СПОСОБ УЛУЧШЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ

СПОСОБ УЛУЧШЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ


RU (11) 2239259 (13) C1

(51) 7 H01M10/12, H01M4/57 

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

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

(21) Заявка: 2003105795/09 
(22) Дата подачи заявки: 2003.03.03 
(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 2003.03.03 
(31) Номер конвенционной заявки: 2002087010 
(32) Дата подачи конвенционной заявки: 2002.08.28 
(33) Страна приоритета: UA 
(45) Опубликовано: 2004.10.27 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: RU 2166815 С1, 10.05.2001. US 4656706 А, 14.04.1987. ЕР 0228647 А2, 15.07.1987. WO 01/26171 А, 12.04.2001. 
(72) Автор(ы): Дзензерский Виктор Александрович (UA); Скосарь Юрий Иванович (UA); Аникеев Евгений Владимирович (UA); Бурылов Сергей Владимирович (UA); Скосарь Вячеслав Юрьевич (UA) 
(73) Патентообладатель(и): Дзензерский Виктор Александрович (UA); Скосарь Юрий Иванович (UA); Аникеев Евгений Владимирович (UA); Бурылов Сергей Владимирович (UA); Скосарь Вячеслав Юрьевич (UA) 
Адрес для переписки: 49005, г. Днепропетровск, ул. Писаржевского, 5, С.В. Бурылову 

(54) СПОСОБ УЛУЧШЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ 
Изобретение относится к электротехнической промышленности, в частности, к производству свинцово-кислотных аккумуляторных батарей. Согласно изобретению заявлен способ улучшения электрических и эксплуатационных характеристик свинцово-кислотных аккумуляторов, при котором в пасту, приготовленную из смеси двух исходных свинцовых порошков I и II в массовом соотношении (0,3-0,7):(0,7-0,3) с фазовым составом: I – 5-10% -PbO, 55-75% -PbO, остальное Pb, II – 0-2% -PbO, 60-83% -PbO, остальное Pb, и используемую для формирования положительных электродов, вводят фосфорную кислоту Н3РО4 в количестве 2,5-5 мас.% от массы пасты. Технический результат: повышается удельная поверхность положительных электродов, повышается прочность положительной активной массы, а склонность ее к оплыванию уменьшается. 



ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ


Изобретение относится к электротехнической промышленности, а именно к производству свинцово-кислотных аккумуляторных батарей.

Основными недостатками стартерных свинцово-кислотных аккумуляторных батарей являются малая энергоемкость и небольшой срок службы, которые в большинстве случаев определяются свойствами положительных электродов. К таким свойствам относятся: оплывание положительной активной массы, выпадение активной массы из-за слабой механической прочности или из-за плохого сцепления с токоотводами, быстрая пассивация при глубоких разрядах из-за образования диэлектрического слоя сульфата свинца между токоотводами и активной массой.

Эффективное решение этих проблем возможно путем использования активирующих добавок в пасту положительных электродов или в электролит аккумуляторов. Такие добавки должны, во-первых, значительно увеличивать энергоемкость аккумуляторов за счет увеличения удельной поверхности положительных электродов. Во-вторых, придавать активной массе положительных электродов необходимую механическую прочность и существенно снижать ее оплывание. В-третьих, такие добавки должны обеспечивать хорошее сцепление активной массы с токоотводом и предотвращать образование диэлектрического слоя между ними. В настоящее время в литературе имеется обширный перечень предлагаемых активирующих добавок, имеющих различную степень эффективности и отличающихся механизмом действия. К сожалению, в большинстве случаев эти добавки улучшают одни характеристики электродов за счет ухудшения других, и лишь немногие из них находят действительное практическое применение.

