СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОДНОЙ ЛЕНТЫ ДЛЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО ИСТОЧНИКА ТОКА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
MANUFACTURING METHOD OF ELECTRODE BAND FOR ELECTROCHEMICAL CURRENT SOURCE AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для производства электродов электрохимических источников тока, таких как электрохимические суперконденсаторы и аккумуляторы.
2
Известен способ изготовления электродов и устройство для его осуществления (авторское свидетельство СССР №528643, МПК Н01М 4/20, опубл. 1976 г.).
Способ включает нанесение активной массы на решетку электрода путем помещения решетки в вибрирующую активную массу, одновременного сообщения токоотводу виброколебаний и последующее удаление излишков активной массы с наружных поверхностей пластины.
Устройство для осуществления этого способа содержит вертикальный бункер, имеющий в нижней части выпускное отверстие, вмазывающий элемент в виде излучателя высокочастотных колебаний, размещенный в бункере, и вибратор.
Недостатком такого способа изготовления электродов и устройства является невозможность их использования при изготовлении электродной ленты с односторонним нанесением, необходимой для получения электродов для изготовления электрохимических суперконденсаторов. Кроме того, воздействием виброколебаний на решетку и на активную массу в зоне нанесения не обеспечивается достаточное уплотнение разжиженной массы на решетке из-за отсутствия каких-либо дополнительных сил, кроме вибрации, что ограничивает применение этого способа и устройства при нанесении активной массы на сплошную ленту, например, на ионопроводящую.
Известен способ изготовления электродной ленты для электрохимического источника тока и устройство для его осуществления (патент США №3782595, НКИ 222-1, МПК H01m 35/26, опубл. 1974 г.) - принято за прототип.
Способ включает нанесение активной массы на ленту путем истечения активной массы из бункера на ленту под воздействием вибрации с последующим поверхностным уплотнением активной массы и удалением излишков массы.
Устройство для осуществления этого способа содержит вертикальный бункер, имеющий в нижней части выпускное отверстие, намазочный стол, расположенный горизонтально под бункером, механизм протягивания ленты, вмазывающий элемент и вибратор.
Недостатком такого способа и устройства для изготовления электродной ленты является невысокая прочность получаемых электродов из-за недостаточной силы сцепления со сплошной или просечной лентой (подложкой), а также из-за недостаточного качества уплотнения активной массы.
Это вызвано тем, что при истечении разжиженной активной массы из бункера под воздействием вибрации на электродную ленту частицы разжиженной массы не проникают в микропоры поверхности ленты, из-за отсутствия каких-либо дополнительных сил, кроме вибрации, что ухудшает условия для хорошего сцепления массы с лентой. Кроме этого, нанесенный на подложку нижний слой активной массы имеет недостаточную плотность, особенно в месте прилегания ее к подложке, из-за наличия воздуха в порах поверхностного слоя материала ленты, что при последующем удалении излишков активной массы ведет к снижению прочности электрода (возможному отслаиванию массы).
Технической задачей изобретения является создание способа и устройства для изготовления электродной ленты для электрохимического источника тока, позволяющих повысить прочность получаемых электродов за счет хорошего сцепления активной массы с лентой и качественного уплотнения активной массы.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе изготовления электродной ленты для электрохимического источника тока, включающем нанесение активной массы на ленту путем истечения активной массы из бункера на ленту под воздействием вибрации с последующим поверхностным уплотнением активной массы и удалением излишков массы, при истечении активной массы из бункера по нанесенному слою активной массы на ленту одновременно производят ударные воздействия в пределах 0,3-4,5 виброудара на 1 мм перемещения ленты и с амплитудой колебаний 0,2-2,5 мм частотой 10-200 Гц, а поверхностное уплотнение осуществляют заглаживанием активной массы при удалении излишков массы.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном устройстве для изготовления электродной ленты для электрохимического источника тока, содержащем вертикальный бункер, имеющий в нижней части выпускное отверстие, намазочный стол, расположенный горизонтально под бункером, механизм протягивания ленты, вмазывающий элемент в виде излучателя высокочастотных колебаний, размещенный в бункере, и вибратор, край стенки выходной части бункера со стороны выхода ленты, расположен относительно поверхности намазочного стола с зазором и снабжен регулируемой калибрующей планкой, а три остальные боковые стенки выходной части бункера снабжены ограничительными планками, установленными на нижних сторонах стенок с возможностью вертикального перемещения по ним и подпружинены к столу с возможностью прижатия ленты поперек и по ее продольным кромкам, а излучатель высокочастотных колебаний выполнен в виде пластины со сквозными отверстиями и снабжен вертикальными направляющими для центрирования относительно стенок бункера, при этом рабочий конец излучателя снабжен амортизатором из эластичного полимерного материала и выступает над торцом нижней части бункера, и расположен на уровне нижних краев ограничительных планок, находящихся в подпружиненном состоянии.
