НИКЕЛЬ-ТАНТАЛО-КАДМИЕВЫЙ ЩЕЛОЧНОЙ АККУМУЛЯТОР

Полезная модель относится к электротехнике, а именно к щелочным аккумуляторам, и может быть использована в производстве и эксплуатации аккумуляторов.
Известен никель-цинковый аккумулятор, в котором для повышения ресурса используют кислород, выделяющийся при заряде на положительном электроде, для окисления дендритов цинка, зарождающихся на отрицательном электроде. Аккумулятор содержит корпус, электролит, положительный и отрицательный электроды, разделенные сепаратором. Для облегчения диффузии кислорода к отрицательному электроду сепаратор имеет гладкую поверхность со стороны отрицательного электрода и ребристую со стороны положительного электрода (патент № DE 1496294, МПК 10/34 1971).
Недостатком этого аккумулятора является избыточность емкости цинкового электрода, что снижает удельные характеристики, а также требует периодического разряда аккумулятора до нуля, чтобы предотвратить перезаряд цинкового электрода и усиленное дендритообразование. Это усложняет технологию эксплуатации аккумулятора.
Известен никель-цинковый аккумулятор, содержащий корпус, раствор щелочного электролита, положительные и отрицательные электроды, разделенные многослойным сепаратором, и пористые металлические вставки, расположенные в многослойном сепараторе между положительными и отрицательными электродами, указанные металлические вставки электрически соединены между собой (патент № RU 2343599, МПК М 10/30 (2006.01), 10.01.2009 г.).
Увеличение удельных характеристик данного аккумулятора достигается за счет использования металлических вставок, соединенных между собой.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков является никель-кадмиевый щелочной аккумулятор, содержащий корпус, раствор щелочного электролита, положительные и отрицательные электроды, изготовленные из пеноникеля и разделенные сепаратором, в положительные электроды добавлен никелевый порошок и они активируются в растворе азотно-кислого никеля, а в отрицательные электроды - кадмиевый порошок (патент № RU 124843, МПК Н01М 10/30, опубл. 15.06.2012 г.).
Указанное техническое решение имеет недостаточно высокие удельные характеристики.
Задачей, на решение которой направленное заявляемое техническое решение, является улучшение удельных характеристик.
Технический результат совпадает с поставленной задачей и достигается за счет того, что в никель-тантало-кадмиевом щелочном аккумуляторе, содержащем корпус, раствор щелочного электролита, положительные и отрицательные электроды, изготовленные из пеноникеля и разделенные сепаратором, в положительные электроды добавлен никелевый порошок, и они активируются в растворе азотно-кислого никеля, отличающийся тем, что в отрицательные электроды добавлен тантало-кадмиевый порошок.
Сепаратор изготовлен из полипропилена волокнистого мембранного марки 4Б. В качестве электролита взят калиево-литиевый электролит. Корпус и крышка изготовлены из полипропилена литьевого.
Добавление в отрицательные электроды тантало-кадмиевого порошка позволяет значительно увеличить ресурс аккумулятора - до 10000 циклов.
Тантал относится к разряду малоактивных металлов, Тантал обладает превосходной стойкостью металла в очень агрессивных средах, на поверхности образуется защитная пленка, которая препятствует дальнейшему проникновению окисляющих элементов по глубине металла, а также способностью поглощать газы.
Тантал является важнейшим металлом при изготовлении так называемой «горячей арматуры» - анодов, сеток, катодов, косвенного накала в важнейших электровакуумных приборах, тантал способствует созданию высокого вакуума и не распылается, так как обладает высокой температурой плавления, тантал находит применение для сверхтвердых сплавов благодаря способности образовывать весьма твердые карбиды. Способность тантала поглощать газы благоприятно сказывается на работе аккумулятора. Таким образом, использование тантало-кадмиевого порошка значительно улучшает удельные характеристики аккумулятора.
Анализ известных технических решений по научно-технической и патентной документации показал, что совокупность существенных признаков заявляемого технического решения ранее не была известна, следовательно, оно соответствует условию патентоспособности «новизна».
