Положительный серебряный электрод для щелочного аккумулятора и аккумулятор на его основе
Положительный серебряный электрод для щелочного аккумулятора содержит токовый коллектор и активную массу на основе пористого серебряного порошка, при этом порошок состоит из пористых частиц размером 400-500 мкм, величиной пор в частицах 0,5-8,0 мкм, имеет удельную поверхность 0,1-0,3 м2/г и насыпную плотность 1,0-1,8 г/см3. Частицы порошка могут быть образованы из беспористых кристаллов неправильной формы размером от 1,0 до 5,0 мкм. Серебряный порошок может содержать 0,5-0,8% мас. хлорида серебра, 0,8-1,2% мас. гидроксида калия, 1,0-1,2% мас. металлического серебряного порошка с размером частиц менее 40 мкм, полученного полученный электролитическим или субтрактивным способом. Щелочной серебряно-цинковый аккумулятор, содержит корпус и размещенные в нем положительный и отрицательный электроды, разделенные сепаратором и пропитанные электролитом, использует положительный электрод, выполненный согласно настоящему изобретению. Техническим результатом изобретения является повышение зарядных и разрядных характеристик положительного электрода и щелочного аккумулятора на его основе. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 6 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 электрода являются низкие коэффициент использования активной массы и разрядные характеристики, обусловленные низкой дисперсностью серебряного порошка и наличием закрытых пор, в частицах порошка, которые недоступны для электролита. Это повышает внутреннее электрическое 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. пат. США 4930211, кл. Н01М 6/00, 1990). Недостаток указанного электрода связан с низкой дисперсностью серебряного порошка и наличием в активном слое связующего, что уменьшает количество электрохимически активного материала в электроде, увеличивает внутреннее электрическое сопротивление электрода и снижает его разрядные характеристики.
Известен щелочной серебряно-цинковый аккумулятор, содержащий корпус, размещенные в нем положительный и отрицательный электроды, разделенные сепаратором и пропитанные электролитом (см. пат. США 2561943, кл. 136-106, 1951). Недостатком указанного аккумулятора являются невысокие разрядные характеристики, связанные с уровнем характеристик используемого в нем 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. пат. 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, при этом порошок состоит из пористых частиц размером 400-500 мкм, величиной пор в частицах 0,5-8,0 мкм, имеет удельную поверхность 0,1-0,3 м2 /г и насыпную плотность 1,0-1,8 г/см3. Указанные параметры структуры частиц порошка обеспечивают эффективный доступ и распределение электролита в активной массе электрода, что способствует повышению его разрядных характеристик.
Целесообразно, чтобы пористые частицы порошка были образованы из беспористых кристаллов неправильной формы размером от 1,0 до 5,0 мкм. Указанные размеры частиц и их форма обеспечивают повышенную электропроводность и увеличивают эффективность использования активной массы электрода при заряде и разряде.
Целесообразно, чтобы серебряный порошок содержал 0,5-0,8% мас. хлорида серебра, 0,8-1,2% мас. гидроксида калия, 1,0-1,2% мас. металлического серебряного порошка с размером частиц менее 40 мкм, полученного полученный электролитическим или субтрактивным способом. Содержание в порошке указанных компонентов обеспечивает высокую технологичность процесса изготовления электродов, воспроизводимость технологии, повышенную механическую прочность и электропроводность электродов.
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 распределения электролита во всем объеме активной массы электрода.
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 так, 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 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, заявленное изобретение соответствует критерию «изобретательский уровень».
Сущность изобретения поясняется фотографиями структуры серебряного порошка и примером практической реализации.
На фиг.1 представлена структура частиц серебряного порошка: а -общий вид частиц, излом частиц порошка, их внутреннее строение - б, в. Увеличение: а - 100; б - 1500; в - 3000.
На фиг.2 представлено строение частиц серебряного порошка на структурном уровне - кристаллов - а, б. Увеличение: а - 6000; б - 10000.
На фиг.2в представлено внутреннее строение частицы порошка с включениями частиц серебряного порошка правильной геометрической формы, полученных электролитическим методом. Увеличение: 6000.
