СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ АКТИВНОЙ МАССЫ ДЛЯ ОКСИДНО-НИКЕЛЕВОГО ВОЛОКНОВОГО ЭЛЕКТРОДА ЩЕЛОЧНОГО АККУМУЛЯТОРА
METHOD FOR MANUFACTURE OF ACTIVE MASS FOR ALKALINE BATTERY OXIDE-NICKEL FIBRE ELECTRODE

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при производстве щелочных аккумуляторов с оксидно-никелевыми электродами на волокновой основе.
В настоящее время известно множество различных типов никель-кадмиевых аккумуляторов, отличающихся друг от друга способом изготовления электродных основ. В этом плане перспективными являются источники тока с волокновыми электродами. Обладая высокой энергоемкостью и повышенным ресурсом (до 5000 циклов при 60% глубине разряда), аккумуляторы с такими электродами не требуют особого ухода, безотказны и работоспособны практически в любых климатических условиях. Высокая пористость волокновых основ (85-95%) позволяет уменьшить, при равной емкости, объем аккумулятора примерно на 20%, а массу примерно на 25% по сравнению с традиционными аккумуляторами, где используются ламельные или спеченные электроды. Один кубический сантиметр объема электрода с волокновой основой содержит около 300 метров проводящего волокна, что обеспечивает хороший токосъем и позволяет отказаться от добавки графита. Использование волокновых основ позволяет значительно сократить потребление металлического никеля на изготовление оксидно-никелевых электродов. Кроме того, существенно снижается потребление воды и электроэнергии. Применение пастированной технологии заполнения волокновых электродов активной массой также дает возможность уменьшить концентрацию соединений никеля в промышленных стоках и время, отведенное на выполнение технологического цикла изготовления оксидно-никелевых волокновых электродов.
Известен способ изготовления электрода на основе гидроксида никеля, легированного кобальтом [1]. Способ заключается в том, что в высокопористую металлическую основу из, например, нетканого материала вводят активное вещество на основе гидроксида никеля с определенным содержанием кобальта. Активное вещество заполняет часть пор металлической основы, при этом кобальт образует гетерогенную дисперсную среду внутри активного вещества, что обуславливает повышенную емкость электрода.
Недостатком способа является то, что активная масса электрода работает не в полном объеме, поскольку кобальт в ней распределен в виде отдельных частиц, что не обеспечивает необходимую проводимость.
Известен способ создания материала для электродов гальванических элементов с повышенной электропроводностью [2]. Способ заключается в получении тонких металлических частиц при термическом разложении паров карбонилов металлов с последующим нагревом полученного материала до 500°С в течение 5 часов, его измельчением и введением в активный материал электрода.
Недостатком этого способа является то, что полученный из карбонилов материал вводят в активную массу электродов в виде порошка, что не обеспечивает необходимую проводимость, а также включает в себя несколько дополнительных операций по получению электропроводящей добавки, что в целом усложняет технологию получения активной массы.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому и потому принятым за прототип является способ изготовления активной массы щелочных аккумуляторов путем смешения порошков активной массы и легколетучего металлоорганического соединения с последующим его термическим разложением [3].
Недостатком этого способа является то, что сложная технология изготовления активной массы по указанному способу, высокая трудоемкость и энергозатраты для разложения летучего металлоорганического соединения приводят к возрастанию конечной стоимости оксидно-никелевого электрода для щелочного аккумулятора.
Технической задачей изобретения является разработка экономически эффективного способа изготовления активной массы для оксидно-никелевого волокнового электрода щелочного аккумулятора с повышенными циклическими, ресурсными и удельными емкостными характеристиками.
Указанный технический результат достигается способом изготовления активной массы для оксидно-никелевого волокнового электрода щелочного аккумулятора путем смешения полимерного водорастворимого связующего натрий-карбоксиметилцеллюлозы (NaКМЦ), водного раствора сульфата кобальта температурой 45-55°С, концентрацией 140-145 г/л и наполнителя (мелкодисперсного порошка гидроксида никеля) в соотношении 9:1 никеля к кобальту, затем полученная паста перетирается до гомогенного состояния в дисольвере с зазором между фрезой и корпусом дежи, равным 300-400 мм.
Предложенный способ изготовления активной пасты для оксидно-никелевого волокнового электрода щелочного аккумулятора заключается в следующем. В необходимый объем дистиллированной воды или конденсата температурой 40-45°С небольшими порциями при постоянном перемешивании добавляется необходимое количество NaКМЦ, далее перемешивается до получения однородной гелеобразной массы в течение 3-4 ч и оставляется для полного набухания на 10-12 ч. Затем приготавливается раствор сульфата кобальта, для чего в необходимый объем дистиллированной воды или конденсата температурой 50-60°С добавляется расчетное количество сульфата кобальта для получения концентрации 140-145 г/л и перемешивается до полного растворения кристаллов в течение 2-3 ч. По истечении времени набухания, раствор NaКMЦ перемешивается в течение 3-4 ч, затем раствор сульфата кобальта нагревается до температуры 45-55°С и при постоянном перемешивании небольшими порциями вливается в раствор NaКMЦ. В дальнейшем раствор перемешивается до гомогенного состояния в течение 0,5-1 ч. Затем в соотношении 9:1 к кобальту взвешивается необходимое количество наполнителя (мелкодисперсный порошок гидроксида никеля) и при постоянном перемешивании небольшими порциями добавляется в полученный раствор сульфата кобальта и NaКMЦ. Далее полученная активная паста перемешивается в течение 15-20 мин. После окончания перемешивания активная паста помещается в дисольвер с зазором между фрезой и корпусом дежи, равным 300-400 мм, и перетирается до гомогенного состояния в течение 15-45 мин. После окончания времени перетира активная паста извлекается из дисольвера и используется для изготовления оксидно-никелевых волокновых электродов щелочного аккумулятора методом намазки.
Выбор температуры нагрева и концентрации раствора сульфата кобальта, а также величины зазора между фрезой и корпусом дежи при перетире и соотношение между активирующей добавкой и наполнителем продиктован следующими соображениями.
При температуре нагрева раствора сульфата кобальта ниже 45°С имеет место неполное растворение всех кристаллов сульфата кобальта, что приводит к невозможности его использования, а при температуре нагрева выше 55°С происходит порча совместного раствора сульфата кобальта и NаКМЦ вследствие его сворачиваемости.
Указанная концентрация раствора сульфата кобальта 140-145 г/л является оптимальной для установления соотношения между наполнителем и активирующей добавкой равным 9:1 и обеспечения рационального использования дорогостоящих материалов, увеличения коэффициента использования никеля и срока службы волокнового электрода.
При зазоре между фрезой и корпусом дежи меньше 300 мм происходит быстрая сворачиваемость активной пасты из-за увеличения температуры нагрева при перетире, а при зазоре между фрезой и корпусом дежи больше 400 мм портится активная паста вследствие невозможности перетира ее до гомогенного состояния.
На основании вышеизложенного следует, что заявленное изобретение соответствует критерию "новизна" и подтверждает возможность практической реализации заявленного изобретения с достижением заявленного технического результата.
Использование данного изобретения в промышленности позволяет изготавливать оксидно-никелевые волокновые электроды для никель-кадмиевых аккумуляторов с высокими эксплуатационными характеристиками.
Источники информации
1. Заявка Франции №2602612, МКИ4 Н01М 4/52, 4/32, 1986 г.
2. Патент ФРГ №2327931, кл. Н01М 4/52, 1976 г.
3. Патент России №2174727, заявл. 06.12.1999 г.