СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОЛЛЕКТОРА ТОКА ДЛЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ КОНДЕНСАТОРОВ
METHOD FOR MANUFACTURING CURRENT COLLECTOR FOR ELECTROCHEMICAL CAPACITORS

Изобретение относится к области электротехники, а именно к электрохимическим конденсаторам, и может быть использовано в качестве коллектора тока поляризуемого электрода в электродном узле электрохимического конденсатора со щелочным электролитом.
Известен способ изготовления пористой основы электрода никель-кадмиевого аккумулятора, выполненного из порошка карбонильного никеля, напрессованного на металлическую сетку. (В.С. Багоцкий, А.М. Скундин, Химические источники тока, М. Энергоиздат, 1981 с. 197).
Недостатками данного технического решения является образование в процессе работы такого коллектора оксидных пленок па поверхности никеля, что увеличивает переходное сопротивление и снижает мощность, а также большая толщина (примерно 12 мм), что снижает удельные характеристики электродов.
Известен способ изготовления пористой основы электрода щелочного аккумулятора (Патент РФ №2098894 опубл. 10.12.1997 МПК Н01М 4/80). Данный способ изготовления включает прокатку никелевого порошка с применением активного смазочного вещества и последующее спекание в восстановительной атмосфере, в смазочное вещество вводят органический растворитель и прокатывают смесь через валки.
Недостатком технического решения является недостаточная карбонизация поверхности, происходящая при термической деструкции органического связующего и создающая защитный слой от электрохимического окисления.
Известен способ изготовления металл-углерод содержащих тел (выбран в качестве прототипа патент РФ №2520874, опубл. 27.06.2014 МПК В01G 37/02, 37/04), включающих ферромагнитные металлические частицы, капсулированные слоями графитового углерода, который включает пропитывание (у нас - контактирование) целлюлозных, целлюлозоподобных или углеводных тел или тел, полученных из них путем гидротермальной обработки (у нас - углеродсодержащий прекурсор), водным раствором по меньшей мере одного соединения металла (у нас - металлсодержащий субстрат) и последующее нагревание продукта контактирования в инертной и практически лишенной кислорода атмосфере с восстановлением по меньшей мере части субстрата до соответствующего металла или металл-углеродного композита.
Недостатком прототипа способа является недостаточная полнота реакции карбонизации и, как следствие, недостаточные защитные свойства слоев углерода.
Основной проблемой разработки коллектора тока для электрохимического конденсатора со щелочным электролитом является окисление материала проводящей основы с образованием оксидного слоя с пониженной проводимостью, что увеличивает внутреннее сопротивление конденсатора и снижает его мощность.
Техническим результатом изобретения является сохранение низкого контактного сопротивления коллектора тока электрохимического конденсатора со щелочным электролитом в процессе его циклирования за счет карбонизации поверхности подложки.
Указанный технический результат обеспечивается способом изготовления коллектора тока, включающим контактирование углеродсодержащего прекурсора с металлсодержащим субстратом и последующее нагревание продукта контактирования в инертной и практически лишенной кислорода атмосфере с восстановлением по меньшей мере части субстрата, причем металлсодержащим субстратом является никелевая лента с окисленной поверхностью, а углеродсодержащим прекурсором является природный газ, металлсодержащий субстрат получают окислением никелевой ленты в печи в кислородсодержащей атмосфере при температуре 895-905°С в течение 3 минут, металлсодержащий субстрат контактирует с углеродсодержащим прекурсором, природным газом при температуре 895-905°С в печи с атмосферой природного газа в течение 2 минут с восстановлением до металлического никеля и образованием никель-углеродного композита, полученный продукт охлаждают на воздухе.
Использование в качестве субстрата окисленной никелевой ленты позволяет более эффективно адсорбировать молекулы метана, а также катализировать реакцию пиролиза с образованием углерода и водорода. Углеродсодержащий прекурсор в виде природного газа легче подвергается пиролизу и образует ультрадисперсный углерод, который может внедряться в структуру никеля и прочно связываться с ним. Окисление при температуре 895-905°С в течение 3 минут обеспечивает образование гонкой оксидной пленки, которая может легко восстанавливаться образующимся при пиролизе водородом. При повышении температуры выше 905°С и/или времени выдержки толщина пленки увеличивается, и при последующей карбонизации поверхность никеля сорбирует недостаточное количество молекул метана. При выдержке в течение 2 минут в атмосфере природного газа происходит пиролиз метана и протекают два параллельных процесса: восстановление оксида никеля до металлического никеля или карбида никеля (слой с хорошей каталитической активностью); разложение природного газа (метана) на углерод и водород. В результате на поверхности никеля образуется карбид никеля, который при последующем охлаждении частично распадается на свободный углерод в виде мелкодисперсных поверхностных кластеров и частично внедренный в структуру никеля углерод. Карбонизированная по предлагаемому способу поверхность никеля при работе конденсатора со щелочным электролитом не покрывается плотной оксидной пленкой и не приводит к увеличению переходного сопротивления.
Пример реализации способа
Для данного способа используется никель в виде пластичной ленты. Ленту никелевую, намотанную на катушку, подавали в печь с кислородсодержащей атмосферой и температурой 895-905°С, где происходило предварительное окисление поверхности, с со скоростью 1,4 м/мин, что эквивалентно нахождению ленты в печи в течение 3 мин. После этого ленту пропускали через печь с температурой 895-905°С и средой природного газа со скоростью 1,6 м/мин, что эквивалентно нахождению ленты в печи в течение 2 минут, после чего лента остывала на воздухе. Из карбонизированной никелевой ленты были вырублены образцы коллекторов тока геометрическим размером 75×48 мм в количестве 20 штук. Провели измерение контактного сопротивления образца в нескольких точках с одной стороны, затем с другой. После этого был собран блок из положительных электродов, обернутых в полипропиленовый сепаратор и образец коллектора тока. Собранный блок поместили в ячейку и залили раствором щелочи. Ячейку поместили в термостат, подсоединили положительный электрод к стенду контроля, испытываемый образец к отрицательному выводу стенда, нагрели термостат до 80°С и выдерживали 20 минут.
Провели испытания по следующему режиму:
1. Заряд током 2,5 А до напряжения 1,6 В;
2. Разряд током 2,5 А до напряжения 0,6 В
3. Количество циклов - 500.
После проведения испытания ячейку с блоком разобрали и промыли водой, после чего дистиллированной водой и просушили.
Измерили контактное сопротивление образца в нескольких точках с двух сторон после проведения испытаний. Измерения контактного сопротивления показали, что изменение контактного сопротивления образцов составило от 5,5 до 15%, что считается приемлемым (не более 50%).
Таким образом, предлагаемый способ изготовления коллектора тока для электрохимического конденсатора позволяет сохранить низкое контактное сопротивление коллектора тока электрохимического конденсатора со щелочным электролитом в процессе его циклирования за счет карбонизации поверхности подложки.