Способ изготовления основы электрода химического источника тока из углеродной ткани с использованием переменного асимметричного тока
Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для изготовления электродов химических источников тока, например, для щелочных и кислотных аккумуляторов.
Химический источник тока из углеродной ткани гальванически металлизируют в электролите переменным асимметричным током при соотношении амплитуд катодного и анодного импульсов тока, и соотношении длительностей катодного и анодного импульсов, определяемых индивидуально для каждого типа электролита и углеродной ткани, с помощью двухфакторного эксперимента в интервалах γ=2÷4 и τ=0,09÷0,35 соответственно, при этом среднее значение переменного асимметричного тока выбирают в два раз больше требований, установленных для используемого электролита, а частоту переменного асимметричного тока выбирают любую в интервале от 10 до 1000 Гц. Изобретение позволяет создать прочную, тонкую, пористую основу электродов для стартерных аккумуляторов с любым распределением металла по глубине пористого электрода.
Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для изготовления электродов химических источников тока, например для щелочных и кислотных аккумуляторов.
Известен способ изготовления электродов химических источников тока [Заявка ФРГ N 4004106, кл. Н01М 4/75,1991], который состоит в активации нетканого полотна из полимерных, например полиолефиновых, волокон в растворе, содержащем олово и палладий; химическом никелировании полотна и гальваническом никелировании.
Недостатком способа является использование больших количеств олова и применение дорогостоящего палладия. Расход палладия в случае металлизации волокнистых материалов оказывается особенно большим из-за развитой металлизируемой поверхности. Кроме того, при металлизации подготовленного таким образом полимерного волокнистого материала, высока вероятность разложения раствора металлизации на случайно попавших в раствор с поверхности полимера частицах палладия.
Известен способ [патент РФ №2054758 МПК Н01М 4/80, H01M 10/28, 1996.] изготовления основы электрода химического источника тока. Согласно изобретению, основу из нетканого волокнистого полимерного материала с обменной емкостью по катионам 0,5-6 мг-экв/г активируют насыщением ионами никеля с последующей обработкой водным раствором борогидрида щелочного металла при концентрации 0,1-1,2 г/л при температуре 15-70°С в течение 0,5-30 мин, после чего проводят химическую и гальваническую металлизацию.
Недостатком изобретения является то, что он требует нескольких подготовительных стадий перед химической и гальванической металлизацией. Причем качество каждой стадии сильно зависит от свойств нетканого волокнистого полимерного материала, в частности от его обменной емкости по катионам, что приводит разбросу в качестве уже готовых металлизированных электродов.
В качестве прототипа выбран способ [патент РФ №2510548 МПК H01M 4/80, H01M 10/28, 2014] изготовления основы электрода химического источника тока с использованием переменного асимметричного тока, заключающийся в гальванической металлизации переменным асимметричным током волокнистого материала (углеродный войлок) при соотношении амплитуд катодного и анодного импульсов токов у и соотношении длительностей катодного и анодного импульсов г определяемых индивидуально для каждого типа электролита и углеродного войлока с помощью двухфакторного эксперимента в интервалах γ=1,1÷5-5 и τ=0,1÷0,9 соответственно, при этом среднее значение переменного асимметричного тока выбирают в соответствии с требованиями используемого электролита.
Недостатком изобретения является то, что получающиеся в результате металлизации углеродного войлока электроды имеют очень низкую механическую прочность, поэтому тонкие электроды для стартерных аккумуляторов большой емкости часто отрываются от токоотводов.
Задачей изобретения является разработка способа изготовления тонких металлизированных электродов повышенной прочности для стартерных аккумуляторов большой емкости.
Поставленная задача решалась благодаря тому, что в известном способе в гальванической металлизации переменным асимметричным током волокнистого материала, внесены изменения, характеризующиеся тем, что в качестве волокнистого материала берут углеродную ткань, обладающую электронной проводимостью, а гальваническую металлизацию ведут переменным асимметричным током при соотношении амплитуд катодного и анодного импульсов токов τ и соотношении длительностей катодного и анодного импульсов τ определяемых индивидуально для каждого типа электролита и углеродной ткани с помощью двухфакторного эксперимента в интервалах γ=2÷4 и τ=0,09÷0,35 соответственно, при этом среднее значение переменного асимметричного тока выбирают в два раза больше требований установленных для используемого электролита, а частоту переменного асимметричного тока выбирают любую из интервала от 10 до 1000 Гц.
Сущность предложенного способа заключается в следующем.
Если металлизировать углеродную ткань с использованием постоянного тока, то в основном металлизируются поверхностные слои ткани, а в глубине ткань почти не металлизируется. Это связано с тем, что ток металлизации экспоненциально убывает вглубь ткани [Галушкин Н.Е., Кудрявцев Ю.Д. Исследование глубины проникновения электрохимического процесса в пористых электродах // Электрохимия. - 1994. - Т. 30, N. 3. - С. 382-387]. Причем после металлизации поверхностных слоев ткани их проводимость становится много выше, чем не металлизированная ткань внутри электрода, что еще более способствует дальнейшему оседанию металла именно на поверхности.
