НИКЕЛЬ-ЦИНКОВЫЙ АККУМУЛЯТОР И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АКТИВНЫХ МАСС ПРЕИМУЩЕСТВЕННО ДЛЯ ЕГО ЭЛЕКТРОДОВ
NI-ZN STORAGE BATTERY AND METHOD TO PRODUCE ACTIVE MASSES, MAINLY, FOR ITS ELECTRODES

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при изготовление никель-цинковых аккумуляторов.
6
Известны из опубликованной заявки Российской Федерации №93003473/07, кл. H01M 4/24 от 20.01.1993 г. никель-цинковый аккумулятор, содержащий корпус, сепараторы, щелочной электролит, отрицательный электрод, состоящий из токоподводящей металлической решетки с напрессованным слоем активной массы из порошка цинка со связующим, и положительный электрод в виде токоподводящей никелевой решетки с напрессованной на нее активной массой из порошка никеля со связующим, и способ получения активной массы для его электродов, включающий перемешивание органического связующего - полиметилметакрилата, в зависимости от назначения электрода, с цинкосодержащим и никельсодержащим компонентами в виде порошков.
Недостатками этого никель-цинкового аккумулятора являются возможность отслаивания активных масс от металлических токоподводящих решеток, возможность замыкания электродов накоротко вследствие роста дендритов при зарядке и неравномерное медленное растворение порошка цинка при разрядке.
7
Наиболее близкими по своей технической сущности к предложенному никель-цинковому аккумулятору и способу изготовления его электродов являются известные из патента Российской Федерации №2232449, кл. H01M 10/30, 2002 г. никель-цинковый аккумулятор, содержащий заполненный щелочным электролитом корпус с расположенными в последнем параллельно соединенными отрицательными электродами в виде токопроводящих элементов с напрессованными на их поверхности активными массами, образованными гомогенной смесью кремнеорганического связующего с цинкосодержащим и углеродосодержащим компонентами, между которыми размещены отделенные от них полимерными сепараторами параллельно соединенные положительные электроды в виде токопроводящих элементов с напрессованными на их поверхности активными массами, образованными гомогенной смесью кремнеорганического связующего с никельсодержащим и углеродосодержащим компонентами, и способ получения активной массы для электродов, преимущественно для никель-цинкового аккумулятора, включающий образование гомогенной смеси термически отверждаемого кремнеорганического связующего с предварительно измельченными углеродосодержащим и, в зависимости от назначения электрода, цинкосодержащим или никельсодержащим компонентами.
Недостатками вышеуказанного аккумулятора и способа изготовления для него электродов является малый срок службы упомянутого никель-цинкового аккумулятора, составляющий 100-200 циклов заряд - разряд, кристаллизация на отрицательных электродах цинка в виде крупных ветвистых кристаллов - дендритов, способных своими острыми «ветвями» проткнуть сепараторы и замкнуть положительные электроды накоротко, и так называемое "переползание", обусловленное периодическим изменением объема активных масс и их перемещением в нижние части электродов под влиянием силы тяжести и неравномерного распределения по поверхности электрода электрического потенциала.
Целью изобретения является повышение надежности, удельной емкости и увеличение количества циклов заряд - разряд.
