ГЕРМЕТИЧНЫЙ НИКЕЛЬ-ЦИНКОВЫЙ АККУМУЛЯТОР Российский патент 2009 года по МПК H01M10/30 H01M10/28 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в щелочных аккумуляторах, включающих положительный электрод из сферического гидроксида никеля и отрицательный цинковый электрод, разделенные пористым сепаратором, щелочной электролит и корпус с клапаном.

Известен никель-цинковый (НЦ) аккумулятор, содержащий в корпусе с клапаном положительный оксидно-никелевый электрод прессованного типа на пеноникелевой основе и отрицательный электрод с пористой активной массой из смеси оксида цинка с металлическим цинковым порошком с добавками связующих и поверхностно-активных веществ, а также ингибитор коррозии цинка, разделенные комбинированным пористым сепаратором, состоящим из слоев нетканого полипропилена, щелочестойкой бумаги и гидратцеллюлозной пленки, и щелочной электролит (З.П.Архангельская, Т.Б.Касьян, М.М.Логинова, Л.Б.Райхельсон. Процессы в никель-цинковом аккумуляторе с оксидно-никелевым электродом из сферического гидроксида никеля в основе. Журнал прикладной химии. 2003. Т.76. В.5. С.779-782).

Этот аккумулятор в процессе эксплуатации в связи с выделением на электродах газов (кислорода и водорода) используется в вентилируемом состоянии при наличии клапана низкого давления - (0,1-0,4)·10² кПа для предотвращения проникновения внутрь аккумулятора углекислого газа, ухудшающего работоспособность электродов и повышающего сопротивление электролита.

Недостатком вентилируемого НЦ аккумулятора является необходимость в уходе за ним (периодическая добавка электролита и глубокие разряды). При этом корректировка состава электролита при необходимой для устойчивой работы плотной упаковке электродного блока в корпусе затруднительна. Кроме того, в связи с различной затратой тока на выделение кислорода на положительном электроде и водорода - на отрицательном, эксплуатация вентилируемого НЦ аккумулятора сопровождается нарушением баланса в степени заряженности положительного и отрицательного электродов и снижением емкости аккумулятора. Поэтому для обеспечения стабильных характеристик НЦ аккумулятора и длительного срока службы необходимо регенерировать выделяющиеся газы и обеспечить их безуходность при эксплуатации.

Известен НЦ аккумулятор, в котором регенерация газов достигается применением вспомогательных электродов (patent US 5460899, H01M 4/48, H01M 10/24. Oct.24, 1995. A.Charkey. Sealed zinc secondary battery and zinc electrode therefor).

Однако рассматриваемый аккумулятор имеет усложненную конструкцию, что ограничивает его распространение.

Известен НЦ аккумулятор, в котором выделяющиеся кислород и водород поглощаются непосредственно на основных электродах (соответственно отрицательном и положительном), являющихся противоэлектродами друг другу (З.П.Архангельская, М.М.Логинова, Т.Б.Касьян, Д.А.Виноградова. Газовыделение и газопоглощение в герметизированном никель-цинковом аккумуляторе с оксидно-никелевым электродом из сферического гидроксида никеля. Журнал прикладной химии. 2004. Т.77. В.1. С.70-74).

Скорости ионизации кислорода и окисления водорода при этом зависят от их давления и увеличиваются по мере его повышения. Экспериментально определено, что на протяжении каждого цикла в период заряда кислород накапливается в газовом пространстве аккумулятора с повышением давления до (0,5-0,7)·10² кПа, а затем во время пауз и разряда практически полностью поглощается. Давление водорода во время заряда также возрастает, а на последующих стадиях снижается, но не до нуля. Количество выделяющегося и поглощаемого водорода в циклирующемся аккумуляторе уравновешивается при его давлении (1,0-1,5)·10² кПа при суммарном давлении водорода и кислорода в загерметизированном аккумуляторе (2,0-2,5)·10 кПа.

