ОТРИЦАТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОД ДЛЯ СВИНЦОВО-КИСЛОТНОГО АККУМУЛЯТОРА И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 2009 года по МПК H01M4/20 H01M10/06 

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано в производстве свинцово-кислотных аккумуляторов.

Известен отрицательный электрод для свинцово-кислотного аккумулятора, содержащий токоотвод в виде решетки с токовыводом и активную массу, заполняющую ячейки решетки, при этом отношение веса активной массы к весу решетки равно 1,5-1,6 (авторское свидетельство СССР №361489, М кл. H01m 35/02, опубл. 1973 г.).

Недостатком такой конструкции электрода и аккумулятора на его основе являются низкие удельные электрические характеристики за счет выполнения тяжелым по весу токоотвода из свинца или его сплавов, что обусловлено меньшим значением отношения веса активной массы к весу токоотвода-решетки.

Кроме того, технологический процесс изготовления токоотводов на основе дорогостоящего свинца является сложным и затратным за счет необходимости использования литейного оборудования и энергетических затрат на литье решеток, что в конечном итоге делает аккумуляторы дорогостоящими.

Известен отрицательный электрод для свинцово-кислотного аккумулятора, содержащий токоотвод в виде пластмассовой сетки, углеродный слой, расположенный на поверхности сетки, свинцовый токовывод в виде планки с ушком, соединенный с верхней частью сетки, и активную массу, заполняющую ячейки сетки (патент Великобритании №1316124, МКИ H01m 35/08, опубл. 1973 г.) - принято за прототип.

Недостатками такой конструкции электрода являются невысокие удельные электрические характеристики, а также неудовлетворительная прочность электрода.

Невысокие удельные электрические характеристики обусловлены применением в качестве токоотвода тяжелого свинца, что уменьшает значение отношения веса активной массы к весу токоотвода, которое ниже оптимального.

Неудовлетворительная прочность электрода вызвана низкой механической прочностью одностороннего соединения свинцового токовывода с полимерным (из поливинилхлорида) токоотводом, что приводит к разрушению электрода при механических нагрузках (вибрация, удары), свойственных при эксплуатации аккумуляторов на транспорте. Кроме того, токоотвод из полимера, состоящего из частиц поливинилхлорида, спеченных между собой, является твердым и хрупким, что также снижает прочность токоотвода.

Известен способ изготовления отрицательного электрода для свинцово-кислотного аккумулятора, включающий изготовление токоотвода в виде полимерной пластмассовой сетки, присоединение к верхней части сетки по всей ее ширине токоотвода в виде планки с ушком из свинца, нанесения углеродного покрытия на поверхность сетки и последующее заполнение ячеек сетки активной массой (патент Великобритании №1316124, МКИ H01m 35/08, опубл. 1973 г.) - принято за прототип.

Недостатком такого способа изготовления электрода является получение электродов с невысокими удельными электрическими характеристиками и недостаточная прочность электрода.

Снижение удельных электрических характеристик обусловлено тем, что при изготовлении токоотвода в качестве материала токоотвода используют свинец, что приводит к увеличению веса электрода и уменьшает оптимальное значение отношения веса активной массы к весу токоотвода.

Недостаточная прочность электрода вызвана низкой механической прочностью соединения свинцового токовывода с поливинилхлоридным токоотводом, получаемого в процессе его изготовления, так как соединение токовывода с токоотводом осуществляется путем наложения токовывода на одну сторону сетки токоотвода, что не создает достаточной прочности соединения. Кроме того, выполнение токоотвода путем спекания частиц поливинилхлорида между собой способствует получению твердого и хрупкого полимера токоотвода, что также снижает прочность электрода в условиях эксплуатации аккумулятора на транспорте, где имеют место механические нагрузки (вибрация, удары).

Технической задачей изобретения является повышение удельных электрических характеристик отрицательного электрода для свинцово-кислотного аккумулятора, а также повышение прочности электрода.

Технический результат достигается тем, что в известном отрицательном электроде для свинцово-кислотного аккумулятора, содержащем токоотвод в виде сетки, углеродный слой, расположенный на поверхности сетки, токовывод, выполненный в виде планки с ушком, расположенной на всю ширину токоотвода и соединенный с верхней частью сетки и активную массу, заполняющую ячейки сетки, токоотвод выполнен в виде двух сеток, соединенных между собой, при этом токовывод размещен между сетками, верхние кромки которых находятся над планкой токовывода, и соединен между собой, а каждая из сеток выполнена из двухслойного материала, наружный слой которого выполнен из высокоадгезионного полимера, а внутренний выполнен из стекловолокна, или углерода, или твердого полимера, а отношение веса активной массы к весу токоотвода равно 6,0-16,0.

