СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОКСИДНО-НИКЕЛЕВОГО ЭЛЕКТРОДА ДЛЯ ЩЕЛОЧНОГО АККУМУЛЯТОРА
METHOD FOR MANUFACTURING OF OXIDE-NICKEL ELECTRODE FOR ALKALINE ACCUMULATOR

Изобретение «Способ изготовления оксидно-никелевого электрода для щелочного аккумулятора» относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при производстве щелочных никель-кадмиевых аккумуляторов.
В настоящее время выпускаемые отечественной и зарубежной промышленностью никель-кадмиевые аккумуляторы с электродами прессованной и металлокерамической конструкции имеют невысокие удельные параметры (30-40 Вт·ч/кг) и ресурс 350-550 циклов. Поэтому исследования ведущих фирм-производителей направлены на увеличение плотности энергии источников тока этого типа, снижение их стоимости и увеличение ресурса долговечности. В этом плане особенно широкое развитие получили работы по созданию никель-кадмиевых аккумуляторов с высокоэнергоемкими электродами на основе высокопористого материала волоконного типа [1-3]. Использование этих материалов позволяет сократить расход дорогостоящего металлического никеля в 3-6 раз по сравнению с расходом его в металлокерамических электродах. Высокая пористость - около 90% - волоконной основы позволяет отказаться от электропроводной добавки графита в состав активной массы оксидно-никелевого электрода и тем самым увеличить удельные характеристики щелочных аккумуляторов с оксидно-никелевыми электродами на волоконной основе.
Известен способ изготовления электрода на основе никелевого волокна или никелевой пены для химического источника тока [1], по которому электрод на основе никелевой пены спрессовывают с участком основы также из никелевой пены и с металлическим токосъемом, затем производят электрическую сварку и далее пастируют основу гидроксидом никеля.
Недостатками этого способа являются низкие циклические ресурсные и емкостные характеристики, что обусловлено отсутствием надежного контакта между частицами гидроксида и элементами структуры пористого никелевого каркаса, за счет внесения гидроксида никеля пастированием.
3
3
Известен способ изготовления спеченного комбинированного никелевого электрода [2] путем химического никелирования графитового матричного волоконного материала с последующим спеканием под сжатием в атмосфере сухого водорода при температуре 800°С в течение 0.25 - 2 час, пропиткой спеченной электродной пластины электрохимическим способом (температура ванны 75°С, плотность тока 0.054 А/см), формированием электрода активным материалом, включающим анодную и катодную обработку в электролите 20% КОН (7-этапный метод из 20-минутных циклов с плотностью тока 0.07, 0.0311, 0.11 А/см), промывкой каждого из электродов в течение нескольких часов в проточной деионизованной воде и сушкой в течение 8 часов.
Недостатком данного способа являются высокие энергозатраты, связанные с необходимостью спекания электрода в среде водорода при температуре 800°С.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому и потому принятым за прототип является способ изготовления оксидно-никелевого электрода на основе высокопористого материала волоконного типа [3].
Существенными признаками прототипа являются следующие операции и режимы:
1. Осаждение никеля, например, химическим или гальваническим способом на высокопористый материал волоконного или вспененного типа.
2. Дополнительное осаждение никеля в зоне приварки токосъема гальваническим способом до локальной пористости никеля не более 10%.
3. Термообработка в окислительной атмосфере при температуре 600±100°С в течение 2-4 часов.
4. Термообработка (спекание) в атмосфере водорода.
3
5. Диффузионная приварка токосъема в зоне дополнительно осажденного никеля при температуре 450-550°С в среде водорода при давлении прижима токосъема 500-1000 кгс/см в течение 5-30 мин.
6. Термообработка высокопористой никелевой основы в окислительной атмосфере при температуре 250-350°С в течение 1-30 мин.
7. Электрохимическое осаждение гидроксида никеля.
8. Формирование электродов в избытке электролита.
9. Промывка электродов от гидроксида калия в деионизованной воде.
10. Сушка электродов.
2
2
11. Дополнительное формирование электродов в избытке электролита в сжатом состоянии при давлении сжатия 2-5 кгс/см, плотности тока 50-100 мA/см, времени заряда (анодной поляризации) 1-2 часа, времени разряда (катодной поляризации) 0.5-1 час и количестве циклов от 10 до 40.
Сложная технология изготовления оксидно-никелевого электрода по указанному способу, высокая трудоемкость и энергозатраты приводят к возрастанию стоимости оксидно-никелевого электрода для щелочного аккумулятора.
