Отрицательный электрод из сплава, запасающего водород

 

Изобретение относится к производству отрицательных электродов химических источников тока. Техническим результатом изобретения является снижение себестоимости отрицательного электрода из сплава запасающего водород, исключение трещинообразования при скручивании его в рулон без снижения емкости электрохимического устройства, в состав которого он входит. Согласно изобретению отрицательный электрод из сплава, запасающего водород, содержащий токопроводящую подложку и смесь из многокомпонентного запасающего водород сплава и сухого порошка фторопласта с размерами частиц 0,001-0,4 мм, имеющего прочность на разрыв не менее 50 МПа, при следующем соотношении компонентов, мас. %: многокомпонентный сплав 75-95; порошок фторопласта 5-0,1; токопроводящая подложка - остальное. 1 табл.

Изобретение относится к области электрохимии, в частности к отрицательным электродам химических источников тока, для изготовления которых применяют порошок (чешуйки) многокомпонентного электропроводного сплава, запасающего водород.

В настоящее время нашли широкое применение химические источники тока, состоящие из электропроводных материалов запасающих водород, например, никель-металлгидридные бытовые малогабаритные аккумуляторы.

Одним из важнейших элементов этих устройств является отрицательный электрод.

Известен отрицательный электрод из высокотвердых активных материалов, состоящий из порошка электродного активного материала и подложки, предварительно уплотненных в устройстве и спеченных (патент США 4765598, С 21 D 1/74, 1988).

Его недостатками являются: 1) высокая себестоимость, вызванная необходимостью спекания порошка при температуре 950^oС в атмосфере аргон-водород, не содержащей кислорода и паров воды, для обеспечения требуемой прочности электрода; 2) высокий уровень трещинообразования при скручивании данного электрода в рулон, что затрудняет использование его в бытовых малогабаритных цилиндрических аккумуляторах.

Наиболее близким техническим решением, выбранным авторами за прототип, является известный отрицательный электрод из сплава, запасающего водород, содержащий токопроводящую подложку и смесь из 97,5% многокомпонентного запасающего водород сплава и 2,5% фторопласта (Meeting Abstrakts, the Electrochemikal Sosiety, Inc. , Fall-Meeting, San Antonio, Texas. October 6-11, 1996, p.73).

Наличие в составе известного электрода фторопласта позволяет получать требуемую прочность электрода без применения операции высокотемпературного спекания.

Однако недостатками известного электрода являются следующие: 1) сравнительно высокая себестоимость электрода, вызванная дополнительными затратами на контроль по выявлению электродов с трещинами и переработку отбракованных электродов; 2) трещинообразование при скручивании известного электрода в рулон из-за низкой прочности используемого вида фторопласта на разрыв, что затрудняет использование такого электрода в бытовых малогабаритных цилиндрических аккумуляторах.

Предлагаемое техническое решение направлено на снижение себестоимости отрицательного электрода из сплава запасающего водород, и на исключение трещинообразования при скручивании его в рулон без снижения емкости электрохимического устройства, в состав которого он входит.

Технический результат достигается тем, что в известном отрицательном электроде из запасающего водород сплава, содержащего токопроводящую подложку и смесь из многокомпонентного запасающего водород сплава и фторопласта - в качестве фторопласта использован сухой порошок фторопласта с размерами частиц 0,001-0,4 мм, имеющий прочность на разрыв не менее 50 МПа, при следующем соотношении компонентов, мас.%.: Многокомпонентный сплав - 75-95 Порошок фторопласта - 5-0,1 Токопроводящая подложка - Остальное При анализе патентных и научно-технических источников не выявлено технических решений, обладающих всей совокупностью существенных признаков предлагаемого технического решения.

Таким образом, предлагаемый отрицательный электрод по результатам анализа уровня техники является неизвестным и соответствует критерию патентоспособности изобретения "новизна".

Сравнение предлагаемого технического решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники не выявило технических решений с предлагаемыми существенными признаками.

Необходимо отметить, что в предлагаемом отрицательном электроде только вся совокупность известных и неизвестных существенных признаков позволяет получить новый, ранее неизвестный положительный эффект, заключающийся в значительном снижении себестоимости отрицательного электрода и исключении трещинообразования при скручивании его в рулон без снижения емкости электрохимического устройства, в состав которого он входит.