Как уже было сказано, активирующие добавки могут отличаться механизмом действия на активную массу электродов. Например, эффект от введения в пасту электродов пространственно-затрудненных фенолов объясняется склонностью их к образованию свободных радикалов и других заряженных частиц, что затрудняет образование диэлектрического слоя сульфата свинца. Фосфорная кислота Н3РO4, добавленная в электролит свинцово-кислотных аккумуляторов, не только затрудняет образование диэлектрического слоя сульфата свинца между токоотводом и положительной активной массой, но и повышает электропроводность активной массы за счет образования твердой фазы Рb(НРO4)2, локализованной в области контактных перемычек малого сечения между частицами РbО2 активной массы [Behaviour of the PbO2/PbSO4 electrode with regard to charging regime and small additions of phosphoric acid to the sulphuric acid electrolyte. / Hullmeine U., Voss E., Winsel A. // Proc. Int. Conf. Lead-Acid Batteries: LABAT’89, Varna, May 29-June 2, 1989, J. Power Sources, 1990, 30, №1-4, Р.99-105]. При этом добавка фосфорной кислоты в электролит не ухудшает характеристики отрицательных электродов аккумуляторов. Добавление фосфорной кислоты в пасту положительных электродов приводит к увеличению энергоемкости положительных электродов по причине увеличения их удельной поверхности. Такое увеличение удельной поверхности происходит за счет адсорбции фосфат-ионов на частицах РbО2 положительной активной массы, что приводит к изменению их морфологии [М.А.Дасоян. Химические источники тока. Справочное пособие. 2-е изд., Л., 1969, с.124].

По современным представлениям, положительная активная масса пастированных электродов - пористое тело, состоящее из гладких округлых частиц -РbО2 и дендритообразных частиц -РbО2 с разветвленной поверхностью. При этом частицы -РbО2 механически более прочные и создают каркас активной массы, сохраняющийся в процессе эксплуатации. Частицы -PbO2 менее прочные, склонны к оплыванию, но зато они более энергоемки и определяют электрические свойства активной массы. Важнейшие характеристики активной массы: удельная поверхность, пористость, механическая прочность, а также фазовый состав (количество - и -РbО2) сильно зависят от характеристик используемого для приготовления пасты свинцового порошка: фазового состава (массовых долей -РbО, -РbО и металлического Рb), морфологии частиц и некоторых других. Фазовый состав и морфология свинцового порошка коррелируют и зависят от типа производственной установки и условий его получения. Например, на установках жидкого диспергирования свинца "Бартон" получается больше оксида свинца -РbО, чем на установках мельничного типа. При более высоких температурах получения свинцового порошка образуется большее количество химически высокоактивного -РbО, чем при низких температурах. Частицы -РbО имеют более округлую форму, чем частицы -РbО. Производители свинцово-кислотных аккумуляторных батарей, в зависимости от решаемых задач, используют порошки с определенными, заданными в узких пределах характеристиками. Некоторое изменение этих характеристик в ту или иную сторону позволяет либо увеличить энергоемкость активной массы, но сократить срок службы положительных электродов, либо наоборот. В настоящее время для стартерных батарей чаще всего употребляется свинцовый порошок с фазовым составом, включающим 60-85% -РbО, остальное металлический Рb (-РbО отсутствует). Это позволяет оптимально сочетать достаточную энергоемкость положительных электродов и необходимый срок их службы.

Известен способ улучшения электрических и эксплуатационных характеристик свинцово-кислотных аккумуляторов [Патент России №2166815, МПК7 Н 01 М 10/12, 10/26], при котором в пасту, приготовленную из свинцового порошка и используемую для формирования электродов, вводят определенную смесь пространственно-затрудненных фенолов. Это позволяет увеличить срок службы аккумуляторов за счет снижения саморазряда, предотвращения образования диэлектрического слоя сульфата свинца, а также восстановления аккумуляторов после сульфатации. Недостатком такого способа является то, что он не уменьшает оплывания положительной активной массы, не увеличивает ее прочности, т.е. - не устраняет других важных причин сокращения срока службы. Кроме того, такой способ практически не повышает энергоемкости свинцово-кислотных аккумуляторов.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ улучшения электрических и эксплуатационных характеристик свинцово-кислотных аккумуляторов [М.А.Дасоян. Химические источники тока. Справочное пособие. 2-е изд., Л., 1969, 588 с.], при котором в пасту, приготовленную из свинцового порошка и используемую для формирования положительных электродов, вводят фосфорную кислоту Н3РO4 в количестве 0,2-2 маc.% от массы пасты.