На представленных чертежах хорошо видно, что порошок состоит из пористых частиц - 1 (фиг.1a) преимущественно округлой формы. Внутренняя структура частиц имеет разветвленное дендритообразное строение и ветви дендритов - 2 (фиг.1б, в), срастаясь формируют пространственный каркас частицы. Внутричастичные поры - 3 (фиг.1б, в) имеют величину 3-8 мкм, преимущественно, и при этом величина межкристаллитных пор - 4 (фиг.2а, б) составляет 0,5-3 мкм. Кристаллы серебра - 5 (фиг.2а, б) имеют неправильную форму и срастаются в дендритообразные фрагменты величиной до 10-15 мкм.
Пример практической реализации.
Для изготовления электрода использовали серебряный порошок со следующими характеристиками: размер частиц - менее 450 мкм; величина кристаллов серебра - 1-5 мкм; величина пор в частицах - 0,5-5,0 мкм; величина удельной поверхности - 0,22 м2/г; величина насыпной плотности -1,2 г/см3; содержание в серебряном порошке хлорида серебра - 0,7% мас.; содержание в порошке смеси гидроксида калия и карбоната калия - 1,0% мас.; содержание в порошке металлических частиц серебра размером менее 56 мкм, полученных электролитическим методом - 0,9% мас. Навеску порошка загружают в пресс-форму с размерами рабочей части 154×40 мм, разравнивают навеску в пресс-форме, на поверхности порошка в пресс-форме размещают просечную серебряную сетку толщиной 0,2 мм, служащую коллектором. Производят прессование электрода при давлении 400-800 кгс/см2 таким образом, чтобы пористость электрода составила 50-55%. Выпрессовывают электрод толщиной 0,8 мм, размещают его на поддон, выполненный из нержавеющей стали, и загружают в проходную туннельную печь с тремя температурными зонами. Термообработку электродов производят по следующему температурному режиму: температура 150-200°С - выдержка 20 минут, температура 400-450°С - выдержка 20 минут и температура 150-200°С - 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: электрическая емкость при заряде - 76%; электрическая емкость при разряде током 0,2 А/см2 - 74%; ресурс при разряде током 0,2 А/см2 - 10 циклов. Таким образом, заявленное изобретение позволяет получить положительный электрод и аккумулятор на его основе с повышенными характеристиками.
На основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что заявленные положительный 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».
1. Положительный серебряный электрод для щелочного аккумулятора, содержащий токовый коллектор и активную массу на основе пористого серебряного порошка, отличающийся тем, что порошок состоит из дисперсных пористых частиц с дендритным строением размером 400-500 мкм, величиной пор в частицах 0,5-8,0 мкм, имеет удельную поверхность 0,1-0,3 м2/г и насыпную плотность 1,0-1,8 г/см3.
2. Положительный серебряный электрод по п.1, отличающийся тем, что пористые частицы порошка образованы из беспористых кристаллов неправильной формы размером от 1,0 до 5,0 мкм.
3. Положительный серебряный электрод по п.1, отличающийся тем, что серебряный порошок содержит 0,5-0,8 мас.% хлорида серебра.
4. Положительный серебряный электрод по п.1, отличающийся тем, что серебряный порошок содержит 0,8-1,2 мас.% гидроксида калия.
5. Положительный серебряный электрод по п.1, отличающийся тем, что серебряный порошок содержит металлический серебряный порошок с размером частиц менее 56 мкм в количестве 1,0-1,2 мас.%.
6. Положительный серебряный электрод по п.5, отличающийся тем, что серебряный порошок содержит металлический серебряный порошок с размером частиц менее 40 мкм.
7. Положительный серебряный электрод по п.5, отличающийся тем, что серебряный порошок содержит металлический серебряный порошок, полученный электролитическим способом.
8. Положительный серебряный электрод по п.5, отличающийся тем, что серебряный порошок содержит металлический серебряный порошок, полученный субтрактивным способом.
9. 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.1-8.
