ГЕРМЕТИЧНЫЙ НИКЕЛЬ-КАДМИЕВЫЙ АККУМУЛЯТОР Российский патент 2007 года по МПК H01M10/34 

Изобретение относится к области электротехники и, в частности, к химическим источникам электрического тока.

Известен герметичный щелочной аккумулятор, содержащий сосуд, крышку с пробкой и борнами, положительные окисно-никелевые электроды, отрицательные сдвоенные кадмиевые электроды с избытком зарядной емкости по отношению к емкости окисно-никелевых электродов, сепаратор и электролит; аккумулятор снабжен изолированной камерой, соединенной герметично с электролитом аккумулятора, например, с помощью трубки, а сдвоенные кадмиевые электроды имеют свободный зазор между собой; изолированная камера расположена вне аккумулятора или внутри него; изолированная камера выполнена из эластичного щелочестойкого материала в виде складывающейся гармошки; изолированная камера может быть выполнена в виде замкнутого сосуда с твердыми стенками и снабжена трубкой, один конец которой расположен у дна, RU 2112301 C1.

Этот аккумулятор имеет следующие недостатки: малый запас зарядной емкости кадмиевого электрода по отношению к зарядной емкости положительного никелевого электрода в процессе длительного заряда аккумулятора допускает такое состояние, когда на кадмиевом электроде начинает выделяться водород при достижении на нем потенциала выделения водорода, а на положительном электроде выделяется кислород. Отсутствие дополнительного кислородного электрода в аккумуляторе вынуждает создавать дополнительные компенсационные емкости для сбора выделяющихся при заряде аккумулятора газов; такая конструкция для обеспечения герметичности аккумулятора требует дополнительных рабочих объемов для сбора газов, что снижает его удельные энергетические характеристики; избыточное давление, которое создается в компенсационных емкостях, ограничивает область применения такого рода аккумуляторов из-за конструктивного ограничения допустимого давления газов в емкостях.

Известен водородно-кислородный (воздушный) топливный элемент-аккумулятор (ВКТЭА), содержащий водородный газодиффузионный электрод с водородной камерой, кислородный (воздушный) газодиффузионный электрод с кислородной (воздушной) камерой и электролит, расположенный между водородным и кислородным (воздушным) электродами; водородный электрод содержит металлогидридный сплав, между водородным и кислородным (воздушным) электродами расположен окисно-никелевый электрод, а в качестве электролита взят щелочной электролит; окисно-никелевый электрод отделен от водородного и кислородного (воздушного) электродов сепараторами; окисно-никелевый электрод выполнен с возможностью электрического подключения к кислородному (воздушному) электроду; окисно-никелевый электрод электрически подключен к кислородному (воздушному) электроду посредством переключателя, RU 2204183 С1.

Недостатки данного аналога состоят в следующем: поглощение кислорода, выделяемого на положительном электроде во время его заряда, осуществляется газодиффузным электродом, который расположен между окисно-никелевым электродом и металлгидридным электродом и полностью погружен в электролит, что снижает эффективность поглощения кислорода и повышает внутреннее сопротивление источника тока; подключение кислородного электрода к окисно-никелевому электроду снижает эффективность работы кислородного электрода в связи с близкими потенциалами обоих электродов; увеличение толщины рабочих электродов снижает удельные энергетические характеристики аккумулятора в целом.

Известен также герметичный щелочной аккумулятор с совмещенными кислородно-водородными электродами, GB 1219482. Этот аккумулятор имеет тот недостаток, что электроды не имеют прямого контакта с электролитом аккумулятора, а контактирует только с сепаратором, смоченным электролитом, что существенно снижает эффективность работы электродов в связи с высоким внутренним сопротивлением электрической цепи, которое в том числе зависит от степени смачиваемости сепаратора электролитом в течение срока службы аккумулятора. Кроме того, затрудненная эвакуация образовавшейся воды на электродах разбавляет электролит в порах сепаратора и еще более повышает сопротивление электрической цепи и, соответственно, дополнительно снижает эффективность работы электродов.

Известен герметичный никель-кадмиевый аккумулятор, содержащий сосуд, крышку, положительные никелевые электроды и отрицательные кадмиевые электроды с избытком зарядной емкости по отношению к зарядной емкости никелевых электродов, сепаратор и щелочной электролит. Аккумулятор также содержит кислородный электрод из активированного угля, электрически соединенный с кадмиевым электродом, SU 143446.

