ЭЛЕКТРОД АККУМУЛЯТОРА, СПОСОБ ВЫРАЩИВАНИЯ ЭЛЕКТРОДА И АККУМУЛЯТОР НА ЕГО ОСНОВЕ Российский патент 2010 года по МПК H01M4/36 H01M10/32 B82B3/00 

Группа изобретений относится к электротехнической промышленности и может быть использована при изготовлении положительных и отрицательных электродов и кислотных и щелочных аккумуляторов на их основе.

Относительно первого объекта группы изобретений известен положительный серебряный электрод для щелочного аккумулятора, содержащий токовый коллектор и активную массу на основе пористого серебряного порошка, при этом порошок состоит из дисперсных пористых частиц с дендритным строением размером 400-500 мкм, величиной пор в частицах 0,5-8,0 мкм, имеет удельную поверхность 0,1-0,3 м²/г и насыпную плотность 1,0-1,8 г/см³, при этом пористые частицы порошка образованы из беспористых кристаллов (зерен) неправильной формы размером от 1,0 до 5,0 мкм (см. патент РФ на изобретение №2306638, МПК 7 Н01М 4/54, Н01М 10/32, приоритет от 24.01.2006, опубликовано 20.09.2007 «Положительный серебряный электрод для щелочного аккумулятора и аккумулятор на его основе»).

Недостатком известного положительного серебряного электрода является низкая площадь рабочей поверхности электрода, обусловленная хаотичным расположением дисперсных пористых частиц с дендритным строением в структуре электрода, образующим поры различного размера и конфигурации, что при использовании электрода в составе аккумулятора препятствует равномерному распределению электролита во всем объеме активной массы, повышает внутреннее электрическое сопротивление электрода, ухудшает его разрядно-зарядные характеристики, и следовательно, снижает емкость аккумулятора.

Кроме того, при заряде аккумулятора в результате химической реакции активной массы электрода и электролита происходит закрытие более мелких пор на поверхности активной массы оксидами серебра Ag₂O, AgO, что затрудняет контакт электролита с глубокими слоями активной массы электрода, что также снижает емкость аккумулятора.

К недостаткам известного электрода следует отнести также сложность его изготовления, связанного с необходимостью прессования при высоком давлении (400-800 кгс/см²) и трехступенчатого обжига.

Известен положительный серебряный электрод для щелочного аккумулятора, являющийся наиболее близким аналогом, содержащий токовый коллектор и активную массу на основе пористого серебряного порошка, пористые частицы которого имеют каркасное строение и состоят из отдельных структурно связанных фрагментов, при этом каждый из фрагментов имеет систему параллельных цилиндрических пор, разделенных пористой стенкой из кристаллов серебра (зерен) сферической формы диаметром от 0,05 до 0,5 мкм, толщина пористой стенки составляет от 0,5 до 1,0 мкм (см. патент РФ на изобретение №2195750, МПК 7 Н01М 4/54, Н01М 10/32, приоритет от 11.02.2002, опубликовано 27.12.2002, «Положительный серебряный электрод для щелочного аккумулятора и аккумулятор на его основе»).

Несмотря на наличие системы параллельных цилиндрических пор, обеспечивающей более эффективный доступ электролита к поверхности частиц серебра по всему объему электрода, площадь рабочей поверхности электрода является недостаточной, поскольку указанная конструкция электрода, сформированная из разнонаправленных отдельных структурно связанных фрагментов, разделенных пористой стенкой из кристаллов серебра сферической формы, в целом состоит из хаотично расположенных и различных по величине пористых частиц серебряного порошка, затрудняющих при эксплуатации электрода в аккумуляторе равномерное распределение электролита одновременно во всем объеме активной массы, что повышает внутреннее электрическое сопротивление электрода, ухудшает его разрядно-зарядные характеристики и является основным недостатком известного положительного серебряного электрода, снижающим емкость аккумулятора.

Кроме того, при заряде аккумулятора в результате химической реакции активной массы электрода и электролита происходит забивание более мелких пор активной массы электрода оксидами серебра Ag₂O, AgO, что затрудняет равномерный контакт электролита с различными слоями активной массы электрода и также снижает емкость аккумулятора.

К недостаткам известного электрода следует отнести также сложность его изготовления, связанного с необходимостью прокатки серебряного порошка и просечной серебряной полосы между стальными валками при величине давления на валки от 0,6 до 1,0 кгс/см², что соответствует давлению прессования 800-1100 кгс/см², и трехступенчатого обжига.