Указанная совокупность признаков технического решения обеспечивает получение технического результата.

Повышение удельных электрических характеристик отрицательного электрода для свинцово-кислотного аккумулятора и повышение прочности электрода обеспечиваются выполнением токоотвода в виде двух сеток, соединенных между собой, размещением токовывода между сетками, верхние кромки которых находятся над планкой токовывода и соединены между собой, а каждая из сеток выполнена из двухслойного материала, наружный слой которого выполнен из высокоадгезионного полимера, а внутренний выполнен из стекловолокна, или углерода, или твердого полимера, а отношение веса активной массы к весу токоотвода равно 6,0-16,0.

Выполнение токоотвода в виде двух сеток, соединенных между собой, и соединение токовывода с сетками с двух его сторон, а также соединение верхних кромок сеток между собой над планкой токовывода повышают прочность электрода за счет повышения прочности указанных соединений. Применение сеток из двухслойного материала обеспечивает прочность токоотвода за счет неразъемности соединения между собой высокоадгезионных полимеров наружного слоя материала сетки, а наличие внутреннего слоя сетки из стекловолокна, или углерода, или твердой пластмассы обеспечивает жесткость токоотвода. Кроме того, выполнение наружного слоя из высокоадгезионного полимера обеспечивает возможность качественного нанесения на поверхность сеток углеродного материала.

Выполнение токоотвода из двух сеток, изготовленных из двухслойного легкого материала, дает возможность получить токоотвод оптимальной толщины, имеющий одновременно жесткость и прочность, а также применять токовывод из любого легкого материала и обеспечить выбор оптимального значения отношения веса активной массы к весу токоотвода, равным 6,0-16,0, и повышение удельных электрических характеристик отрицательного электрода и аккумулятора в целом.

Технический результат достигается тем, что в известном способе изготовления отрицательного электрода для свинцового аккумулятора, включающим изготовление токоотвода в виде сетки, присоединение к верхней части сетки по всей ее ширине токовывода в виде планки с ушком, нанесение углеродного покрытия на поверхность сетки и последующее заполнение ячеек сетки активной массой, токоотвод изготавливают из двух сеток путем наложения их друг на друга, размещают токовывод между сетками, при этом верхние кромки последних располагают над планкой токовывода и соединение токовывода с сетками осуществляют соединением их с токовыводом и соединением верхних кромок в процессе соединения сеток между собой, в качестве материала сеток используют двухслойный материал, наружный слой которого выполнен из высокоадгезионного полимера, а внутренний выполнен из стекловолокна, или углерода, или твердого полимера, а отношение веса активной массы к весу токоотвода берут равным 6,0-16,0.

Указанная совокупность признаков технического решения обеспечивает достижение технического результата.

Повышение удельных электрических характеристик отрицательного электрода для свинцово-кислотного аккумулятора и повышение прочности электрода обеспечиваются изготовлением токоотвода из двух сеток путем наложения их друг на друга, размещения токовывода между сетками так, что верхние кромки последних располагают над планкой токовывода и соединение токовывода с сетками осуществляют соединением их с токовыводом и соединением верхних кромок сеток в процессе соединения сеток между собой, а в качестве материала сеток используют двухслойный материал, наружный слой которого выполнен из высокоадгезионного полимера, а внутренний слой выполнен из стекловолокна, или углерода, или твердого полимера, отношение веса активной массы к весу токоотвода берут равным 6,0-16,0.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где:

На фиг.1 изображен отрицательный электрод.

На фиг.2 - то же, вид сбоку.

На фиг.3 изображена принципиальная схема варианта способа изготовления электрода.

На фиг.4 - то же, разрез А-А.

Отрицательный электрод для свинцово-кислотного аккумулятора содержит токоотвод, состоящий из двух соединенных между собой сеток 1 и 2, углеродный слой 3, расположенный на поверхности сеток, токовывод, размещенный между верхними частями сеток и соединенный с ними, и активную массу 4, заполняющую ячейки сетки.

Токовывод выполнен в виде планки 5 с ушком 6 и изготовлен из высокопроводящего металла, например освинцованной меди или латуни. Планка токовывода расположена на всю ширину токоотвода. Токовывод размещен между сетками таким образом, что верхние кромки 7, 8 сеток находятся над планкой и соединены между собой. Ушко токовывода снабжено отверстиями 9, расположенными на уровне верхних кромок сеток. Отверстия необходимы для более прочного соединения кромок сеток с ушком токовывода и лучшим удержанием активной массы. Соединение сеток с планкой и ушком токовывода, а также дополнительное соединение верхних кромок сеток между собой, обеспечивает надежное и прочное крепление токовывода с токоотводом.