Технической задачей изобретения является разработка экономически эффективного способа изготовления оксидно-никелевого электрода щелочного аккумулятора с повышенными циклическими, ресурсными и удельными емкостными характеристиками.
Указанный технический результат достигается способом изготовления оксидно-никелевого электрода для щелочного аккумулятора путем гальванического никелирования графитированного вискозного материала, электрохимического осаждения гидроксида никеля, формирования, промывки и сушки электродов, в котором согласно изобретению перед гальваническим никелированием графитированного вискозного материала проводят активацию графитированного вискозного материала насыщением ионами никеля из раствора сернокислого никеля при концентрации 50-320 г/л в течение 5-75 минут, затем после осаждения никеля проводят подпрессовку зоны приварки токосъема электрода давлением 500-2100 МПа и перед электрохимическим осаждением гидроксида никеля проводят замачивание высокопористой никелевой основы в растворе азотнокислого никеля с концентрацией 190-210 г/л в течение 15-75 минут.
Таким образом, существенными признаками заявляемого способа являются следующие технологические операции и режимы:
1. Активация графитированного вискозного материала в растворе сернокислого никеля насыщением ионами никеля при концентрации 50-320 г/л в течение 5-75 минут.
2. Гальваническое никелирование графитированного вискозного материала.
3. Дополнительное осаждение никеля в зоне приварки токосъема гальваническим способом.
4. Подпрессовка зоны приварки токосъема электрода давлением 500-2100 МПа.
5. Приварка токосъема в зоне дополнительного осаждения никеля.
6. Замачивание высокопористой никелевой основы в растворе азотнокислого никеля с концентрацией 190-210 г/л в течение 15-75 минут.
7. Электрохимическое осаждение гидроксида никеля.
8. Формирование электродов в избытке электролита.
9. Промывка электродов от гидроксида калия в конденсате.
10. Сушка электродов.
11. Дополнительное формирование электродов в избытке электролита в сжатом состоянии.
Признаки 2, 3, 5, 7, 8, 9, 10, 11 - общие с прототипом. Признаки 1, 4, 6 - новые, отличительные, что и обеспечивает соответствие предлагаемого способа критерию "новизна".
Активация графитированного вискозного материала в растворе сернокислого никеля насыщением ионами никеля при концентрации 50-320 г/л (признак 1) позволяет улучшить качество никелевого покрытия графитированного вискозного материала при проведении гальванического никелирования и отказаться от энергозатратной термообработки высокопористой электродной основы. Указанный временной интервал нахождения электродов в растворе сернокислого никеля в течение 5-75 минут при концентрации 50-320 г/л является оптимальным для обеспечения активации графитированного вискозного материала и его насыщения ионами никеля.
Подпрессовку зоны приварки токосъема электрода (признак 4) проводят для обеспечения качественной сварки токосъема с высокопористой никелевой основой. При давлении менее 500 МПа не происходит нужного уплотнения никеля для качественной приварки токосъема, а при давлении выше 2100 МПа происходит обрубка зоны дополнительного осаждения никеля.
В заявляемом способе использование замачивания высокопористой никелевой основы в растворе азотнокислого никеля с концентрацией 190-210 г/л в течение 15-75 минут по признаку 6 позволяет улучшить эффективность заполнения порового пространства волоконной никелевой основы активной массой и в дальнейшем повысить удельные емкостные характеристики электрода. Указанный временной интервал нахождения электродов в растворе азотнокислого никеля в течение 15-75 минут является оптимальным для обеспечения полной пропитки высокопористой никелевой основы раствором азотнокислого никеля.
Предлагаемый экономически эффективный способ позволяет изготавливать оксидно-никелевый электрод для щелочного аккумулятора с повышенными циклическими, ресурсными и удельными емкостными характеристиками. Использование данного изобретения в промышленности позволяет изготавливать оксидно-никелевые электроды для никель-кадмиевых аккумуляторов с высокими эксплуатационными характеристиками.
Источники информации
1. Патент России №2054758, заявл. 02.11.1992 г.
2. Ferrahdo W., Lee W.W., Sutulla R.A., A. Lighweighted, Nickel Composition Electrode, Concept and Feasibility. Journal of Power Jources, Феррандо У. и др. Облегченный комбинированный никелевый электрод. Общее представление о возможности изготовления.
3. Патент России №2148284, заявл. 23.07.1998 г.