Относительно второго объекта группы изобретений известен способ изготовления электрода с использованием пористых частиц серебряного порошка с величиной пор в частицах - 0,5-5,0 мкм, согласно которого навеску пористого серебряного порошка загружают в пресс-форму, разравнивают навеску в пресс-форме, на поверхности порошка в пресс-форме размещают просечную серебряную сетку, служащую коллектором, после чего производят прессование электрода при давлении 400-800 кгс/см² таким образом, чтобы пористость электрода составила 50-55%, и спекают в туннельной печи с тремя температурными зонами: 150-200°С с выдержкой 20 минут, 400-450°С с выдержкой 20 минут и 150-200°С с выдержкой 20 минут. К полученному электроду с помощью контактной сварки приваривают токоотвод из серебряной полосы, после чего электрод поступает на сборку аккумулятора (см. патент РФ на изобретение №2306638, МПК 7 Н01М 4/54, Н01М 10/32, приоритет от 24.01.2006, опубликовано 20.09.2007, «Положительный серебряный электрод для щелочного аккумулятора и аккумулятор на его основе»).

Недостатком известного способа является сложность изготовления серебряного электрода, связанная с необходимостью прессования при высоком давлении (400-800 кгс/см²) и проведения трехступенчатого обжига, при том что конструкция серебряного электрода имеет низкую площадь рабочей поверхности электрода, обусловленную хаотичным расположением дисперсных пористых частиц с дендритным строением в структуре электрода, образующим поры различного размера и конфигурации, что при использовании электрода в составе аккумулятора препятствует равномерному распределению электролита во всем объеме активной массы, повышает внутреннее электрическое сопротивление электрода, ухудшает его разрядно-зарядные характеристики и, следовательно, снижает емкость аккумулятора.

Известен также способ изготовления электрода с использованием пористых частиц серебряного порошка, размер которых составляет 400 мкм, образующих отдельные структурно связанные фрагменты, в которых диаметр и длина цилиндрических параллельных между собой пор составляет 0,5÷1,5 и 10÷40 мкм соответственно, величина пор между кристаллами в частицах 0,05÷0,4 мкм, согласно которому серебряный порошок загружают в вибробункер прокатного стана, после чего серебряный порошок подают в межвалковое пространство, в которое одновременно с серебряным порошком подают просечную серебряную полосу, служащую токовым коллектором, и прокатывают в электродную ленту толщиной 0,8 мм при величине давления на валки от 0,6 до 1,0 кгс/см², что соответствует давлению прессования 800-1100 кгс/см², а затем осуществляют термообработку заготовок электродов в туннельной печи с тремя температурными зонами: 200°С с выдержкой 20 минут, 500°С с выдержкой 20 минут и 200°С с выдержкой 20 минут. К полученному электроду с помощью контактной сварки приваривают токоотвод из серебряной полосы, после чего электрод поступает на сборку аккумулятора (см. патент РФ на изобретение №2195750, МПК 7 Н01М 4/54, Н01М 10/32, приоритет от 11.02.2002, опубликовано 27.12.2002, «Положительный серебряный электрод для щелочного аккумулятора и аккумулятор на его основе»).

Недостатком известного способа является сложность изготовления серебряного электрода, связанная с необходимостью прокатки при высоком давлении на валки и проведения трехступенчатого обжига, при том что конструкция серебряного электрода в целом состоит из хаотично расположенных и различных по величине пористых частиц серебряного порошка, затрудняющих при эксплуатации электрода в аккумуляторе равномерное распределение электролита одновременно во всем объеме активной массы электрода, что повышает внутреннее электрическое сопротивление электрода, ухудшает его разрядно-зарядные характеристики и снижает емкость аккумулятора.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому способу является способ для выращивания и/или обработки (травления) наноструктур, включающий обеспечение наличия среды выращивания и/или травления между двумя размещенными в установке для выращивания и/или травления электродными пластинами с остриями и подачу, по меньшей мере, одного электрического импульса (электрического тока) от, по меньшей мере, одного электрода в среду в направлении противолежащей пластины с выращиванием и/или травлением тем самым, по меньшей мере, одной наноскопической структуры из, по меньшей мере, одного электрода с сохранением ее высоты, глубины и формы при последующем выращивании второй наноскопической структуры, или выращивание наноскопических структур на первой и второй противолежащих электродных пластинах до достижения заданного расстояния между двумя противолежащими структурами, в процессе выращивания осуществляют мониторинг высоты, глубины и/или формы наноскопических структур, при этом среда выращивания и/или травления выбрана из группы, состоящей из газа, твердого вещества и жидкости, таких как криогенный газ и/или криогенное твердое вещество, и/или криогенная жидкость, и/или электролит.

