ЩЕЛОЧНОЙ НИКЕЛЬ-ГИДРИДНЫЙ АККУМУЛЯТОР

ЩЕЛОЧНОЙ НИКЕЛЬ-ГИДРИДНЫЙ АККУМУЛЯТОР


RU (11) 2017278 (13) C1

(51) 5 H01M12/06, H01M10/34 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 17.03.2008 - прекратил действие 

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

(21) Заявка: 5051068/07 
(22) Дата подачи заявки: 1992.05.26 
(45) Опубликовано: 1994.07.30 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: 1. Proc. 24 Intersoc. Energy Convers. Eng. Conf., 1989, V 3, p.1659-1664. 2. Funct. and Mater., 1989, N 11, с.23-31. 3. Патент США N 4621034, кл. H 01M 12-06, 1986. 
(71) Заявитель(и): Галкин Валерий Владимирович; Кулыга Виктор Павлович; Лапшин Владимир Юрьевич; Лихоносов Сергей Дмитриевич 
(72) Автор(ы): Галкин Валерий Владимирович; Кулыга Виктор Павлович; Лапшин Владимир Юрьевич; Лихоносов Сергей Дмитриевич 
(73) Патентообладатель(и): Галкин Валерий Владимирович; Кулыга Виктор Павлович; Лапшин Владимир Юрьевич; Лихоносов Сергей Дмитриевич 

(54) ЩЕЛОЧНОЙ НИКЕЛЬ-ГИДРИДНЫЙ АККУМУЛЯТОР 

Использование: щелочные никель-гидридные аккумуляторы с повышенными удельными характеристиками. Сущность изобретения: щелочной никель-гидридный аккумулятор содержит положительный электрод, электролит, сепаратор и отрицательный электрод из водородпоглошающего сплава, содержащего, мас.%: лантан 10 - 40, церий 0,1 - 2,0, алюминий 0,01 - 2 и никель - остальное. При этом суммарное содержание лантана и церия составляет 30 - 40,1 мас.%. 1 табл., 2 ил. 


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ



Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при изготовлении щелочных аккумуляторов с отрицательным электродом на основе гидрида металла, в частности при изготовлении никель-гидридного аккумулятора (НГА).

Использование в щелочных аккумуляторах металло-гидридного электрода (МГЭ) взамен кадмиевого позволяет получить существенные преимущества: во-первых, экологическую чистоту и, во-вторых, практически двойное увеличение емкости по отношению к никель-кадмиевым аккумуляторам (НКА) в тех же габаритах. Это обстоятельство обуславливает широкое распространение НГА на рынке ХИТ во многих областях применения взамен НКА и, возможно, иных типов аккумуляторов.

Успехи в разработке НГА отмечаются главным образом в деятельности фирм США и Японии. Так, фирмой Ovonic Battery Company из США разработан щелочной аккумулятор, содержащий положительный электрод из оксида металла, отрицательный электрод из водопоглощающего сплава, сепаратор, отделяющий электроды друг от друга, и электролит [1]. В качестве электродного вещества отрицательного электрода использован гидрид металла Ti17V53Cr16Ni14 (цифры показывают процентное содержание компонентов). Выбор гидрида металла такого состава обеспечил высокие удельные емкостные характеристики. Достигнута номинальная емкость 3,5 А ч в типоразмере "С", в то время как для НКА эта величина составляет 2 А ч.

В то же время увеличение емкости сопровождалось не уменьшением, а увеличением внутреннего сопротивления с 13-20 для НКА до 25 мОм, что связано с пониженной мощностью МГЭ относительно кадмиевого электрода. При этом максимальная мощность соответствовала разрядному току 4С.

Близкий по удельным характеристикам аккумулятор разработан в Японии [2] . МГЭ этого аккумулятора изготовлен из сплава, имеющего структуру типа СаCu5 и соответствующего формуле MmNi4,3-xMn0,4Al0,3Cox (x = 0-0,75). В типоразмере "АА"получены следующие характеристики: 1,07 А ч, максимальный ток разряда 3 А (3С), время заряда 1,5-2 ч, ресурс 500 циклов.

Известен также щелочной НГА, выбранный в качестве прототипа по совокупности признаков и содержащий отрицательный электрод из водопоглощающего сплава на основе никеля, лантана и алюминия с общей формулой LaNi4,7Al0,3 [3].

Недостаток этих аккумуляторов, заключающийся в пониженной мощности МГЭ (или в повышенном внутреннем сопротивлении), появляется в ухудшении его потребительских качеств. Так, например, для эффективного питания переносных радиостанций требуются одновременно высокая удельная мощность (при работе в режиме передачи) и высокая удельная емкость, сохраняющиеся в течение срока службы. При этом мощность источника питания определяет дальность передачи радиосигнала, а емкость - длительность автономной работы (без подзаряда). Таким образом, низкая удельная мощность аккумулятора приводит либо к малой дальности передачи, либо к увеличенному весу источника питания.