Данное техническое решение принято за прототип настоящего изобретения.

Устройство, в отличие от аналогов, описанных выше, не требует дополнительных емкостей для утилизации выделяющихся при заряде газов, что упрощяет и удешевляет конструкцию.

Однако прототипу свойственен ряд недостатков.

Поскольку кислородный электрод из активированного угля находится на дне аккумулятора, то при повышении давления в аккумуляторе вследствие выделения водорода и кислорода кислородный электрод затапливается электролитом, выдавленным из пор кадмиевого и никелевого электродов и сепаратора. Вследствие этого существенно снижается эффективность поглощенного кислорода электродом, выполненным из активированного угля, в результате чего значительно повышается давление в сосуде, что обусловливает необходимость выполнения толстостенного сосуда и ограничивает габариты и, соответственно, емкость аккумулятора. Практика показала, что аккумуляторы, выполненные согласно прототипу, имеют емкость не более 200 Ач. Кроме того, запас зарядной емкости кадмиевого электрода по отношению к зарядной емкости никелевого электрода не превышает 50%. Вследствие этого может наблюдаться выделение водорода на кадмиевом электроде, так как нарушается баланс между током поглощения кислорода на кислородном электроде и током разряда кадмиевого электрода; это дополнительно повышает внутреннее давление в сосуде.

Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности поглощения кислорода электродом из активированного угля и уменьшение внутреннего давления в сосуде, что позволит повысить емкость аккумулятора; кроме того, решается задача предотвращения выделения водорода на кадмиевом электроде.

Согласно изобретению эта цель достигается за счет того, что герметичный никель-кадмиевый аккумулятор содержит сосуд, крышку, положительные никелевые электроды и отрицательные кадмиевые электроды с избытком зарядной емкости по отношению к зарядной емкости никелевых электродов, сепаратор, щелочной электролит и кислородный электрод из активированного угля, электрически соединенный с кадмиевым электродом; кислородный электрод выполнен по его длине из двух или более частей, причем каждая часть состоит из двух пластин, между которыми размещен волокнистый гидрофильный материал, а друг от друга эти части отделены решетчатыми элементами из электроизоляционного материала, толщина волокнистого гидрофильного материала составляет 0,25-1,0, а толщина решетчатого элемента составляет 1,0-4,0 от толщины пластины части кислородного электрода, при этом кислородный электрод размещен в верхней части аккумулятора и погружен в электролит нижней частью на 0,1-0,8 своей высоты; кадмиевый электрод выполнен с избытком зарядной емкости по отношению к зарядной емкости никелевого электрода от 75 до 100%.

Благодаря тому что кислородный электрод выполнен по его длине «L» из двух или более частей, каждая из которых состоит из двух пластин, между которыми размещен волокнистый гидрофильный материал, а друг от друга пластины отделены решетчатыми элементами, улучшается доступ кислорода к поверхности угольного элемента в присутствии электролита; при этом, с одной стороны, значительно увеличивается активная поверхность угольного электрода, а с другой стороны, обеспечивается доступ кислорода и необходимого для реакции электролита ко всей активной поверхности кислородного электрода. Волокнистый гидрофильный материал выполняет функцию доставки электролита к поверхности кислородного электрода за счет эффекта капиллярности и тем самым обеспечивает поляризацию электрода. При толщине этого материала менее 0,25 от толщины пластины части кислородного электрода капиллярный эффект выражен слабо, поэтому не происходит доставка достаточного для реакции количества электролита. При толщине волокнистого гидрофильного материала более 1,0 от толщины указанной выше пластины эффект капиллярности исчезает, электролит или не поднимается к поверхностям пластин, или, поднявшись на небольшую высоту, стекает обратно. Решетчатый элемент предназначен для обеспечения доступа кислорода к активной поверхности кислородного электрода. При толщине решетчатого элемента менее 1,0 от толщины пластины части кислородного электрода доступ кислорода существенно затруднен. Если эта толщина составляет более 4,0 от толщины данной пластины, общее количество пластин на единицу объема кислородного электрода сокращается и активная поверхность его становится недостаточной для эффективной работы. Благодаря тому что кислородный электрод размещен в верхней части аккумулятора и погружен в электролит нижней частью на 0,1-0,8 своей высоты, существенно повышается эффективность поглощения кислорода кислородным электродом, так как предотвращается полное затапливание этого электрода при повышении давления в аккумуляторе. Если кислородный электрод погружен менее чем на 0,1 своей высоты, то он не будет контактировать с достаточным для его поляризации количеством электролита, а если он погружен более чем на 0,8 своей высоты, то оставшаяся незатопленной поверхность кислородного электрода не будет обеспечивать минимально необходимую степень поглощения кислорода.

