ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2214024

АККУМУЛЯТОРЫ НИКЕЛЬ-ГИДРИД МЕТАЛЛА, ИМЕЮЩИЕ МОЩНЫЕ ЭЛЕКТРОДЫ И СОЕДИНЕНИЯ ЭЛЕКТРОДОВ С НИЗКИМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ

АККУМУЛЯТОРЫ НИКЕЛЬ-ГИДРИД МЕТАЛЛА, ИМЕЮЩИЕ МОЩНЫЕ ЭЛЕКТРОДЫ И СОЕДИНЕНИЯ ЭЛЕКТРОДОВ С НИЗКИМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ

Имя изобретателя: РИЧМАН Бенджамин (US); ВЕНКАТЕСАН Сринивасан (US); ОВШИНСКИЙ Стэнфорд Р. (US); ФЕТСЕНКО Майкл А. (US) 
Имя патентообладателя: ОВОНИК БЭТТЕРИ КОМПАНИ, ИНК. (US)
Патентный поверенный: Кузнецов Юрий Дмитриевич
Адрес для переписки: 129010, Москва, ул. Б. Спасская, 25, стр.3, ООО "Юридическая фирма Городисский и Партнеры", пат.пов. Ю.Д.Кузнецову, рег.№ 595
Дата начала действия патента: 1998.01.29 

Предложены аккумуляторы никель-гидрид металла и электроды, способные обеспечить увеличенные выходную мощность и скорости перезарядки аккумуляторов. Положительные и отрицательные электроды могут быть сформированы путем впрессования порошкообразных гидридов металлов в качестве активных материалов в пористые металлические основы. Пористые металлические основы выполняются из меди, никеля, покрытого медью, или сплава меди и никеля. Электродные выводы непосредственно прикрепляются к пористой металлической основе с помощью соединения, которое выполняется путем сварки, пайки твердым припоем или пайки мягким припоем.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к аккумуляторам никель-гидрид металла, в частности, настоящее изобретение относится к мощным аккумуляторам никель-гидрид металла, содержащим мощные электроды, использующие высокопроводящие основы, и соединения электродов с контактными выводами, имеющие низкое сопротивление.

В последнее время наиболее прогрессивные разработки в области автомобильных аккумуляторов для приведения в движение транспортных средств были направлены в первую очередь на выполнение требований, которые предъявляются для чисто электрических транспортных средств. Для этой цели Стенфорд Овшинский и его группы по разработке аккумуляторов в Energy Conversion Denices, Inc. и Ovonic Battery Company сделали большие успехи в технологии аккумуляторов никель-гидрид металла.

Вначале Овшинский и его группы обратились к сплавам гидридов металлов, которые образуют отрицательный электрод. В результате этих усилий им удалось получить очень высокие характеристики по обратимому аккумулированию водорода, требующиеся для эффективных и экономичных применений аккумуляторов, и создать аккумуляторы, способные аккумулировать энергию с высокой плотностью, эффективной реверсивностью, высокой электрической эффективностью, эффективным аккумулированием водорода в объеме без структурных изменений или загрязнений, с большой долговечностью при цикличной работе и повторяющейся глубокой разрядкой. Улучшенные характеристики этих сплавов "Ovonic" (Овоник), как они теперь называются, получены в результате разработки локальной химической упорядоченности и, следовательно, локальной структурной упорядоченности путем внедрения выбранных элементов-модификаторов в исходную матрицу. Разупорядоченные сплавы гидридов металлов имеют существенно более высокую плотность каталитически активных центров и аккумулирующих центров по сравнению с одно- или многофазными кристаллическими материалами. Эти дополнительные центры отвечают за улучшенную эффективность электрохимической зарядки и разрядки и увеличивают способность к аккумулированию электрической энергии. Природа и число аккумулирующих центров могут создаваться даже независимо от каталитически активных центров. А более конкретно, эти сплавы разработаны для объемного аккумулирования диссоциированных атомов водорода при силах связывания в пределах диапазона обратимости, подходящей для использования во вторичных приложениях аккумуляторных батарей.

Некоторые чрезвычайно эффективные материалы для электрохимического аккумулирования водорода были созданы на основе описанных выше разупорядоченных материалов. Это активные материалы типа Ti-V-Zr-Ni, которые описаны в патенте США 4551400 ("Патент '400") Сапру, Хонг, Фетченко и Венкетсен (Sapru, Hong, Fetcenko, Venkatesan), раскрытие которого включено в качестве ссылки на источник информации. Эти материалы обратимо образуют гидриды, для того чтобы аккумулировать водород. Все материалы, используемые в Патенте '400, используют общую композицию Ti-V-Ni, в которой присутствует, по меньшей мере, Ti, V и Ni, и они могут быть модифицированы Cr, Zr и А1. Материалы из Патента '400 являются многофазными материалами, которые могут содержать, но не ограничиваться, одну или несколько фаз с кристаллическими структурами типа C14 и C15.