Кроме того, при необходимости обеспечивают дополнительный рост, по меньшей мере, одной наноскопической структуры с целью достижения требуемых высоты, глубины и/или формы, а процедуру отслеживания, определения и выращивания повторяют до достижения требуемых высоты, глубины и/или формы наноскопических структур (см. патент РФ на изобретение №2310599, МПК В82В 3/00, дата подачи заявки 25.03.2003, опубликовано 20.11.2007, «Устройство и способ для выращивания и/или обработки наноструктур»).

Недостатком известного способа является сложность его осуществления, связанная со сложностью подготовки к процессу выращивания и/или травления наноструктур, требующей предварительного кодирования позиционной информации на первой и/или второй электродных пластинах, и сложностью управления процессом выращивания, требующего для регулировки высоты, глубины и/или формы, по меньшей мере, одной наноскопической структуры, относительного перемещения двух пластин с движением по трем координатам, по двум координатам или по одной координате в масштабе наношкалы.

Кроме того, применительно к выращиваемому известным способом из наноскопических структур пористому электроду к числу его недостатков относится наличие системы однонаправленных параллельных пор, образующихся в процессе выращивания электрода, величина которых регулируется расстоянием между размещенными на электродных пластинах остриями, что затрудняет при эксплуатации электрода в аккумуляторе равномерное распределение электролита одновременно во всем объеме активной массы электрода, повышает внутреннее электрическое сопротивление электрода, ухудшает его разрядно-зарядные характеристики и, как следствие, снижает емкость аккумулятора.

Относительно третьего объекта группы изобретений известен щелочной серебряно-цинковый аккумулятор, содержащий корпус и размещенные в нем положительный и отрицательный электроды, разделенные сепаратором и пропитанные электролитом, при этом положительный серебряный электрод содержит токовый коллектор и активную массу на основе пористого серебряного порошка, причем порошок состоит из дисперсных пористых частиц с дендритным строением размером 400-500 мкм, величиной пор в частицах 0,5-8,0 мкм, имеет удельную поверхность 0,1-0,3 м²/г и насыпную плотность 1,0-1,8 г/см³ (см. патент РФ на изобретение №2306638, МПК 7 Н01М 4/54, Н01М 10/32, приоритет от 24.01.2006, опубликовано 20.09.2007, «Положительный серебряный электрод для щелочного аккумулятора и аккумулятор на его основе»).

Недостатком известного щелочного серебряно-цинкового аккумулятора являются невысокие разрядно-зарядные характеристики (ресурс при разряде током 0,2 А/см² составляет 10 циклов), неудовлетворительная емкость аккумулятора в связи с низкой удельной поверхностью материала электрода, в структуре которого присутствуют хаотично расположенные дисперсные пористые частицы с дендритным строением, образующие поры различного размера и конфигурации, что при использовании электрода в составе аккумулятора препятствует равномерному распределению электролита во всем объеме активной массы.

Известен щелочной серебряно-цинковый аккумулятор, содержащий корпус и размещенные в нем положительный и отрицательный электроды, разделенные сепаратором и пропитанные электролитом, при этом положительный серебряный электрод содержит токовый коллектор и активную массу на основе пористого серебряного порошка, причем пористые частицы серебряного порошка имеют каркасное строение, состоят из отдельных структурно связанных фрагментов, при этом каждый из фрагментов имеет систему параллельных цилиндрических пор, разделенных стенкой из кристаллов серебра сферической формы (см. патент РФ на изобретение №2195750, МПК 7 Н01М 4/54, Н01М 10/32, приоритет от 11.02.2002, опубликовано 27.12.2002, «Положительный серебряный электрод для щелочного аккумулятора и аккумулятор на его основе»).