Такой способ, за счет увеличения удельной поверхности положительных электродов, позволяет увеличить энергоемкость свинцово-кислотных аккумуляторов, особенно в начале срока службы. Однако на продолжительность срока службы это практически не оказывает влияния. Более того, добавка фосфорной кислоты в пасту, изменяя морфологию частиц положительной активной массы, приводит к увеличению ее пористости, и при концентрации более 2% начинает отрицательно влиять на срок службы аккумуляторов.

В основу предложенного изобретения поставлена задача разработки способа, позволяющего улучшить электрические и эксплуатационные характеристики свинцово-кислотных аккумуляторов, увеличить их энергоемкость и удлинить срок службы за счет изменения свойств используемого для приготовления пасты порошка и введения в пасту положительных электродов фосфорной кислоты.

Поставленная задача решается за счет того, что в предложенном способе улучшения электрических и эксплуатационных характеристик свинцово-кислотных аккумуляторов, при котором в пасту, приготовленную из свинцового порошка и используемую для формирования положительных электродов, вводят фосфорную кислоту Н3РO4, согласно изобретению свинцовый порошок получают смешиванием двух исходных свинцовых порошков I и II в массовом соотношении (0,3-0,7):(0,7-0,3) с фазовым составом: I - 5-10% -РbО, 55-75% -РbО, остальное Pb, II - 0-2% -РbО, 60-83% -PbO, остальное Pb, фосфорную кислоту вводят в пасту в количестве 2,5-5 маc.% от массы пасты.

Эффект улучшения характеристик свинцово-кислотных аккумуляторов объясняется, во-первых, увеличением механической прочности положительной активной массы и уменьшением склонности ее к оплыванию за счет оптимального соотношения частиц высокоактивного "желтого" оксида -РbО и "красного" оксида -PbO, имеющих различную морфологию. Высокоактивный оксид -РbО, участвуя в химических превращениях, приводит к образованию в пасте необходимого количества четырехосновного сульфата свинца 4PbOPbSO4, способствующего формированию устойчивого каркаса и увеличению прочности положительной активной массы. Кроме того, такое сочетание в порошках "желтого" и "красного" оксидов способствует формированию оптимального соотношения -РbО2 и -РbО2 в активной массе, что уменьшает ее оплывание. Во-вторых, улучшение электрических характеристик достигается благодаря повышенному содержанию в пасте фосфорной кислоты, которая увеличивает пористость и удельную поверхность положительной активной массы, улучшает ее электропроводность в зоне контактных перемычек между частицами активной массы. В-третьих, фосфорная кислота затрудняет образование диэлектрического слоя сульфата свинца между токоотводом и положительной активной массой.

При выбранном массовом соотношении (0,3-0,7):(0,7-0,3) исходных свинцовых порошков достигается максимум действия, тогда как при нарушении этого соотношения, т.е. при уменьшении массовой доли одного из порошков менее 0,3 (менее 30%) и соответственном увеличении доли другого более 0,7 (более 70%) эффект от смешения порошков резко уменьшается и, фактически, мы получаем свойства, заданные только одним из исходных порошков, содержащимся в большинстве.

Фазовый состав порошков, а также содержание фосфорной кислоты подобраны эмпирически. Эффект от смешения порошков сильно уменьшается в случае сближения их характеристик, т.е. при уменьшении в I порошке доли -РbО менее 5%, увеличении во II порошке доли -РbО более 2% при соответствующих изменениях количества остальных фаз. В этом случае, из-за высокого содержания фосфорной кислоты в пасте, наступает сокращение срока службы аккумуляторов. В случае же увеличения содержания в I порошке доли -РbО более 10% (что соответствует отдалению характеристик исходных порошков друг от друга и от заданных пределов) сформированная положительная активная масса становится слишком плотной и теряет энергоемкость. Кроме того, увеличение доли -РbО требует увеличения затрат на производство порошка, т.к. "желтый оксид" -РbО получается при более высоких температурах. Упрочнение активной массы за счет смешивания порошков с заданными параметрами позволяет использовать довольно высокое, более 2,5%, содержание фосфорной кислоты в пасте без ущерба для срока службы электродов. Зато мы имеем возможность воспользоваться всеми преимуществами столь высокого содержания фосфорной кислоты - повышенной энергоемкостью положительных электродов и пр. При добавлении в пасту фосфорной кислоты более 5% наблюдается чрезмерное увеличение пористости положительной активной массы и сокращение срока службы электродов. При добавлении фосфорной кислоты менее 2,5% не достигается достаточного увеличения энергоемкости положительных электродов.

