СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ АКТИВНОЙ МАССЫ КАДМИЕВОГО ЭЛЕКТРОДА ЩЕЛОЧНОГО НИКЕЛЬ-КАДМИЕВОГО АККУМУЛЯТОРА Российский патент 2012 года по МПК H01M4/44 

Изобретение относится к применению наноматериалов в электротехнической промышленности и может быть использовано при производстве щелочных никель-кадмиевых аккумуляторов.

Эффективность использования оксида кадмия (CdO) в качестве элетроактивного материала вторичного источника тока и, соответственно, удельные электрохимические характеристики кадмиевого электрода (А·ч/г; А·ч/см³) определяются присутствием в активной массе активирующей добавки никеля различной степени окисления.

Известна активная масса отрицательного электрода щелочного аккумулятора, содержащая гидроксид никеля (II) - 6-7 мас%, натриевую соль целлюлозогликолевой кислоты - 1,8-2,0 мас.% и оксид кадмия - остальное (см. патент РФ на изобретение №2128869, МПК Н01М 4/44). Компоненты механически перемешивают, полученную таким образом активную массу после подсушивания наносят на токоподводящую сетку.

Известна также активная масса отрицательного электрода щелочного никель-кадмиевого аккумулятора, включающая в свой состав, мас.%: оксид кадмия - 87, гидроксид никеля (II) - 5, соляровое масло - 3, карбоксиметилцеллюлозу - 1 и оксид сурьмы (III) - 4 (см. авторское свидетельство СССР на изобретение №1501854, МПК Н01М 4/44). После механического смешивания компонентов активную массу наносят на токоподводяшую основу намазкой или электрофорезом.

К недостаткам вышеприведенных составов активных масс и способов изготовления кадмиевого электрода следует отнести невысокие значения удельно-объемных разрядных характеристик (~0,7 А·ч/г) при коэффициенте использования электроактивного вещества (CdO) - 62÷64%.

Известен способ изготовления активной массы отрицательного электрода щелочного никель-кадмиевого аккумулятора, включающий смешивание оксида кадмия 85÷95 мас.% и порошка электролитически осажденного металлического никеля 5÷15 мас.% с последующей термообработкой в восстановительной атмосфере при температуре 270÷360°С (см. патент РФ на изобретение №2360329, МПК Н01М 4/44). При этом достигается достаточно высокая плотность активной массы после вальцевания 3,73÷3,78 г/см³, что в свою очередь обеспечивает повышение удельно-объемных характеристик кадмиевого электрода до 0,97 А·ч/г.

Однако следует отметить, что коэффициент использования оксида кадмия остается на достаточно низком уровне 63÷64%. Помимо этого технология изготовления кадмиевого электрода является довольно сложной, что связано с наличием отдельного технологического процесса получения электролитического порошка никеля и дополнительной обработкой активной массы при высокой температуре (270÷360°С) в восстановительной атмосфере.

Задачей заявляемого технического решения является обеспечение повышения коэффициента использования оксида кадмия до 80÷95%.

Технический результат заключается в увеличении удельной поверхности кадмиевого электрода до 22÷27 м²/г, а также в повышении его разрядных характеристик.

Заявляемый технический результат достигается тем, что способ изготовления активной массы кадмиевого электрода щелочного никель-кадмиевого аккумулятора включает смешивание оксида кадмия с водным раствором гипофосфита натрия и соли никеля (II) при температуре 80÷90°С, смешивание полученной массы с водным раствором органического связующего (натрий-карбоксиметилцеллюлозой, либо поливиниловым спиртом, либо гидроксиэтилцеллюлозой), нанесение смеси на объемный сетчатый токоподвод из никеля, последующую сушку при 50-60°С и вальцевание при давлении 100-200 кг/см². Способ изготовления активной массы кадмиевого электрода щелочного никель-кадмиевого аккумулятора включает смешивание оксида кадмия с боргидридом натрия и добавление к полученной смеси раствора соли никеля (II), смешивание полученной смеси порошков с водным раствором органического связующего (натрий-карбоксиметилцеллюлозой, либо поливиниловым спиртом, либо гидроксиэтилцеллюлозой), нанесение смеси на объемный сетчатый токоподвод из никеля, последующую сушку при 50-60°С и вальцевание при давлении 100-200 кг/см². Состав активной массы поддерживают в интервале следующего соотношения компонентов, мас%: оксид кадмия 95-97, химически восстановленный никель 2-4, водный раствор органического связующего 1.

Изобретение поясняется таблицей, на которой представлены значения коэффициента использования электроактивного материала кадмиевых электродов при различных способах изготовления.