Недостатком известного щелочного серебряно-цинкового аккумулятора являются невысокие разрядно-зарядные характеристики (ресурс при разряде током 0,2 А/см² составляет 30 циклов), неудовлетворительная емкость аккумулятора, связанные с повышенным внутренним электрическим сопротивлением электрода, обусловленным присутствием в его структуре хаотично расположенных и различных по величине пористых частиц серебряного порошка, что несмотря на наличие системы параллельных цилиндрических пор, разделенных стенкой из кристаллов серебра сферической формы, не обеспечивает равномерное распределение электролита одновременно во всем объеме активной массы электрода.

Известен герметизированный свинцово-кислотный аккумулятор, содержащий разноименные электроды и катализатор окисления водорода, в качестве которого применена добавка фуллерена, введенного в положительные электроды в количестве 0,05-1,5% от веса активной массы (см. патент РФ №2192073, МПК 7 Н01М 10/04, Н01М 10/34, дата подачи заявки 30.03.2001, опубликовано 27.10.2002, «Герметизированный свинцово-кислотный аккумулятор»).

Недостатком известного свинцово-кислотного аккумулятора является низкая емкость аккумулятора, связанная с низкой площадью рабочей поверхности электрода.

Наиболее близким к заявляемому аккумулятору по совокупности существенных признаков является свинцовый аккумулятор, содержащий электродный блок, состоящий из разделенных сепараторами отрицательных и положительных электродов, и сернокислый электролит, при этом в качестве токоотводов отрицательных электродов используют открытоячеистый пенометалл с открытой пористостью не ниже 90%, структура которого является репликацией структуры открытоячеистого пенополиуретана, а на пенометалл нанесено покрытие из свинца или его сплавов (см. патент РФ №2338303, МПК 8 Н01М 2/28, Н01М 10/06, приоритет от 01.03.2007, опубликовано 10.11.2008, «Свинцовый аккумулятор»).

Недостатком известного свинцового аккумулятора является низкая емкость.

Указанные недостатки объясняются хаотичным характером пор в структуре электродов, что при использовании электрода в составе аккумулятора препятствует равномерному распределению электролита во всем объеме активной массы, повышает внутреннее электрическое сопротивление электрода, ухудшает его разрядно-зарядные характеристики и, следовательно, снижает емкость аккумулятора.

К недостаткам известного свинцового аккумулятора следует отнести также сложность его изготовления, связанную с применением специальных токоотводов отрицательных электродов с открытоячеистой структурой и необходимостью нанесения на открытоячеистый пенометалл защитного покрытия из свинца или его сплавов.

Технический результат заявляемой группы изобретений заключается в увеличении площади рабочей поверхности электрода при одновременном упрощении способа его выращивания и повышении емкости аккумулятора, в котором используется упомянутый электрод.

Согласно первому изобретению группы заявляемый технический результат достигается тем, что в электроде аккумулятора, состоящем из пористой активной массы, имеющей каркасное строение и образованной из зерен электропроводящего материала сферической формы, согласно изобретению зерна электропроводящего материала сферической формы, из которых образован каркас электрода, пространственно упорядочены в трех плоскостях и структурно связаны друг с другом, при этом пористая структура активной массы электрода имеет одинаковый размер пор и одинаковое расстояние между ними, причем диаметр зерен электропроводящего материала сферической формы составляет 0,05-200,0 мкм.

Электрод аккумулятора содержит проводник электрического тока, кристаллографически встроенный в пористый каркас.

При этом для кислотного аккумулятора в качестве электропроводящего материала, из которого изготовлены сферические зерна пористого каркаса, использован свинец (Pb), или никель (Ni), или золото (Au), или серебро (Ag), или сурьма (Sb), или их кислородные или нитратные, или сульфатные соединения.

При этом для щелочного аккумулятора в качестве электропроводящего материала, из которого изготовлены сферические зерна пористого каркаса, использовано железо (Fe), или никель (Ni), или кадмий (Cd), или медь (Cu), или их гидратные, или гидритные, или кислородные соединения.

Зерна электропроводящего материала сферической формы, из которых образован пористый каркас электрода, скреплены друг с другом в точках соприкосновения, что образует пространственно-упорядоченный в трех плоскостях каркас электрода с одинаковым размером пор и одинаковым расстоянием между ними.