При соблюдении всех вышеупомянутых параметров достигается высокая энергоемкость и повышенный срок службы положительных электродов при отсутствии негативного влияния на отрицательные электроды, что соответствующим образом отражается на характеристиках свинцово-кислотных аккумуляторов.

По имеющимся у авторов сведениям, существенные признаки, которые предлагаются и характеризуют сущность изобретения, неизвестны из уровня техники.

Предлагаемое техническое решение может быть использовано на заводах по производству свинцово-кислотных аккумуляторных батарей.

Заявляемый способ улучшения электрических и эксплуатационных характеристик аккумуляторов осуществляется следующим образом.

На производственной установке получения свинцового порошка, предпочтительнее - на установке жидкого диспергирования “Бартон”, попеременно при различных технологических режимах получают два свинцовых порошка с параметрами, заданными в формуле изобретения. Если производитель владеет двумя однотипными установками получения порошка, то возможно одновременное получение двух порошков, каждого - на своей установке, настроенной на соответствующий режим. Фазовый состав порошка контролируют при помощи рентгеноструктурного анализа.

Порошок, содержащий высокоактивный "желтый оксид" -РbО, должен храниться в сухом помещении не более 7 суток, на него не должен попадать прямой солнечный свет, т.к. он термодинамически неустойчив в нормальных условиях и переходит в -РbО. Навеску для пасты изготавливают при помощи массовых дозаторов, с соблюдением массового соотношения исходных свинцовых порошков, указанного в формуле изобретения. Для получения пасты в смеситель сначала подают сухие компоненты: исходные свинцовые порошки, связующие добавки (например, полипропиленовый ворс), затем добавляют дистиллированную или деминерализованную воду и производят смешивание в течение не более 3 мин. После чего подают жидкие компоненты: раствор серной кислоты плотности 1,40 г/см3 и раствор фосфорной кислоты Н3РO4 такой же плотности, причем фосфорную кислоту добавляют в количестве согласно формуле изобретения. Производят смешивание в течение не более 30 мин. В остальном количественная рецептура положительной пасты и способ ее получения устанавливаются в технологической документации.

Количественная рецептура и способ получения отрицательной пасты остаются без изменений.

Заявляемый способ прошел испытания в заводских условиях.

Пример 1

Аккумуляторные батареи 6СТ-60АЗ (Номинальное напряжение Uном=12 В; номинальная емкость Сном=60 Ач; стартерный ток I=280 А) в количестве 9 шт., положительная паста в которых изготовлена на установке “Бартон” из одного порошка с фазовым составом: отсутствие фазы -РbО, 70±2% -РbО, остальное Рb, без добавления фосфорной кислоты, показали на испытаниях по ГОСТ 959 на первых циклах емкость в среднем 62 Ач, продолжительность стартерного разряда на холоде в среднем 158 с. Из указанной выборки 6 батарей подверглись испытаниям на долговечность и показали количество недельных циклов наработки - 6. Технический осмотр извлеченных из батарей блоков электродов показал частичное размягчение и оплывание положительной активной массы, выпадение которой из токоотводов составило примерно 15-17% площади электродов. Остальные 3 батареи прошли испытания на вибропрочность по ГОСТ 959 пять раз последовательно, практически не изменив своих электрических характеристик.

