ЩЕЛОЧНОЙ НИКЕЛЬ-ЖЕЛЕЗНЫЙ АККУМУЛЯТОР

Полезная модель относится к электротехнической промышленности и может быть использовано в производстве щелочных никель-железных аккумуляторах с электродами ламельной конструкции.
Известен щелочной никель-железный аккумулятор, содержащий корпус, разнополярные электроды, выполненные в виде набора ламелей, в которые помещен уплотненный активный материал, содержащий для положительного электрода гидрат закиси никеля, гидроокись бария, графит, сульфат-ион (к никелю), магний (к никелю), для отрицательного электрода активный материал на основе железосодержащего материала, сепаратор и электролит. (см. книгу М.А.Дасоян и др. "Производство электрических аккумуляторов", М, изд-во "Высшая школа", 1970 г., стр.301, 333-338, 343-369).
Недостатком такого аккумулятора является его низкие электрические удельные характеристики из-за низкого коэффициента использования гидрата закиси никеля в активной массе положительного электрода, что приводит к повышенному расходу гидрата закиси никеля и увеличению толщины электродов.
Кроме того, повышенный расход дорогостоящего никельсодержащего сырья повышает стоимость аккумулятора.
Наиболее близким к заявляемому объекту по совокупности признаков является щелочной никель-железный аккумулятор, содержащий корпус, разнополярные электроды, выполненные в виде набора ламелей, в которые помещен уплотненный активный материал, содержащий для положительного электрода гидрат закиси никеля, гидроокись бария, графит, кобальт, для отрицательного электрода активный материал на основе железосодержащих материалов, сепаратор и электролит. (см. книгу В.С.Багоцкий и др. "Химические источники тока", М, Энергоиздат, 1981 г., стр.196-201) - принято за прототип.
Недостатком этого аккумулятора является также его невысокие электрические удельные характеристики.
Это вызвано тем, что положительный активный материал ламельного электрода, включающий компоненты взятые с таким соотношением не позволяет обеспечить высокие электрохимические характеристики и требует повышенный расход гидрата закиси никеля и увеличение толщины электродов для достижения необходимых электрических характеристик аккумулятора.
Кроме того, повышенный расход дорогостоящего никельсодержащего сырья повышает стоимость аккумулятора.
Предлагаемой полезной моделью решается задача повышения удельных электрических характеристик аккумулятора
x
Для достижения указанного технического результата в щелочном никель-железном аккумуляторе, содержащем корпус, разнополярные электроды, выполненные в виде набора ламелей, в которые помещен уплотненный активный материал, содержащий для положительного электрода гидрат закиси никеля, гидроокись бария, графит, кобальт, для отрицательного электрода активный материал выполненный на основе железосодержащих материалов типа FeO, где 1<×<1,5, сепаратор и электролит, компоненты активного материала положительного электрода взяты в следующем соотношении, мас.%
Гидрат закиси никеля
76,33-79,47
Гидроокись бария
1,18-1,22
Кобальт
2,17-2,26
Графит
17,18-20,19
3
3
при этом отношение масс активных материалов в ламелях положительного и отрицательного электродов равно 0,647-0,715, а плотность активного материала в ламели для положительного электрода равна 1,56-1,76 г/см, а в ламели для отрицательного электрода равна 2,68-3,21 г/см, причем отношение толщины положительного электрода к толщине отрицательного равно 1,0-1,46.
Щелочной никель-железный аккумулятор содержит корпус, размещенные в нем разнополярные электроды с расположенными между ними, сепаратором и электролит. Электроды выполнены в виде набора ламелей, в которые помещен активный материал.
