СЕРНОКИСЛЫЙ ГЕЛЕОБРАЗНЫЙ ЭЛЕКТРОЛИТ ДЛЯ АККУМУЛЯТОРОВ С КЛАПАННЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ И СПОСОБ ЕГО ПРИГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 2015 года по МПК H01M10/06 H01M10/10 H01M10/52 

Заявляемое изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при производстве герметизированных вагонных свинцово-кислотных аккумуляторов с рекомбинацией газов.

Из предшествующего уровня техники известен гелеобразный электролит, приготовленный на основе смеси, содержащей 45% (мас.) жидкого стекла и 55% (мас.) серной кислоты (АС СССР, №130079, публ. Бюл. №14, 1960).

Электролит, приготовленный из указанной смеси, характеризуется низким значением электропроводности и существенной неравномерностью пропитки пор активных масс электродов и сепараторов аккумулятора, что сопровождается в процессе разряда аккумулятора неравномерным распределением электрического тока по сечению электродных пластин и сепараторов. Вследствие этого ограничена плотность тока и при стабильном разряде аккумулятора, и в импульсном режиме его эксплуатации.

Известен также электролит, включающий в качестве содержащего оксид кремния материала безводную кремниевую кислоту крупностью частиц от 40 до 80 мкм, при этом содержащий серную кислоту, переосажденную гидроокись алюминия и дистиллированную воду при следующем соотношении компонентов, мас. %: безводная кремниевая кислота 20,0-30,0; серная кислота 30,0-35,0; переосажденная гидроокись алюминия 1,0-2,0; дистиллированная вода - остальное (АС СССР, №171460, публ. Бюл. №11, 1965 - ближайший аналог).

Заявленный гелеобразный электролит частично уменьшает недостатки электролита, описанного в АС №130079, за счет использования порошкообразного загустителя, содержащего кремния оксиды, и переосажденного гидроксида алюминия, способствующего загущению электролита.

Недостатком известного электролита является значительная крупность частиц безводной кремниевой кислоты и, как следствие, пониженная величина удельной поверхности, что вызывает необходимость увеличения содержания порошкообразного загустителя в известной смеси.

Кроме того, приготовленный из известной смеси электролит характеризуется низкой текучестью, поэтому перед заливкой в аккумулятор его подогревают для придания требуемых реологических свойств. В связи с этим при заливке в аккумулятор электролит охлаждается, что приводит к снижению его вязкости, ухудшению равномерности пропитки электролитом пор активных масс электродов и сепараторов и, как следствие, уменьшению степени поглощения (адсорбции) электролита в объеме аккумулятора.

Таким образом, электролиту, приготовленному из описанной смеси, также свойственна недостаточная электропроводность и неравномерная пропитка пор активных масс электродов и сепараторов аккумулятора, что ограничивает плотность тока и при стабильном разряде аккумулятора, и в импульсном режиме его эксплуатации.

Из предшествующего уровня техники (АС СССР, №130079, публ. Бюл. №14, 1960) известен способ приготовления гелеобразного электролита, включающий формирование части электролита путем непрерывной подачи дозированного количества серной кислоты в заданное количество жидкого стекла при одновременном тщательном перемешивании компонентов, заливку в аккумулятор приготовленной части электролита и окончательное формирование загущенного электролита путем подачи глицерина в приготовленную часть электролита; причем перед приготовлением электролита активные массы электродов аккумулятора пропитывают серной кислотой с просушкой поверхности электродов.

Недостатком способа приготовления электролита является неравномерное распределение вязкости загущенного электролита и его электропроводности в объеме аккумулятора, что сопровождается в процессе разряда аккумулятора неравномерным распределением электрического тока по сечению электродных пластин и сепараторов, снижением электропроводности и ограничением плотности тока.

Другой недостаток способа заключается в необходимости пропитки серной кислотой активных масс электродов аккумулятора с последующей сушкой их поверхности и проведения первичных зарядок аккумулятора с добавлением в электролит серной кислоты.

Известен способ получения загущенного сернокислого электролита, включающий смешивание измельченной безводной кремниевой кислоты и переосажденного гидроксида алюминия, подачу смеси в дистиллированную воду при непрерывном перемешивании компонентов, порционное дозирование серной кислоты в перемешиваемую смесь с получением гелеобразного электролита, подогрев полученного электролита до температуры 85-90°C и его выдержку при этой температуре в течение 30 минут, охлаждение электролита до температуры окружающей среды (АС СССР, №171460, публ. Бюл. №11, 1965 - ближайший аналог). Полученный электролит при температуре 5-35°C является коллоидно-пастообразным, плотно прилегает к электродам и стабилен во времени.