Предлагаемый отрицательный электрод явным образом не следует из уровня техники, т.к. между прочностью и размером частиц фторопласта с одной стороны и себестоимостью электрода и способностью его к трещинообразованию при скручивании в рулон, с другой стороны, существуют сложные нелинейные зависимости, которые не позволяют однозначно теоретически определять оптимальные параметры электрода без проведения большого количества длительных экспериментов.

Таким образом, предлагаемый отрицательный электрод соответствует критерию патентоспособности изобретения "изобретательский уровень".

Технический результат в предлагаемом решении достигается путем использования в электроде сухого порошка фторопласта с размерами частиц 0,001-0,4 мм в предлагаемом соотношении, что позволяет значительно повысить однородность активного материала в отрицательном электроде, уменьшить количество локальных дефектов и повысить его электрохимическую емкость до 400 мА•ч/г за счет уменьшения потерь тока в локальных неоднородностях материала.

Снижение себестоимости предлагаемого отрицательного электрода по сравнению с прототипом происходит за счет исключения из его себестоимости дополнительных затрат, связанных с контролем электородов на трещины и утилизацией забракованных электродов с трещинами.

Использование в предлагаемом электроде сухого порошка фторопласта с размерами частиц 0,001-0,4 мм в предлагаемом соотношении, имеющего прочность при разрыве не менее 50 МПа, приводит к значительному повышению прочности и пластичности электрода, что позволяет надежно исключить трещинообразование при скручивании отрицательного электрода в рулон и использовать предлагаемый отрицательный электрод в малогабаритных цилиндрических бытовых аккумуляторах. Это объясняется тем, что порошок фторопласта с предлагаемыми параметрами обладает более высокими прочностными и пластическими свойствами при разрыве как в состоянии поставки, так и после обработки давлением по сравнению с видом фторопласта, используемого в прототипе.

Использование сухого порошка фторопласта с предлагаемыми параметрами не приводит к снижению емкости электрохимического устройства, в состав которого входит предлагаемый отрицательный электрод, т.к. во-первых, емкость предлагаемого отрицательного электрода по сравнению с прототипом значительно повышается за счет однородности химсостава порошка многокомпонентного сплава и фторопласта, а во-вторых, емкость данного устройства определяется наименьшей электрохимической емкостью одного из электродов, входящих в его состав. В настоящее время наименьшей электрохимической емкостью по сравнению с отрицательным электродом обладает положительный электрод, который и лимитирует емкость электрохимического устройства в целом.

Таким образом, использование в предлагаемом отрицательном электроде сухого порошка фторопласта с размерами частиц 0,001-0,4 мм в предлагаемом соотношении, имеющего прочность на разрыв не менее 50 МПа, позволяет снизить себестоимость отрицательного электрода, исключить трещинообразование при скручивании его в рулон без снижения электрохимической емкости устройства, в состав которого он входит.

Порошок фторопласта выпускается промышленностью по ТУ 6-05-1781-84. Он представляет собой порошок белого цвета с массовой долей влаги не более 0,05%. Общая химическая формула порошка фторопласта: (-CF₂CF₂-)n. (1)
Для проверки предлагаемого технического решения была проведена следующая работа.

По прототипу отрицательный электрод получали следующим образом.

Готовили смесь, состоящую из порошка многокомпонентного запасающего водород сплава марки 139 (97,5%) и фторопласта (2,5%), в виде водной суспензии.

Из вышеуказанной смеси готовили пасту отрицательного электрода.

Полученную пасту наносили на никелевую сетку, сушили заготовку при температуре 100^oС до постоянной массы, когда содержание летучих компонентов в ней оставалось без изменения, и прокатывали в прокатном устройстве (дуо) в ленту толщиной 0,28 мм. Из ленты вырезали отрицательные электроды с геометрическими размерами 41,2•112 мм.

По предлагаемому техническому решению отрицательный электрод получали по разным вариантам. Получали порошкообразные смеси, состоящие из порошка многокомпонентного запасающего водород сплава марки 139 и фторопласта разного состава, мас.%.:
многокомпонентный сплав - 72; 75; 84; 95; 96;
порошок фторопласта - 0,05; 0,1; 2,5; 5; 5,5;
токопроводящая подложка - остальное.