Каждая из сеток выполнена из двухслойного материала, наружный слой которого выполнен из высокоадгезионного полимера, а внутренний из стекловолокна, или углерода, или твердого полимера.

Выполнение сеток из двухслойного материала обеспечивает прочность токоотвода за счет того, что внутренний слой способствует увеличению предела прочности при растяжении и жесткость соединенных сеток, а наружный слой, выполненный из высокоадгезионного полимера, обеспечивает возможность прочного соединения сеток между собой, например сваркой или склеиванием. В качестве высокоадгезионного полимера используются термопластичные полимеры (эластомеры), например поливинилхлорид, или акрилаты, или полистирол, или полипропилен, или полиэтилен и другие кислотоустойчивые полимеры. В качестве твердого полимера может быть использована, например, эпоксидная смола.

Отношение веса активной массы к весу токоотвода составляет 6,0-16,0, что существенно снижает вес электрода.

Пример. Отрицательный электрод для свинцово-кислотного аккумулятора представляет собой токоотвод общим весом 8 г и размерами 0,8×118×143 мм, состоящий из двух соединенных между собой сеток 1 и 2, углеродного слоя 3 в виде графита, расположенного на поверхности сеток, токовывода, размещенного между верхними частями сеток и соединенный с ними и активную массу 4 весом 80 грамм, заполняющую ячейки сетки. Токовывод выполнен в виде планки 5 с ушком 6 из освинцованной меди. Токовывод размещен между сетками так, что верхние кромки 7 и 8 сеток находятся над планкой и соединены между собой. Ушко токовывода снабжено тремя отверстиями 9, расположенными на уровне верхних кромок сеток и предназначенными для более прочного соединения кромок сеток с ушком и лучшим удержанием активной массы.

Каждая из сеток выполнена из двухслойного материала, наружный слой которого выполнен из высокоадгезионного полимера, например поливинилхлорида, а внутренний слой из стекловолокна. Отношение веса активной массы к весу токоотвода равно 10,0.

В таблице приведены экспериментальные данные обоснования выбора отношения веса активного материала к весу токоотвода.

Пример Вес активной массы, г Вес токоотвода, г Отношение веса активной массы к весу токоотвода Достигнутый технический результат 1 80 4,9 16,2 Прочность электрода снижена и не соответствует предъявляемым требованиям из-за низкой прочности токоотвода. Намазка активной массы затруднена 2 80 5,0 16,0 Прочность и удельные характеристики соответствуют предъявляемым требованиям 3 80 8,0 10,0 -//- 4 80 11,8 6,8 -//- 5 80 13,8 5,8 Прочность электрода соответствует предъявляемым требованиям. Удельные электрические характеристики снижены из-за увеличения веса токоотвода

Как видно из приведенных экспериментальных данных, электрод с соотношением веса активной массы к весу токоотвода в пределах 6,0-16,0 имеет прочность и удельные электрические характеристики, соответствующие предъявляемым требованиям.

Электрод, имеющий отношение веса активной массы к весу токоотвода, меньше 6,0 является прочным из-за высокой прочности токоотвода, однако электрод имеет невысокие удельные электрические характеристики из-за увеличения веса токоотвода.

Электрод, имеющий отношение веса активной массы к весу токоотвода более 16,0, имеет низкую прочность и жесткость из-за недопустимо малой толщины токоотвода, что может привести к отслоению активной массы при эксплуатации аккумулятора.

Способ изготовления отрицательного электрода для свинцово-кислотного аккумулятора осуществляется следующим образом.

Изготавливают токоотвод из двух сеток 1 и 2 путем наложения их друг на друга, при этом размещают токовывод между сетками таким образом, чтобы верхние кромки 7, 8 последних располагались над планкой 5 токовывода. Затем производят соединение сеток между собой. В процессе соединения сеток производят одновременное соединение их с планкой 5 и ушком 6 токовывода и соединение верхних кромок сеток. Одновременное соединение всех элементов токоотводов позволяет увеличить их прочность и точность геометрических размеров вследствие непрерывности процесса и постоянства режимов совмещения элементов и их соединения. Соединение сеток между собой и с токовыводом осуществляют различными способами, например сваркой или склеиванием. В качестве материала сеток используют двухслойный материал, наружный слой которого выполнен из высокоадгезионного полимера, например поливинилхлорида, а внутренний из стекловолокна, углерода или твердого полимера.

После соединения сеток производят нанесение на поверхность токоотвода углеродного слоя любым известным способом, например термическим или газопламенным. Затем производят заполнение ячеек токоотвода активной массой на основе свинца, например, путем двусторонней намазки. При этом отношение веса активной массы к весу токоотвода берут равным 6,0-16,0.