Вышеуказанные цели достигаются тем, что в никель-цинковом аккумуляторе, содержащем заполненный щелочным электролитом корпус с расположенными в последнем параллельно соединенными отрицательными электродами в виде токопроводящих элементов с напрессованными на поверхности активными массами, образованными гомогенной смесью кремнеорганического связующего с цинкосодержащим и углеродосодержащим компонентами, между которыми размещены отделенные от них полимерными сепараторами параллельно соединенные положительные электроды в виде токопроводящих элементов с напрессованными на их поверхности активными массами, образованными гомогенной смесью кремнеорганического связующего с никельсодержащим и углеродосодержащим компонентами, токопроводящий элемент каждого электрода выполнен в виде тонкостенной пластины из фольги с отогнутой по периметру кромкой, цинкосодержащий и углеродосодержащий компоненты активной массы отрицательного электрода - в виде межслоевого соединения цинка с графитом, никельсодержащий и углеродосодержащий компоненты активной массы положительного электрода - в виде межслоевого соединения никеля с графитом, причем содержание цинка и никеля в межслоевых соединениях активных масс отрицательных и положительных электродов превышает содержание графита в них соответственно в 2,75-4,75 и 2,8-4,2 раз, при этом полимерные сепараторы зафиксированы на внешних поверхностях активных масс, напрессованных на тонкостенные пластины из фольги, загибами отгибов кромок последних, а в способе получения активной массы для электродов, преимущественно для никель-цинкового аккумулятора, включающем образование гомогенной смеси кремнеорганического связующего с предварительно измельченными углеродосодержащим и, в зависимости от назначения электрода, цинкосодержащим или никельсодержащим компонентами, в качестве углеродосодержащего, цинкосодержащего и никельсодержащего компонентов активных масс используют соответственно графит, хлористый цинк и хлористый никель, которые перед смешением с кремнеорганическим связующим для образования межслоевых соединений цинка или никеля с графитом, смеси хлористого цинка с графитом и хлористого никеля, подвергают при температуре 85-150°С в течение 1,5-5,0 и 2,0-6,0 часов соответственно раздельному воздействию концентрированной 85-95% азотной кислоты на упомянутые смеси, после чего полученные межслоевые соединения цинка и никеля с графитом раздельно промывают до получения нейтральных реакций промывочной жидкости и обезвоживают, при этом количество цинка и никеля превышают содержание графита в межслоевых соединениях соответственно в 2,75-4,75 и 2,8-4,2 раз.
Кроме того, никель-цинковый аккумулятор может быть снабжен вспомогательными сепараторами, размещенными между основными полимерными сепараторами.
Предлагаемый способ получения активной массы для электродов преимущественно для никель-цинкового аккумулятора включает раздельное получение межслоевых соединений цинка и никеля с графитом. Для получения межслоевого соединения цинка или никеля с графитом смеси хлористого цинка и хлористого никеля с графитом предварительно раздельно нагревают до температуры 85-150°С. Затем на нагретые вышеупомянутые смеси компонентов воздействуют раздельно соответственно в течение 1,5-5,0 и 2,0-6,0 часов концентрированной 85-95% азотной кислотой. Количество цинка и никеля в межслоевых соединениях их с графитом превышает содержание последнего в них соответственно в 2,75-4,75 и 2,8-4,2 раз. Полученные межслоевые соединения цинка и никеля с графитом раздельно промывают до получения нейтральных реакций промытых веществ и обезвоживают. Обезвоженные межслоевые соединения цинка и никеля с графитом затем используют соответственно для получения активных масс, предназначенных для отрицательного или положительного электрода. Получение активных масс электродов осуществляют непосредственно перед напрессовкой (нанесением) их на боковые поверхности токопроводящих элементов каждого электрода, выполненного в виде тонкостенной пластины из фольги с отогнутой по периметру кромкой, путем перемешивания ранее упомянутых межслоевых соединений с кремнеорганическим связующим до лучения их гомогенной смеси.
Сущность конструкции никель-цинкового аккумулятора поясняется чертежами, где на фиг.1 схематично изображен общий вид никель-цинкового аккумулятора в разрезе; на фиг.2 - фрагмент сепаратора в аксометрии; на фиг.3 - поперечный разрез фиг.2 и на фиг.4 - заготовка токопроводящего элемента в виде пластины из медной фольги.