В связи с установленными зависимостями для регенерации накапливающихся газов в известном НЦ аккумуляторе применяется клапан с давлением открытия (2,0-2,5)·10² кПа, что позволяет ему циклироваться при изменении суммарного давления кислорода и водорода от 0 до (2,0-2,5)·10² кПа на протяжении 200 циклов. При этом НЦ аккумулятор функционирует с периодическим открытием клапана и сбрасыванием накапливающихся газов, то есть в режиме герметизированного аккумулятора. В связи с неполной ионизацией газов это приводит к возникновению дисбаланса в степени заряженности положительного и отрицательного электродов (хотя и более медленному, чем в вентилируемом аккумуляторе) и постепенному снижению емкости. Срок службы аккумулятора при этом составляет 200-250 циклов.

Задачей настоящего изобретения является устранение вышеперечисленных недостатков. Поставленная задача решается тем, что с целью достижения длительного функционирования НЦ аккумулятора в герметичном виде в рассмотренном герметизированном аккумуляторе, содержащем положительные электроды прессованного типа из сферического гидроксида никеля с 4-7% кобальта с преобладающим размером пор 5-50 мкм, отрицательные электроды с активной массой из оксида цинка и цинкового порошка с добавлением связующих и поверхностно-активных веществ и ингибиторов коррозии цинка (оксид кадмия и другие), а также микропористый сепаратор из полипропилена толщиной 20-25 мкм с размером пор 50-100 мкм и щелочной электролит, для обеспечения поглощения выделяющихся газов под их собственным давлением предлагается проводить его герметизацию установкой клапана с давлением открытия (3,0-3,5)·10² кПа.

Предлагается формирование аккумулятора проводить с клапаном низкого давления - (0,1-0,4)·10² кПа, а последующее циклирование и хранение проводить после установки клапана с давлением открытия (3,0-3,5)·10² кПа. При этом, как показано на фиг.1, на протяжении нескольких первоначальных циклов (от 5 до 40 циклов) давление внутри аккумулятора может повышаться до (3,0-3,5)·10² кПа с возможным открытием клапана и выпуском газа), а затем стабилизируется на уровне (1,0-1,2)·10² кПа. В дальнейшем клапан выполняет роль аварийного клапана с давлением открытия (3,0-3,5)·10² кПа.

Применение в НЦ аккумуляторе клапана с более низким давлением открытия по сравнению с предлагаемым не обеспечивает снижения максимального суммарного давления газов в аккумуляторе до уровня, необходимого для длительного его функционирования в герметичном виде. Аккумулятор длительно функционирует при давлении, превышающем предел (2,0-2,5)·10 кПа при открытом клапане, то есть может использоваться только в виде герметизированного аккумулятора. Это хотя и более медленно, чем в случае вентилируемого аккумулятора, сопровождается нарушением баланса в степени заряженности электродов и снижением емкости.

Повышение давления открытия свыше предлагаемых значений (3,0-3,5)·10² кПа нежелательно из-за возможной разгерметизации корпуса.

Таким образом, реализация предлагаемого НЦ аккумулятора при применении клапана с давлением открытия (3,0-3,5)·10² кПа позволяет обеспечить длительное функционирование (до 400-450 циклов) НЦ аккумулятора в герметичном состоянии.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в щелочных аккумуляторах, включающих положительный электрод из сферического гидроксида никеля и отрицательный электрод из оксида цинка, разделенные комбинированным пористым сепаратором, щелочной электролит и корпус с клапаном. Согласно изобретению для поглощения выделяющихся газов и обеспечения длительного функционирования аккумулятора использован клапан с давлением открытия (3,0-3,5)·10² кПа, что обеспечивает стабилизацию суммарного давления газов на уровне (1,0-1,2)·10² кПа. Техническим результатом является длительное функционирование аккумулятора (до 400-450 циклов) в герметичном состоянии. 1 ил.

Герметичный никель-цинковый аккумулятор, включающий корпус с клапаном, с расположенными в нем положительными электродами прессованного типа из сферического гидроксида никеля с добавкой 4-7% кобальта и связующего, отрицательными электродами из смеси оксида цинка и цинкового порошка с добавками связующих, поверхностно-активных веществ и ингибиторов коррозии цинка, разделенными пористым сепаратором из микропористой пленки толщиной 20-25 мкм с порами диаметром 50-100 мкм, и залитым в него щелочным электролитом, отличающийся тем, что для поглощения выделяющихся газов и обеспечения длительного функционирования аккумулятора использован клапан с давлением открытия (3,0-3,5)·10² кПа.