Как показали исследования [Кукоз Ф.И., Кудрявцев Ю.Д., Галушкин Н.Е. Распределение количества прошедшего электричества в пористом электроде при поляризации переменным асимметричным током // Электрохимия. - 1989. - Т. 35, - N. 7. - С. 759-765], использование переменного асимметричного тока позволяет получать любое распределение количества прошедшего электричества по глубине пористых электродов, в том числе и равномерное. В этом случае углеродная ткань будет равномерно металлизироваться по всей ее глубине. Частота асимметричного переменного тока не имеет большого значения в интервале от 10 до 1000 Гц [Галушкин Н.Е., Кудрявцев Ю.Д. Влияние частоты внешнего тока на распределение количества прошедшего электричества по глубине пористого электрода // Электрохимия. - 1993. - Т. 29, N. 10. - C. 1192-1195].
Согласно исследованиям [Кукоз Ф.И, Кудрявцев Ю.Д., Галушкин Н.Е. Распределение количества прошедшего электричества в пористом электроде при поляризации переменным асимметричным током // Электрохимия. - 1989. - Т. 35, - N. 7. - С. 759-765], распределение тока по глубине пористого электрода зависит от соотношения амплитуд катодного и анодного импульсов тока γ (причем γ>1) и соотношения длительностей катодного и анодного импульсов тока τ, которые в свою очередь зависят от типа электродов, их толщины, пористости и т.д. Поэтому оптимальные значения γ, τ, дающие равномерное распределение тока заряда по глубине пористых электродов, имеют разные значения для различных типов углеродных тканей и могут быть найдены только экспериментально.
Ниже приведен пример осуществления предлагаемого способа.
Для изготовления металлизированной основы, например, тонкого повышенной прочности оксидно-никелевого электрода для стартерного никель-кадмиевого аккумулятора, была использована углеродная ткань марки Twill 500, 12К с толщиной полотна 0,4 мм. Металлизация производилась гальванически в стандартной ванне Уотса до содержания никеля 0,5 г/см3. Параметры асимметричного переменного тока: плотность катодных импульса тока 35 А⋅дм-2, плотность анодных импульсов тока 88,5 А⋅дм-2, длительность катодных импульсов 20 мс, длительность анодных импульсов 5 мс. В результате получается металлическая матрица с равномерным покрытием по всей глубине пористого электрода с средней толщиной покрытия 4 мкм.
Используемый способ изготовления основы электрода химического источника тока с использованием переменного асимметричного тока в сравнении с существующими способами имеет следующие преимущества:
1. Позволяет создавать механически прочные, тонкие, металлические пористые электроды для стартерных аккумуляторов с любым распределением металла по глубине пористого электрода.
2. Не использует нестабильные стадии активации и химической металлизации не металлической основы, что удешевляет и упрощает технологический процесс изготовления пористых электродов, сокращает расход необходимых материалов и повышает качество изготовленных электродов.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Заявка ФРГ N 4004106, кл. Н 01М 4/75,1991.
2. Патент РФ №2054758 МПК Н01М4/80, Н01М 10/28,1996.
3. Патент РФ №2510548 МПК Н01М 4/80, Н01М 10/28,2014.
4. Галушкин Н.Е., Кудрявцев Ю.Д. Исследование глубины проникновения электрохимического процесса в пористых электродах // Электрохимия. - 1994. - Т. 30, N. 3. - С. 382-387.
5. Кукоз Ф.И, Кудрявцев Ю.Д., Галушкин Н.Е. Распределение количества прошедшего электричества в пористом электроде при поляризации переменным асимметричным током // Электрохимия. - 1989. - Т. 35, - N. 7. - C. 759-765.
6. Галушкин Н.Е., Кудрявцев Ю.Д. Влияние частоты внешнего тока на распределение количества прошедшего электричества по глубине пористого электрода // Электрохимия. - 1993. - T. 29, - N. 10. - С. 1192-1195.
Способ изготовления основы электрода химического источника тока из углеродной ткани с использованием переменного асимметричного тока, заключающийся в гальванической металлизации переменным асимметричным током волокнистого материала, отличается тем, что в качестве волокнистого материала используют углеродную ткань, обладающую электронной проводимостью, а гальваническую металлизацию ведут переменным асимметричным током при соотношении амплитуд катодного и анодного импульсов токов, и соотношении длительностей катодного и анодного импульсов, определяемых индивидуально для каждого типа электролита и углеродной ткани, с помощью двухфакторного эксперимента, в интервалах γ=2÷4 и τ=0,09÷0,35 соответственно, при этом среднее значение переменного асимметричного тока выбирают в два раз больше требований, установленных для используемого электролита, а частоту переменного асимметричного тока выбирают любую из интервала от 10 до 1000 Гц.
