Никель-цинковый аккумулятор

Изобретение относится к щелочным аккумуляторам, а именно к никель-цинковым аккумуляторам. Согласно изобретению никель-цинковый аккумулятор содержит корпус, раствор щелочного электролита, положительные и отрицательные электроды, разделенные многослойным сепаратором, и пористые металлические вставки, расположенные в многослойном сепараторе между положительными и отрицательными электродами, при этом указанные металлические вставки электрически соединены между собой или выполнены в виде единой зигзагообразной ленты, зиги которой расположены в многослойном сепараторе между положительными и отрицательными электродами. Кромки отдельных вставок или кромки зигов единой ленты могут выступать за пределы сепаратора на 1÷1,5 мм. На положительных электродах используется сепаратор из капрона, а на отрицательных электродах - из нетканого полипропилена и щелочестойкой бумаги. Вставка может быть выполнена из никелевой фольги толщиной 50÷60 мкм, пористостью 40÷50%. В качестве электролита взят цинкатный электролит, полученный при взаимодействии 50 г ZnO с 1 л КОН плотностью 1,3 г/см³. Техническим результатом изобретения является повышение ресурсных и электрических характеристик. 5 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к щелочным аккумуляторам, а именно к никель-цинковым аккумуляторам.

Известен никель-цинковый аккумулятор, содержащий корпус, раствор щелочного электролита, положительный и отрицательный электроды, разделенные сепаратором (заявка Японии № 63-124380, кл. Н01М 10/34, 1971). Недостатком указанного аккумулятора является низкий ресурс, связанный с неоптимальным режимом эксплуатации. Наличие избыточной емкости цинкового электрода ведет к его перезаряду и ускоренному росту дендритов, закорачивающих электроды.

Известен никель-цинковый аккумулятор, в котором для повышения ресурса используют кислород, выделяющийся при заряде на положительном электроде, для окисления дендритов цинка, зарождающихся на отрицательном электроде. Аккумулятор содержит корпус, электролит, положительный и отрицательный электроды, разделенные сепаратором. Для облегчения диффузии кислорода к отрицательному электроду сепаратор имеет гладкую поверхность со стороны отрицательного электрода и ребристую со стороны положительного электрода (патент ФРГ № 1496294, кл. 10/34 1971). Недостатком этого аккумулятора является избыточность емкости цинкового электрода, что снижает удельные характеристики, а также требует периодического разряда аккумулятора до нуля, чтобы предотвратить перезаряд цинкового электрода и усиленное дендритообразование. Это усложняет технологию эксплуатации аккумулятора.

Из известных аккумуляторов наиболее близким по совокупности существенных признаков является щелочной аккумулятор, содержащий корпус, раствор щелочного электролита, положительный и отрицательный электроды, разделенные многослойным сепаратором, и дополнительно пористую металлическую вставку, расположенную между электродами (патент РФ № 2058627 С1, кл, Н01М 10/28, 1996). Недостатком этого аккумулятора является разброс электрических параметров электродов из-за наличия вставки. Это снижает выходные характеристики аккумулятора и ограничивает его ресурс.

Техническим результатом изобретения является создание никель-цинкового аккумулятора, обладающего повышенными ресурсом и электрическими характеристиками.

Указанный технический результат достигается тем, что никель-цинковый аккумулятор, содержащий корпус, раствор щелочного электролита, положительные и отрицательные электроды, разделенные многослойным сепаратором, и пористые металлические вставки, расположенные в многослойном сепараторе между положительными и отрицательными электродами, при этом указанные пористые металлические вставки электрически соединены между собой. Наличие пористых металлических вставок предотвращает закорачивание электродов дендритами, а наличие электрического соединения между фольгами выравнивает потенциалы на электродах, что способствует повышению разрядных характеристик.

Целесообразно, чтобы указанные металлические вставки были выполнены в виде единой зигзагообразной ленты, зиги которой расположены в многослойном сепараторе между положительными и отрицательными электродами. Выполнение металлических вставок в виде единой зигзагообразной ленты упрощает технологию изготовления аккумулятора.

Целесообразно, чтобы кромки отдельных вставок или кромки зигов единой пористой ленты выступали за пределы сепаратора на 1÷1,5 мм. Это предотвращает прорастание дендритов по кромкам электродов и их закорачивание.