Цель изобретения - увеличение удельной разрядной мощности щелочного аккумулятора с высокой удельной емкостью и сохранение этих характеристик при его эксплуатации.

Цель достигается тем, что в щелочном аккумуляторе, содержащем положительный электрод, отрицательный электрод из водопоглощающего сплава, сепаратор и электролит, в качестве водопоглощающего сплава используется сплав на основе лантана, никеля и алюминия с добавками церия, имеющий следующий состав, мас.%: лантан (La) 10-40, церий (Се) 0,1-20, алюминий (0,01-2, никель (Ni) остальное (во всех случаях суммарное содержание лантана и церия составляет 30-40,1%).

Новизной предлагаемого решения является добавка церия в водопоглощающий сплав на основе лантана, никеля и алюминия, используемый в качестве активного вещества отрицательного электрода, при следующем соотношении компонентов, мас.%: La 10-40, Ce 0,1-20, Al 0,01-2, Ni остальное (во всех случаях суммарное содержание La и Се составляет 30-40,1%).

Из литературных данных известно, что поляризационные (или мощностные) характеристики МГЭ в значительной мере зависят от состава сплава (Sakai Tetsuo etc. Some factors affecting the cycle lives of LaNir - based alloy electrodes of hydrogen batteries, J. of the Less-Common Netals, 161 (1990), 193-202). В этой работе исследовались свойства МГЭ на основе сплавов типа LaNi5-xMx (M = Ni, Mn, Cu, Cr, Al и Со) такие, как равновесное давление водорода, кристаллографическое и механические характеристики, электрохимическая поляризация и изменения разрядной емкости при циклировании. Эффект замещения с целью увеличения циклического ресурса возрастал в таком порядке: М = Mn, Ni, Cu, Cr, Al и Со. Чем меньше были емкость и коэффициент объемного расширения, чем ниже были скорость измельчения и твердость по Виккерсу сплавов, тем продолжительней становился циклический ресурс.

В таблице приведены результаты исследований десяти образцов МГЭ, проведенных в этой работе, где Ст - теоретическая удельная емкость МГЭ; Со - начальная удельная разрядная емкость (разряд велся током 148 мА/г до потенциала - 0,5 В относительно окисно-ртутного электрода сравнения); С150 - емкость на 150-м цикле; R - удельное сопротивление МГЭ; Р - давление десорбции; Imakc - максимальный разрядный ток, определяемый из условия поляризации МГЭ до величины не более 150 мВ.

Анализ таблицы приводит к следующим выводам: отсутствует закономерность в процентном отношении разрядной емкости к теоретической, т.е. нельзя рассчитать заранее, не прибегая к электрохимическим испытаниям, разрядную емкость образца по его теоретической емкости; удельное сопротивление образцов МГЭ варьируется в широких пределах (от 54 до 220 мОм*г) и не вписывается в какую-либо закономерность, т.е. для его определения необходим прямой эксперимент; давление десорбции также варьируется в широких пределах и не коррелирует с каким-либо электрохимическими параметрами; наименьшее сопротивление (наибольшая мощность) получены на образцах (3 и 4), имеющих неудовлетворительный ресурс (С150/Со равны 31 и 36% соответственно).

Таким образом, имеющиеся сведения об уровне техники не позволяют решить задачу, поставленную в изобретении, в частности задачу создания щелочного аккумулятора, обеспечивающегося разряд токами более 5С при сохранении высокой удельной емкости после наработки более 150 циклов.

В литературе известен водопоглощающий сплав на основе LaNi5 с добавками Се и Al, отличающийся тем, что, устанавливая различные соотношения добавок Се и Al, можно регулировать равновесное давление водорода в широких пределах, поскольку добавки Се повышают, а Al снижают равновесное давление (авт. св. СССР N 1017032). Однако, как отмечалось выше, ни равновесное давление, ни сорбционная емкость не коррелируют с электрохимическими характеристиками сплава.

В ряде исследований (в том числе в работе Богатин Д.Е., Князев В.Д. Hydrogen Energy Progr. VII: Proc. 7th World Hydrogen Energy Conf., Moscow, 1988, Vol. 2, -York etc., 1988, -p. 1293-1299) отмечалось положительное влияние на ресурс МГЭ частичного замещения Ni на Al в сплаве LaNi5, однако отсутствуют какие-либо сведения о том, что это влияние сохраняется при частичном замещении La на Се, т.е. на основании литературных данных нельзя утверждать, что электроды из сплава на основе LaNi с добавками Се и Al в такой же мере обладают стабильностью, как и МГЭ из сплава на основе LaNi5 с добавками Al.

