СПОСОБ УСКОРЕННОГО ФОРМИРОВАНИЯ И ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЕМКОСТИ НИКЕЛЬ-КАДМИЕВЫХ АККУМУЛЯТОРОВ ПЕРЕМЕННЫМ АСИММЕТРИЧНЫМ ТОКОМ
METHOD FOR ACCELERATED BUILD-UP AND RECOVERY OF CAPACITY FOR NICKEL-CADMIUM ACCUMULATORS BY ALTERNATING ASYMMETRIC CURRENT

Изобретение относится к электротехнике и касается вопроса сокращения времени формирования и восстановления емкости никель-кадмиевых аккумуляторов перед вводом их в эксплуатацию после изготовления или после длительного хранения.
Известен способ восстановления никель-кадмиевых аккумуляторов (патент РФ №№2185009, МПК Н01М10/54, 2002). В данном способе осуществляют предварительный разряд батареи аккумуляторов до 0-0,5 В с последующим зарядом его до максимального значения, предусмотренного техническими характеристиками, перед разрядом и зарядом аккумуляторной батареи осуществляют измерение напряжения батареи, сравнение его с заданным значением, при этом в случае отсутствия в батарее короткозамкнутых элементов осуществляют, по крайней мере, один цикл разряда и заряда батареи с помощью переменного тока номинальной величины с частотой 20 кГц -80кГц, зависимость которого от времени носит пилообразный характер, представляющий собой несимметричную относительно 0 В зависимость с соотношением зарядной части и разрядной в режиме заряда как (20-4): 1 и в режиме разряда как 1: (20-4), и превышении амплитудой импульса переднего фронта в 4-5 раз среднего значения зарядного тока, а в случае наличия в батарее короткозамкнутых элементов перед зарядом батареи предварительно осуществляют процесс многократного ударного воздействия на батарею при помощи конденсатора емкостью от 10000 мкФ, заряженного до напряжения 25-60 В, с последующим зарядом аккумуляторной батареи до номинального значения, после чего цикл разряда и заряда батареи осуществляют аналогично описанному выше, повторяя дозаряд выравнивающим током. Недостатком изобретения является то, что данный метод применим только для частичного восстановления емкости никель-кадмиевых аккумуляторов после длительной эксплуатации. Он малоэффективен для форматирования и восстановления емкости аккумуляторов перед вводом их в эксплуатацию.
В качестве прототипа выбран способ (патент РФ №№2313863, МПК Н01М 10/44, Н01М 10/54, 2007.) восстановления герметичных никель-кадмиевых аккумуляторов после длительного хранения переменным асимметричным током. Согласно изобретению заряд аккумуляторной батареи ведут стабилизированным асимметричным током при соотношении амплитуд разрядного и зарядного импульсов 3,0÷3,5 с амплитудами зарядного импульса, численно равным 0,3÷0,8 от номинальной емкости при длительности зарядного импульса 220±20 мс и разрядного импульса 15±5 мс с паузами между ними 0-2 мс до достижения на батареи порогового значения данного ТУ или инструкции по эксплуатации на батарею, или до снижения напряжения батареи на 15±5 мВ на аккумулятор после прохождения напряжения аккумуляторной батареи максимального значения. Контроль напряжения на батареи производят в паузе между зарядным и разрядным импульсами. Недостатком изобретения является то, что предлагаемый режим восстановления аккумуляторов не может быть оптимальным для всех типов аккумуляторов, так как согласно исследованиям [Кукоз Ф.И, Кудрявцев Ю.Д., Галушкин Н.Е. Распределение количества прошедшего электричества в пористом электроде при поляризации переменным асимметричным током // Электрохимия. - 1989. - Т.35, - N7. - С.759-765] для оптимальной активации активного вещества по всей глубине пористых электродов необходимо определенное соотношение зарядного и разрядного импульсов, которые в свою очередь зависят от типа электродов, их толщины, пористости и т.д.
Задачей изобретения является создание способа ускоренного ввода в эксплуатацию никель-кадмиевых аккумуляторов после длительного хранения или ускоренного формирования данных аккумуляторов перед вводом в эксплуатацию.
