с характером ликвации (сегрегации) олова и кальция внутри кристаллических зерен свинцового сплава: кальций стремится расположиться преимущественно в середине зерна, а олово - преимущественно на границах зерен, т.е. в наиболее ответственных местах с точки зрения коррозии сплава и адгезии активной массы. Продемонстрируем возможность одновременного выполнения перечисленных условий по олову и кальцию: при содержании олова 0,70 мас.% содержание кальция должно быть в пределах 0,03-0,0304 мас.%; при содержании олова 0,90 мас.% содержание кальция должно быть 0,03-0,0391 мас.%, а при содержании олова 1,20 мас.% содержание кальция должно быть 0,03-0,05 мас.%, чтобы одновременно выполнялось условие K_Sn/Ca=23-40.

Серебро в сплаве повышает механическую прочность и коррозионную стойкость за счет диспергирования структуры сплава и увеличения плотности анодной окисной пленки, а также повышает электропроводность, что дает выигрыш в долговечности, вибропрочности и электрических характеристиках. При концентрации серебра менее 0,0003 мас.% его воздействие неощутимо, при концентрации более 0,02 мас.% серебро приводит к заметному снижению кислородного перенапряжения, что усиливает газовыделение и саморазряд батареи. Концентрация серебра подобрана в соответствии с концентрациями олова и кальция и определяется специфическим характером ликвации внутри кристаллических зерен свинцового сплава - серебро, как и олово, концентрируется в основном на границах зерен. Алюминий в количестве 0,01-0,025 мас.% позволяет сократить потери (выгорание) кальция при плавлении сплава, образуя защитный поверхностный слой в расплаве. Наличие алюминия дает возможность достоверно контролировать задаваемое количество кальция в сплаве, обеспечивая свойства, определяемые кальцием. Содержание алюминия подобрано с учетом содержания кальция и олова, которое также способствует защите кальция от выгорания путем образования интерметаллического соединения Sn₃Ca, а также с учетом технологии изготовления токоотводов, предусматривающей многократную переплавку сплава. При концентрации алюминия менее 0,01 мас.% возможны потери кальция при многократной переплавке сплава. Концентрация алюминия более 0,025 мас.% нецелесообразна, поскольку создает дополнительные затраты на легирование сплава. Висмут в сплаве играет противоречивую роль: с одной стороны, висмут повышает водородное перенапряжение и несколько повышает кислородное перенапряжение за счет попадания ионов Bi³⁺ в электролит; кроме того, висмут положительно влияет на адгезию положительной активной массы к токоотводу; с другой стороны, начиная с некоторых концентраций, висмут уменьшает коррозионную стойкость сплава. Таким образом, висмут в сплаве несколько снижает газовыделение и саморазряд. Кроме того, в указанных концентрациях висмут повышает долговечность, вибропрочность и электрические характеристики батареи за счет улучшения адгезии положительной активной массы к токоотводу. При меньшем (менее 0,0002 мас.%) содержании эффект висмута не проявляется. При большем (более 0,03 мас.%) содержании висмут приводит к уменьшению коррозионной стойкости токоотводов, что, наоборот, снижает вибропрочность и долговечность батареи. Как видно из представленного описания, содержание всех перечисленных легирующих элементов взаимосвязано и взаимообусловлено синергичными эффектами и должно рассматриваться как единый признак, характеризующий свинцовый сплав в целом и позволяющий достичь требуемого технического результата.

