Паста положительного электрода химических источников тока

 

Изобретение относится к области электрохимии, в частности к составам паст на основе гидрата закиси никеля, предназначенных для наполнения положительного электрода химических источников тока. Техническим результатом изобретения является повышение электропроводности пасты и срока эксплуатации источника тока без замены электролита. Согласно изобретению паста положительного электрода химических источников тока, состоящая из порошка на основе гидрата закиси никеля, добавок и воды, в качестве добавок содержит кобальт, закись кобальта, сульфат кобальта, поливиниловый и этиловый спирты при следующем соотношении компонентов, мас.%: гидрат закиси никеля - 57-70, кобальт - 1-6, закись кобальта - 1-6, сульфат кобальта - 0,5-2, поливиниловый спирт - 0,1-0,5, этиловый спирт - 5-10, деионизированная вода - остальное, при этом паста имеет структуру, в которой сферические частицы гидрата закиси никеля покрыты тонким слоем сульфата кобальта и окружены более мелкими сферическими частицами кобальта и закиси кобальта. 1 табл., 1 ил.

Изобретение относится к области электрохимии, в частности к составам паст на основе гидрата закиси никеля, предназначенных для наполнения положительного электрода химических источников тока.

Известна паста для электрода, состоящая из порошка, воды и водорастворимых связующих (заявка Японии (12) ВЧ (11) 1-22710, Н 01 М 4/80, 4/74, опубл. 21.10.1980).

Недостатком известной пасты является ее недостаточно высокая электропроводность.

Известна водная паста высокой текучести из гидроксида никеля, содержащая 30-50% объемных гидроксида никеля и 0,5-5%, отнесенных к содержанию гидроксида никеля, диспергаторов из группы растворимых в воде солей полифосфорной кислоты или ди- и полифосфорной кислоты и ее производных (заявка ФРГ А1(11) 3817826, Н 01 М 4/32, 4/28, опубл. 30.11.1988).

Недостатком известной пасты является ее недостаточно высокая электропроводность.

Известна никельгидроксидная или никельоксидгидроксидная водная высокотекучая паста, содержащая 30-50% объемных гидроксида никеля или оксидгидрооксида никеля и 0,4-6,3% в расчете на гидроксид никеля, диспергатора из группы растворимых в воде солей ди- и/или полифосфорной кислоты или ее производных.

(Патент Германии 4010811, Н 01 М 4/32, 4/28, опубл. 08.08.1991).

Недостатком известной пасты является се недостаточно высокая электропроводность.

Известна активная паста положительного электрода, содержащая кобальт и/или оксиды кобальта. (Заявка ЕПВ 0284333, Н 01 М 10/34, 4/52, 4/38, опубл. 28.09.1988).

Недостатком известной пасты является ее недостаточно высокая электропроводность, определяемая неэффективной структурой этой пасты.

Известна активная паста для положительного электрода щелочного аккумулятора, состоящая из гидрата закиси никеля (в пересчете на никель) 45-48 кг, из графита - 16,5-18,5 кг и из едкого кали (плотностью 1,09-1,1) - 1,6-6,0 кг в расчете на 100 кг массы. (Дасоян М.А. Химические источники тока. - Л.: Энергия, 1969 г., с.261).

Недостатком известной пасты является ее недостаточно высокая электропроводность, связанная с низкой активностью никеля, а также недостаточно высокий срок эксплуатации, связанный с наличием в составе пасты графита.

Наиболее близким техническим решением, выбранным авторами за прототип, является известная паста положительного электрода химического источника тока, состоящая из порошка на основе гидрата закиси никеля, добавок: 16-18% графита и гидроокиси бария (1,7-2,3% бария к никелю) и воды. (Дасоян М.А. Химические источники тока. - Л.: Энергия, 1969 г., с.260).

Недостатком известной пасты является ее недостаточно высокая электропроводность, связанная с низкой активностью никеля, а также недостаточно высокий срок эксплуатации химических источников тока, связанный с наличием в пасте графита, который приводит к карбонизации электролита и необходимости его замен.