В заявляемом способе и устройстве изготовления электродной ленты для электрохимического источника тока, при котором при истечении активной массы из бункера по нанесенному слою активной массы на ленту одновременно производят ударные воздействия в пределах 0,3-4,5 виброудара на 1 мм перемещения ленты и с амплитудой колебаний 0,2-2,5 мм частотой 10-200 Гц, а поверхностное уплотнение осуществляют заглаживанием активной массы при удалении излишков массы, обеспечивается повышение прочности получаемых электродов.
Это достигается тем, что на активную массу, которая приобрела текучую консистенцию, под воздействием виброколебаний, при истечении ее из бункера на ленту одновременно производят ударные воздействия по нанесенному нижнему слою активной массы, а поверхностное уплотнение осуществляют заглаживанием активной массы при удалении излишков массы, что приводит к созданию дополнительных направленных сил, обеспечивающих интенсивное продвижение частиц активной массы в микропоры поверхности ленты (подложки), хорошее сцепление активной массы с лентой, повышение прочности получаемых электродов и качественное уплотнение активной массы.
Значение величин ударных воздействий в пределах 0,3-4,5 виброудара на 1 мм перемещения ленты и с амплитудой колебаний 0,2-2,5 мм частотой 10-200 Гц, служит условием равномерного истечения активной массы из бункера, сплошного покрытия ленты активной массой и ее уплотнения.
Наличие в устройстве регулируемой калибрующей планки, расположенной на краю стенки выходной части бункера со стороны выхода ленты, установленной относительно поверхности намазочного стола с зазором, а также наличие ограничительных планок, установленных на нижних сторонах остальных трех стенок бункера с возможностью вертикального перемещения по ним и подпружиненых к столу с возможностью прижатия ленты поперек и по ее продольным кромкам, обеспечивает равномерное нанесение слоя активной массы на ленту на заданную толщину и ширину с одновременным осуществлением необходимого поверхностного уплотнения слоя, что способствует получению качественного уплотнения активной массы.
Выполнение излучателя высокочастотных колебаний в виде пластины со сквозными отверстиями и с вертикальными направляющими для центрирования относительно стенок бункера позволяет дополнительно перемешивать и разжижать активную массу, что способствует наилучшим условиям для истечения ее из бункера, сцеплению с поверхностью ленты, повышению прочности получаемых электродов и получению качественного уплотнения активной массы.
Выполнение рабочего конца излучателя высокочастотных колебаний с амортизатором из эластичного полимерного материала, выступающим над торцом нижней части бункера и расположенным на уровне нижних краев ограничительных планок, находящихся в подпружиненном состоянии, позволяет производить излучателем ударные воздействия на нижний слой активной массы по мягкой характеристике, что обеспечивает уплотнение массы с оптимальным усилием, создающим хорошее сцепление активной массы с лентой без ее деформации, повышение прочности получаемых электродов и получение качественного уплотнения активной массы.
Заявленный способ и устройство изготовления электродной ленты для электрохимического источника тока направлены на достижение одного технического результата - повышения прочности получаемых электродов за счет хорошего сцепления активной массы с лентой и качественного уплотнения активной массы, что подтверждает их взаимосвязь и наличие единого изобретательского замысла.