Другие сплавы Ti-V-Zr-Ni также используются для отрицательных электродов с обратимым аккумулированием водорода. Одно из семейств таких материалов описано в патенте США 4728586 ("Патент '586") Венкетсена, Рейчмена и Фетченко, раскрытие которого включено в качестве ссылки на источник информации. В Патенте '586 описан специальный подкласс этих сплавов Ti-V-Ni-Zr, содержащий Ti, V, Zr, Ni и пятый компонент, Cr. В Патенте '586 упоминается возможность использования добавок и модификаторов помимо компонентов сплава, Ti, V, Zr, Ni и Cr, и в общем виде обсуждаются конкретные добавки и модификаторы, количества и взаимодействия этих модификаторов и конкретные выгоды, которые можно от них ожидать.

В противоположность сплавам "Овоник", описанным выше, упорядоченные сплавы обычно рассматривались как "упорядоченные" материалы, которые имели другие химические свойства, микроструктуру и электрохимические характеристики. Рабочие характеристики ранее созданных упорядоченных материалов были плохими, но в начале 1980-х, по мере увеличения степени модификации (то есть по мере увеличения числа и количества элементных модификаторов), их рабочие характеристики стали значительно улучшаться. Это связано с тем, что их электрические и химические свойства изменяются в зависимости от того, насколько значительное разупорядочение внесено модификаторами. Такое развитие сплавов, от специального класса "упорядоченных" материалов до современных многокомпонентных, многофазных "разупорядоченных" сплавов, показано в следующих патентах: (i) Патент США 3874928; (ii) Патент США 4214043; (iii) Патент США 4107395; (iv) Патент США 4107405; (v) Патент США 4112199; (vi) Патент США 4125688; (vii) Патент США 4214043; (viii) Патент США 4216274; (ix) Патент США 4487817; (х) Патент США 4605603; (xii) Патент США 4696873 и (xiii) Патент США 4699856. (Эти источники информации подробно обсуждаются в Патенте США 5096667, и это обсуждение специально включено в качестве ссылки на источник информации).

Просто утверждалось, что во всех сплавах металл-гидрид, по мере увеличения степени модификации, роль первоначально упорядоченного базового сплава является ролью с меньшим значением по сравнению со свойствами и разупорядочением, присущими конкретным модификаторам. Кроме того, анализ имеющихся в настоящее время на рынке и созданных различными производителями многокомпонентных сплавов указывает, что эти сплавы модифицированы в соответствии с направляющей линией, установленной для систем со сплавом Овоник. Таким образом, как утверждалось выше, все сильно модифицированные сплавы являются разупорядоченными материалами, характеризующимися наличием множества компонент и множества фаз, т.е. сплавами Овоник.

Овшинский и его группы затем обратили внимание на положительный электрод аккумуляторов. Сегодня положительные электроды представляют собой обычно электроды с никелевой пастой, которые состоят из частиц гидроксида никеля, контактирующих с электропроводящей сеткой или основой, предпочтительно имеющей высокую площадь поверхности. Существует несколько вариантов таких электродов, включая так называемые пластически связанные никелевые электроды, которые используют графит в качестве микропроводника, а также включая так называемые пено-металлические электроды, которые используют пену никеля с высокой пористостью в качестве основы, заполненной сферическими частицами гидроксида никеля и кобальтовыми добавками, увеличивающими проводимость. Пастированные электроды типа пена-металл уже начали проникать на потребительский рынок благодаря их низкой стоимости и более высокой плотности энергии по сравнению со спеченными никелевыми электродами.

Обычно считается, что реакция, происходящая на электроде никелевого аккумулятора, представляет собой одноэлектродный процесс, включающий окисление гидроксида двухвалентного никеля в оксигидроксид трехвалентного никеля при зарядке и затем разрядку оксигидроксида трехвалентного никеля до гидроксида двухвалентного никеля, как показано ниже в уравнении 2.