Заявляемый способ заключается в следующем. Сначала производят химическое никелирование порошка оксида кадмия в водном растворе. Для этого порошок оксида кадмия засыпают в водный раствор гипофосфита натрия и соли никеля (II), в следующем соотношении мас.%:

Оксид кадмия 81-91 Соль никеля (II) 4-9 Гипофосфит натрия 5-10

После этого смесь нагревают до 80÷90°С. Полученную смесь порошков смешивают с водным раствором органического связующего, например натрий-карбоксиметилцеллюлозы, поливинилового спирта или гидроксиэтилцеллюлозы, в соотношении, мас.%:

Смесь порошков 99 Органическое связующее 1

Полученную активную массу наносят на объемный сетчатый токоподвод из никеля и после сушки при 50-60°С вальцуют при давлении 100-200 кг/см². При этом состав активной массы поддерживают в интервале следующего соотношения компонентов, мас.%: оксид кадмия 95-97, химически восстановленный никель 2-4, водный раствор органического связующего 1.

При использовании боргидрида натрия при химическом никелировании вначале оксид кадмия смешивают с боргидридом натрия в соотношении, мас.%:

Оксид кадмия 89-95 Боргидрид натрия 5-11

К полученной смеси доливают раствор соли никеля (II) с концентрацией 250-350 г/л с расчетом 31-64 мл на каждые 100 г смеси. Полученную смесь порошков смешивают с водным раствором органического связующего в соотношении, мас.%:

Смесь порошков 99 Органическое связующее 1

Полученную активную массу наносят на объемный сетчатый токоподвод из никеля и после сушки при 50-60°С вальцуют при давлении 100-200 кг/см². При этом состав активной массы поддерживают в интервале следующего соотношения компонентов, мас.%: оксид кадмия 95-97, химически восстановленный никель 2-4, водный раствор органического связующего 1.

Пример 1

100 г оксида кадмия смешивали с 5 мл водного раствора, содержащего гипофосфит натрия (50 г/л), сульфат никеля (II) (25 г/л) и поливиниловый спирт (ПВС) (10 г/л). Пастообразную смесь нагревали до температуры 90°С и выдерживали при данной температуре в течение 7÷8 минут. Химически никелированную и подсушенную активную массу размалывали в планетарной шаровой мельнице, с помощью дозатора наносили на пеноникелевую основу размером 60×30×1,7 мм, помещенную в пресс-форму, и после обработки на вибростенде прессовали при давлении 150 кг/см². Полученная таким образом активная масса содержала 98,2 мас.% оксида кадмия, 1,7 мас.% никеля и 1 мас.% ПВС.

Пример 2

Активная масса изготовлена в условиях примера 1 с содержанием компонентов, мас.%: оксид кадмия 97,6, никель 1,4, ПВС 1.

Пример 3

Активная масса изготовлена в условиях примера 1 с содержанием компонентов, мас.%: оксид кадмия 97, никель 2, ПВС 1.

Пример 4

Активная масса изготовлена в условиях примера 1 с содержанием компонентов, мас.%: оксид кадмия 95, никель 4, ПВС 1.

Пример 5

Активная масса изготовлена в условиях примера 1 с содержанием компонентов, мас.%: оксид кадмия 92, никель 7, ПВС 1.

Пример 6

Активная масса изготовлена в условиях примера 1 за исключением того, что в качестве соли никеля (II) использовали ацетат никеля, а содержание компонентов составляло, мас.%: оксид кадмия 96, никель 3, ПВС 1.

Пример 7

Активная масса изготовлена в условиях примера 1 за исключением того, что в качестве органического связующего использовали натрий-карбоксиметилцеллюлозу, а содержание компонентов составляло, мас.%: оксид кадмия 96, никель 3, натрий-карбоксиметилцеллюлоза 1.

Пример 8

100 г оксида кадмия смешивали с порошком боргидрида натрия (9 г), 48 мл раствора сульфата никеля (II). После окончания реакции в смесь добавляли органическое связующее. Полученную активную массу после механического перемешивания в течение 2 часов методом намазки наносили на просеченную никелевую основу, размером 60×30×1,7 мм и после просушивания прессовали при давлении 150 кг/см². Полученные электроды имели следующий состав, мас.%: оксид кадмия 95, никель 3, остальное органическое связующее 2.

Пример 9

100 г оксида кадмия смешивали с порошком боргидрида натрия (6 г), 31 мл раствора сульфата никеля (II). После окончания реакции в смесь добавляли органическое связующее. Полученную активную массу после механического перемешивания в течение 2 часов методом намазки наносили на просеченную никелевую основу, размером 60×30×1,7 мм и после просушивания прессовали при давлении 150 кг/см². Полученные электроды имели следующий состав, мас.%: оксид кадмия 96, никель 2, остальное органическое связующее 2.