Заявителем не выявлены какие-либо источники информации, которые содержали бы сведения об отличительных признаках настоящего изобретения и о достигаемом вследствие их реализации техническом результате. Приведенный выше анализ связи этих признаков с достигаемым техническим результатом позволяет, по мнению заявителя, сделать вывод о соответствии заявленного изобретения критерию «изобретательский уровень».

Сущность изобретения поясняется чертежами, где изображено:

на фиг.1 - продольный разрез устройства;

на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1;

на фиг.3 - кислородный электрод, вид спереди;

на фиг.4 - кислородный электрод, вид сверху;

на фиг.5 - часть кислородного электрода с волокнистым гидрофильным материалом между пластинами и решетчатым элементом;

на фиг.6 показана зависимость среднего напряжения на аккумуляторах и потенциалов электродов при заряде от сообщенной емкости до герметизации батареи;

на фиг.7 - зависимость напряжения герметизированного аккумулятора, внутреннего давления и тока регенерации кислорода от степени заряженности аккумулятора при постоянном напряжении заряда на один аккумулятор ˜1,55 В.

Герметичный никель-кадмиевый аккумулятор содержит сосуд 1, крышку 2, положительные никелевые электроды 3 и отрицательные кадмиевые электроды 4 с избытком зарядной емкости по отношению к зарядной емкости электродов 3. Сепаратор 5 разделяет электроды 3 и 4. В сосуде 1 находится щелочной электролит 6. Кислородный электрод 7 выполнен из активированного угля и электрически соединен с электродом 4 посредством перемычки 8. Кислородный электрод 7 выполнен по его длине «L» из двух или более частей. В рассматриваемом примере - из 40 одинаковых частей. Каждая часть (фиг.5) состоит из двух угольных пластин 9, между которыми размещен волокнистый гидрофильный материал 10, в частности полипропилен; части электрода 7 отделены друг от друга решетчатыми элементами 11 из электроизоляционного материала, в данном примере, поливинилхлорида. Толщина материала 10 составляет в конкретном примере 0,4, а толщина решетчатого элемента - 2,0 от толщины угольной пластины 9. Кислородный электрод 7 размещен в верхней части аккумулятора между мостами 14 и погружен в электролит 6 своей нижней частью в представленном примере на 0,3 своей высоты. Кадмиевый электрод 4, в конкретном примере, выполнен с избытком зарядной емкости 80% по отношению к зарядной емкости никелевого электрода 3. Крышка 2 снабжена перегородками, в которых выполнены сквозные отверстия 15, площадь которых не более 3 мм². Аккумулятор снабжен отверстием для заливки электролита с герметичной пробкой 12, а также газовым клапаном 13 для снижения избыточного давления в условиях нештатной аварийной ситуации (увеличение зарядного напряжения выше допустимого, утечка электролита из аккумулятора и т.п.). Электрохимические процессы в никель-кадмиевом аккумуляторе, протекающие во время его заряда, приведены ниже.

