Свинцовый аккумулятор Российский патент 2023 года по МПК H01M10/12 H01M4/73 

Изобретение относится к химическим источникам тока и может быть использовано при конструировании и производстве свинцовых стартерных аккумуляторных батарей для автомобильной техники.

Известен автомобильный свинцовый аккумулятор, содержащий блок отрицательных электродов и блок положительных электродов, разделенных между собой плоскими сепараторами, у которых на сторонах, обращенных к положительным электродам, выполнены вертикальные ребра, и помещенных в сосуд (моноблок), заполненный электролитом, на опорные призмы (Акимов С.В., Чижков Ю.П. Электрооборудование автомобилей. Учебник для ВУЗов. - М.: ЗАО «КЖИ "За рулем"», 2003 г. - С. 15-17).

Недостатком известного аккумулятора является возможность возникновения короткого замыкания между разноименными электродами в результате образования токопроводящих мостиков из свинцовой губки на нижних гранях электродов, приводящего к отказу аккумулятора.

Известен свинцовый аккумулятор, содержащий блок отрицательных электродов, завернутых в сепараторы-конверты из кислотостойкой синтетической ткани, и блок положительных электродов, помещенных в сосуд (моноблок), заполненный электролитом, на дно моноблока (Акимов С.В., Чижков Ю.П. Электрооборудование автомобилей. Учебник для ВУЗов. - М.: ЗАО «КЖИ "За рулем"», 2003 г. - С. 15-17).

Недостатком известного аккумулятора является возможность накопления в пространстве между поверхностью положительных электродов и сепараторами активной массы положительных электродов в результате ее оплывания и оползания в процессе эксплуатации, приводящая к образованию токопроводящих мостиков в порах сепараторов и короткому замыканию между разноименными электродами, ухудшению эксплуатационных характеристик, нарушению работоспособности аккумуляторных батарей.

Кроме того, недостатком известных аккумуляторов является неравномерность распределения плотности электролита по высоте в приэлектродном слое между поверхностью электродов и поверхностью сепараторов, обусловленная затруднениями диффузии свежего электролита в процессе разряда аккумулятора из верхнего - надэлектродного слоя и пространства между вертикальными ребрами электродов и боковыми стенками моноблока, приводящая к ухудшению их электрических характеристик, в частности снижению величины и продолжительности отдаваемого тока в режиме короткого (I_p≥IС_ном) и форсированного (I_p≥3С_ном) разрядов (Варыпаев В.Н, Дасоян М.А. и др. Химические источники тока. - М.: Высш. школа, 1990. С. 54). При этом снижение величины отдаваемого тока под нагрузкой наиболее заметно в условиях понижения температуры окружающего воздуха до отрицательных значений.

При этом существенное влияние на протекание диффузионных процессов в аккумуляторе играют характеристики материала сепараторов (в первую очередь их пористость) и конструктивные особенности.

Так для облегчения условий диффузии свежего электролита к поверхности активной массы электродов в конструкциях современных свинцовых стартерных аккумуляторов применяются сепараторы, на сторонах которых, обращенных к положительным электродам, выполнены вертикальные ребра.

Вместе с тем, такое расположение ребер сепараторов предопределяет диффузию свежего электролита в большей степени из верхнего - надэлектродного слоя электролита, ограничивая его доступ из пространства между вертикальными ребрами электродов и боковыми стенками моноблока, что приводит к неравномерности плотности электролита в приэлектродном слое по высоте электродов, а это, в свою очередь, способствует неравномерному нагружению поверхности электрода при разряде, деформации электродов, неравномерному разрушению (коррозии) решетки положительных электродов (Кочуров А.А., Шевченко Н.П., Гумелев В.Ю. Теоретические основы решения проблемы увеличения сроков службы аккумуляторных батарей при хранении и повышения эффективности способов их восстановления: монография - Рязань: РВАИ, 2009, - С. 139-143).