Технических решений, совпадающих с совокупностью существенных признаков заявляемого изобретения, не выявлено, что позволяет сделать вывод об его соответствии такому условию патентоспособности как « новизна».
Заявляемые существенные признаки заявляемого изобретения, предопределяющие получение указанного технического результата, явным образом не следуют из уровня техники, что позволяет сделать вывод об их соответствии такому условию патентоспособности как «изобретательский уровень».
Сущность заявляемого способа и устройства для его осуществления поясняется чертежом, где
на фиг.1 изображено предлагаемое устройство;
на фиг.2 то же, сечение по А-А.
Устройство для изготовления электродной ленты заявляемым способом содержит вертикальный бункер 1, имеющий в нижней части выпускное отверстие 2, намазочный стол 3, расположенный горизонтально под бункером, вмазывающий элемент в виде излучателя 4 высокочастотных колебаний, размещенный в бункере, и вибратор 5. Край стенки выходной части бункера со стороны выхода ленты, расположен относительно поверхности намазочного стола с зазором S и снабжен регулируемой калибрующей планкой 6. Калибрующая планка установлена на стенке посредством кронштейна 7. Три остальные боковые стенки выходной части бункера снабжены соответственно ограничительными планками 8, 9, 10. Планки установлены на нижних сторонах стенок бункера с возможностью вертикального перемещения по ним и подпружинены к столу пружинами 11 с возможностью прижатия ленты (подложки) 12 поперек и по ее продольным кромкам. Планки служат для обеспечения равномерного нанесения слоя активной массы на ленту на заданную толщину и ширину и исключения растекания массы по ленте. Излучатель высокочастотных колебаний выполнен в виде пластины со сквозными отверстиями 13, снабжен вертикальными направляющими 14 для центрирования относительно стенок бункера и соединен с вибратором. Направляющие обеспечивают только вертикальную составляющую кругового вибрационного движения, создаваемого вибратором. Рабочий конец излучателя снабжен амортизатором 15 из эластичного полимерного материала, например полиуретана, и выступает над торцом нижней части бункера. Торец конца излучателя расположен на уровне нижних краев ограничительных планок, находящихся в подпружиненном состоянии. Вертикальный бункер установлен на специальных кронштейнах (на чертежах не показано) с возможностью вертикального перемещения и фиксации относительно стола. На чертеже показана также активная масса 16.
Способ изготовления электродной ленты на заявляемом устройстве осуществляется следующим образом.
На намазочный стол 3 укладывают подложку 12, которая транспортируется в дальнейшем механизмом протягивания ленты (на чертеже не показан). Затем вертикальный бункер 1 устанавливают таким образом, что бы три ограничительные планки 8, 9, 10 касались подложки без зазоров и имели возможность свободного вертикального перемещения (свободного возврата в исходное положение). После чего автоматически или вручную калибрующей планкой 6 выставляют заданный зазор S в зависимости от необходимой толщины слоя активной массы (электрода) и устанавливают скорость протягивания ленты.
В бункер загружают активную массу 16. Одновременно торец рабочего конца излучателя 4 своим амортизатором 15 соприкасается с подложкой (находится на одном уровне с нижними краями ограничительных планок). Затем включают механизм протягивания ленты (подложки) и вибратор 5 излучателя. Активная масса под воздействием виброколебаний приобретает текучую консистенцию и истекает на ленту. Одновременно в процессе вибрации происходит ударное воздействие амортизатора излучателя на активную массу и ленту. Ударные воздействия производят в пределах 0,3-4,5 виброудара на 1 мм перемещения ленты и с амплитудой колебаний 0,2-2,5 мм частотой 10-200 Гц. В процессе виброколебаний излучателя сквозные отверстия 13 и направляющие способствуют дополнительному перемешиванию и разжижению активной массы.