Некоторые полученные в последнее время свидетельства указывают на то, что в окислительно-восстановительной реакции гидроксида никеля участвует четырехвалентный никель. Это не новая концепция. В действительности, о существовании четырехвалентного никеля впервые сделал предположение Томас Эдисон в некоторых его ранних патентах на аккумуляторные батареи. Однако полное использование четырехвалентного никеля никогда не исследовалось.

На практике обычно не наблюдается способность электрода переносить большее число электронов, чем один, что соответствует теоретической способности переносить один электрон. Одна из причин этого заключается в неполном использовании активного материала из-за электронной изоляции окисленного материала. Поскольку восстановленный материал гидроксида никеля имеет высокое электрическое сопротивление, восстановление гидроксида никеля вблизи токоприемника приводит к образованию менее проводящей поверхности, которая мешает последующему восстановлению окисленного активного материала, который находится дальше.

Овшинский и его группы разработали материалы для положительного электрода, которые продемонстрировали надежный перенос более чем одного электрона на один атом никеля. Такие материалы раскрыты в Патенте США 5344728 и 5348822 (которые описывают стабилизированные разупорядоченные материалы положительных электродов) и Патенте США 5569563, выданном 29 октября 1996 г. , и Патенте США 5567549, выданном 22 октября 1996 г.

В результате этих исследований в области активных материалов отрицательных и положительных электродов Овоник аккумулятор никель-гидрид металла (Ni-ГМ) достиг передовой стадии развития для ЭТ (электрических транспортных средств). Группы Овшинского смогли создать аккумуляторные батареи для электрических транспортных средств, которые способны обеспечить передвижение электрического транспортного средства на более чем 350 миль на одной зарядке (Tour d'Sol 1996). Овоник аккумулятор Ni-ГМ продемонстрировал великолепную плотность энергии (до примерно 90 Вт/кг), долговечность при циклической работе (свыше 1000 циклов при 80% ГР (глубина разрядки)), устойчивость к эксплуатации с нарушением норм и способность быстро перезаряжаться (до 60% за 15 мин). Кроме того, Овоник аккумулятор продемонстрировал более высокую плотность мощности, чем аккумуляторы, созданные по любой другой технологии, при проверке и оценке характеристик для их использования в качестве источника аккумулированной энергии для ЭТ (электрических транспортных средств).

Несмотря на то, что Овшинский и его группы сделали большие успехи в создании аккумуляторных батарей для чисто электрических транспортных средств, Partnership for a New Generation of Vehicles (PNGV), государственная компания в области автопромышленности, созданная в США в 1996 г., сделала предположение, что гибридные электрические транспортные средства (ГЭТ) смогут в следующем десятилетии занять лидирующее положение в достижении цели трехкратной экономии автомобильного топлива. Для реализации этой цели потребуются легкие, компактные, мощные аккумуляторные батареи.

Использование системы с гибридным приводом предполагает значительные преимущества в экономии топлива и обеспечении сверхнизких выбросов. Топливные двигатели достигают максимальной эффективности, когда они работают при постоянном числе оборотов в минуту (об/мин). Поэтому пиковая эффективность топлива может быть достигнута при использовании топливного двигателя с постоянным числом оборотов в минуту, для того чтобы обеспечить энергией мощную систему аккумулирования энергии, которая выдает пиковую мощность для ускорения, а также забирает обратно кинетическую энергию при использовании регенеративного торможения.

Аналогично, исходя из возможности использовать небольшой двигатель, работающий с максимальной эффективностью и связанный с системой аккумулирования энергии для обеспечения импульсной мощностью, предлагается наилучшая конструкция для сведения к минимуму выбросов, связанных с использованием топливного двигателя. Таким образом, ключом технологии для ГЭТ является система аккумулирования энергии, способная обеспечить очень высокую импульсную мощность и прием высоких регенеративных токов при торможении с очень высокой эффективностью. Для рабочего цикла устройства, вырабатывающего импульсную мощность, требуется исключительная долговечность при циклической работе с низкой глубиной разрядки.

Важно понять, что для такой системы аккумулирования энергии выдвигаются другие требования по сравнению с системами для чисто электрических транспортных средств. Дальность - это критический фактор для практических ЭТ, делающий критическим оценочным параметром плотность энергии. Мощность и долговечность при циклической работе определенно важны, но для ЭТ они становятся вторичными по сравнению с плотностью энергии.

