Положительный серебряный электрод для щелочного аккумулятора и аккумулятор на его основе

 

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при изготовлении положительных электродов из пористого серебряного порошка и щелочных аккумуляторов на его основе. Согласно изобретению положительный серебряный электрод для щелочного аккумулятора содержит токовый коллектор и активную массу на основе пористого серебряного порошка, имеющего пористую каркасную структуру, состоящую из отдельных структурно связанных фрагментов, при этом каждый из фрагментов имеет систему параллельных цилиндрических пор, разделенных стенкой из кристаллов серебра сферической формы. Цилиндрические поры во фрагментах структуры имеют диаметр в диапазоне от 0,5 до 1,5 мкм и длину от 5 до 50 мкм. Цилиндрические поры в структурно связанных фрагментах частиц разделены пористой стенкой толщиной от 0,5 до 1,0 мкм, образованной из кристаллов серебра сферической формы диаметром от 0,05 до 0,5 мкм. Диаметр пор в стенке составляет от 0,03 до 0,3 мкм. Серебряный порошок может содержать смесь оксида и гидроксида магния с размером частиц от 0,005 до 0,01 мкм в количестве от 0,01 до 0,5 мас.%. Цилиндрические поры в различных структурно связанных фрагментах частиц расположены под углом относительно друг друга. Серебряный порошок, используемый в активной массе положительного электрода, имеет удельную поверхность от 0,5 до 10,0 м²/г, насыпную массу от 0,5 до 2,0 г/см³ и текучесть от 2,5 до 5,0 г/сек. Щелочной серебряно-цинковый аккумулятор содержит корпус и размещенные в нем положительный и отрицательный электроды, разделенные сепаратором и пропитанные электролитом, использует положительный электрод, выполненный согласно изобретению. Техническим результатом изобретения является повышение разрядных и циклических характеристик положительного электрода и щелочного аккумулятора на его основе. 2 с. и 8 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при изготовлении положительных электродов из пористого серебряного порошка и щелочных аккумуляторов на их основе.

Известен положительный серебряный электрод, содержащий токовый коллектор из серебряной проволоки и спеченную активную массу из серебряного порошка (см. патент США 2862985, кл. 136-21, 1958). Недостатками указанного известного электрода являются низкие коэффициент использования активной массы и разрядные характеристики из-за низкой дисперсности серебряного порошка и наличия замкнутых пор, в которые не может проникнуть электролит. Это повышает внутреннее сопротивление электрода и снижает эффективность использования активной массы.

Из известных положительных серебряных электродов наиболее близким по совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату является серебряный электрод, содержащий никелевый токовый коллектор, покрытый серебром, и активную массу из пористого серебряного порошка и связующего (см. патент США 4930211, кл. Н 01 М 6/00, 1990). Недостаток указанного электрода связан с низкой дисперсностью серебряного порошка и наличием в активном слое связующего, что увеличивает внутреннее сопротивление электрода и снижает его разрядные характеристики.

Известен щелочной серебряно-цинковый аккумулятор, содержащий корпус и размещенные в нем положительный и отрицательный электроды, разделенные сепаратором и пропитанные электролитом (см. патент США 2561943, кл. 136-106, 1951). Недостатком указанного известного аккумулятора являются низкие разрядные характеристики, связанные с использованием пастированного серебряного электрода.

Из известных щелочных серебряно-цинковых аккумуляторов наиболее близким по совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату является щелочной аккумулятор, содержащий корпус и размещенные в нем положительный и отрицательный электроды, разделенные сепаратором и пропитанные электролитом. В качестве положительного электрода используется серебряный электрод с активным слоем из пористого металлического серебра (см. патент США 2615930, кл. 136-20, 1952).

Задачей изобретения является создание положительного серебряного электрода, технологичного в массовом производстве, и щелочного серебряно-цинкового аккумулятора на его основе, обладающих повышенными разрядно/зарядными и циклическими характеристиками.

Указанный технический результат достигается тем, что положительный серебряный электрод для щелочного аккумулятора содержит токовый коллектор и активную массу на основе пористого серебряного порошка. Согласно изобретению пористые частицы серебряного порошка имеют каркасную структуру, состоящую из отдельных структурно связанных фрагментов, при этом каждый из фрагментов имеет систему параллельных цилиндрических пор, разделенных стенкой из кристаллов серебра сферической формы.

