НИКЕЛЬ-ЦИНКОВЫЙ АККУМУЛЯТОР

НИКЕЛЬ-ЦИНКОВЫЙ АККУМУЛЯТОР


RU (11) 2232449 (13) C2

(51) 7 H01M10/30, H01M4/24 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 20.11.2007 - действует 

--------------------------------------------------------------------------------

(21) Заявка: 2002120623/09 
(22) Дата подачи заявки: 2002.07.29 
(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 2002.07.29 
(43) Дата публикации заявки: 2004.01.27 
(45) Опубликовано: 2004.07.10 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: RU 93003473 А, 10.03.1995. RU 2069924 C1, 27.11.1996. JP 01- 294353, 28.11.1989. GB 1474720, 25.05.1997. 
(72) Автор(ы): Шабашов В.В. (RU); Андреев А.А. (RU); Комаров Н.В. (RU); Буиклиский В.Д. (RU) 
(73) Патентообладатель(и): Государственное образовательное учреждение Кубанский государственный университет (RU) 
Адрес для переписки: 350040, г.Краснодар, ул. Ставропольская, 149, КубГУ, отдел интеллектуальной собственности 

(54) НИКЕЛЬ-ЦИНКОВЫЙ АККУМУЛЯТОР 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при изготовлении никель-цинковых аккумуляторов. Техническим результатом изобретения является увеличение срока эксплуатации никель-цинковых аккумуляторов и повышение их зарядно-разрядных характеристик. Согласно изобретению в аккумуляторах используют в отрицательных и положительных электродах в качестве связующего кремнийорганические термически отверждаемые смолы при следующем соотношении компонентов (мас.%): для отрицательного электрода: цинковый порошок 86-95; кремнийорганическая смола 5-14; для положительного электрода: никелевый порошок 43-58; гидроксид никеля 32-43; кремнийорганическая смола 10-14. В качестве кремнийорганической смолы может быть использован полиорганилсилоксан или полиорганилдисилоксан. 2 з.п. ф-лы, 3 табл. 


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ



Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при изготовлении щелочных никель-цинковых аккумуляторов.

Никель-цинковые аккумуляторы представляют собой наиболее экономически выгодный и экологически безопасный возобновляемый источник тока. Их конструкция наряду с высокими электротехническими показателями - отношение энергоемкости на единицу массы, экономическими - стоимость производства на единицу массы остаются практически вне конкуренции. При их производстве не используются такие токсичные материалы, как свинец, ртуть, кадмий. Основной недостаток никель-цинковых аккумуляторов - меньшее количество циклов заряда-разряда по сравнению, например, с широко распространенными свинцовыми аккумуляторами. В настоящее время промышленные аккумуляторы этой электрохимической системы при циклировании с 80% разрядом имеет ресурс в 100-200 циклов. Улучшение качества состава активных масс отрицательного и положительного электродов позволяет в ряде случаев поднять ресурс устройства до 600-1000 циклов. (Proc. 34th Int. Power Sources Symp., Cherry Hill, N.Y. June 25-28, 1990 - New York, 1990 - P.232-234 // РЖ Энергетика, №1, 1992, реф. 1Ф120.) При этом повышение качества активных масс достигается введением дорогостоящих композиционных материалов, таких как металлизированная углеродная фибра и др.

Причина сокращенного срока службы никель-цинкового аккумулятора по сравнению с другими известными - изменение состава активных масс положительного и отрицательного электродов, сопровождающееся их растрескиванием и осыпанием. Следствием этого является неравномерное осаждение металлического цинка в процессе заряда и образование цинковых дендритов, что приводит к короткому замыканию электродов аккумулятора.

Известно техническое решение (патент РФ №2106043, МПК6 Н 01 М 4/24 от 24.08.1995), в котором данная проблема решается за счет изменения конструкции электродов. Электрод содержит брикет активной массы и наружную оболочку из пористого металла, например никеля. Такое решение приводит к усложнению конструкции аккумулятора и увеличению затрат на изготовление.

Наиболее близким аналогом к заявляемому является щелочной никель-цинковый аккумулятор (заявка РФ №93003473/07, МПК6 Н 01 М 4/24 от 20.01.1993), где в активную массу положительного и отрицательного электродов введено органическое связующее - полиметилметакрилат. Использование данного полимера обеспечивало повышение срока службы электродов. Однако в процессе разряда аккумулятора растворение цинка протекает медленно и неравномерно, так как полимер носит гидрофобный характер. Осаждение цинка в процессе заряда в ряде случаев приводит к образованию дендритов. Низкая адгезия полимера к металлу является причиной отслаивания активной массы от токоотвода.