Недостатком способа приготовления электролита является необходимость его подогрева и выдержки на водяной бане при температуре 85-90°C с последующим охлаждением до температуры окружающей среды, что сопровождается снижением текучести охлажденного электролита.

Перед заливкой в аккумулятор электролит необходимо разогреть до температуры 45-50°C для повышения его текучести. При заливке подогретого электролита в аккумулятор, имеющий температуру окружающей среды (например, 15°C), происходит охлаждение электролита и уменьшение его текучести, что ухудшает равномерность пропитки электролитом пор активных масс электродов и сепараторов и уменьшает степень поглощения (адсорбции) электролита в объеме аккумулятора. Вследствие этого снижается электропроводность аккумулятора, а разряд аккумулятора сопровождается неравномерным распределением тока по сечению электродных пластин и сепараторов и уменьшением плотности тока.

Задача настоящего изобретения состоит в создании гелеобразного сернокислого электролита и способа его приготовления, которые предусматривают повышение электропроводности и плотности тока разряда свинцово-кислотного аккумулятора за счет улучшения пропитки пористых активных масс электродов и сепараторов электролитом и, как следствие, повышения степени его поглощения пористыми деталями аккумулятора.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном электролите, включающем серную кислоту, дистиллированную воду и содержащий оксид кремния материал, согласно предлагаемому изобретению дополнительно содержится сульфат натрия, а в качестве содержащего оксид кремния материала используется аэросил 200 с удельной поверхностью 175,0-225,0 м²/г при следующих содержаниях компонентов, мас. %: сульфат натрия 0,9-1,3; аэросил 200 4,9-5,3; серная кислота плотностью 1,83-1,84 т/см³ 26,0-29,0; дистиллированная вода - остальное.

Заявляемое изобретение при использовании электролита, благодаря добавке гидрофильной выпаренной двуокиси кремния с увеличенной удельной поверхностью вместо безводной кремниевой кислоты крупностью частиц от 40 до 80 мкм, обеспечивает надежную реализацию кислородно-рекомбинационного цикла и предотвращает кристаллизацию геля в течение длительного срока эксплуатации аккумулятора. Кроме того, добавка сульфата натрия в электролит повышает его электропроводность за счет увеличения концентрации сульфат ионов в растворе при диссоциации соли.

Уменьшение содержания аэросила в электролите ниже 4,9% ухудшает структурирование коллоидного раствора и образование геля. В случае превышения содержания диоксида кремния более 5,3% в электролите после его заливки в аккумулятор происходит чрезмерное загущение электролита и, как следствие, уменьшение электропроводности из-за снижения подвижности ионов. Кроме того, при повышении содержания диоксида кремния в электролите более 5,3% ухудшается его стабильность в процессе длительного срока эксплуатации аккумулятора из-за кристаллизации геля.

При содержании в электролите сульфата натрия в количестве менее чем 0,9% не полностью компенсируется снижение подвижности ионов, вызванной загущением электролита диоксидом кремния.

Повышение содержания сульфата натрия в электролите более чем 1,3%, несмотря на дальнейшее увеличение концентрации электропроводящих ионов, неэффективно из-за малой подвижности ионов в загущенном электролите, при этом затраты на расход компонента электролита возрастают. Предпочтительным является поддержание соотношения содержаний сульфата натрия и аэросила в электролите пропорциональным, например (0,2-0,22)/1,0.

При содержании в электролите серной кислоты менее чем 26,0% ухудшается структурирование коллоидного раствора и образование геля. В случае превышения содержания серной кислоты более 29,0% в электролите после его заливки в аккумулятор происходит чрезмерное загущение электролита и, как следствие, уменьшение электропроводности из-за снижения подвижности ионов.

Технические решения, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения, не выявлены, что позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого решения критерию «новизна».

Заявляемые существенные признаки изобретения, предопределяющие получение указанного технического результата, явным образом не следуют из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию «изобретательский уровень».

Поскольку заявляемое изобретение обеспечивает технический результат, выражающийся в повышении электропроводности и плотности тока разряда свинцово-кислотного аккумулятора за счет улучшения пропитки пористых активных масс электродов и сепараторов электролитом и, как следствие, повышения степени его поглощения пористыми деталями аккумулятора, то можно сделать вывод, что изобретение соответствует критерию «промышленная применимость».