Использование серебряного порошка с указанными параметрами в активной массе положительного электрода позволяет повысить разрядно/зарядные и циклические характеристики электрода и щелочного аккумулятора за счет более эффективного доступа электролита к поверхности частиц серебра по всему объему электрода и более высокой электропроводности структуры электрода.

Целесообразно, чтобы цилиндрические поры во фрагментах структуры имели диаметр в диапазоне от 0,5 до 1,5 мкм и длину от 5 до 50 мкм. Указанные размеры пор обеспечивают эффективный доступ электролита к поверхности частиц активной массы.

Целесообразно, чтобы цилиндрические поры во фрагментах частиц были разделены пористой стенкой толщиной от 0,5 до 1,0 мкм, образованной из кристаллов серебра преимущественно цилиндрической формы диаметром от 0,05 до 0,5 мкм, плотно прижатых друг к другу. Диаметр пор в стенке составляет от 0,03 до 0,3 мкм. Указанное строение частиц обеспечивает повышенную электропроводность активной массы электрода и ее равномерную пропитку электролитом.

Целесообразно, чтобы цилиндрические поры в различных фрагментах структуры были расположены под углом относительно друг друга. Такое расположение пор обеспечивает равномерный доступ электролита к частицам серебра по всему объему активного слоя электрода, что повышает эффективность использования активной массы электрода при заряде и разряде.

Целесообразно, чтобы в активной массе электрода использовался серебряный порошок с удельной поверхностью от 0,5 до 10,0 м²/г, насыпной плотностью от 0,5 до 2,0 г/см³, текучестью от 2,5 до 5,0 г/сек, содержащий смесь оксида и гидроксида магния с размером частиц от 0,005 до 0,01 мкм в количестве от 0,01 до 0,5 мас.%. Такое сочетание структурных и технологических характеристик используемого серебряного порошка и его состава позволяет использовать механизированный метод изготовления электродов на прокатном оборудовании с обеспечением высокой воспроизводимости технологии и заданных характеристик, Что касается щелочного серебряно-цинкового аккумулятора, то он содержит корпус и размещенные в нем положительный и отрицательный электроды, разделенные сепаратором и пропитанные электролитом. При этом согласно изобретению положительный электрод выполнен как описано выше.

Проведенный анализ уровня техники показал, что заявленная совокупность существенных признаков, изложенная в формуле изобретения, неизвестна. Это позволяет сделать вывод о ее соответствии критерию "новизна".

Для проверки соответствия заявленного изобретения критерию "изобретательский уровень" проведен дополнительный поиск известных технических решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного технического решения. Установлено, что заявленное техническое решение не следует явным образом из известного уровня техники. Следовательно, изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень".

Сущность изобретения поясняется фотографиями структуры серебряного порошка и примером практической реализации.

На фиг.1 представлена структура фрагмента частицы серебряного порошка: а - поверхность фрагмента, б, в - изломы фрагментов частицы порошка. Увеличение: а - х5000, б - х4000, в - х10000.

На фиг. 2 представлена структура фрагмента частицы серебряного порошка при большом увеличении: а - х20000, б - х10000.

На фиг.3 представлена структура частицы серебряного порошка. Увеличение: а - х150, б - х100, в - х3000.

Из представленных фигур четко видны: границы 1 фрагментов 2 с различной ориентацией фрагментов и соответственно цилиндрических пор в частице серебряного порошка (фиг. 3а, б), "пакеты" 3 цилиндрических пор 4, параллельных между собой в объеме фрагмента (фиг.1б, в; 2а, б; 3б, в), стенки 5, разделяющие поры и образованные кристаллами серебра 6 сферической формы между порами (фиг.1а-в; 2а, б).

Пример практической реализации.

