СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ АКТИВНОЙ МАССЫ КАДМИЕВОГО ЭЛЕКТРОДА ЩЕЛОЧНОГО НИКЕЛЬ-КАДМИЕВОГО АККУМУЛЯТОРА
MANUFACTURING METHOD OF ACTIVE MASS OF CADMIUM ELECTRODE OF ALKALINE NICKEL-CADMIUM ACCUMULATOR

Изобретение относится к применению наноматериалов в электротехнической промышленности и может быть использовано при производстве щелочных никель-кадмиевых аккумуляторов.
3
Эффективность использования оксида кадмия (CdO) в качестве элетроактивного материала вторичного источника тока и, соответственно, удельные электрохимические характеристики кадмиевого электрода (А·ч/г; А·ч/см) определяются присутствием в активной массе активирующей добавки никеля различной степени окисления.
Известна активная масса отрицательного электрода щелочного аккумулятора, содержащая гидроксид никеля (II) - 6-7 мас%, натриевую соль целлюлозогликолевой кислоты - 1,8-2,0 мас.% и оксид кадмия - остальное (см. патент РФ на изобретение №2128869, МПК Н01М 4/44). Компоненты механически перемешивают, полученную таким образом активную массу после подсушивания наносят на токоподводящую сетку.
Известна также активная масса отрицательного электрода щелочного никель-кадмиевого аккумулятора, включающая в свой состав, мас.%: оксид кадмия - 87, гидроксид никеля (II) - 5, соляровое масло - 3, карбоксиметилцеллюлозу - 1 и оксид сурьмы (III) - 4 (см. авторское свидетельство СССР на изобретение №1501854, МПК Н01М 4/44). После механического смешивания компонентов активную массу наносят на токоподводяшую основу намазкой или электрофорезом.
К недостаткам вышеприведенных составов активных масс и способов изготовления кадмиевого электрода следует отнести невысокие значения удельно-объемных разрядных характеристик (~0,7 А·ч/г) при коэффициенте использования электроактивного вещества (CdO) - 62÷64%.
3
Известен способ изготовления активной массы отрицательного электрода щелочного никель-кадмиевого аккумулятора, включающий смешивание оксида кадмия 85÷95 мас.% и порошка электролитически осажденного металлического никеля 5÷15 мас.% с последующей термообработкой в восстановительной атмосфере при температуре 270÷360°С (см. патент РФ на изобретение №2360329, МПК Н01М 4/44). При этом достигается достаточно высокая плотность активной массы после вальцевания 3,73÷3,78 г/см, что в свою очередь обеспечивает повышение удельно-объемных характеристик кадмиевого электрода до 0,97 А·ч/г.
Однако следует отметить, что коэффициент использования оксида кадмия остается на достаточно низком уровне 63÷64%. Помимо этого технология изготовления кадмиевого электрода является довольно сложной, что связано с наличием отдельного технологического процесса получения электролитического порошка никеля и дополнительной обработкой активной массы при высокой температуре (270÷360°С) в восстановительной атмосфере.
Задачей заявляемого технического решения является обеспечение повышения коэффициента использования оксида кадмия до 80÷95%.
2
Технический результат заключается в увеличении удельной поверхности кадмиевого электрода до 22÷27 м/г, а также в повышении его разрядных характеристик.
2
2
Заявляемый технический результат достигается тем, что способ изготовления активной массы кадмиевого электрода щелочного никель-кадмиевого аккумулятора включает смешивание оксида кадмия с водным раствором гипофосфита натрия и соли никеля (II) при температуре 80÷90°С, смешивание полученной массы с водным раствором органического связующего (натрий-карбоксиметилцеллюлозой, либо поливиниловым спиртом, либо гидроксиэтилцеллюлозой), нанесение смеси на объемный сетчатый токоподвод из никеля, последующую сушку при 50-60°С и вальцевание при давлении 100-200 кг/см. Способ изготовления активной массы кадмиевого электрода щелочного никель-кадмиевого аккумулятора включает смешивание оксида кадмия с боргидридом натрия и добавление к полученной смеси раствора соли никеля (II), смешивание полученной смеси порошков с водным раствором органического связующего (натрий-карбоксиметилцеллюлозой, либо поливиниловым спиртом, либо гидроксиэтилцеллюлозой), нанесение смеси на объемный сетчатый токоподвод из никеля, последующую сушку при 50-60°С и вальцевание при давлении 100-200 кг/см. Состав активной массы поддерживают в интервале следующего соотношения компонентов, мас%: оксид кадмия 95-97, химически восстановленный никель 2-4, водный раствор органического связующего 1.
Изобретение поясняется таблицей, на которой представлены значения коэффициента использования электроактивного материала кадмиевых электродов при различных способах изготовления.
Заявляемый способ заключается в следующем. Сначала производят химическое никелирование порошка оксида кадмия в водном растворе. Для этого порошок оксида кадмия засыпают в водный раствор гипофосфита натрия и соли никеля (II), в следующем соотношении мас.%:
Оксид кадмия
81-91
Соль никеля (II)
4-9
Гипофосфит натрия
5-10
После этого смесь нагревают до 80÷90°С. Полученную смесь порошков смешивают с водным раствором органического связующего, например натрий-карбоксиметилцеллюлозы, поливинилового спирта или гидроксиэтилцеллюлозы, в соотношении, мас.%:
Смесь порошков
99
Органическое связующее
1
2
Полученную активную массу наносят на объемный сетчатый токоподвод из никеля и после сушки при 50-60°С вальцуют при давлении 100-200 кг/см. При этом состав активной массы поддерживают в интервале следующего соотношения компонентов, мас.%: оксид кадмия 95-97, химически восстановленный никель 2-4, водный раствор органического связующего 1.