Поставленная задача решается также предлагаемым способом приготовления гелеобразного электролита и представляющим неотъемлемую составную часть общего изобретательского замысла.

Указанный технический результат достигается заявляемым способом приготовления гелеобразного электролита свинцово-кислотных аккумуляторов, включающим, как и известный способ, порционное введение измельченных твердых компонентов в жидкие компоненты электролита и их перемешивание, согласно предлагаемому изобретению электролит готовят путем подачи заданного количества серной кислоты плотностью 1,83-1,84 г/см³ в дистиллированную воду для достижения плотности получаемого электролита 1,24±0,005 г/см³, затем электролит охлаждают до температуры не более 15°C и далее перемешивают электролит с заданной скоростью вращения мешалки и равномерно подают в него сначала сульфат натрия до его растворения, а затем - Аэросил 200 до образования геля, после чего значительно увеличивают скорость вращения мешалки и перемешивают полученный гель в течение времени, достаточного для получения заданного значения его текучести.

Предлагаемый способ позволяет при приготовлении электролита максимально использовать развитую удельную поверхность аэросила 200, что в сочетании с двухстадийным перемешиванием приготавливаемого электролита (например, сначала задают скорость вращения мешалки 500 об/мин, а затем - 2000 об/мин) обеспечивает получение частиц геля очень малого размера и повышенную текучесть геля. Вследствие этого значительно повышается равномерность пропитки электролитом и степень его поглощения пористыми деталями аккумулятора. В результате обеспечивается повышение электропроводности и плотности тока разряда свинцово-кислотного аккумулятора.

Текучесть электролита проверяют с помощью стеклянной трубки диаметром 2,7 и длиной 200 мм. Через такую трубку за одну минуту должно протекать не менее 95 г геля. Предпочтительно использовать гель текучестью 125-135 г геля/мин.

Технические решения, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения, не выявлены, что позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого решения критерию «новизна».

Заявляемые существенные признаки изобретения, предопределяющие получение указанного технического результата, явным образом не следуют из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию «изобретательский уровень».

Поскольку заявляемое изобретение обеспечивает технический результат, выражающийся в повышении электропроводности и плотности тока разряда свинцово-кислотного аккумулятора за счет улучшения пропитки пористых активных масс электродов и сепараторов электролитом и, как следствие, повышения степени его поглощения пористыми деталями аккумулятора, то можно сделать вывод, что изобретение соответствует критерию «промышленная применимость».

Подтверждение возможности осуществления заявляемого изобретения изложены в нижеследующем подробном описании примеров получения образцов гелеобразного электролита и оценке характеристик аккумуляторов, заполненных электролитами, изготовленными в соответствии с заявляемыми изобретениями.

Пример 1. Приготовление гелеобразного электролита в количестве 581,0 кг, содержащего 1,1% (6,39 кг) сульфата натрия, 5,1% (29,63 кг) Аэросила 200, 27,5% (159,78 кг) серной кислоты и 66,3% (385,2 кг) дистиллированной воды

1. В мерную емкость заливают 385,2 кг дистиллированной воды.

2. Перемешивая воду, аккуратно заливают в емкость 159,78 кг серной кислоты.

3. Полученный электролит перекачивают в емкость для приготовления геля.

4. Включают мешалку и устанавливают скорость ее вращения 500 об/мин.

5. Небольшими порциями засыпают в емкость 6,39 кг сульфата натрия.

6. Растворяют сульфат натрия в течение 5 минут.

7. В течение 5-10 мин небольшими порциями засыпают в емкость 159,78 кг Аэросила 200.

8. Перемешивают электролит до образования геля.

9. Увеличивают скорость вращения мешалки до 2000 об/мин.

10. Перемешивают гель в течение 15-20 мин.

11. Проверяют гель на текучесть.

12. Если текучесть геля хуже заданного значения, перемешивают гель еще 5 мин.

13. Готовый гелеобразный электролит перекачивают в расходную емкость.

Время хранения геля не более 2 часов.

Заливку опытных образцов аккумулятора гелеобразным электролитом производили путем его порционной (с паузами) подачи в аккумулятор. После заполнения аккумулятора электролит выдерживали в течение 1-1,5 часа для завершения пропитки электролитом пористых деталей аккумулятора.