Для изготовления электрода использовали серебряный порошок со следующими структурными и технологическими характеристиками: размер частиц менее 400 мкм; диаметр и длина цилиндрических параллельных между собой пор в объеме фрагментов частиц 0,5÷1,5 и 10÷40 мкм соответственно; величина пор между кристаллами в частицах 0,05÷0,4 мкм; величина удельной поверхности 1,7 м²/г; величина насыпной плотности 1,0 г/см³; величина текучести 3,5 г/сек; содержание магния 0,12%. Порошок загружают в вибробункер прокатного стана. По вибролотку порошок подается в рабочую зону - межвалковое пространство. Одновременно в межвалковое пространство подается просечная серебряная полоса исходной толщины 0,2 мм, служащая токовым коллектором. Валки стальные с хромированной и полированной поверхностью, зазор между валками регулируемый. Серебряный порошок и просечная серебряная полоса прокатываются в электродную ленту толщиной 0,8 мм при величине давления на валки от 0,6 до 1,0 кгс/см², что соответствует давлению прессования 800-1100 кгс/см². Ширина валков прокатного стана выбирается в соответствии с высотой электрода, которая составляла 154 мм. Электродная лента с помощью летучих ножниц разрезается на полосы, ширина которых соответствует ширине электрода.

Полученные заготовки электродов размещают на поддоны, выполненные из титана или нержавеющей стали, и загружают в проходную туннельную печь с тремя температурными зонами. Термообработку заготовок электродов производят по следующему температурному режиму: температура 200^oС - выдержка 20 минут, температура 500^oС - выдержка 20 минут и температура 200^oС - выдержка 20 минут. К полученному указанным образом электроду с помощью контактной сварки приваривают токоотвод из серебряной полосы, после чего электрод поступает на сборку аккумулятора. Изготовленный электрод в составе аккумулятора имел следующие характеристики: электрическую емкость при заряде 90%, электрическую емкость при разряде током 0,2 А/см² 89,5%, ресурс при разряде током 0,2 А/см² 30 циклов. Таким образом, изобретение позволяет получить положительный электрод и аккумулятор на его основе с повышенными характеристиками.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что заявленные положительный серебряный электрод для щелочного аккумулятора и аккумулятор на его основе могут быть реализованы на практике с достижением заявленного технического результата, т.е. они соответствуют критерию "промышленная применимость".

Формула изобретения

1. Положительный серебряный электрод для щелочного аккумулятора, содержащий токовый коллектор и активную массу на основе пористого серебряного порошка, отличающийся тем, что пористые частицы серебряного порошка имеют каркасное строение, состоят из отдельных структурно связанных фрагментов, при этом каждый из фрагментов имеет систему параллельных цилиндрических пор, разделенных стенкой из кристаллов серебра сферической формы.

2. Положительный серебряный электрод по п. 1, отличающийся тем, что цилиндрические поры в структурно связанных фрагментах частиц имеют диаметр в диапазоне от 0,5 до 1,5 мкм и длину от 5 до 50 мкм.

3. Положительный серебряный электрод по п. 1, отличающийся тем, что цилиндрические поры в структурно связанных фрагментах частиц разделены пористой стенкой толщиной от 0,5 до 1,0 мкм из кристаллов серебра диаметром от 0,05 до 0,5 мкм.

4. Положительный серебряный электрод по п. 3, отличающийся тем, что диаметр пор в пористой стенке, образованной из кристаллов серебра, находится в диапазоне от 0,03 до 0,3 мкм.

5. Положительный серебряный электрод по п. 1, отличающийся тем, что в активной массе электрода используется серебряный порошок, содержащий смесь оксида и гидроксида магния с размером частиц 0,005-0,01 мкм в количестве 0,01-0,5 мас. %.

6. Положительный серебряный электрод по п. 1, отличающийся тем, что цилиндрические поры в различных структурных фрагментах расположены под углом относительно друг друга.

7. Положительный серебряный электрод по п. 1, отличающийся тем, что в активной массе электрода используется серебряный порошок с удельной поверхностью от 0,5 до 10,0 м²/г.

8. Положительный серебряный электрод по п. 1, отличающийся тем, что в активной массе электрода используется серебряный порошок с насыпной плотностью от 0,5 до 2,0 кг/см³.

9. Положительный серебряный электрод по п. 1, отличающийся тем, что в активной массе электрода используется серебряный порошок с текучестью от 2,5 до 5,0 г/с.

10. Щелочной серебряно-цинковый аккумулятор, содержащий корпус и размещенные в нем положительный и отрицательный электроды, разделенные сепаратором и пропитанные электролитом, отличающийся тем, что положительный электрод выполнен по любому из пп. 1-9.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3