Заявляемое техническое решение направлено на повышение электропроводности пасты и срока эксплуатации источника тока без замены электролита.

Технический результат достигается тем, что в известной пасте положительного электрода химических источников тока, состоящей из порошка на основе гидрата закиси никеля, добавок и воды, в качестве добавок содержится кобальт, закись кобальта, сульфат кобальта, поливиниловый и этиловый спирты при следующем соотношении компонентов, мас.%: Гидрат закиси никеля - 57-70 Кобальт - 1-6 Закись кобальта - 1-6 Сульфат кобальта - 0,5-2 Поливиниловый спирт - 0,1-0,5 Этиловый спирт - 5-10 Деионизированная вода - Остальное при этом паста имеет структуру, в которой сферические частицы гидрата закиси никеля покрыты тонким слоем сульфата кобальта и окружены более мелкими сферическими частицами кобальта и закиси кобальта.

При анализе патентных и научно-технических источников не выявлено технических решений, обладающих всей совокупностью существенных признаков заявляемого технического решения.

Таким образом, заявляемая паста положительного электрода химических источников тока по результатам анализа уровня техники является неизвестной и соответствует критерию патентоспособности изобретения "новизна".

Сравнение заявляемого технического решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники показало, что известна паста положительного электрода с добавками кобальта, оксидов и сульфатов кобальта, известно использование поливинилового и этилового спиртов в пастах, известна сферическая форма частиц.

Однако выявленные технические решения лишь частично содержат существенные признаки заявляемой пасты и не обладают всей совокупностью существенных признаков заявляемого технического решения. Необходимо отметить, что в заявляемой пасте только вся совокупность известных и не известных существенных признаков позволяет получить новый, ранее не известный положительный эффект, заключающийся в значительном повышении электропроводности пасты и срока эксплуатации химических источников тока без замены электролита.

Заявляемое техническое решение явным образом не следует из уровня техники, т.к. между составом пасты и ее структурным строением, с одной стороны, и электропроводностью и сроком эксплуатации источников тока, с другой стороны, существуют сложные нелинейные зависимости, которые не позволяют однозначно теоретически определять оптимальные параметры пасты без проведения большого количества длительных экспериментов.

Таким образом, заявляемая паста соответствует критерию патентоспособности изобретения "изобретательский уровень".

Технический результат в заявляемой пасте достигается путем использования в качестве добавок в гидрат закиси никеля кобальта, закиси и сульфата кобальта, поливинилового и этилового спиртов в заявляемых пределах, которые позволяют создать определенную структуру пасты, представляющую собой сферические частицы гидрата закиси никеля, покрытые тонким слоем сульфата кобальта и окруженные более мелкими сферическими частицами кобальта и закиси кобальта. Данная структура пасты обеспечивает более высокую ее электропроводность и высокую плотность энергии при превосходном коэффициенте использования действующей массы. Заявляемая паста отличается от известных меньшими локальными дефектами, что позволяет дополнительно повысить ее электропроводность за счет значительного уменьшения потерь в локальных зонах. Увеличение срока эксплуатации источников тока с заявляемой пастой достигается за счет исключения из ее состава графита, что приводит к исключению возможности карбонизации электролита и, следовательно, необходимости его замены.

Для проверки заявляемого технического решения была проведена следующая работа.

По прототипу изготавливали пасту положительного электрода следующего состава, мас.%: Гидрат закиси никеля - 48
Графит - 17
Гидроокись бария - 1,15
Вода - Остальное
Пасту получали путем засыпания в лопастной смеситель порошков: гидрата закиси никеля, графита и гидроокиси бария в заданных количествах и последующего заливания в смеситель воды. Смесь перемешивали до получения однородной массы.