Все эти явления приводят к ухудшению электрических характеристик аккумулятора, постепенному снижению его емкости, а также к сокращению срока службы.

Известен свинцовый аккумулятор, содержащий блок отрицательных электродов, завернутых в сепараторы-конверты, у которого ребра на сторонах сепараторов, обращенных к положительным электродам, выполнены из материала сепаратора наклонно к его вертикальной осевой линии и расположены симметрично на левой и правой половине поверхности сепаратора, при этом ребра левой половины сепаратора смещены вдоль осевой линии относительно ребер его правой половины, и блок положительных электродов, помещенных в сосуд (моноблок), заполненный электролитом, на опорные призмы - прототип (патент на полезную модель №128400 от 15.01.2013 г., опубл. 20.05.2013 г. Бюл. №14).

Такая конструкция свинцового аккумулятора способствует улучшению диффузии свежего электролита из верхнего - надэлектродного слоя и пространства между вертикальными ребрами электродов и боковыми стенками моноблока к поверхности активной массы положительных электродов в процессе разряда аккумулятора по всей его высоте, улучшению электрических характеристик аккумуляторов в процессе эксплуатации.

Недостатком известной конструкции аккумулятора является возможность нарушения целостности сепаратора-конверта в местах контакта с опорными призмами, что приводит к замыканию между разноименными электродами аккумулятора и выходу его из строя, а также ухудшение условий диффузии свежего электролита в приэлектродном пространстве аккумулятора в результате плотной сборки электродов аккумулятора в блоки, возможность оплывания активной массы положительных электродов в процессе эксплуатации аккумулятора.

Процессы оплывания активной массы положительных электродов характеризуют вторичные изменения в положительных электродах аккумулятора (Багоцкий В.С., Скундин А.М. Химические источники тока. - М.: Энергоиздат, 1981. - С 95-97.), проявляющиеся при длительном циклировании. Так постепенное оплывание активной массы или некоторых ее компонентов связано с тем, что в одной из фаз работы (в заряженном или в разряженном состоянии) реагент приобретает рыхлую структуру и отдельные частицы в ней оказываются плохо сцепленными друг с другом или с основой (токоотводом) электрода. Постепенно отвалившиеся частицы накапливаются в нижней части моноблока в виде шлама. Этот процесс ускоряется в результате механических воздействий, например, из-за газовыделения при перезаряде или из-за вибрационных нагрузок на аккумулятор.

Процессы старения и оплывания активной массы происходят обычно равномерно по всей поверхности электрода. Возможны, однако, другие процессы, неравномерно распределенные вдоль поверхности положительного электрода. Примером может служить постепенное оползание активной массы с верхних зон электрода и накопление ее в нижних. Оползание наблюдается иногда в высоких аккумуляторах и не является следствием простого оплывания активной массы. Оно может быть вызвано концентрационными изменениями в электролите: более концентрированный и более тяжелый раствор, образующийся при заряде или разряде, накапливается в нижней части моноблока аккумулятора, оттесняя более легкие слои вверх, вследствие чего жидкость как бы расслаивается. В результате этого условия протекания электродных процессов в нижней и верхней части электродов изменяются - в верхней создаются условия, благоприятствующие растворению активного вещества, в нижней - его осаждению.

Кроме того, выполненные авторами теоретические и экспериментальные исследования процессов протекания первичной токообразующей реакции в свинцовом аккумуляторе показали (Кочуров А.А., Шевченко Н.П., Гумелев В.Ю. Теоретические основы решения проблемы увеличения сроков службы аккумуляторных батарей при хранении и повышения эффективности способов их восстановления: монография - Рязань: РВАИ, 2009, - С. 105-108), что продуктом разряда аккумулятора являются оксиды свинца, формирующие на поверхности положительных электродов разрядный слой, не имеющий прочной связи с поверхностью электродов, толщина этого слоя увеличивается по мере разряда аккумулятора, в связи с чем он подвержен оплыванию в первую очередь.