В ламелях для положительного электрода помещен активный материал, в составе которого компоненты взяты в следующем соотношении, мас.%
Гидрат закиси никеля
76,33-79,47
Гидроокись бария
1,18-1,22
Кобальт
2,17-2,26
Графит
17,18-20,19
x
Для отрицательного электрода активный материал выполнен на основе железосодержащих материалов типа FeO, где 1<×<1,5, и состоит, например, из следующих компонентов, мас%:
Магнетит
92,7-93,5
Графит
4,54-4,7
Сульфат никеля
1,8-2,4
Сера
0,16-0,2
при этом выдерживали следующее соотношение, в %:
Fe<sub>общее</sub>
66,5-68,5
Fe<sup>+2</sup>к Fe<sub>общее</sub>
не менее 23,6
Ni к Fе<sub>общее</sub>
0,5-1,0
Графит к Fе<sub>общее</sub>
6,0-8,5
S<sup>2-</sup> к Fе<sub>общее</sub>
0,2-0,4
3
3
Отношение масс активных материалов в ламелях положительного и отрицательного электродов равно 0,647-0,715, плотность набивки активного материала в ламели для положительного электрода равна 1,56-1,76 г/см, а в ламели для отрицательного электрода равна 2,68-3,21 г/см, причем отношение толщины положительного электрода к толщине отрицательного равно 1,0-1,46.
3
При работе аккумулятора электроды равномерно пропитываются электролитом. В качестве электролита используются водные растворы гидроксида натрия или калия плотностью 1,18-1,30 г/см с добавкой 20±1 г/л гидроокиси лития
Полезная модель обеспечивает повышение удельных электрических характеристик за счет использования в положительном ламельном электроде активного материала с оптимальным соотношением компонентов, а также за счет оптимального соотношения количества активных масс в ламелях разнополярных электродов, степени уплотнения этих масс, а также оптимального соотношения толщин разнополярных электродов.
3
Пример: Был изготовлен щелочной никель-железный аккумулятор ТНЖ-400М. Аккумулятор содержит корпус, положительный и отрицательный ламельные электроды, с расположенным между ними сепаратором в виде полиэтиленового чулка и электролит (водный раствор гидроксида натрия плотностью 1,20 г/см с добавкой 20±1 г/л гидроокиси лития) Каждый положительный электрод состоит из набора 24 ламелей, а отрицательный из 20. Количество положительных электродов составляет 10, а отрицательных 11.
В ламели положительного электрода помещен активный материал, содержащий следующие компоненты в следующем соотношении, мас.%:
Гидрат закиси никеля
77,88
Гидроокись бария
1,20
Кобальт
2,22
Графит
18,7
В ламели отрицательного электрода помещен активный материал, содержащий следующие компоненты в следующем соотношении, %:
Fe<sub>общее</sub>
66,5
Fе<sup>+2</sup> к Fe<sub>общее</sub>
не менее 23,6
Ni к Fe<sub>общее</sub>
1,0
Графит к Fe<sub>общее</sub>
8,5
S<sup>2-</sup> к Fe<sub>общее</sub>
0,4
Масса активного материала в ламели для положительного электрода равна 11,50 г., а масса активного материала в ламели для отрицательного электрода равна 16,30 г., отношение  составляет 0,705.
3
3
Плотность набивки активного материала в ламели для положительного электрода равна 1,56 г/см, а в ламели для отрицательного электрода равна 2,68 г/см, отношение  составляет 0,58.
Толщина положительного электрода равна 3,8 мм., а толщина отрицательного - 2,60 мм., отношение  составляет 1,46.
При весе активного материала в ламели 11,5 г вес положительного активного материала в аккумуляторе составляет 2760 г., что обеспечивает положительным электродам расчетную емкость 441,6 А·ч.
При весе активного материала в ламели 16,3 г вес отрицательного активного материала в аккумуляторе составляет 3260 г., что обеспечивает отрицательным электродам расчетную емкость 440,1 А·ч.
При испытании фактическая емкость аккумулятора на контрольном цикле составила 420 А·ч.
Таблица 1
№п/ п
Показатели
Результаты исследований
Прототип
Заявляемый активный материал
1
2
3
4
5
1
Состав активного материала для положительного электрода, мас.%
Гидрат закиси никеля
77-78
75,84
76,33
77,88
79,47
79,60
Гидроокись бария
2-3
1,22
1,22
1,20
1,18
1,18
Кобальт
-
2,26
2,26
2,22
2,17
2,17
Графит
20
20,68
20,19
18,7
17,18
17,05
2
Емкость А·ч/кг
146
146
160
160
160
150
В табл.1 приведены экспериментальные данные обоснования выбранных соотношений компонентов активного материала положительного электрода. Из данных табл.1 видно, что при уменьшении в активном материале содержания, мас.% гидрата закиси никеля меньше 76,33, при гидроокиси бария 1,22, кобальта 2,26 и графита больше 20,19 приводит к снижению удельной емкости активного материала (удельных электрических характеристик аккумулятора) за счет уменьшения количества гидрата закиси никеля.