Благодаря тому, что каркасное строение электрода образовано из пространственно-упорядоченных в трех плоскостях и структурно связанных друг с другом зерен электропроводящего материала сферической формы, образующих пористую структуру активной массы с одинаковым размером пор и одинаковым расстоянием между ними, достигается увеличение площади рабочей поверхности электрода, что обеспечивает при использовании электрода в аккумуляторе повышение емкости аккумулятора.

Кроме того, увеличение площади рабочей поверхности электрода обеспечивает при использовании электрода в аккумуляторе соответствующее уменьшение рабочей плотности тока и, как следствие, более равномерное распределение электролита во всем объеме активной массы электрода, в результате чего химические реакции между электропроводящим материалом электрода и электролитом протекают с одинаковой скоростью, а продукты реакции равномерно распределяются во всем объеме пористого электрода, что позволяет избежать закупоривания пор. Электрод сохраняет обратимо генерирующий переход электрохимической энергии в электрическую энергию и наоборот.

Согласно второму изобретению группы заявляемый технический результат достигается тем, что в способе выращивания электрода кислотного или щелочного аккумулятора, включающем размещение в емкости с электролитом противолежащих в вертикальном направлении электродных пластин противоположной полярности, подачу электрического тока на электродные пластины противоположной полярности и выращивание электрода между указанными электродными пластинами, согласно изобретению одну из электродных пластин размещают на дне емкости с электролитом, после чего в емкость с электролитом загружают зерна электропроводящего материала сферической формы диаметром 0,05-200,0 мкм, из которых в среде электролита выращивают электрод, причем выращивание электрода ведут в «кипящем слое» при плотности электрического тока, равной 100-400 мА/см², при этом «кипящий слой» создают с помощью механических колебаний с частотой 100-400 Гц, а требуемую форму электрода задают путем выбора соответствующей формы емкости с электролитом.

В способе выращивания электрода кислотного или щелочного аккумулятора в качестве электролита используют нитрат серебра, или никеля, или олова, или золота, или сульфат серебра, или никеля, или олова, или золота, или 30-50%-ный водный раствор серной или азотной или нитратной, или оксалатной, или сульфатной кислоты, причем для кислотного аккумулятора в качестве электропроводящего материала, из которого изготовлены зерна сферической формы, использован свинец (Pb), или никель (Ni), или золото (Au), или серебро (Ag), или сурьма (Sb), или их кислородные или нитратные, или сульфатные соединения, а для щелочного аккумулятора в качестве электропроводящего материала, из которого изготовлены зерна сферической формы, использовано железо (Fe), или никель (Ni), или кадмий (Cd), или медь (Cu), или их гидратные, или гидридные, или кислородные соединения.

Благодаря тому что одну из электродных пластин размещают на дне емкости с электролитом, в которую загружают зерна электропроводящего материала сферической формы диаметром 0,05-200,0 мкм, а выращивание электрода из зерен электропроводящего материала сферической формы ведут в «кипящем слое», создаваемом с помощью механических колебаний частотой 100-400 Гц, при плотности электрического тока, равной 100-400 мА/см², при том что требуемую форму электрода создают путем выбора соответствующей формы емкости с электролитом, зерна электропроводящего материала под механико-динамическим воздействием «кипящего слоя» и электрического тока, создаваемого между двумя электродными пластинами, приводят в движение, достаточное для их перемещения в объеме электролита и направленного формирования из них пространственно-упорядоченного в трех плоскостях равномерного и однородного во всем объеме пористого каркаса электрода путем послойной электрокристаллизации зерен до требуемой высоты электрода, что обеспечивает упрощение способа его выращивания, не требующего предварительной подготовки к процессу выращивания электрода, в частности предварительного кодирования позиционной информации на электродных пластинах, и исключающего относительное перемещение электродных пластин в процессе выращивания электрода.

Кроме того, выращивание электрода заявляемым способом предопределяет повышение емкости аккумулятора, в котором используется выращенный электрод, благодаря обеспечению возможности равномерного распределения электролита одновременно во всем объеме активной массы электрода.

В процессе электрокристаллизации зерен электропроводящего материала сферической формы происходит кристаллографическое врастание зерен электропроводящего материала друг в друга и прочное сцепление их между собой в местах касания с образованием пространственно-упорядоченной в трех плоскостях каркасной структуры электрода с одинаковым размером пор и одинаковым расстоянием между ними, что ведет к увеличению площади рабочей поверхности электрода при одновременном упрощении способа его выращивания, не требующего предварительной подготовки к выращиванию электрода и дополнительных операций по его изготовлению.