Пример. С бобин транспортирующими роликами 10 с равномерной линейной скоростью одновременно с двух сторон подают ленты в виде сеток 1 и 2 (толщина сеток 0,4 мм). Ширина сеток соответствует заданной высоте токоотвода электрода (118 мм). В качестве материала сеток использовали двухслойный материал - внешний слой которого выполнен из высокоадгезионного полимера - поливинилхлорида, а внутренний из стекловолокна. Между сетками размещают токовыводы в виде ленты на средней бобине, при этом верхние кромки сеток располагают над планкой токовывода и соединение токовывода с сетками осуществляется соединением их с токовыводом и соединением кромок в процессе соединения сеток между собой. Затем сетки нагревают нагревательными плитами 11 до температуры размягчения поливинилхлорида (t=160-180°C) и прикатывают сетки друг с другом прикаточными роликами 12. Скорость прикаточных роликов равна скорости транспортирующих роликов 10. После чего образующуюся ленту подают между валками-нагревателями 13, нагревают поверхность токоотвода и производят нанесение углеродного слоя - графита в устройстве графитизации 14. Графитизированную ленту подают в устройство 15 для намазки и производят двухстороннее нанесение массы на ленту. При этом отношение веса активной массы к весу токоотвода берут равным 10,0. Затем лента с активной массой поступает на устройство разрубки 16, где лента разрубается на отдельные электроды 17 (шириной 143 мм), которые равномерно распределяются на транспортере-накопителе 18 и далее направляются на дальнейшие технологические операции: сушку, формировку и т.д.

Предлагаемая конструкция отрицательного электрода для свинцово-кислотного аккумулятора имеет удельные электрические характеристики на 20-25% выше, чем у конструкции электрода по прототипу и обладает большей прочностью, что позволяет использовать аккумуляторы с такими электродами на большинстве транспортных средств.

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использован в производстве свинцово-кислотных аккумуляторов. Техническим результатом изобретения является повышение удельных электрических характеристик. Согласно изобретению электрод содержит токоотвод, токовывод и активную массу. Токоотвод состоит из двух соединенных между собой сеток. На поверхности сеток расположен углеродный слой. Токовывод размещен между сетками. Верхние кромки сеток находятся над планкой токовывода и соединены между собой. Каждая из сеток выполнена из двухслойного материала. Наружный слой сетки выполнен из высокоадгезионного полимера, а внутренний - из твердого полимера, или стекловолокна, или углерода. Отношение веса активной массы к весу токоотвода составляет 6,0-16,0. При изготовлении токоотвода сетки накладывают друг на друга и размещают между ними токовывод. Верхние кромки сеток располагают выше планки токовывода. Затем соединяют сетки между собой и одновременно соединяют их верхние кромки и сетки с планкой и ушком токовывода. Соединение элементов токоотвода производят, например, сваркой или склейкой. Затем на поверхность токоотвода наносят углеродный слой, например, термическим или газопламенным способом и осуществляют заполнение ячеек токоотвода активной массой. 2 н.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

1. Отрицательный электрод для свинцово-кислотного аккумулятора, содержащий токоотвод в виде сетки, углеродный слой, расположенный на поверхности сетки, токовывод, выполненный в виде планки с ушком, расположенной на всю ширину токоотвода, и соединенный с верхней частью сетки, и активную массу, заполняющую ячейки сетки, отличающийся тем, что токоотвод выполнен в виде двух сеток, соединенных между собой, при этом токовывод размещен между сетками, верхние кромки которых находятся над планкой токовывода и соединены между собой, а каждая из сеток выполнена из двухслойного материала, наружный слой которого выполнен из высокоадгезионного полимера, а внутренний выполнен из стекловолокна или углерода, или твердого полимера, а отношение веса активной массы к весу токоотвода равно 6,0-16,0.

2. Способ изготовления отрицательного электрода для свинцового аккумулятора, включающий изготовление токоотвода в виде сетки, присоединение к верхней части сетки по всей ее ширине токовывода в виде планки с ушком, нанесение углеродного покрытия на поверхность сетки и последующее заполнение ячеек сетки активной массой, отличающийся тем, что токоотвод изготавливают из двух сеток путем наложения их друг на друга, размещают токовывод между сетками, при этом верхние кромки последних располагают над планкой токовывода и соединение токовывода с сетками осуществляют соединением их с токовыводом и соединением кромок в процессе соединения сеток между собой, а в качестве материала сеток используют двухслойный материал, наружный слой которого выполнен из высокоадгезионного полимера, а внутренний выполнен из стекловолокна или углерода, или твердого полимера, а отношение веса активной массы к весу токоотвода берут равным 6,0-16,0.