За счет того, что токоотвод для отрицательного электрода имеет перфорированную (просечную) конструкцию, достигается минимальный расход материала и максимальная удельная энергия электрода. При этом прочность такого токоотвода достаточна в условиях работы отрицательного электрода, где не возникает коррозии и коррозионной деформации. Наличие верхней рамки улучшает токосъем и обеспечивает прочное соединение с ушком, которое служит для соединения электродов в электродный блок. Достижению требуемого технического результата способствует также состав сплава отрицательного токоотвода, в котором понижено содержание олова и повышено содержание кальция по сравнению с положительным токоотводом, что и обеспечивает его механические свойства. При содержании олова менее 0,20 мас.% ухудшаются литейные свойства сплава, усиливается трещинообразование токоотводов; содержание олова более 0,35 мас.% в условиях отрицательного токоотвода экономически нецелесообразно, поскольку при этом увеличивается себестоимость сплава, тогда как необходимая механическая прочность уже достигнута за счет высокой концентрации кальция. В первую очередь повышенное содержание кальция обеспечивает механические свойства перфорированного токоотвода. При содержании кальция менее 0,07 мас.% снижаются механические свойства токоотвода, при содержании кальция более 0,11 мас.% увеличивается хрупкость токоотвода. Проблема стабильности свинцового сплава для отрицательного токоотвода не является актуальной, поскольку отрицательный токоотвод не подвергается коррозии и коррозионной деформации; это освобождает сплав от дополнительных условий по соотношению олова и кальция. Серебро в сплаве повышает его механическую прочность и обеспечивает пластичность в условиях повышенного содержания кальция. При содержании серебра менее 0,0003 мас.% исчезает эффект его присутствия, при содержании более 0,02 мас.% серебро приводит с заметному снижению водородного перенапряжения, что усиливает газовыделение и саморазряд. Как и в положительном токоотводе, в отрицательном токоотводе концентрация серебра подобрана в соответствии с концентрациями олова и кальция по причине действия особого механизма ликвации этих легирующих примесей в свинцовом сплаве. Концентрация алюминия 0,01-0,025 мас.% в сплаве диктуется необходимостью защитить кальций от выгорания и подобрана с учетом концентрации кальция и олова, а также с учетом технологии изготовления токоотводов. По сравнению со сплавом положительного токоотвода в сплаве отрицательного токоотвода меньше содержится олова и больше кальция. Поэтому, с одной стороны, требуется больше алюминия для защиты кальция от потерь. Но, с другой стороны, технология изготовления перфорированных токоотводов не предполагает многократную переплавку сплава, а это снижает требуемое количество алюминия. При концентрации алюминия менее 0,01 мас.% возможны потери кальция в сплаве. Концентрация алюминия более 0,025 мас.% нецелесообразна, поскольку создает дополнительные затраты на легирование сплава. Содержание висмута 0,0002-0,03 мас.% в сплаве позволяет снизить газовыделение и саморазряд за счет попадания ионов Bi³⁺ в электролит. При концентрации висмута менее 0,0002 мас.% исчезает эффект его присутствия, при содержании более 0,03 мас.% начинает снижаться механическая прочность сплава. Как и для положительного токоотвода, содержание всех легирующих элементов в сплаве для отрицательного токоотвода взаимосвязано и взаимообусловлено синергичными эффектами и должно рассматриваться как единый признак, характеризующий свинцовый сплав в целом.

Кроме полезных легирующих добавок, в сплаве обоих токоотводов могут содержаться нейтральные или вредные примеси Sb, As, Se, Cu, Fe, Ni, Zn, S в суммарном количестве не более 0,01 мас.%. Однако при таком малом суммарном содержании с учетом, что содержание любого слагаемого примесного элемента не более 0,002 мас.%, указанные примеси практически не влияют на свойства токоотводов.

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 аккумуляторных батарей, в частности - в производстве герметизированных аккумуляторных батарей, в которых используются низколегированные свинцовые сплавы и современные технологии непрерывного изготовления токоотводов.

На фиг.1 приведен общий вид аккумуляторной батареи. На фиг.2 приведен общий вид единичного положительного токоотвода с указанием его основных размеров. На фиг.3 приведен фрагмент решетчатой сетки и боковой части рамки положительного токоотвода с указанием размеров ячеек и толщины горизонтальных и вертикальных жилок. На фиг.4 приведен общий вид единичного отрицательного токоотвода с указанием его основных размеров.