Кислородный электрод 7Положительный (никелевый) электрод 3O₂+2Н₂O+4е=4OН^-Ni(OH)₂+ОН^-+e=NiOOH+H⁺О₂+Н₂О+2е=ОН^-+HO₂ ^-2Н₂О+4е=O₂+4H⁺ Отрицательный (кадмиевый) электрод 4 Cd(OH)₂+2e=Cd+2OH^- Cd+4OН^-=2Cd(OH)₂+4е Cd+O₂=2CdO+2е CdO+H₂O=Cd(OH)_n

При заряде аккумулятора и наборе никелевым электродом 3 зарядной емкости 100% кадмиевый электрод 4, получив такое же количество зарядного электричества, будет заряжен только на 50- 57%, что недостаточно для достижения потенциала выделения водорода на электроде 4. Кислород, выделяемый в процессе заряда на никелевом электроде, поглощается частично кадмиевым электродом, - частично угольной пластиной 9 кислородного электрода 7, а электроны кислородного электрода 7 разряжают кадмиевый электрод 4 через перемычку 8, соединяющую кислородный электрод 7 с кадмиевым электродом 4, понижая тем самым зарядную емкость и зарядный потенциал электрода 4, не позволяя в течение зарядного процесса достичь потенциала выделения водорода на электроде 4.

Электрохимический процесс поглощения кислорода угольными пластинами возможен только в том случае, если между угольными пластинами присутствует электролит, размещенный в порах сепаратора, а также имеется воздушный зазор для проникновения кислорода от никелевого электрода к поверхности угольной пластины. Поэтому гидрофильный волокнистый сепаратор 10 обеспечивает угольную пластину электролитом аккумулятора 6, а решетчатый элемент 11 обеспечивает возможность проникновения кислорода, выделяемого электродом 3, к поверхности угольной пластины 9.

Благодаря избытку зарядной емкости кадмиевого электрода 4 по отношению к зарядной емкости никелевого электрода 3, развернутой поверхности угольных пластин 9 кислородного электрода 7, доступу электролита 6 в межэлектродное пространство кислородного электрода 7 за счет гидрофильности волокнистого материала 10 и доступу кислорода, выделяемого никелевым электродом 3, к поверхности угольных пластин 9 кислородного электрода 7 через решетчатые элементы 11, расположению кислородного электрода в верхней части аккумулятора и погружению его в электролит своей нижней частью существенно повысится эффективность поглощения кислорода и уменьшится внутреннее давление в сосуде 1. Это в свою очередь обеспечивает повышение емкости аккумулятора.

Изобретение относится к химическим источникам тока. Герметичный никель-кадмиевый аккумулятор содержит сосуд, крышку, положительные никелевые электроды и отрицательные кадмиевые электроды с избытком зарядной емкости по отношению к зарядной емкости никелевых электродов, сепаратор, щелочной электролит и кислородный электрод из активированного угля, электрически соединенный с кадмиевым электродом; кислородный электрод выполнен по его длине из двух или более частей, причем каждая часть состоит из двух пластин, между которыми размещен волокнистый гидрофильный материал, а друг от друга эти части отделены решетчатыми элементами из электроизоляционного материала, толщина волокнистого гидрофильного материала составляет 0,25-1,0, а толщина решетчатого элемента составляет 1,0-4,0 от толщины пластины части кислородного электрода, при этом кислородный электрод размещен в верхней части аккумулятора и погружен в электролит нижней частью на 0,1-0,8 своей высоты; кадмиевый электрод выполнен с избытком зарядной емкости по отношению к зарядной емкости никелевого электрода от 75 до 100%. Техническим результатом изобретения является повышение эффективности поглощения кислорода электродом из активированного угля и уменьшение внутреннего давления в сосуде. 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Герметичный никель-кадмиевый аккумулятор, содержащий сосуд, крышку, положительные никелевые электроды и отрицательные кадмиевые электроды с избытком зарядной емкости по отношению к зарядной емкости никелевых электродов, сепаратор, щелочной электролит и кислородный электрод из активированного угля, электрически соединенный с кадмиевым электродом, отличающийся тем, что кислородный электрод выполнен по его длине из двух или более частей, причем каждая часть состоит из двух пластин, между которыми размещен волокнистый гидрофильный материал, а друг от друга эти части отделены решетчатыми элементами из электроизоляционного материала, толщина волокнистого гидрофильного материала составляет 0,25-1,0, а толщина решетчатого элемента составляет 1,0-4,0 от толщины пластины части кислородного электрода, при этом кислородный электрод размещен в верхней части аккумулятора и погружен в электролит нижней частью на 0,1-0,8 своей высоты.2. Аккумулятор по п.1, отличающийся тем, что кадмиевый электрод выполнен с избытком зарядной емкости по отношению к зарядной емкости никелевого электрода от 75 до 100%.