Технической задачей данного изобретения является увеличение числа зарядно-разрядных циклов никель-цинкового аккумулятора, что позволит увеличить срок службы аккумулятора.

Для решения технической задачи предлагается никель-цинковый аккумулятор, содержащий корпус, сепаратор, щелочной электролит, отрицательный электрод, состоящий из металлической решетки с напрессованным слоем активной массы, содержащей порошок цинка и связующее, и положительный электрод, состоящей из токоотвода - никелевой решетки с напрессованным слоем активной массы, содержащей никелевый порошок, гидроксид никеля (II) и связующее. В качестве связующего используют кремнийорганическую смолу, способную к термическому отверждению. Отвержденная кремнийорганическая смола механически и химически связывает частицы активных веществ массы электродов, обеспечивая необходимую механическую прочность. В отличие от полиметилметакрилата, являющегося карбоцепным полимером, отверждаемые кремнийорганические смолы, представляющие собой полиорганилалкокси(гидрокси)силоксаны, при термическом или каталитическом отверждении образуют нерастворимые полиорганилсилоксаны. Экспериментально было обнаружено, что они способны химически взаимодействовать с раствором гидроксидов щелочных металлов, входящих в состав электролита, растворяться в нем и тем самым создавать благоприятные условия для электрохимических взаимодействий активных веществ электродных масс. Взаимодействие активного вещества электрода и полиорганилсилоксана с щелочным электролитом взаимосвязано. Прекращение электрохимической реакции активного вещества электрода при возникновении рабочего потенциала электрода сопровождается прекращением растворения полиорганилсилоксана. Использовались органилполисилоксаны разветвленного, циклолинейного и лестничного строения, различающиеся по типу органических радикалов у атома кремния, в том числе полиметилсилоксаны, полифенилсилоксаны, полиметилфенилсилоксаны. Существенных различий в свойствах электродов, при изготовлении которых в качестве связующего использовались кремнийорганические смолы, способные к термическому отверждению, обусловленных строением применяемого в качестве связующего электродной массы кремнийорганического полимера, не наблюдалось. Исходя из общности физико-химических свойств полиорганилсилоксанов, можно предположить, что и другие термически отверждвемые кремнийорганические смолы, имеющие после отверждения строение сшитых полиорганилсилоксанов, будут пригодны для использования в качестве связующих при изготовлении электродов щелочных аккумуляторов.

Кремнийорганическая смола, способная к термическому отверждению, вводится в состав активной массы электрода в виде раствора в органических растворителях, например кремнийорганического лака. Могут быть использованы как промышленные кремнийорганические лаки, так и специально приготовленные по известным методикам (Хананашвили Л.М., Андрианов К.А. Технология элементоорганических мономеров и полимеров. - М.: Химия, 1983. С.238-296) путем сополимеризации хлорсиланов или алкоксисиланов в системе вода - органический растворитель. Высокие результаты показывает применение термически отверждаемых кремнийорганических смол, содержащих в основной полимерной цепи, кроме силоксановых связей (-Si-O-Si-), дисилановые фрагменты (-Si-Si-), изготовление которых описано в (а.с. СССР 1625838, МКИ3 С 03 С 17/30, опубл. 07.02.1991). Полимеры такого типа также способны к растворению в щелочном электролите, причем реакция носит окислительно-восстановительный характер и сопровождается выделением водорода. Все исследованные композиции электродных масс обладали высокой адгезией к металлу токоотвода. В процессе эксплуатации электродов в составе аккумуляторов не наблюдалось растрескивания, отслаивания, осыпания активной массы.

Для изготовления отрицательного электрода цинковый порошок смешивается с кремнийорганической смолой, растворенной в органическом растворителе, с содержанием сухого вещества 30-65% в соотношении: цинковый порошок 86-95 мас.%; полиорганилсилоксановая смола 5-14 мас.% в пересчете на сухой остаток, механически перемешивается до получения однородной пасты и наносится на токоотвод и прокатывается между валками или подпрессовывается при комнатной температуре. Выдерживается в течение времени необходимого для удаления основной массы органического растворителя и подвергается термической обработке при 140-200С в течение 2-6 ч (время термической обработки определяется свойствами кремнийорганической смолы). Конкретные примеры с указанием типа полиорганосилоксана, соотношения исходных компонентов приведены в таблице 1.

Для изготовления положительного электрода смешивали никелевый порошок 43-58 мас.%, гидроксид никеля (II) 32-43 мас.% и кремнийорганическую смолу 10-14 мас.% (смолу также вводят в виде лака с содержанием сухого остатка 30-65%). Дальнейшие операции аналогичны изготовлению отрицательного электрода. В таблице 2 приведены составы конкретных примеров.