Свинцово-кислотная аккумуляторная батарея содержит корпус 1, закрытый в верхней части крышкой 2, к которой крепится ручка 3 для переноски. В крышке проделаны заливочные отверстия, которые завинчиваются пробками 4, которые одновременно могут служить клапанами. Клапаны устанавливаются только в герметизированном варианте исполнения аккумуляторной батареи. Внутри крышки 2 расположен центральный газоотводящий канал (на фиг.1 не показан), который соединяет заливочные отверстия и служит для отвода газов, выделяющихся при заряде батареи. Выход газоотводящего канала может быть в любом заливочным отверстии, где будет осуществляться вывод газов через соответствующую пробку (или клапан) 4, задерживающую капли и аэрозоли электролита и препятствующую проникновению внутрь батареи пламени и искр, возможно присутствующих во внешней среде, а также исключающую попадание пыли. В частности, одним из наилучших вариантов отвода газов является отвод через две пробки (клапана) - третью и четвертую, расположенные в середине крышки, на максимальном расстоянии от полюсных выводов. Токообразующими элементами батареи являются положительные и отрицательные электроды 5.

Положительный токоотвод (токоотвод для положительного электрода) представляет собой решетчатую сетку из горизонтальных и вертикальных жилок постоянного сечения, расположенных внутри рамки, в верхней части которой находится ушко, служащее для соединения электродов в электродный блок. Высота А и ширина W токоотвода равны: А=135,0±0,1 мм, W=144,0±0,1 мм. Размеры, связанные с расположением ушка в верхней части рамки, равны: D=3,0-39,0 мм, Е=14,0-16,0 мм. Кроме того, в нашем примере указаны размеры В и С, характеризующие высоту токоотводов двух меньших типоразмеров, которые применяются в аккумуляторном производстве, согласно действующей нормативной документации. Указанные размеры равны: В=118,0±0,1 мм, С=103,0±0,1 мм. Технология изготовления положительного токоотвода допускает получение любого из трех вариантов конструкций путем несложной переналадки оборудования. Уплотнение распределения горизонтальных жилок в сторону нижней части решетчатой сетки токоотвода строго выполняется в верхней части решетчатой сетки, составляющей не менее 2/3 от общей площади решетчатой сетки, где расстояния а_i образуют убывающую последовательность чисел, характеризующуюся отношением a_i+1/a_i=0,85-0,97. В нашем примере горизонтальные жилки, расположенные в указанной верхней части, отстоят друг от друга на расстояниях: a₁=14±0,05 мм, а₂=13±0,05 мм, а₃=12,5±0,05 мм, а₄=12±0,05 мм, а₅=11,5±0,05 мм, a₆=11±0,05 мм, a₇=9,5±0,05 мм. Остальные размеры а_i равны: а₈=9±0,05 мм, а₉=6±0,05 мм, а₁₀=7±0,05 мм, а₁₁=7±0,05 мм, а₁₂=7±0,05 мм. Размер b задает ширину ячейки решетчатой сетки и равен: b=4,9±0,05 мм. Размеры ячеек в данной конструкции подобраны для эффективной намазки пастой, а также надежного удержания пасты и активной массы. Размеры d₁ и d₂ показывают ширину вертикальных жилок, причем d₁=0,83±0,05 мм, d₂=1,9±0,05 мм. В нашем примере каждая 4-ая вертикальная жилка имеет ширину d₂, т.е. уширена. Наличие уширенных "силовых" жилок способствует повышению жесткости конструкции токоотвода, успешному применению низколегированных свинцовых сплавов с очень малым количеством легирующих примесей. Размеры d₃ и d₄ демонстрируют ширину горизонтальных жилок: d₃=1±0,05 мм, d₄=2±0,05 мм, причем в нашем примере d₄ - ширина горизонтальных жилок в нижней части сетки, которые соответствуют расположению нижней части рамки для токоотводов меньших типоразмеров. Толщина положительного токоотвода составляет 0,75-0,90 мм.