Поставленная задача решалась благодаря тому, что в известный способ ускоренного формирования и восстановления емкости герметичных никель-кадмиевых аккумуляторных батарей при помощи заряда стабилизированным асимметричным током внесены изменения, характеризующиеся тем, что заряд батареи ведут разнополярными импульсами тока со стабилизированными амплитудами разрядного и зарядного токов при соотношении амплитуд разрядного и зарядного токов γ и соотношении длительностей разрядного и зарядного импульсов τ, определяемых индивидуально для каждого типа аккумуляторов с помощью двухфакторного эксперимента в интервалах γ=1,1÷7 и τ=0,1÷0,9 соответственно, пауза между зарядным и разрядным импульсами равна длительности разрядного импульса, среднее значение переменного асимметричного тока заряда выбирают так, чтобы заряд проходил от 1 часа до 10 часов в зависимости от требований заказчика, заряд производят до достижения на батареи порогового значения, контроль напряжения на батарее производят в паузе между разрядным и зарядным импульсами, частота переменного асимметричного тока может быть любая в интервале от 1 Гц до 50 кГц, разряд производят тем же током до достижения 1 В на аккумулятор.
Частота зарядного тока не имеет большого значения вплоть до частот примерно 50-70 килогерц [Галушкин Н.Е., Кудрявцев Ю.Д. Влияние частоты внешнего тока на распределение количества прошедшего электричества по глубине пористого электрода // Электрохимия. - 1993. - Т.29, N10. - С.1192-1195]. При более высоких частотах глубина проникновения зарядного тока вглубь пористого электрода уменьшается и эффективность его использования падает. Поэтому для заряда и восстановления никель-кадмиевых аккумуляторов нецелесообразно использовать токи более высоких частот. Нецелесообразно использовать токи и очень низких частот менее 1 герца. Так как зарядный и разрядный импульсы тока, как правило, очень большие и за время их действия может быть существенное газовыделение, что нежелательно. Чаще всего для заряда используется ток с частотой, близкой к частоте промышленного тока. Разряд выполняется тем же током.
Сущность предложенного способа заключается в следующем. Циклирование аккумуляторов с использованием переменного асимметричного тока позволяет эффективно повысить емкость активной массы электродов аккумуляторов: после длительного хранения на складе, неполного циклирования в процессе эксплуатации, а также в случае ввода новых аккумуляторов в эксплуатацию. Это связано с тем, что за один период асимметричного тока заряда происходит как заряд, так и разряд определенного количества активного вещества. Данная тренировка активной массы электродов приводит к ее активации. Больше всего пассивируется активная масса в глубине электродов, так как при обычной эксплуатации аккумуляторов она менее всего тренируется. Поэтому надо считать, что наиболее оптимальным переменным асимметричным током, необходимым для восстановления активной массы электродов, будет тот ток, который дает примерно равномерное распределение среднего тока заряда по глубине пористых электродов. Данный режим позволит равномерно заряжать и разряжать электроды по всей их глубине и тем самым равномерно тренировать активную массу и активировать ее. Как показали исследования [Кукоз Ф.И, Кудрявцев Ю.Д., Галушкин Н.Е. Распределение количества прошедшего электричества в пористом электроде при поляризации переменным асимметричным током // Электрохимия. - 1989. -Т.35, - N7. - С.759-765], использование переменного асимметричного тока при заряде аккумуляторов позволяет получать любое распределение количества прошедшего электричества по глубине пористых электродов, в том числе и равномерное. При заряде постоянным или импульсным током в основном будут заряжаться поверхностные слои электродов, причем чем больше будет величина зарядного тока, тем меньше будет глубина проникновения электрохимического процесса вглубь пористых электродов [Галушкин Н.Е., Кудрявцев Ю.Д. Исследование глубины проникновения электрохимического процесса в пористых электродах // Электрохимия. - 1994. - Т.30, N3. - С.382-387]. Таким образом, только очень малыми постоянными токами можно активировать внутренние слои пористых электродов.