Полезная модель поясняется чертежом общего вида щелочного никель-тантало-кадмиевого аккумулятора и таблицей сравнительных характеристик Ni-Ta-Cd с щелочным аккумулятором Ni-Cd/
Щелочной никель-тантало-кадмиевый аккумулятор по признаку конструкции электродов является металлокерамическим.
Аккумулятор состоит из тридцати пяти электродов 1 (семнадцать положительных и восемнадцать отрицательных), разделенных между собой сепараторами и помещенными в корпус 2. Пакет положительных и пакет отрицательных электродов 1 через борны 3 выведены на крышку 4 корпуса 2 аккумулятора. В процессе работы аккумулятора выделяется газ, для вывода которого в крышке 4 установлен клапан 5. Применяется калиево-литиевый щелочной электролит.
Электроды положительные, изготовленные из пеноникеля с добавлением никелевого порошка, активируются в растворе азотно-кислого никеля.
Электроды отрицательные изготовлены из пеноникеля с внесением в него тантало-кадмиевого порошка.
Сепараторы изготовлены из трехслойного полипропилена волокнистого мембранного марки 4Б.
Борны 3 выполнены из нержавеющей стали.
Корпус 2 аккумулятора и крышка 4 к нему изготовлены из полипропилена литьевого.
Основные параметры щелочного никель-тантало-кадмиевого аккумулятора:
- номинальное напряжение - 1,2 В;
- номинальная емкость - 120 А.ч.
- габаритные размеры - 78×90×220;
- ресурс аккумулятора - не менее 10000 циклов.
- минимальный срок службы - 25 лет.
На современном этапе развития по созданию малых источников тока (МИТ) в мировой практике выдвигаются ряд технологий, среди которых занимают передовое место Никель-металогидридные (NiMH), Литий-ионные, Никель-кадмиевые (NiCd)? (Ni-H2) и другие.
Из таблицы видим, что никель-тантало-кадмиевый щелочной аккумулятор значительно превосходит никель-металогидридные (NiMH), литий-ионные, никель-кадмиевые (NiCd), (Ni-H2) и другие аккумуляторы.
Сущность полезной модели поясняется примером практической реализации.
Разряд и заряд. При разряде щелочного аккумулятора гидрат окиси никеля NiO(OH) на положительном электроде, взаимодействуя с ионами электролита, переходит в гидрат закиси никеля Ni(OH)2, тантало-кадмий отрицательного электрода превращается в гидрат окиси тантала-кадмия TaCdOH2. Между электродами 1 возникает разность потенциалов, обеспечивающая протекание тока по внешней цепи и внутри аккумуляторов.
Суммарные основные уравнения процессов разряда и заряда в аккумуляторах имеют вид: активная масса положительных электродов состоит из гидроксида никеля, активная масса отрицательных электродов - из тантало-кадмия. Электролитом служит раствор гидроксида калия (KOH) с добавкой моногидрата гидроксида лития.
При заряде аккумулятора под действием электрической энергии, подводимой от внешнего источника тока, происходит окисление активной массы положительных пластин, сопровождаемое переходом гидрата закиси никеля Ni(OH)2 в гидрат окиси никеля NiOOH. В то же время активная масса отрицательных пластин восстанавливается.
Положительным качеством данного аккумулятора является то, что все компоненты, образующиеся в процессе заряда и разряда, практически нерастворимы в электролите и не вступают в какие-либо химические реакции. Электролит в процессе электрохимических реакций не расходуется, поэтому плотность его не изменяется. Это позволяет обходиться сравнительно небольшими количествами электролита, что делает эти аккумуляторы более компактными и безопасными, чем кислотные.
Таким образом, вышеизложенные данные свидетельствуют о том, что заявленный аккумулятор прост в изготовлении, обладает повышенным ресурсом и возможностью оптимальной его эксплуатации. Технический результат достигнут.
Приведенные данные подтверждают возможность практической реализации заявленного аккумулятора с получением заявленного технического результата. Следовательно, заявленная полезная модель соответствует критерию "промышленная применимость".