При этом основной причиной оплывания активной массы положительных электродов является возникающая при эксплуатации аккумуляторов, разряженных более 25% от номинальной емкости, сила давления прореагировавшей в химической реакции активной массы верхних частей поверхности положительного электрода на нижние. Величина этого давления возрастает по мере разряда аккумулятора.

Оплывание активной массы вызывает на отдельных участках накопление избытка массы, что не всегда связано с увеличением толщины электрода, и может привести к уменьшению пористости. В этом случае уменьшается поверхность контакта с электролитом, увеличиваются диффузионные затруднения электролита и эффективная проводимость в порах, т.е. ухудшаются общие условия работы активной массы и коэффициент ее использования. В результате в отдельных местах возможно полное прекращение работы активной массы, т.е. ее пассивация.

Все эти явления приводят к постепенному снижению емкости аккумулятора в целом, а также к росту поляризации и снижению разрядного напряжения. Они являются основной причиной ограничения ресурса, сокращения срока службы и срока сохраняемости свинцовых стартерных аккумуляторных батарей военной техники.

На фиг. 1 изображена схема известной конструкции свинцового аккумулятора, на фиг. 2 - схема дополнительного сепаратора свинцового аккумулятора предлагаемой конструкции, на фиг. 3 - схема сепаратора-конверта свинцового аккумулятора предлагаемой конструкции, на фиг. 4 - схема опорной разделительной решетки свинцового аккумулятора предлагаемой конструкции, на фиг. 5 - схема свинцового аккумулятора предлагаемой конструкции.

Свинцовый аккумулятор известной конструкции (фиг. 1) состоит из блока отрицательных электродов 1, помещенных в сепараторы-конверты 4, у которых ребра 8 и 9 на сторонах, обращенных к положительным электродам, выполнены наклонно к его вертикальной осевой линии и расположены симметрично на левой и правой половине поверхности сепаратора, при этом ребра 9 левой половины сепаратора смещены вдоль осевой линии относительно ребер 8 его правой половины, блока положительных электродов 2, помещенных в сосуд (моноблок) 5, заполненный электролитом 3, на опорные призмы 10. Пространство 6 между вертикальными стенками моноблока 5 и вертикальными гранями электродов 7 заполнено свободным электролитом.

Технический результат направлен на решение задачи снижения интенсивности оплывания разрядного слоя положительных электродов аккумулятора, улучшения диффузионных процессов и циркуляции электролита в приэлектродном пространстве аккумулятора, предотвращения нарушения целостности сепаратора-конверта в местах контакта с опорными призмами, замыкания между разноименными электродами аккумулятора в результате накопления оплывшей активной массы положительных электродов в межэлектродном пространстве, и, как следствие, обеспечение работоспособности и заданных электрических характеристик аккумулятора в процессе эксплуатации, увеличение срока его службы.

Технический результат достигается тем, что в свинцовом аккумуляторе, содержащем блок отрицательных электродов, завернутых в сепараторы-конверты, на сторонах которых, обращенных к положительным электродам, выполнены из материала сепаратора наклонно к его вертикальной осевой линии ребра, расположенные симметрично на левой и правой половине поверхности сепаратора, при этом ребра левой половины сепаратора смещены вдоль осевой линии относительно ребер его правой половины, и блок положительных электродов, помещенных в сосуд (моноблок), заполненный электролитом, на опорные призмы дополнительно:

- между ребрами с внешней стороны сепараторов-конвертов установлены дополнительные сепараторы в виде объемного каркаса из синтетического кислотостойкого материала, образованного волнистой решетчатой поверхностью с ячейками, выполненными в форме квадратов, жилы которых имеют цилиндрическую форму диаметром 0,2 мм, длиной не менее 2 мм, а высота волны, образующей поверхность, равна высоте ребер сепаратора;