Так, исключается такая дополнительная операция, как прикрепление к каркасу электрода проводника электрического тока, например, с помощью пайки или сварки, за счет того, что прикрепление пористого каркаса электрода к проводнику электрического тока осуществляется непосредственно в процессе выращивания электрода за счет кристаллографического врастания зерен электропроводящего материала, из которого выращивают пористый каркас электрода, в поверхность проводника электрического тока.

При этом проводником электрического тока может служить нижняя электродная пластина, на которой выращивается электрод.

При частоте механических колебаний менее 100 Гц перемещения зерен электропроводящего материала, а следовательно, выращивания каркаса электрода не происходит, так как зерна заявляемого диаметра (0,05-200,0 мкм), находящиеся в объеме электролита, невозможно привести в движение.

При частоте механических колебаний более 400 Гц формируемая структура каркаса электрода разрушается.

При плотности тока менее 50 мА/см² электрокристаллизация зерен, и следовательно, выращивание каркаса электрода не происходит.

При плотности тока более 400 мА/см² происходит закупоривание пор выращиваемого каркаса электрода продуктами электролиза, что блокирует образование пространственно-упорядоченной в трех плоскостях каркасной структуры электрода.

Согласно третьему изобретению группы заявляемый технический результат достигается тем, что в аккумуляторе, содержащем корпус и размещенные в нем положительный и отрицательный электроды, пропитанные электролитом, согласно первому изобретению группы электроды выполнены по любому из пп.1-5 формулы и описаны выше.

Заявляемый аккумулятор, содержащий электроды, выполненные по любому из пп.1-5 формулы и описанные выше, обладает повышенной емкостью за счет увеличения площади рабочей поверхности электрода, образованного из пространственно-упорядоченных в трех плоскостях и структурно связанных друг с другом зерен электропроводящего материала сферической формы, образующих пористую структуру активной массы с одинаковым размером пор и одинаковым расстоянием между ними.

Заявляемая группа изобретений, состоящая из электрода аккумулятора (первое изобретение), способа выращивания электрода (второе изобретение) и аккумулятора, в котором используются заявляемые электроды {третье изобретение), направлены на достижение одного и того же технического результата, а именно увеличение площади рабочей поверхности электрода при одновременном упрощении способа его выращивания и повышение емкости аккумулятора, в котором используется упомянутый электрод,

Технических решений, совпадающих с совокупностью существенных признаков заявляемой группы изобретений, не выявлено, что позволяет сделать вывод о ее соответствии условию патентоспособности «новизна».

Заявляемые существенные признаки группы изобретений, предопределяющие получение указанного технического результата, явным образом не следуют из уровня техники, что позволяет сделать вывод о ее соответствии условию патентоспособности «изобретательский уровень».

Условие патентоспособности «промышленная применимость» подтверждают примеры конкретного выполнения электрода аккумулятора, примеры осуществления способа выращивания электрода и примеры конкретного выполнения аккумулятора, в которых использованы электроды заявляемой конструкции.

Заявляемая группа изобретений поясняется чертежами, где на фиг.1 схематично представлен заявляемый электрод аккумулятора; на фиг.2 схематично представлен заявляемый электрод аккумулятора с кристаллографически встроенным в его пористый каркас проводником электрического тока (в разрезе); на фиг.3 схематично представлен способ выращивания электрода.

Электрод аккумулятора содержит пористый каркас, состоящий из пористой активной массы и образованный из зерен электропроводящего материала сферической формы 1, пространственно-упорядоченных в трех плоскостях и структурно связанных друг с другом, при этом пористая структура активной массы электрода имеет одинаковый размер пор и одинаковое расстояние между ними (см. фиг.1).

Диаметр зерен электропроводящего материала сферической формы 1 составляет 100,0 мкм.

Электрод аккумулятора содержит проводник электрического тока 2, кристаллографически встроенный в пористый каркас (см. фиг.2).

Для кислотного аккумулятора в качестве электропроводящего материала, из которого изготовлены сферические зерна 1 пористого каркаса, использован свинец (Pb).

Для щелочного аккумулятора в качестве электропроводящего материала, из которого изготовлены сферические зерна 1 пористого каркаса, использован никель (Ni).

Для осуществления способа выращивания электрода аккумулятора из зерен электропроводящего материала сферической формы 1 используют емкость, являющуюся электролизером и выполненную в виде прямоугольного стакана из электроизоляционного материала 3.