Пример 2

Аккумуляторные батареи 6СТ-60АЗ (Uном=12 В; Сном=60 Ач; I=280 А) в количестве 9 шт., положительная паста в которых изготовлена на установке “Бартон” из одного порошка с фазовым составом: 7±2% -РbО, 65±2% -РbО, остальное Рb, без добавления фосфорной кислоты, показали на испытаниях по ГОСТ 959 на первых циклах емкость в среднем 60 Ач, продолжительность стартерного разряда на холоде в среднем 150 с. Из указанной выборки 6 батарей подверглись испытаниям на долговечность и показали количество недельных циклов наработки - 6,5 (3 батареи показали 6 циклов, другие 3 батареи - 7 циклов). Технический осмотр извлеченных из батарей блоков электродов показал частичное размягчение и оплывание положительной активной массы, выпадение которой из токоотводов составило примерно 14-16% площади электродов. Остальные 3 батареи прошли испытания на вибропрочность по ГОСТ 959 пять раз последовательно, практически не изменив своих электрических характеристик.

Пример 3

Аккумуляторные батареи 6СТ-60АЗ (Uном=12 В; Сном=60 Ач; I=280 А) в количестве 9 шт., положительная паста в которых изготовлена из такого же порошка, как в примере 1, с добавлением в пасту фосфорной кислоты 3,1%, показали на испытаниях по ГОСТ 959 на первых циклах емкость в среднем 66,5 А ч, продолжительность стартерного разряда на холоде в среднем 175 с. Из указанной выборки 6 батарей подверглись испытаниям на долговечность и показали количество недельных циклов наработки - 5,8 (1 батарея показала 5 циклов, 5 батарей - 6 циклов). Технический осмотр извлеченных из батарей блоков электродов показал частичное размягчение и оплывание положительной активной массы, выпадение которой из токоотводов составило примерно 16-18% площади электродов. Остальные 3 батареи прошли испытания на вибропрочность по ГОСТ 959 пять раз последовательно, несколько ухудшив свои электрические характеристики - продолжительность стартерного разряда уменьшилась на 2-4%.

Пример 4

Аккумуляторные батареи 6СТ-60АЗ (Uном=12 В; Сном=60 Ач; I=280 А) в количестве 9 шт., положительная паста в которых изготовлена на установке “Бартон” из смеси двух порошков I и II в массовом соотношении 0,5:0,5 (50%:50%), с фазовым составом: I - 7±2% -РbО, 65±2% -РbО, остальное Рb, II - -РbО отсутствует, 70±2% -РbО, остальное Рb, с добавлением в пасту фосфорной кислоты 3,1%, показали на испытаниях по ГОСТ 959 на первых циклах емкость в среднем 66 Ач, продолжительность стартерного разряда на холоде в среднем 178 с. Из указанной выборки 6 батарей подверглись испытаниям на долговечность и показали количество недельных циклов наработки - 8,5 (3 батареи показали 8 циклов, другие 3 батареи - 9 циклов). Технический осмотр извлеченных из батарей блоков электродов показал частичное размягчение и оплывание положительной активной массы, выпадение которой из токоотводов составило примерно 13-16% площади электродов. Остальные 3 батареи прошли испытания на вибропрочность по ГОСТ 959 пять раз последовательно, практически не изменив своих электрических характеристик.

Таким образом, полученные данные свидетельствуют о том, что при использовании для изготовления положительной пасты смеси двух свинцовых порошков заявляемых характеристик, а также при добавлении в эту пасту фосфорной кислоты в количестве, согласно формуле изобретения одновременно повышаются удельная поверхность положительных электродов и прочность положительной активной массы, а склонность активной массы к оплыванию уменьшается. Это приводит к существенному повышению энергоемкости и срока службы аккумуляторных батарей. 



ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ


Способ улучшения электрических и эксплуатационных характеристик свинцово-кислотных аккумуляторов, при котором в пасту, приготовленную из свинцового порошка и используемую для формирования положительных электродов, вводят фосфорную кислоту Н3РО4, отличающийся тем, что свинцовый порошок получают смешиванием двух исходных свинцовых порошков I и II в массовом соотношении (0,30,7):(0,70,3) с фазовым составом: I – 510% -РbО, 5575% -РbО, остальное Pb, II – 02% -РbО, 6083% -PbO, остальное Pb, фосфорную кислоту вводят в пасту в количестве 2,55 мас.% от массы пасты.




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