- на внутренних сторонах сепараторов-конвертов из материала сепаратора наклонно к его вертикальной осевой линии с отступлением от боковых граней сепаратора выполнены ребра, расположенные симметрично на левой и правой половине поверхности зеркально по отношению к ребрам внешней стороны, при этом ребра левой половины сепаратора смещены вдоль осевой линии относительно ребер его правой половины, и имеют высоту, равную 1/3 части высоты ребер с внешней стороны;

- между опорными призмами и блоками электродов установлена опорная разделительная решетка из кислотостойкого синтетического материала, ширина ячеек которой соответствует расстоянию между электродами, толщина жил ячеек решетки - соответствует толщине электродов, а шаг поперечных жил решетки - соответствует шагу вертикальных жил решетки положительного электрода.

Отличительными признаками является то, что дополнительно:

- между ребрами с внешней стороны сепараторов-конвертов установлены дополнительные сепараторы в виде объемного каркаса из синтетического кислотостойкого материала, образованного волнистой решетчатой поверхностью с ячейками, выполненными в форме квадратов, жилы которых имеют цилиндрическую форму диаметром 0,2 мм, длиной не менее 2 мм, а высота волны, образующей поверхность, равна высоте ребер сепаратора;

- на внутренних сторонах сепараторов-конвертов из материала сепаратора наклонно к его вертикальной осевой линии с отступлением от боковых граней сепаратора выполнены ребра, расположенные симметрично на левой и правой половине поверхности зеркально по отношению к ребрам внешней стороны, при этом ребра левой половины сепаратора смещены вдоль осевой линии относительно ребер его правой половины, и имеют высоту, равную 1/3 части высоты ребер с внешней стороны;

- между опорными призмами и блоками электродов установлена опорная разделительная решетка из кислотостойкого синтетического материала, ширина ячеек которой соответствует расстоянию между электродами, толщина жил ячеек решетки - соответствует толщине электродов, а шаг поперечных жил решетки - соответствует шагу вертикальных жил решетки положительного электрода.

На фиг. 2 изображена схема дополнительного сепаратора 18 свинцового аккумулятора предлагаемой конструкции, выполненного в виде объемного каркаса из синтетического кислотостойкого материала, образованного волнистой 21 решетчатой поверхностью с ячейками 19, выполненными в форме квадратов, жилы 20 которых имеют цилиндрическую форму диаметром 0,2 мм, длиной l не менее 2 мм, а высота h волны, образующей поверхность 21, равна высоте ребер сепаратора.

На фиг. 3 изображена схема сепаратора-конверта свинцового аккумулятора предлагаемой конструкции, у которого на внутренних сторонах 15 (фиг. 3б) с отступлением а от боковых граней сепаратора выполнены ребра 16, 17, расположенные зеркально по отношению к ребрам 8, 9 внешних сторон 14 (фиг. 3а) сепаратора, высотой, равной 1/3 части высоты ребер с внешней стороны.

На фиг. 4 изображена схема опорной разделительной решетки 11 свинцового аккумулятора предлагаемой конструкции из кислотостойкого синтетического материала, ширина d ячеек 12 которой соответствует расстоянию между электродами, толщина b жил 13 ячеек решетки - соответствует толщине электродов, а шаг L поперечных жил решетки - соответствует шагу вертикальных жил решетки положительного электрода.

На фиг. 5 изображена схема свинцового аккумулятора предлагаемой конструкции.

Предлагаемое устройство свинцового аккумулятора заключается в следующем.

Свинцовый аккумулятор (фиг. 5), содержит блок отрицательных электродов 1, помещенных в сепараторы-конверты 4, у которых ребра 8 и 9 на сторонах, обращенных к положительным электродам, выполнены наклонно к его вертикальной осевой линии и расположены симметрично на левой и правой половине поверхности сепаратора, при этом ребра 9 левой половины сепаратора смещены вдоль осевой линии относительно ребер 8 его правой половины, блок положительных электродов 2, помещенных в сосуд (моноблок) 5, заполненный электролитом 3, на опорные призмы 10. Пространство 6 между вертикальными стенками моноблока 5 и вертикальными гранями электродов 7 заполнено свободным электролитом.