Увеличение в активном материале содержания, мас.% гидрата закиси никеля больше 79,49 при гидроокиси бария 1,18, кобальта 2,17 и графита менее 17,18 не приводит к дальнейшему росту удельной емкости активного материала (удельных электрических характеристик аккумулятора) из-за снижения электропроводности активного материала (из-за уменьшения количества графита).
Таблица 2
Отношение масс активных материалов в ламелях положительного и отрицательного электродов
Достигнутый технический результат
0,645
Электрическая емкость аккумулятора снижена
0,647
Электрическая емкость аккумулятора соответствует норме
0,705
″<sup>_</sup>″
0,715
″<sup>_</sup>″
0,717-0,772
Положительный активный материал взят с избытком. Улучшение работы аккумулятора не наблюдается
В табл.2 приведены экспериментальные данные обоснования выбранных соотношений масс активных материалов в ламелях положительного и отрицательного электродов. Из данных табл.2 видно, что при отношении меньше 0,647 уменьшается количество активного материала необходимого для обеспечения необходимой емкости в ламелях положительного и отрицательного электродов, а при отношении больше 0,715 положительный активный материал взят с избытком и улучшение работы аккумулятора не наблюдается, вследствие чего увеличивается перерасход активного материала (увеличивается предел достаточности активного материала), что ведет к ухудшению удельных электрических характеристик аккумулятора.
Таблица 3
Плотность в г/см<sup>3</sup> в ламели
Характеристика положительного электрода
1,40-1,55
Активный материал вымывается из ламелей электрода
1,56
Вымывания активного материала нет
″<sup>_</sup>″
1,76
″<sup>_</sup>″
1,79-1,94
Электрод при работе набухает выше пределов допуска
Таблица 4
Плотность в г/см<sup>3</sup> в ламели
Характеристика отрицательного электрода
2,32-2,63
Активный материал вымывается
2,68
Вымывания активного материала нет
″<sup>_</sup>″
3,21
″<sup>_</sup>″
3,28
Электрод имеет избыток активного материала
В табл.3, 4 приведены экспериментальные данные обоснования выбранных пределов плотности активного материала положительного и отрицательного электродов.
3
3
3
Из данных табл.3, 4 видно, что если плотность активного материала меньше 1,56 г/см (для положительного электрода) и меньше 2,68 г/см (для отрицательного электрода), то активный материал подвергается вымыванию из ламелей. Если плотность активного материала для положительного электрода больше 1,76 г/см, то при эксплуатации аккумулятора происходит значительное набухание электродов выше предельно допустимого значения, что вызывает снижение процента открытия поверхности ламелей и приводит к внутреннему короткому замыканию.
Таблица 5
Отношение толщины положительного электрода к отрицательному.
Достигнутый технический результат
менее 1,0
Емкость аккумулятора снижена из-за недостаточного количества активной массы
1,0
Емкость аккумулятора удовлетворяет требованиям
1,32
″<sup>_</sup>″
1,46
″<sup>_</sup>″
1,51
Снижены удельные электрические характеристики
В табл.5 приведены экспериментальные данные обоснования выбранных пределов отношения толщины положительного электрода к толщине отрицательного электрода. Из данных табл.5 видно, что при отношении меньше 1,0 снижается емкость аккумулятора из-за недостаточного количества активной массы, а при отношении больше 1,46 снижаются удельные электрические характеристики аккумулятора из-за избыточной закладки положительного активного материала
Данная конструкция аккумулятора имеет удельные электрические характеристики выше более чем на 10% аккумулятора по прототипу за счет использования в положительном ламельном электроде активного материала с оптимальным соотношением компонентов, а также за счет оптимального соотношения количества активных масс в ламелях разнополярных электродов, степени уплотнения этих масс, а также оптимального соотношения толщин разнополярных электродов.