Соотношения компонентов, указанные в таблицах 1 и 2, использованные при изготовлении активных масс электродов, ограничиваются механическими прочностными характеристиками получаемых электродов и свойствами исходной пастообразной массы, используемой в процессе их изготовления. Избыток кремнийорганического лака приводит к разжижению исходной смеси и затруднению формования электродов. Недостаточное количество раствора кремнийорганической смолы по сравнению с указанными в таблицах 1, 2 приводит к низкой механической прочности полученного электрода, недостаточной адгезии активной массы к материалу токоотвода. В то же время электротехнические характеристики электродов остаются удовлетворительными и в более широких пределах соотношения компонентов, нежели указанные в таблицах 1, 2.



Собирали никель-цинковый аккумулятор из 6 отрицательных и 5 положительных электродов с размером цинковых электродов 1521402.2 мм и 1521402.2 мм соответственно никелевых. В качестве электролита использовали раствор гидроксида калия с концентрацией 7 моль/л и плотностью 1.23 г/см3.

Испытания аккумулятора проводили на стенде КУС-250. Напряжение заряда-разряда контролировалось на вольтметре ВР-22М, разряд проводился током С/10 и С/2 до напряжения 1.0-0.9 вольта. Асимметричным током проводился тренировочный цикл и рабочие разрядно-зарядные циклы. Определялись интегральная разрядная емкость Q (А/ч) и количество циклов, при котором происходит снижение емкостных характеристик аккумулятора в два раза. Данные испытаний приведены в таблице 3.



Высокие емкостные характеристики полученных аккумуляторов, значительное увеличение количества зарядно-разрядных циклов обуславливает преимущество предлагаемого технического решения перед известными. 


ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ



1. Никель-цинковый аккумулятор, содержащий корпус, сепаратор, щелочной электролит, отрицательный электрод, состоящий из металлической решетки с напрессованным слоем активной массы, содержащей порошок цинка и связующее, и положительный электрод, состоящий из никелевой решетки с напрессованной массой, содержащей никелевый порошок, гидроксид никеля (II) и связующее, отличающийся тем, что активная масса положительного и отрицательного электродов содержит в качестве связующего кремнийорганическую смолу, способную к термическому отверждению, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

для отрицательного электрода:

Цинковый порошок 86-95

Кремнийорганическая смола 5-14

для положительного электрода:

Никелевый порошок 43-58

Гидроксид никеля (II) 32-43

Кремнийорганическая смола 10-14

2. Никель-цинковый аккумулятор по п.1, отличающийся тем, что в качестве кремнийорганической смолы, способной к термическому отверждению, в составе активной массы отрицательного и положительного электродов используется полиорганилсилоксан.

3. Аккумулятор по п.2, отличающийся тем, что в качестве кремнийорганической смолы, способной к термическому отверждению, используемой в активной массе отрицательного и положительного электрода, применяется полиорганилдисилсилоксан.




ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян



Независимый научно технический портал

Подборка патентов изобретений и технологий относящихся к ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ:
Гелиоэнергетика - Солнечные электростанции, Солнечные батареи. Солнечные коллекторы;
Ветроэнергетика - Ветроэнергетические установки. Ветродвигатели;
Волновые электростанции. Гидроэлектростанции;
Термоэлектрические источники тока;
Химические источники тока;
Нетрадиционные устройства и способы получения, преобразования и передачи ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ;
Устройства и способы экономии и сохранения электроэнергии;
Генераторы постоянного электрического тока. Электрические машины.



Устройства и способы получения, преобразования, передачи, экономии и сохранения электрической энергии




СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "И" означает, что будут найдены только те страници, где встречается каждое из ключевых слов. При использовании режима "или" результатом поиска будут все страници, где встречается хотя бы одно ключевое слово.

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+электрический -генератор".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "генератор" будут найдены слова "генераторы", "ренераторов" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу ("генератор!").


Солнечные электростанции. Гелиоэнергетика | Ветроэнергетические установки. Ветродвигатели. Ветрогенераторы | Волновые, геотермальные и гидроэлектростанции | Термоэлектрические источники тока | Химические источники тока. Накопители электроэнергии. Батареи и аккумуляторы | Нетрадиционные устройства и способы получения, преобразования и передачи электрической энергии | Устройства и способы экономии и сохранения электроэнергии | Генераторы постоянного и переменного электрического тока. Электрические машины


Рейтинг@Mail.ru