Известны результаты исследования влияния добавок Се на термодинамические характеристики сплава на основе LaNi5, имеющего формулу La1-xCexNi4, 98Al0,02, где х = 0; 0,05; 0,1; 0,3 (Нимировская, Мордовин и др., Исследование и изучение процесса сорбции-десорбции в системе CexLa1-xNi4,98Al0,02H2 с помощью дифференциальной сканирующей калориметрии, Thermochemica acta, 160 (1990), p.201-207). При интерпретации этих исследований предположили, что сорбция-десорбция с системе LaNi5H2 проходит через образование гидридной фазы LaNi5H3,4. Замещение же некоторого количества лантана церием, у которого "металлический" радиус атома на 2,8% больше, вызывает уменьшение стабильности и устойчивости этой промежуточной фазы и ее окончательное исчезновение. Каким образом этот эффект проявляется в работе МГЭ из сплава на основе LaNi5 с добавками Се и Al, нельзя установить из этой или какой-либо другой информации. Можно, однако, предположить, что вышеотмеченное снижение устойчивости промежуточной фазы может сопровождаться некоторым снижением стабильности МГЭ при циклировании и некотором увеличении электрохимической активности (максимального разрядного тока). При этом меру влияния добавки Се и электрохимические характеристики МГЭ из такого сплава, такие как максимальный ток разряда, удельную емкость и ее стабильность при циклировании, можно установить только экспериментально.

Таким образом, эффект, полученный при добавке Се в сплав на основе лантана, никеля и алюминия, используемый в отрицательном электроде щелочного аккумулятора и проявившийся в увеличении разрядного тока вплоть до 10С при сохранении высокой удельной емкости при циклировании (после 150 циклов МГЭ сохраняет разрядную емкость на уровне 0,18 А ч/г и обеспечивает разряд током 10С) не следует из уровня техники.

Так как в имеющейся информации не выявляется влияние отличительного в изобретении признака на достижение технического результата и отсутствуют сведения об этом техническом результате, заключающемся в увеличении удельной мощности (ток разряда более 5С) аккумулятора с высокой удельной емкостью и сохранении этих характеристик при его эксплуатации, то, следовательно, предлагаемое техническое решение соответствует критерию "изобретательский уровень".

Эффект значительного увеличения удельной разрядной мощности щелочного аккумулятора с высокой удельной емкостью, в котором отрицательный электрод изготовлен из сплава на основе LaNi5, и сохранения этих характеристик при циклировании обусловлен влиянием добавок Се и Al, при этом, по всей видимости, добавки Се увеличивают мощность МГЭ без существенного подавления влияния на ресурс стабилизирующих добавок Al.

В зависимости от предлагаемого применения можно регулировать характеристики аккумулятора, варьируя содержание добавок Се и Al, из расчета, что добавки Al увеличивают срок службы, а Се - мощность аккумулятора.

Такие аккумуляторы найдут широкое применение в переносных средствах связи, где требуется высокая удельная мощность, а также в любой другой портативной электро- и радиоаппаратуре. Таким образом, предлагаемое техническое решение соответствует критерию "промышленная применимость".

На фиг.1 продемонстрированы разрядные кривые НГА рулонной конструкции в габаритах АА, в котором использованы МГЭ, изготовленный из сплава La0,95Ce0,05Ni4,7Al0,3 (в мас. %: лантан 31,21, церий 1,66, никель 65,22, алюминий 1,91); металлокерамический окисноникелевый электрод; сепаратор из нетканого волокнистого полипропилена; 30%-ный раствор КОН с добавкой LiOH. Характеристики получены при токах разряда 0,4; 5 и 10 А до начала ресурсных испытаний (кривые 1, 2 и 3 соответственно) и после наработки 160 циклов (4, 5 и 6).

На фиг.2 показан ход изменения разрядной емкости этого аккумулятора при циклировании в следующем режиме: заряд током 1 А в течение часа, разряд током 1 А до напряжения 0,9 В. На этой же фигуре показаны значения емкости при разряде токами 5 и 10 А до напряжения 0,7 В.

В таблице представлены другие электрохимические характеристики МГЭ из этого сплава. 


ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ



ЩЕЛОЧНОЙ НИКЕЛЬ-ГИДРИДНЫЙ АККУМУЛЯТОР, содержащий положительный электрод, электролит, сепаратор и отрицательный электрод из водородопоглощающего сплава на основе лантана, никеля и алюминия, отличающийся тем, что сплав дополнительно содержит церий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Лантан 10 - 40

Церий 0,1 - 20

Алюминий 0,01 - 2

Никель Остальное

при этом суммарное содержание лантана и церия составляет 30 - 40,1 мас. %.




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