Отрицательный токоотвод (токоотвод для отрицательного электрода) представляет собой перфорированную решетчатую сетку и верхнюю рамку, на которой находится ушко, служащее для соединения электродов в электродный блок. Высота токоотвода, в зависимости от типоразмера, составляет: Н=135,0+1,5 или 118,0+1,5, или 103,0+1,5 мм. Ширина токоотвода Z=144,0+1,5 мм. Размеры, связанные с расположением ушка в верхней части рамки, равны: F=39,0±0,1 мм, G=14,0±0,1 мм. Радиус скругления R6=6,0±0,05 мм. Высота рамки H1=5,0±0,05 мм. Ширина и высота ячеек равны: x=12,0±0,05 мм, y=6,95-8,35 мм. Ширина жилок равна 1,0±0,05 мм. Размеры ячеек и ширина жилок в данной конструкции подобраны для эффективной намазки пастой, а также надежного удержания пасты и активной массы. Толщина отрицательного токоотвода составляет 0,75-0,90 мм.

Изготовление заявляемой свинцово-кислотной аккумуляторной батареи производится следующим образом. Получение низколегированных свинцово-оловянно-кальциевых сплавов (с примесями) для токоотводов осуществляется по известным технологиям непосредственно в литейном цехе аккумуляторного предприятия. Состав сплавов задается согласно формуле изобретения. Положительные токоотводы производятся с помощью новейшей технологии непрерывного изготовления, включающей, в общих чертах, следующую последовательность операций. Вначале отливают полосу необходимой ширины (как правило, равной высоте сдвоенного токоотвода) из свинцового сплава для положительных токоотводов, при этом кристаллизация полосы осуществляется между двумя литейными барабанами, к которым подведено принудительное охлаждение с одинаковой интенсивностью теплоотвода. После этого полосу подвергают прокатке при определенных условиях (в определенном температурном интервале вблизи точки рекристаллизации, при определенной степени деформации) с целью упрочнения сплава и получения свинцовой ленты необходимой толщины. При этом, как правило, ширина полученной ленты равна ширине первоначальной полосы, а длина больше за счет уменьшения толщины. Затем ленту из свинцового сплава подвергают штамповке с целью получения ячеек (решетчатой сетки). После указанной операции положительные токоотводы представляют собой цельную непрерывную ленту соединенных друг с другом сдвоенных токоотводов. В результате штамповки образуется большое количество материала ленты в виде кусочков металла (высечки), который затем подвергается переплавке и повторному использованию. (Поскольку количество высечки достаточно велико, то значительная доля сплава участвует в многократных переплавках, что и усиливает актуальность защиты кальция от выгорания в положительных токоотводах.) Отрицательные токоотводы производятся с помощью известной технологии непрерывного изготовления, включающей, в общих чертах, следующую последовательность операций. Вначале отливают полосу из свинцового сплава для отрицательных токоотводов, затем полосу подвергают прокатке с целью упрочнения сплава и получения свинцовой ленты необходимой толщины. После этого ленту из свинцового сплава подвергают перфорированию (просечке) и одновременному растягиванию с целью получения решетчатой сетки. В результате отрицательные токоотводы также представляют собой цельную непрерывную ленту соединенных друг с другом сдвоенных токоотводов. Однако, в отличие от положительных токоотводов, при технологии перфорирования образуется минимальное количество высечки, требующей переплавки и повторного использования. Одновременно с производством токоотводов в цехе пастоприготовления и пастонамазки приготовляется свинцовая паста для формирования положительной и отрицательной активных масс. Затем ленты сдвоенных положительных и отрицательных токоотводов подвергаются намазке положительной и отрицательной пастой соответственно, после чего производится разделение намазанных электродных пластин на единичные. Намазанные положительные и отрицательные электродные пластины подвергаются термогидростатированию (сушке и дозреванию) в специальных камерах, после чего собираются аккумуляторные батареи в сборочном цехе. Прошедшие сборку аккумуляторные батареи подвергаются формированию (первому заряду) в цехе батарейного формирования, в результате чего формируется активная масса положительных и отрицательных электродов. После формирования батареи поступают на склад готовой продукции.