При использовании боргидрида натрия при химическом никелировании вначале оксид кадмия смешивают с боргидридом натрия в соотношении, мас.%:
Оксид кадмия
89-95
Боргидрид натрия
5-11
К полученной смеси доливают раствор соли никеля (II) с концентрацией 250-350 г/л с расчетом 31-64 мл на каждые 100 г смеси. Полученную смесь порошков смешивают с водным раствором органического связующего в соотношении, мас.%:
Смесь порошков
99
Органическое связующее
1
2
Полученную активную массу наносят на объемный сетчатый токоподвод из никеля и после сушки при 50-60°С вальцуют при давлении 100-200 кг/см. При этом состав активной массы поддерживают в интервале следующего соотношения компонентов, мас.%: оксид кадмия 95-97, химически восстановленный никель 2-4, водный раствор органического связующего 1.
Пример 1
2
100 г оксида кадмия смешивали с 5 мл водного раствора, содержащего гипофосфит натрия (50 г/л), сульфат никеля (II) (25 г/л) и поливиниловый спирт (ПВС) (10 г/л). Пастообразную смесь нагревали до температуры 90°С и выдерживали при данной температуре в течение 7÷8 минут. Химически никелированную и подсушенную активную массу размалывали в планетарной шаровой мельнице, с помощью дозатора наносили на пеноникелевую основу размером 60×30×1,7 мм, помещенную в пресс-форму, и после обработки на вибростенде прессовали при давлении 150 кг/см. Полученная таким образом активная масса содержала 98,2 мас.% оксида кадмия, 1,7 мас.% никеля и 1 мас.% ПВС.
Пример 2
Активная масса изготовлена в условиях примера 1 с содержанием компонентов, мас.%: оксид кадмия 97,6, никель 1,4, ПВС 1.
Пример 3
Активная масса изготовлена в условиях примера 1 с содержанием компонентов, мас.%: оксид кадмия 97, никель 2, ПВС 1.
Пример 4
Активная масса изготовлена в условиях примера 1 с содержанием компонентов, мас.%: оксид кадмия 95, никель 4, ПВС 1.
Пример 5
Активная масса изготовлена в условиях примера 1 с содержанием компонентов, мас.%: оксид кадмия 92, никель 7, ПВС 1.
Пример 6
Активная масса изготовлена в условиях примера 1 за исключением того, что в качестве соли никеля (II) использовали ацетат никеля, а содержание компонентов составляло, мас.%: оксид кадмия 96, никель 3, ПВС 1.
Пример 7
Активная масса изготовлена в условиях примера 1 за исключением того, что в качестве органического связующего использовали натрий-карбоксиметилцеллюлозу, а содержание компонентов составляло, мас.%: оксид кадмия 96, никель 3, натрий-карбоксиметилцеллюлоза 1.
Пример 8
2
100 г оксида кадмия смешивали с порошком боргидрида натрия (9 г), 48 мл раствора сульфата никеля (II). После окончания реакции в смесь добавляли органическое связующее. Полученную активную массу после механического перемешивания в течение 2 часов методом намазки наносили на просеченную никелевую основу, размером 60×30×1,7 мм и после просушивания прессовали при давлении 150 кг/см. Полученные электроды имели следующий состав, мас.%: оксид кадмия 95, никель 3, остальное органическое связующее 2.
Пример 9
2
100 г оксида кадмия смешивали с порошком боргидрида натрия (6 г), 31 мл раствора сульфата никеля (II). После окончания реакции в смесь добавляли органическое связующее. Полученную активную массу после механического перемешивания в течение 2 часов методом намазки наносили на просеченную никелевую основу, размером 60×30×1,7 мм и после просушивания прессовали при давлении 150 кг/см. Полученные электроды имели следующий состав, мас.%: оксид кадмия 96, никель 2, остальное органическое связующее 2.
3
2
Электрохимические испытания кадмиевых электродов проводили в полиамидных ячейках, заполненных раствором КОН с плотность 1,19-1,21 г/см. Испытуемые электроды плотно зажимали между двумя оксидно-никелевыми электродами большой массы и проводили циклы заряд/разряд в гальваностатическом режиме при плотности катодного и анодного тока 1,35 А/дм.
В таблице приведены значения коэффициента использования оксида кадмия кадмиевых электродов на девятом цикле электрохимических испытаний после стабилизации величины разрядной емкости. Номер варианта активной массы соответствует номеру варианта примера. Для сравнения в таблице 1 приведены также данные для активных масс, упомянутых в обзоре уровня техники: вариант 10 - SU 1501854, вариант 11-14 - RU 2360329. Из данных, приведенных в таблице, видно, что применение заявляемого способа изготовления активной массы кадмиевого электрода при введении активирующей добавки химическим никелированием оксида кадмия позволяет повысить коэффициент электроактивного материала до 80÷95%.
Значения коэффициента использования электроактивного материала кадмиевых электродов различных технологий изготовления
№ варианта
Коэффициент использованиям, %
1
85
2
86
3
91
4
91
5
87
6
91
7
91
8
92
9
92
10
63
11
64
12
63
13
64
14
63