Электрохимические испытания кадмиевых электродов проводили в полиамидных ячейках, заполненных раствором КОН с плотность 1,19-1,21 г/см³. Испытуемые электроды плотно зажимали между двумя оксидно-никелевыми электродами большой массы и проводили циклы заряд/разряд в гальваностатическом режиме при плотности катодного и анодного тока 1,35 А/дм².

В таблице приведены значения коэффициента использования оксида кадмия кадмиевых электродов на девятом цикле электрохимических испытаний после стабилизации величины разрядной емкости. Номер варианта активной массы соответствует номеру варианта примера. Для сравнения в таблице 1 приведены также данные для активных масс, упомянутых в обзоре уровня техники: вариант 10 - SU 1501854, вариант 11-14 - RU 2360329. Из данных, приведенных в таблице, видно, что применение заявляемого способа изготовления активной массы кадмиевого электрода при введении активирующей добавки химическим никелированием оксида кадмия позволяет повысить коэффициент электроактивного материала до 80÷95%.

Значения коэффициента использования электроактивного материала кадмиевых электродов различных технологий изготовления № варианта Коэффициент использованиям, % 1 85 2 86 3 91 4 91 5 87 6 91 7 91 8 92 9 92 10 63 11 64 12 63 13 64 14 63

Изобретение относится к применению наноматериалов в электротехнической промышленности и может быть использовано при производстве щелочных никель-кадмиевых аккумуляторов (ЩНКА). Техническим результатом изобретения является обеспечение повышения коэффициента использования оксида кадмия до 80-95%. Согласно изобретению способ изготовления активной массы кадмиевого электрода ЩНКА включает смешивание оксида кадмия с водным раствором гипофосфита натрия и соли никеля (II) при температуре 80-90°С, смешивание полученной массы с водным раствором органического связующего, нанесение смеси на объемный сетчатый токоподвод из никеля, последующую сушку при 50-60°С и вальцевание при давлении 100-200 кг/см². Способ изготовления активной массы кадмиевого электрода ЩНКА включает смешивание оксида кадмия с боргидридом натрия и добавление к полученной смеси раствора соли никеля (II), смешивание полученной смеси порошков с водным раствором органического связующего, нанесение смеси на объемный сетчатый токоподвод из никеля, последующую сушку при 50-60°С и вальцевание при давлении 100-200 кг/см². Состав активной массы поддерживают в интервале следующего соотношения компонентов, мас.%: оксид кадмия 95-97, химически восстановленный никель 2-4, водный раствор органического связующего 1. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 1 табл., 9 пр.

1. Способ изготовления активной массы кадмиевого электрода щелочного никель-кадмиевого аккумулятора, включающий смешивание оксида кадмия с водным раствором гипофосфита натрия и соли никеля (II) в следующем соотношении, мас.%:
оксид кадмия 81-91 соль никеля (II) 4-9 гипофосфит натрия 5-10,

нагрев смеси до 80÷90°С, добавление к смеси порошков водного раствора органического связующего в соотношении, мас.%:
смесь порошков 99 органическое связующее 1,
нанесение полученной активной массы на объемный сетчатый токоподвод из никеля, последующую сушку при 50-60°С и вальцевание при давлении 100-200 кг/см², при этом состав активной массы поддерживают в интервале следующего соотношения компонентов, мас.%:
оксид кадмия 95-97 химически восстановленный никель 2-4 органическое связующее 1

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве органического связующего выбран поливиниловый спирт, либо натрий-карбоксиметилцеллюлоза, либо гидроксиэтилцеллюлоза.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве соли никеля выбран ацетат никеля либо сульфат никеля.

4. Способ изготовления активной массы кадмиевого электрода щелочного никель-кадмиевого аккумулятора, включающий смешивание оксида кадмия с боргидридом натрия в соотношении, мас.%:
оксид кадмия 89-95 боргидрид натрия 5-11,

добавление к полученной смеси раствора соли никеля (II) с концентрацией 250-350 г/л с расчетом 31-64 мл на каждые 100 г смеси, смешивание полученной смеси порошков с водным раствором органического связующего в соотношении, мас.%:
смесь порошков 99 органическое связующее 1,
нанесение полученной активной массы на объемный сетчатый токоподвод из никеля, последующую сушку при 50-60°С и вальцевание при давлении 100-200 кг/см², при этом состав активной массы поддерживают в интервале следующего соотношения компонентов, мас.%:
оксид кадмия 95-97 химически восстановленный никель 2-4 водный раствор органического связующего 1

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что в качестве органического связующего выбран поливиниловый спирт, либо натрий-карбоксиметилцеллюлоза, либо гидроксиэтилцеллюлоза.

6. Способ по п.4, отличающийся тем, что в качестве соли никеля выбран ацетат никеля либо сульфат никеля.