По заявляемому техническому решению получали пасту положительного электрода нескольких составов, в которых соотношение компонентов пасты варьировали следующим образом, мас.%:
Гидрат закиси никеля - 55, 57, 64, 70, 72;
Кобальт - 0,5; 1; 3,5; 6; 6,5;
Закись кобальта - 0,5; 1; 3,5; 6; 6,5;
Сульфат кобальта - 0,25; 0,5; 1,25; 2; 2,2;
Поливиниловый спирт - 0,05; 0,1; 0,25; 0,5; 0,6;
Этиловый спирт - 4; 5; 7,5; 10; 12;
Деионизированная вода - Остальное
Заявляемую пасту получали путем засыпания в лопастной смеситель порошков: гидрата закиси никеля, кобальта, закиси и сульфата кобальта и залива в него поливинилового спирта (растворенного в деионизированной воде), этилового спирта, деионизированной воды в заданных соотношениях. Смесь перемешивали до получения однородной массы. Пасту по прототипу и заявляемому решению намазывали на положительный электрод щелочного аккумулятора и сушили при температуре 70-80^oС до постоянной массы. По каждому варианту изготавливали по 3 образца.

В процессе выполнения данной работы на полученных электродах определяли структуру пасты, ее электропроводность и срок службы в составе аккумулятора по стандартным методикам. Результаты исследований представлены в таблице и на чертеже. На чертеже представлена структура заявляемой пасты.

Анализ данных, представленных в таблице и на чертеже, показывает, что заявляемая паста отличается от пасты по прототипу своей структурой: у нее сферические частицы гидрата закиси никеля покрыты тонким слоем сульфата кобальта и окружены более мелкими сферическими частицами кобальта и закиси кобальта, в отличие от игольчатой и дисперсной структуры пасты по прототипу.

Заявляемая паста также отличается от пасты по прототипу более высокой электропроводностью (183,5-408,9% вместо 100% у прототипа) и более длительным сроком эксплуатации без замены электролита (1256-1347% вместо 100% у прототипа). Оптимальным составом заявляемой пасты является следующий (опыты 2-4), мас.%:
Гидрат закиси никеля - 57-70
Кобальт - 1-6
Закись кобальта - 1-6
Сульфат кобальта - 0,5-2
Поливиниловый спирт - 0,1-0,5
Этиловый спирт - 5-10
Деионизированная вода - Остальное
при этом паста имеет структуру, в которой сферические частицы гидрата закиси никеля покрыты тонким слоем сульфата кобальта и окружены более мелкими сферическими частицами кобальта и закиси кобальта.

Уменьшение в пасте содержания, мас.%: гидрата закиси никеля - менее 57, кобальта - менее 1, закиси кобальта - менее 1, сульфата кобальта - менее 0,5; поливинилового спирта - менее 0,1; этилового спирта - менее 5, деионизированная вода - остальное (опыт 1) приводит к снижению электропроводности и ухудшению структуры пасты.

Увеличение в пасте содержания, мас.%: гидрата закиси никеля - более 70, кобальта - более 6, закиси кобальта - более 6, сульфата кобальта - более 2, поливинилового спирта - более 0,5, этилового спирта - более 10, деионизированная вода - остальное (опыт 5), не приводит к дальнейшему значительному росту электропроводности и сроку службы источника тока без замены электролита, при этом возрастает стоимость пасты.

На опытном участке ОАО ЧМЗ были получены опытные партии заявляемой пасты в количестве 15 кг с положительным результатом. Вышеуказанные опытные партии заявляемой пасты были отправлены на УЭХК (г.Новоуральск) для сборки и испытания опытных источников тока.

Формула изобретения

Паста положительного электрода химических источников тока, состоящая из порошка на основе гидрата закиси никеля, добавок и воды, отличающаяся тем, что в качестве добавок она содержит кобальт, закись кобальта, сульфат кобальта, поливиниловый и этиловый спирты при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Гидрат закиси никеля - 57-70
Кобальт - 1-6
Закись кобальта - 1-6
Сульфат кобальта - 0,5-2,0
Поливиниловый спирт - 0,1-0,5
Этиловый спирт - 5-10
Деионизированная вода - Остальное
при этом паста имеет структуру, в которой сферические частицы гидрата закиси никеля покрыты тонким слоем сульфата кобальта и окружены более мелкими сферическими частицами кобальта и закиси кобальта.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2