Лабораторные испытания опытных партий заявляемых аккумуляторных батарей подтвердили их высокую безотказность, долговечность, а также низкий уровень газовыделения и саморазряда. Электрические характеристики батарей с запасом удовлетворяют требованиям стандарта.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в производстве свинцово-кислотных аккумуляторных батарей. Техническим результатом является повышение механической прочности и электрических свойств электродов, увеличение коррозионной стойкости положительных токоотводов, достигаемый тем, что в свинцово-кислотной батарее, состоящей из аккумуляторов, соединенных последовательно с помощью межэлементных соединений, каждый аккумулятор состоит из блока разнополярных электродов, разделенных сепараторами и электролитом, каждый электрод состоит из активной массы и токоотвода, причем отрицательные электроды содержат перфорированные токоотводы, имеющие решетчатую сетку и верхнюю рамку, на которой находится ушко, служащее для соединения электродов в электродный блок, токоотвод для положительного электрода представляет собой решетчатую сетку из горизонтальных и вертикальных жилок постоянного сечения, расположенных внутри рамки, в верхней части которой находится ушко, служащее для соединения электродов в электродный блок, количество вертикальных жилок в 1,6-2,4 раза больше количества горизонтальных жилок, в верхней части решетчатой сетки, составляющей не менее 2/3 от общей площади решетчатой сетки, распределение горизонтальных жилок характеризуется уплотнением в сторону нижней части решетчатой сетки, в узлах сопряжения горизонтальных жилок с вертикальными имеются округления радиусом 0,40-2,00 мм, в состав сплава токоотвода для положительного электрода включены 0,70-1,20 мас.% Sn, 0,03-0,05 мас.% Са, 0,0003-0,02 мас.% Ag, 0,01-0,025 мас.% Al, 0,0002-0,03 мас.% Bi, суммарное содержание остальных примесей не более 0,01 мас.% при максимальном содержании любого слагаемого примесного элемента 0,002 мас.%, при соотношении массового содержания олова к массовому содержанию кальция в сплаве K_Sn/Ca, равном 23-40; в состав сплава токоотвода для отрицательного электрода включены: 0,20-0,35 мас.% Sn, 0,07-0,11 мас.% Са, 0,0003-0,02 мас.% Ag, 0,01-0,025 мас.% Al, 0,0002-0,03 мас.% Bi, суммарное содержание остальных примесей не более 0,01 мас.% при максимальном содержании любого слагаемого примесного элемента 0,002 мас.%. 4 ил.

Свинцово-кислотная батарея, состоящая из аккумуляторов, соединенных последовательно с помощью межэлементных соединений, каждый аккумулятор состоит из блока разнополярных электродов, разделенных сепараторами и электролитом, каждый электрод состоит из активной массы и токоотвода, причем отрицательные электроды содержат перфорированные токоотводы, имеющие решетчатую сетку и верхнюю рамку, на которой находится ушко, служащее для соединения электродов в электродный блок, отличающаяся тем, что токоотвод для положительного электрода представляет собой решетчатую сетку из горизонтальных и вертикальных жилок постоянного сечения, расположенных внутри рамки, в верхней части которой находится ушко, служащее для соединения электродов в электродный блок, количество вертикальных жилок в 1,6-2,4 раза больше количества горизонтальных жилок, в верхней части решетчатой сетки, составляющей не менее 2/3 от общей площади решетчатой сетки, распределение горизонтальных жилок характеризуется уплотнением в сторону нижней части решетчатой сетки, в узлах сопряжения горизонтальных жилок с вертикальными имеются округления радиусом 0,40-2,00 мм, в состав сплава токоотвода для положительного электрода включены 0,70-1,20 мас.% Sn, 0,03-0,05 мас.% Са, 0,0003-0,02 мас.% Ag, 0,01-0,025 мас.% Al, 0,0002-0,03 мас.% Bi, суммарное содержание остальных примесей не более 0,01 мас.% при максимальном содержании любого слагаемого примесного элемента 0,002 мас.%, при соотношении массового содержания олова к массовому содержанию кальция в сплаве K_Sn/Ca, равном 23-40; в состав сплава токоотвода для отрицательного электрода включены: 0,20-0,35 мас.% Sn, 0,07-0,11 мас.% Са, 0,0003-0,02 мас.% Ag, 0,01-0,025 мас.% Al, 0,0002-0,03 мас.% Bi, суммарное содержание остальных примесей не более 0,01 мас.% при максимальном содержании любого слагаемого примесного элемента 0,002 мас.%.