Никель-цинковый аккумулятор состоит из корпуса 1, заполненного щелочным электролитом, в котором размещены параллельно соединенные друг с другом выводом 2 отрицательные 3 электроды. Между отрицательными 3 электродами расположены отделенные полимерными сепараторами 4 положительные 5 электроды, соединенные друг с другом выводом 6. Каждый электрод состоит из токопроводящего элемента в виде тонкостенной пластины 7 из фольги с отогнутой по периметру кромкой 8. На боковые поверхности тонкостенной пластины 7 напрессована активная масса 9. В зависимости от того изготавливаются отрицательный 3 или положительный 5 электроды, активная масса 9 последних состоит из гомогенной смеси, образованной кремнеорганическим связующим соответственно с межслоевым соединением цинка или никеля с графитом. Содержание цинка и никеля в межслоевых соединениях активной массы отрицательного 3 и положительного 5 электродов превышает содержание в них графита соответственно в 2,75-4,75 и 2,8-4,2 раз. На наружных поверхностях активных масс 9 установлены полимерные сепараторы 4, которые закреплены загибами отгибов 10 отогнутой по периметру кромкой 8 токопроводящего элемента в виде тонкостенной пластины 7 из фольги. В качестве кремнеорганического связующего в гомогенной смеси активной массы 9 может быть использован полиорганилсилоксан или полиорганилдисилоксан, которые при термическом или каталическом отверждении образуют нерастворимые полиорганилсилоксаны, которые обладают высокой адгезией к металлу токопроводящих элементов.
Конкретные примеры осуществления способа получения активной массы, преимущественно для электродов никель-цинкового аккумулятора:
Пример 1. Предварительно для получения используемого в активной массе отрицательного электрода межслоевого соединения цинка с графитом. 1000 г графита марки ГЭ-1 перемешивают с 2800 г хлористого цинка до получения однородной смеси. В полученную смесь добавляют концентрированную 85-95% азотную кислоту и выдерживают до полного расстворения обрабатываемой однородной смеси. Полученный раствор нагревают до 140°С и выдерживают в течение 3-х часов, а затем осуществляют в течение следующих 3-х часов при температуре 130°С кристаллизацию полученного межслоевого соединения цинка с графитом, в котором содержание цинка превышает содержание графита в 3,5 раза. После кристаллизации межслоевое соединение цинка с графитом промывают до нейтральной реакции и в течение 2-3 часов удаляют промывочную воду. Обезвоженное межслоевого соединения цинка с графитом затем измельчают. Перемешивание измельченного межслоевого соединения цинка с графитом с кремнеорганическим связующим, например полиорганилдисилоксаном для получения гомогенной смеси, являющейся неотвержденной активной массой отрицательного электрода, осуществляют непосредственно перед ее напрессовкой (нанесением) на боковые поверхности токопроводящего элемента отрицательного электрода. Нанесенную на боковые поверхности токопроводящего элемента, отрицательного электрода неотвержденную активную массу затем выдерживают для удаления растворителя.
Пример 2. Предварительно для получения используемого в активной массе положительного электрода межслоевого соединения никеля с графитом 600 г графита марки ГЭ-1 перемешивают с 1800 г хлористого никеля до получения однородной смеси. В полученную смесь добавляют концентрированную 85-95% азотную кислоту и 1500 мл дистиллированной воды и выдерживают в течение 4-х часов при температуре 100°С. Количество никеля в полученном его межслоевом соединении с графитом превышает количество последнего в 3,8 раза. Выпавшее в осадок межслоевое соединение никеля с графитом затем промывают до нейтральной реакции промывочных вод и удаляют промывочную воду. Обезвоженное межслоевое соединение никеля с графитом затем измельчают. Перемешивание измельченного межслоевого соединения никеля с графитом с кремнеорганическим связующим, например полиорганилсилоксаном для получения гомогенной смеси, осуществляют непосредственно перед ее напрессовкой (нанесением) на боковые поверхности токопроводящего элемента, положительного электрода. Нанесенную на боковые поверхности токопроводящего элемента положительного электрода активную массу затем выдерживают для удаления растворителя.
Предложенные никель-цинковые аккумуляторы и способ получения активных масс, преимущественно для его электродов, позволяют снизить их себестоимость за счет ликвидации расхода таких токсичных материалов, как свинец, ртуть или кадмий. Использование никель-цинковых аккумуляторов взамен свинцовых позволяет также снизить массу и себестоимость при одновременном повышении электрических и эксплуатационных характеристик аккумуляторов.