Согласно исследованиям [Кукоз Ф.И, Кудрявцев Ю.Д., Галушкин Н.Е. Распределение количества прошедшего электричества в пористом электроде при поляризации переменным асимметричным током // Электрохимия. -1989. - Т.35, - N7. - С.759-765; Галушкин Н.Е., Кудрявцев Ю.Д. Распределение тока по глубине пористого оксидно-никелевого электрода // Электрохимия - 1997. - Т.ЗЗ, N5. - С.605-606] распределение тока по глубине пористого электрода зависит от соотношения амплитуд разрядного и зарядного импульсов тока γ (причем γ>1) и соотношения длительностей разрядного и зарядного импульсов тока τ, которые в свою очередь зависят от типа электродов из толщины, пористости и т.д. Поэтому оптимальные значения γ, τ, дающие равномерное распределение тока заряда по глубине пористых электродов, имеют разные значения для различных типов аккумуляторов и могут быть найдены только экспериментально.
Ниже приведены примеры осуществления предлагаемого способа.
Пример 1
Указанный способ формирования и восстановления емкости проверялся на батарее 2НКБ-2. Заряд и разряд вели асимметричным током со следующими параметрами: амплитуда зарядных импульсов 3±0,2 А, соотношение амплитуд разрядного и зарядного импульсов 2±0,1, длительность зарядных импульсов 20 мс, длительность разрядных импульсов 5 мс, пауза между зарядными и разрядными импульсами 5 мс. Пороговое напряжение заряда 3,6±0,1 В. Разряд велся до напряжения 2 В. Зарядно-разрядный цикл длился в среднем 5 часов. Данным режимом формирования батарея 2НКБ-2 достигает номинальной емкости за 1-2 цикла, то есть для ее полного формирования требуется 5-10 часов.
Согласно ТУ на батарею 2НКБ-2 формирование и восстановление батареи ведут при постоянном токе заряда 0,4 А в течение 10 часов и постоянном токе разряда 0,1 А до напряжения 2 В, то есть около 20 часов. Для достижения номинальной емкости обычно необходимо выполнить 4-5 циклов формирования. Следовательно, на полное формирование батареи необходимо 120-150 часов. Таким образом, время формирования сокращается в 12-25 раз.
Пример 2
Партия из 4 аккумуляторных батарей 2НКБ-2 после десяти лет хранения восстанавливалась режимом из примера 1 до номинальной емкости. Аналогичная партия восстанавливалась с использованием стандартного режима циклирования. В первой партии аккумуляторы достигли номинальной емкости за 3-5 циклов во второй партии за 8-12 циклов. Таким образом, время восстановления сокращается 10-24 раза.
Используемый способ форматирования и восстановления никель-кадмиевых аккумуляторов переменным асимметричным током по сравнению с существующими способами имеет следующие преимущества:
1. Позволяет вести восстановление активной массы оптимально, то есть равномерно по глубине пористых электродов, и тем самым добиваться более значительного увеличения емкости аккумуляторов после восстановления.
2. Позволяет сократить время форматирования и восстановления никель-кадмиевых аккумуляторов в 10-25 раз.
Источники информации
1. Патент РФ №№2185009, МПК Н01М 10/54, 2002.
2. Патент РФ №№2313863, МПК H01M 10/44, Н01М 10/54, 2007.
3. Кукоз Ф.И, Кудрявцев Ю.Д., Галушкин Н.Е. Распределение количества прошедшего электричества в пористом электроде при поляризации переменным асимметричным током // Электрохимия. - 1989. - T.35, - N7.- C.759-765.
4. Галушкин Н.Е., Кудрявцев Ю.Д. Влияние частоты внешнего тока на распределение количества прошедшего электричества по глубине пористого электрода // Электрохимия. - 1993. - Т.29, N10. - С.1192-1195.
5. Галушкин Н.Е., Кудрявцев Ю.Д. Исследование глубины проникновения электрохимического процесса в пористых электродах // Электрохимия. - 1994. - Т.30, N3. - С.382-387.
6. Галушкин Н.Е., Кудрявцев Ю.Д. Распределение тока по глубине пористого оксидно-никелевого электрода // Электрохимия - 1997. -Т.33, N5. - С.605-606.