Дополнительно между опорными призмами 10 и блоками электродов установлена опорная разделительная решетка 11 из кислотостойкого синтетического материала, на внутренних сторонах сепараторов-конвертов 4 из материала сепаратора наклонно к его вертикальной осевой линии с отступлением от боковых граней сепаратора выполнены ребра, расположенные зеркально по отношению к ребрам 8, 9 внешней стороны, и имеют высоту, равную 1/3 части высоты ребер с внешней стороны, а между ребрами 8, 9 с внешней стороны сепараторов-конвертов установлены дополнительные сепараторы 18 в виде объемного каркаса из синтетического кислотостойкого материала, образованного волнистой решетчатой поверхностью с ячейками, выполненными в форме квадратов, жилы которых имеют цилиндрическую форму диаметром 0,2 мм, длиной не менее 2 мм, а высота волны, образующей поверхность, равна высоте ребер сепаратора.

Ширина d ячеек 12 опорной разделительной решетки 11 соответствует расстоянию между электродами, толщина b жил 13 ячеек решетки - соответствует толщине электродов (фиг. 4), что обеспечивает при сборке аккумулятора размещение нижних граней электродов на жилах опорной разделительной решетки, предохраняя сепараторы-конверты от повреждения в местах контакта с опорной поверхностью. При этом ячейки решетки располагаются в пространстве между электродами и обеспечивают перемещение оплывшей активной массы положительных электродов на дно моноблока в пространство между опорными призмами, исключая тем самым накопление избытка активной массы между сепараторами-конвертами и поверхностью положительных электродов, образование токопроводящих мостиков между разноименными электродами, приводящее к потере работоспособности аккумуляторов.

Выполнение на внутренних сторонах сепараторов-конвертов 4 наклонно к его вертикальной осевой линии с отступлением от боковых граней сепаратора дополнительно ребер 16, 17 (фиг. 3б), расположенных зеркально по отношению к ребрам 8, 9 внешней стороны, способствует улучшению диффузионных процессов электролита в приэлектродном пространстве аккумулятора. При этом выполнение их высотой, равной 1/3 части высоты ребер с внешней стороны, и расположение их зеркально по отношению к ребрам 8, 9 внешней стороны, обеспечивает сохранение свободного пространства для диффузии электролита между поверхностью электрода и поверхностью сепаратора даже после сборки блоков 1 и 2 электродов и их плотной установке в моноблок 5 на опорные призмы 10.

Выполнение ребер на внутренних сторонах сепараторов-конвертов наклонно к его вертикальной осевой линии симметрично на левой и правой половине поверхности со смещением друг относительно друга и с отступлением от боковых граней сепаратора, повышает интенсивность циркуляции свободного электролита из верхнего надэлектродного пространства и пространства 6 между вертикальными стенками моноблока 5 и вертикальными гранями электродов 7, что способствует улучшению электрических характеристик в стартерном режиме.

Установка между ребрами с внешней стороны сепараторов-конвертов дополнительных сепараторов 18 в виде объемного каркаса из синтетического кислотостойкого материала, образованного волнистой решетчатой поверхностью с ячейками, выполненными в форме квадратов, жилы которых имеют цилиндрическую форму диаметром 0,2 мм, длиной не менее 2 мм, а высота волны, образующей поверхность, равна высоте ребер сепаратора, создает объемный каркас в пространстве между поверхностью положительных электродов и сепараторов, препятствующий интенсивности оплывания активной массы и разрядного слоя с поверхностей положительных электродов, но при этом надежно обеспечивает диффузию свежего электролита к поверхности электродов, его циркуляцию в приэлектродном пространстве, не увеличивая внутреннего сопротивления аккумулятора даже после плотной установки блоков электродов в моноблок.