В прямоугольном стакане из электроизоляционного материала 3 размещены противолежащие в вертикальном направлении электродные медные пластины 4 и 5 противоположной полярности, зерна электропроводящего материала сферической формы 1 и залит электролит 6, доходящий до уровня верхней электродной медной пластины 5, при этом электродная медная пластина 4 размещена на дне стакана 3.

Прямоугольный стакан из электроизоляционного материала 3 установлен на вибраторе 7.

Способ выращивания электрода кислотного аккумулятора осуществляют следующим образом (см. фиг.3).

В емкости, являющейся электролизером и выполненной в виде прямоугольного стакана из электроизоляционного материала 3, размещают противолежащие в вертикальном направлении электродные медные пластины 4 и 5 противоположной полярности, при этом электродная медная пластина 4, размещенная на дне стакана 3, является катодом, а противолежащая ей электродная медная пластина 5 является анодом.

В прямоугольный стакан из электроизоляционного материала 3 загружают зерна электропроводящего материала сферической формы 1 на заданную высоту, соответствующую высоте выращиваемого электрода, и заливают электролит 6 до уровня электродной медной пластины 5.

В качестве электроизоляционного материала, из которого выполнен прямоугольный стакан 3, использовано стекло.

Прямоугольный стакан из электроизоляционного материала 3 имеет размер 40×200×300 мм.

В качестве электролита 6 используют 30-35%-ный раствор серной кислоты H₂SO₄.

В качестве электропроводящего материала, из которого изготовлены зерна сферической формы 1, использованы, в частности, зерна свинца (Pb), диаметр которых составляет 100,0 мкм.

С помощью вибратора 7 зернам электропроводящего материала сферической формы 1, находящимся в прямоугольном стакане из электроизоляционного материала 3, задают механические колебания частотой 250 Гц, приводящие их в движение, создавая тем самым «кипящий слой».

Затем на электродные медные пластины 4 и 5 подают электрический ток плотностью 250 мА/см² и благодаря процессу электрокристаллизации, проходящему в среде электролита 6, ведут выращивание электрода между указанными электродными медными пластинами 4 и 5 до заданных параметров с образованием пористого каркаса электрода из пространственно-упорядоченных в трех плоскостях и структурно связанных друг с другом зерен электропроводящего материала сферической формы 1, пористая структура которого имеет одинаковый размер пор и одинаковое расстояние между ними (см. фиг.1). Время выращивания электрода высотой 20 см составляет 30 минут.

После достижения заданных параметров электрода электрический ток отключают, извлекают выращенный электрод из прямоугольного стакана из электроизоляционного материала 3, после чего электрод готов к использованию в аккумуляторе.

При этом проводником электрического тока служит электродная медная пластина 4, на которой выращен электрод.

При необходимости выращенный электрод отделяют от электродной медной пластины 4, после чего электрод готов к использованию совместно с другим токоподводом.

Аналогично осуществлялся способ выращивания электрода щелочного аккумулятора, для которого в качестве электропроводящего материала, из которого изготовлены зерна сферической формы 1 пористого каркаса, использован никель (Ni).

При этом требуемую форму электрода задают путем выбора соответствующей формы емкости 3 с электролитом 6, являющейся электролизером.

Заявляемый аккумулятор, содержащий корпус и размещенные в нем пропитанные электролитом положительный и отрицательный электроды заявляемой конструкции, выполненные по любому из пп.1-5, при диаметре зерен электропроводящего материала сферической формы 1, равном 100,0 мкм, из которых выполнен пористый каркас выращенных заявляемым способом электродов, имеет емкость, равную 290 А•час, что подтверждает достижение заявленного технического результата, заключающегося в повышении емкости аккумулятора за счет увеличения площади рабочей поверхности электрода при одновременном упрощении способа его выращивания.