Изменение массового процента токопроводной подложки осуществляли за счет изменения ее толщины.

Для приготовления предлагаемой порошкообразной смеси использовали сухой порошок фторопласта с размерами частиц, равными: 0,0005; 0,001; 0,15; 0,4; 0,63 мм, а также имеющий прочность при разрыве: 46,5; 50 и 52,9 МПа. Полученные порошкообразные смеси тщательно перемешивали в течение 30 мин, подавали одновременно с никелевой сеткой (токопроводная подложка) в загрузочное устройство прокатной клети (дуо) и прокатывали в ленту толщиной 0,28 мм. Из ленты вырезали отрицательные электроды с геометрическими размерами 41,2•112 мм. По каждому варианту изготавливали по 3 отрицательных электрода. Для сравнения при изготовлении отрицательных электродов использовали порошок (чешуйки) многокомпонентных электропроводных сплавов, запасающих водород, марок 139.12 и 140.

Отрицательные электроды, полученные по прототипу и по предлагаемому техническому решению, подвергали тестированию на установке "Массоr" для определения электрохимических характеристик по стандартной методике. Полученные отрицательные электроды также скручивали в рулон ⊘15 мм, раскручивали в ленту и оценивали трещинообразование по стандартной методике. Кроме того, в ходе выполнения данной работы определяли по стандартной методике себестоимость изготовления отрицательных электродов по прототипу и предлагаемому техническому решению. Результаты испытаний приведены в таблице
Анализ данных, представленных в таблице, показывает, что предлагаемый отрицательный электрод отличается от известного меньшей себестоимостью (79,7-91,6% вместо 100% у прототипа), отсутствием трещинообразования при скручивании его в рулон без снижения электрохимической емкости устройства, в состав которого он входит (100% у предлагаемого технического решения и у прототипа).

Оптимальными параметрами предлагаемого технического решения являются следующие:
Размер частиц порошка фторопласта - 0,001-0,4 мм
Прочность на разрыв порошка фторопласта - Не менее 50 МПа
Соотношение компонентов, мас.%:
Многокомпонентный сплав - 75-95
Порошок фторопласта - 5-0,1
Токопроводная подложка - Остальное
(Опыты 3-5, 8-10, 13-15, 18-25).

Уменьшение размера частиц порошка фторопласта менее 0,001 мм (опыт 12) приводит к трещинообразованию при скручивании электрода в рулон.

Увеличение размера частиц порошка фторопласта более 0,4 мм (опыт 16) приводит к значительному снижению электрохимической емкости отрицательного электрода вследствие повышения в нем уровня локальных дефектов.

Уменьшение прочности на разрыв порошка фторопласта менее 50 МПа (опыт 17) приводит к значительному трещинообразованию при скручивании отрицательного электрода в рулон и снижению его электрохимической емкости отрицательного электрода.

Уменьшение количества многокомпонентного сплава в отрицательном электроде менее 75 мас.% (опыт 2) приводит к значительному снижению электрохимической емкости отрицательного электрода.

Увеличение количества многокомпонентного сплава в отрицательном электроде более 95 мас.% (опыт 6) приводит к значительному повышению себестоимости отрицательного электрода.

Уменьшение содержания порошка фторопласта в отрицательном электроде менее 0,1 мас. % (опыт 7) приводит к значительному трещинообразованию при скручивании отрицательного электрода в рулон.

Увеличение содержания порошка фторопласта в отрицательном электроде более 5 мас.% (опыт 11) приводит к значительному снижению электрохимической емкости в отрицательном электроде.

На опытном участке ОАО "ЧМЗ" была изготовлена опытная партия отрицательных электродов по предлагаемому техническому решению с положительным результатом. Полученная партия отрицательного электрода направлена на другое предприятие для сборки опытных электрохимических источников тока и их эксплуатационных испытаний.

Формула изобретения

Отрицательный электрод из сплава, запасающего водород, содержащий токопроводящую подложку и смесь из многокомпонентного запасающего водород сплава и фторопласта, отличающийся тем, что в качестве фторопласта использован сухой порошок фторопласта с размерами частиц 0,001-0,4 мм, имеющий прочность на разрыв не менее 50 МПа, при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Многокомпонентный сплав - 75-95
Порошок фторопласта - 5-0,1
Токопроводящая подложка - Остальное

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4