Предлагаемый свинцовый аккумулятор более совершенен по сравнению с известными, так как препятствует интенсивности оплывания активной массы и разрядного слоя с поверхностей положительных электродов, способствует улучшению диффузионных процессов и циркуляции электролита в приэлектродном пространстве аккумулятора, предотвращает накопление избытка активной массы между сепараторами-конвертами и поверхностью положительных электродов, образование токопроводящих мостиков между разноименными электродами, приводящее к потере работоспособности аккумуляторов, нарушение целостности сепараторов-конвертов в местах их опоры на опорные призмы, и, как следствие, обеспечение работоспособности и заданных электрических характеристик свинцового стартерного аккумулятора военной техники в процессе эксплуатации, увеличение срока его службы.

Изобретение относится к химическим источникам тока и может быть использовано при конструировании и производстве свинцовых стартерных аккумуляторных батарей для военной техники. Технический результат направлен на решение задачи снижения интенсивности оплывания разрядного слоя положительных электродов аккумулятора, улучшения диффузионных процессов и циркуляции электролита в приэлектродном пространстве аккумулятора, предотвращения нарушения целостности сепаратора-конверта в местах контакта с опорными призмами, замыкания между разноименными электродами аккумулятора в результате накопления оплывшей активной массы положительных электродов в межэлектродном пространстве, и, как следствие, обеспечение работоспособности и заданных электрических характеристик аккумулятора в процессе эксплуатации, увеличение срока его службы. Это достигается тем, что в свинцовом аккумуляторе, содержащем блок отрицательных электродов, завернутых в сепараторы-конверты, на опорные призмы между ребрами с внешней стороны которых установлены дополнительные сепараторы в виде объемного каркаса из синтетического кислотостойкого материала, образованного волнистой решетчатой поверхностью с ячейками, выполненными в форме квадратов, жилы которых имеют цилиндрическую форму. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Свинцовый аккумулятор, содержащий блок отрицательных электродов, завернутых в сепараторы-конверты, на сторонах которых, обращенных к положительным электродам, выполнены из материала сепаратора наклонно к его вертикальной осевой линии ребра, расположенные симметрично на левой и правой половине поверхности сепаратора, при этом ребра левой половины сепаратора смещены вдоль осевой линии относительно ребер его правой половины, и блок положительных электродов, помещенных в сосуд (моноблок), заполненный электролитом, на опорные призмы, отличающийся тем, что между ребрами с внешней стороны сепараторов-конвертов установлены дополнительные сепараторы в виде объемного каркаса из синтетического кислотостойкого материала, образованного волнистой решетчатой поверхностью с ячейками, выполненными в форме квадратов, жилы которых имеют цилиндрическую форму диаметром 0,2 мм, длиной не менее 2 мм, а высота волны, образующей поверхность, равна высоте ребер сепаратора.

2. Свинцовый аккумулятор по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно на внутренних сторонах сепараторов-конвертов из материала сепаратора наклонно к его вертикальной осевой линии с отступлением от боковых граней сепаратора выполнены ребра, расположенные симметрично на левой и правой половине поверхности зеркально по отношению к ребрам внешней стороны, при этом ребра левой половины сепаратора смещены вдоль осевой линии относительно ребер его правой половины, и имеют высоту, равную 1/3 части высоты ребер с внешней стороны.

3. Свинцовый аккумулятор по п. 2, отличающийся тем, что дополнительно между опорными призмами и блоками электродов установлена опорная разделительная решетка из кислотостойкого синтетического материала, ширина ячеек которой соответствует расстоянию между электродами, толщина жил ячеек решетки - соответствует толщине электродов, а шаг поперечных жил решетки - соответствует шагу вертикальных жил решетки положительного электрода.