Изобретение относится к электротехнической промышленности и предназначено для изготовления электродов и аккумуляторов на их основе. Согласно изобретению электрод аккумулятора содержит пористый каркас, состоящий из пористой активной массы и образованный из зерен электропроводящего материала сферической формы 1, пространственно-упорядоченных в трех плоскостях и структурно связанных друг с другом. Пористая структура активной массы электрода имеет одинаковый размер пор и одинаковое расстояние между ними. Диаметр зерен электропроводящего материала сферической формы 1 составляет 0,05-200,0 мкм. Электрод аккумулятора может содержать проводник электрического тока 2, кристаллографически встроенный в пористый каркас. Для кислотного аккумулятора в качестве электропроводящего материала, из которого изготовлены сферические зерна 1 пористого каркаса, использован свинец (Pb), или никель (Ni), или золото (Au), или серебро (Ag), или сурьма (Sb), или их кислородные или нитратные, или сульфатные соединения. Для щелочного аккумулятора в качестве электропроводящего материала, из которого изготовлены сферические зерна 1 пористого каркаса, использовано железо (Fe), или никель (Ni), или кадмий (Cd), или медь (Cu), или их гадратные, или гидритные, или кислородные соединения. Техническим результатом является увеличение площади рабочей поверхности электрода, упрощение способа его выращивания и повышение емкости аккумулятора, в котором он используется. 3 н. и 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Электрод аккумулятора, состоящий из пористой активной массы, имеющей каркасное строение и образованной из зерен электропроводящего материала сферической формы, отличающийся тем, что зерна электропроводящего материала сферической формы, из которых образован каркас электрода, пространственно упорядочены в трех плоскостях и структурно связаны друг с другом, при этом пористая структура активной массы электрода имеет одинаковый размер пор и одинаковое расстояние между ними.

2. Электрод аккумулятора по п.1, отличающийся тем, что диаметр зерен электропроводящего материала сферической формы составляет 0,05-200,0 мкм.

3. Электрод аккумулятора по п.1, отличающийся тем, что он содержит проводник электрического тока, кристаллографически встроенный в пористый каркас.

4. Электрод аккумулятора по п.1, отличающийся тем, что для кислотного аккумулятора в качестве электропроводящего материала, из которого изготовлены сферические зерна пористого каркаса, использован свинец (Pb), или никель (Ni), или золото (Au), или серебро (Ag), или сурьма (Sb), или их кислородные, или нитратные, или сульфатные соединения.

5. Электрод аккумулятора по п.1, отличающийся тем, что для щелочного аккумулятора в качестве электропроводящего материала, из которого изготовлены сферические зерна пористого каркаса, использовано железо (Fe), или никель (Ni), или кадмий (Cd), или медь (Cu), или их гидратные, или гидритные, или кислородные соединения.

6. Способ выращивания электрода кислотного или щелочного аккумулятора, включающий размещение в емкости с электролитом противолежащих в вертикальном направлении электродных пластин противоположной полярности, подачу электрического тока на электродные пластины противоположной полярности и выращивание электрода между указанными электродными пластинами, отличающийся тем, что одну из электродных пластин размещают на дне емкости с электролитом, после чего в емкость с электролитом загружают зерна электропроводящего материала сферической формы диаметром 0,05-200,0 мкм, из которых в среде электролита выращивают электрод, причем выращивание электрода ведут в «кипящем слое» при плотности электрического тока, равной 100-400 мА/см², при этом «кипящий слой» создают с помощью механических колебаний с частотой 100-400 Гц, а требуемую форму электрода задают путем выбора соответствующей формы емкости с электролитом.

7. Способ выращивания электрода аккумулятора по п.6, отличающийся тем, что в качестве электролита используют нитрат серебра, или никеля, или олова, или золота, или сульфат серебра, или никеля, или олова, или золота, или 30-50%-ный водный раствор серной, или азотной, или нитратной, или оксалатной, или сульфатной кислоты.

8. Способ выращивания электрода аккумулятора по п.6, отличающийся тем, что для кислотного аккумулятора в качестве электропроводящего материала, из которого изготовлены зерна сферической формы, использован свинец (Pb) или никель (Ni), или золото (Au), или серебро (Ag), или сурьма (Sb), или их кислородные, или нитратные, или сульфатные соединения.

9. Способ выращивания электрода аккумулятора по п.6, отличающийся тем, что для щелочного аккумулятора в качестве электропроводящего материала, из которого изготовлены зерна сферической формы, использовано железо (Fe), или никель (Ni), или кадмий (Cd), или медь (Cu), или их гидратные, или гидридные, или кислородные соединения.

10. Аккумулятор, содержащий корпус и размещенные в нем положительный и отрицательный электроды, пропитанные электролитом, отличающийся тем, что электроды выполнены по любому из пп.1-5.