Электрические характеристики опытных образцов аккумулятора с загущенным электролитом приведены в таблице.

Примеры 2-11. Приготовление гелеобразного электролита герметизированных аккумуляторов осуществляют аналогично примеру 1, но при других соотношениях компонентов, как указанных в формуле изобретения, так и выходящих за ее пределы.

В примерах 2-11, приведенных в таблице, сведены значения содержаний компонентов гелеобразного электролита и электрические характеристики образцов аккумуляторов. В примерах 1-4 представлены содержания компонентов электролита, соответствующие формуле изобретения, а в примерах 5-10 - выходящими за ее пределы. В примере 11 для сравнения представлены характеристики аккумулятора, приведенные в описании прототипа.

На основании данных, приведенных в таблице, можно утверждать, что по сравнению с известным техническим решением герметизированный аккумулятор, заполненный предлагаемым электролитом, обладает большей величиной плотности тока в номинальном режиме разряда, повышенной на 15-20% емкостью и удельной энергией.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет при приготовлении электролита максимально использовать развитую удельную поверхность аэросила 200, что в сочетании с двухстадийным перемешиванием приготавливаемого электролита (например, сначала задают скорость вращения мешалки 500 об/мин, а затем - 2000 об/мин) обеспечивает получение частиц геля очень малого размера и повышенную текучесть геля. Вследствие этого значительно повышается равномерность пропитки электролитом и степень его поглощения пористыми деталями аккумулятора. В результате повышается электропроводность и плотности тока разряда свинцово-кислотного аккумулятора.

Заявляемое изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при производстве герметизированных свинцово-кислотных аккумуляторов с рекомбинацией газов. Повышение электропроводности и плотности тока разряда свинцово-кислотного аккумулятора за счет улучшения пропитки пористых активных масс электродов и сепараторов электролитом является техническим результатом изобретения. Сернокислый гелеобразный электролит, включающий серную кислоту, дистиллированную воду и оксид кремния, согласно предлагаемому изобретению дополнительно содержит сульфат натрия, а в качестве оксида кремния - Аэросил 200, с удельной поверхностью 175,0-225,0 м²/г, при следующем содержании компонентов, мас. %: сульфат натрия 0,9-1,3; Аэросил 200 4,9-5,3; серная кислота плотностью 1,83-1,84 г/см³ 26,0-29,0; дистиллированная вода - остальное. Способ приготовления электролита включает порционное введение измельченных твердых компонентов в жидкие компоненты электролита и их перемешивание, при этом осуществляют подачу заданного количества серной кислоты плотностью 1,83-1,84 г/см³ в перемешиваемую дистиллированную воду для достижения плотности сернокислого электролита 1,24±0,005 г/см³, после чего электролит охлаждают до температуры не более 15°C, в электролит, перемешиваемый мешалкой с заданной скоростью вращения, равномерно подают сульфат натрия, перемешивают смесь до растворения сульфата натрия и после его растворения в перемешиваемую смесь равномерно подают Аэросил 200, перемешивают полученную смесь до образования геля и при значительном увеличении скорости вращения мешалки перемешивают полученный гель до обеспечения заданного значения его текучести. 2 н.п. ф-лы, 1 табл., 11 пр.

1. Сернокислый гелеобразный электролит для аккумуляторов с клапанным регулированием, содержащий серную кислоту, дистиллированную воду и оксидкремниевый материал, отличающийся тем, что дополнительно содержит сульфат натрия, а в качестве оксидкремниевого материала включает Аэросил 200 с удельной поверхностью 175,0-225,0 м²/г при следующих содержаниях компонентов, мас.%: сульфат натрия 0,9-1,3; Аэросил 200 4,9-5,3; серная кислота 26,0-29,0; дистиллированная вода - остальное.

2. Способ приготовления сернокислого гелеобразного электролита, включающий порционное введение измельченных твердых компонентов в жидкие компоненты электролита и их перемешивание, отличающийся тем, что электролит готовят путем подачи серной кислоты в дистиллированную воду для достижения плотности получаемого электролита 1,24±0,005 г/см³, затем электролит охлаждают до температуры не более 15°C и далее перемешивают электролит с заданной скоростью вращения мешалки и равномерно подают в него сначала сульфат натрия до его растворения, а затем - Аэросил 200 до образования геля, после чего значительно увеличивают скорость вращения мешалки и перемешивают полученный гель в течение времени, достаточного для получения заданного значения его текучести.