Целесообразно, чтобы на положительных электродах использовался сепаратор из капрона, а на отрицательных электродах - из нетканого полипропилена и щелочестойкой бумаги. Наличие указанных сепараторов повышает ресурс работы аккумулятора.

Целесообразно, чтобы вставка была выполнена из никелевой фольги толщиной 50÷60 мкм, пористостью 40÷50%. Никель стоек при рабочих условиях аккумулятора, а указанные толщина и пористость фольги практически не влияют на габариты и удельные характеристики аккумулятора.

Целесообразно, чтобы в качестве электролита был взят цинкатный электролит, полученный при взаимодействии 50 г ZnO с 1 л КОН плотностью 1,3 г/см³. Указанный электролит является оптимальным с точки зрения подавления роста дендритов и получения высоких разрядных характеристик.

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

Для определения соответствия заявленного изобретения критерию "изобретательский уровень" проведен дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения. Установлено, что данное изобретение не следует для специалиста в данной области явным образом из известного уровня техники. Следовательно, заявленное изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень".

Сущность изобретения поясняется примером практической реализации.

Пример практической реализации. На базе никель-цинкового аккумулятора НЦ-30 емкостью 30 А·ч был собран аккумулятор в соответствии с заявленным изобретением. Для реализации сборки блоки электродов извлекались из корпуса, между слоями сепараторов положительных и отрицательных электродов устанавливались вспомогательные пористые никелевые фольги толщиной 50 мкм, пористостью 40 и средним размером пор 5 мкм. Отдельные фольги сваривались между собой никелевой лентой толщиной 40 мкм и шириной 3 мм для обеспечения электрической связи и выравнивания потенциалов. После установки пористых фольг блоки электродов вновь устанавливались в корпус, аккумулятор заправлялся цинкатным электролитом и устанавливался на циклировании. Заряд аккумулятора проводился до напряжения 2,0 В, разряд проводился в течение часа. Зарядный и разрядный токи равнялись 6,0 А. Испытания проводились в течение более 100 циклов. Периодически проводились контрольные циклы разряда до конечного напряжения 1,65 В. Контрольные циклы разряда (50 и 100) показали значение емкости выше номинального 39 и 37 А·ч соответственно. Эффективность отдачи по току достигала 98%.

Контрольная проверка электродов аккумулятора в процессе циклирования визуальным осмотром дендритов не обнаружила.

В процессе циклирования обычного аккумулятора НЦ-30 без пористых фольг между электродами наблюдается падения напряжения. Для обеспечения номинального ресурса 60-70 циклов в соответствии с технической документацией на НЦ-30 необходимо через каждые 5 циклов проводить глубокий разряд до конечного напряжения 0,15÷0,30 В, так называемый лечебный цикл разряда. Указанный цикл предназначен для полного разряда цинкового электрода и растворения зарождающихся дендритов. Если лечебный цикл не проводить, аккумулятор выходит из строя через 15-20 циклов.

Таким образом, вышеизложенные данные свидетельствуют о том, что заявленный аккумулятор обладает повышенным ресурсом и возможностью оптимальной его эксплуатации. Приведенные данные подтверждают возможность практической реализации заявленного аккумулятора с получением заявленного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует критерию "промышленная применимость".

1. Никель-цинковый аккумулятор, содержащий корпус, раствор щелочного электролита, положительные и отрицательные электроды, разделенные многослойным сепаратором, и пористые металлические вставки, расположенные в многослойном сепараторе между положительными и отрицательными электродами, отличающийся тем, что указанные металлические вставки электрически соединены между собой.

2. Аккумулятор по п.1, отличающийся тем, что указанные металлические вставки выполнены в виде единой зигзагообразной ленты, зиги которой расположены в многослойном сепараторе между положительными и отрицательными электродами.

3. Аккумулятор по п.1 или 2, отличающийся тем, что кромки отдельных вставок или кромки зигов единой ленты выступают за пределы сепаратора на 1÷1,5 мм.

4. Аккумулятор по п.1, отличающийся тем, что на положительных электродах используется сепаратор из капрона, а на отрицательных электродах из нетканого полипропилена и щелочестойкой бумаги.

5. Аккумулятор по п.1, отличающийся тем, что вставка выполнена из никелевой фольги толщиной 50÷60 мкм, пористостью 40÷50%.

6. Аккумулятор по п.1, отличающийся тем, что в качестве электролита взят цинкатный электролит, полученный при взаимодействии 50 г ZnO с 1 л КОН плотностью 1,3 г/см³.