Нанесение ударных воздействий по нанесенному нижнему слою активной массы приводит к созданию дополнительных направленных сил, обеспечивающих интенсивное продвижение частиц активной массы в микропоры поверхности ленты (подложки), происходит воздухоудаление из пор поверхностного слоя подложки и активной массы, происходит сближение частиц массы, создание более плотной их компоновки, что обеспечивает хорошее сцепление нижнего слоя массы с лентой, а создаваемый градиент динамического давления, повышает качество уплотнения активной массы. За счет наличия амортизатора ударные воздействия излучателя на нижний слой активной массы происходят по мягкой характеристике, что обеспечивает уплотнение массы с оптимальным усилием, создающим хорошее сцепление активной массы с лентой без деформации последней. При перемещении подложки с нанесенной и уплотненной активной массой, с волнообразной поверхностью, образованной воздействием излучателя, на выходе из-под бункера через зазор S происходит поверхностное уплотнение калибрующей планкой 6, которой осуществляют заглаживние поверхности активной массы и удаление излишков массы.
Нанесение активной массы может осуществляться на подложку, например, из пеноникеля или пеноуглерода с открытыми порами, или просечной ленты (соответственно для щелочных и свинцовых аккумуляторов), или волокнистого ионопроводящего материала для электрохимических суперконденсаторов.
Пример 1.
На ленту (подложку) из волокнистого ионопроводящего материала, например стекловолокна, для электрохимического суперконденсатора шириной 145 мм, наносят активную массу. В качестве активной массы использовалась тщательно перемешанная с щелочным электролитом (KOH) смесь следующего состава: уголь активированный 85%, сажа 15%. После чего активную массу истечением наносят на ленту и подвергают одновременно виброколебаниям и ударным воздействиям перпендикулярно плоскости ленты. Виброколебания и ударные воздействия сообщают с частотой 100 Гц и амплитудой 1,3 мм. При совершении 2,4 виброудара на 1 мм производят перемещения подложки со скоростью 2,2 м/мин. Затем калибрующей планкой производят удаление излишков активной массы с наружной поверхности электрода до его толщины с точностью ±5 мкм и одновременно уплотняют поверхностный слой активной массы, после чего из электродной ленты удаляют излишки электролита и прокатывают до толщины 1,0 мм. Электродная лента получается прочной за счет хорошего сцепления активной массы с лентой и имеет качественное уплотнение активной массы.
Пример 2.
При ударных воздействиях 0,3 виброудара на 1 мм перемещения ленты и с амплитудой колебаний 0,2 мм, частотой 10 Гц получают хорошее сцепления активной массы с лентой, прочный электрод и качественное уплотнение активной массы.
Пример 3.
При ударных воздействиях 4,5 виброудара 1 мм перемещения ленты и с амплитудой колебаний 2,5 мм, частотой 200 Гц получают хорошее сцепления активной массы с лентой, прочный электрод и качественное уплотнение активной массы.
Пример 4.
При ударных воздействиях 0,2 виброудара на 1 мм перемещения ленты и с амплитудой колебаний 0,15 мм, частотой менее 10 Гц (8 Гц) получают удовлетворительное качество сцепления активной массы с лентой, но уплотнение активной массы недостаточно, а ширина наносимого слоя неравномерна (имеются пробелы по краям ленты).
Пример 5.
При ударных воздействиях 4,6 виброудара на 1 мм перемещения ленты и с амплитудой колебаний 2,6 мм, частотой более 200 Гц (210 Гц.) получают хорошее сцепление активной массы с лентой и качественное уплотнение активной массы, однако, из-за большой силы виброударов наблюдаются порывы ленты.
Таким образом, заявляемые способ и устройство для изготовления электродной ленты для электрического накопителя энергии соответствуют условию патентоспособности «промышленная применимость».
Предлагаемые способ и устройство для изготовления электродной ленты для электрохимического источника тока по сравнению с прототипом позволяют повысить прочность получаемых электродов за счет хорошего сцепления активной массы с лентой и качественного уплотнения активной массы.