И напротив, в системах с импульсной мощностью для ГЭТ подавляющее значение имеет плотность мощности. Исключительная долговечность при циклической работе с низкой глубиной разрядки также более критична, чем более обычная долговечность при циклической работе при 80% ГР, требующаяся в системах для ЭТ. Плотность энергии важна для того, чтобы уменьшить вес аккумуляторной батареи и объем, но вследствие более меньшего размера аккумулятора эта характеристика является менее критичной, чем плотность мощности. Возможность быстрой перезарядки - это также существенный фактор для обеспечения эффективного регенеративного торможения, а эффективность зарядки и разрядки - это критический фактор для поддержания аккумулятора в заряженном состоянии в отсутствие внешней зарядки.

Можно ожидать, что из-за таких фундаментальных различий в требованиях, предъявляемых к системам для ЭТ, и в требованиях к системам для ГЭТ, аккумуляторы, которые в настоящее время оптимизированы для использования в системах с ЭТ, не будут подходящими для ГЭТ, если не повысить плотность мощности. Несмотря на то, что продемонстрированные рабочие характеристики Овоник аккумуляторов для ЭТ были впечатляющими, эти конструкции гальванических элементов и батарей были оптимизированы для использования в чисто ЭТ и, поэтому, они не удовлетворяют специфическим требованиям для ГЭТ.

Таким образом, существует потребность в аккумуляторах высокой мощности, которые имеют рабочую характеристику по пиковой мощности, требующуюся для ГЭТ, а, кроме того, обладают уже продемонстрированными рабочими характеристиками Овоник аккумуляторов Ni-ГМ и испытанной возможностью их промышленного изготовления.

В основу настоящего изобретения положена задача создания аккумуляторов никель-гидрид металла и электродов для них, которые способны вырабатывать повышенную выходную мощность, и обладающих повышенными скоростями перезарядки.

Эта и другие задачи решаются с помощью аккумулятора никель-гидрид металла, включающего, по меньшей мере, один отрицательный электрод, имеющий пористую металлическую основу и электродный вывод, прикрепленный к электроду, усовершенствование заключается в том, что пористая металлическая основа образована из меди, никеля, покрытого медью, или сплава меди и никеля, а электродный вывод непосредственно прикреплен к пористой металлической основе с помощью соединения, обладающего низким электрическим сопротивлением. Соединение с низким электрическим сопротивлением выполняется путем сварки, пайки твердым припоем или пайки легкоплавким припоем.

Эта и другие задачи удовлетворяются с помощью отрицательного электрода, предназначенного для использования в аккумуляторе никель-гидрид металла, при этом отрицательный электрод включает пористую металлическую основу, а отрицательный электрод прикреплен к электродному выводу, а усовершенствование заключается в том, что пористая металлическая основа выполнена из меди, никеля, покрытого медью, или сплава меди и никеля, а электродный вывод непосредственно прикреплен к основе с помощью соединения, обладающего низким электрическим сопротивлением.

Фиг. 1 представляет электрод для призматического аккумулятора Ni-ГМ, прикрепленный к электродному выводу.

фиг. 2 представляет области коррозии, иммунности и пассивности меди при 25oС.

фиг.3 представляет удельную мощность (Вт/кг) для аккумуляторов Ni-ГМ типа С-элемента в виде функции от возможной глубины разрядки в процентах.

Задача настоящего изобретения заключается в увеличении выходной мощности перезаряжаемого аккумулятора никель-гидрид металла (Ni-ГМ). Обычно выходная мощность может быть увеличена путем уменьшения внутреннего сопротивления аккумулятора. Снижение внутреннего сопротивления уменьшает потери, связанные с диссипацией мощности в аккумуляторе, вследствие чего увеличивается мощность, которая может использоваться для приведения в движение внешних нагрузок. Внутреннее сопротивление аккумулятора никель-гидрид металла может быть уменьшено путем увеличения проводимости элементов аккумулятора, а также соединений между элементами.

Обычно аккумулятор Ni-ГМ включает, по меньшей мере, один отрицательный электрод и, по меньшей мере, один положительный электрод. Электродный вывод может быть прикреплен к каждому отрицательному и положительному электродам для обеспечения электрического соединения электрода с соответствующим выходным контактом аккумулятора Ni-ГМ (т.е. отрицательный электрод с отрицательным выходным контактом, а положительный электрод с положительным выходным контактом). На фиг. 1 показан вариант электрода 1, прикрепленного к электродному выводу 2 для призматического аккумулятора Ni-ГМ. Электрод 1, показанный на фиг. 1, представляет собой либо отрицательный, либо положительный электрод аккумулятора Ni-ГМ. Обычно электродный вывод 2 может быть выполнен из любого электропроводящего материала, который является стойким к коррозии в условиях среды аккумулятора. Предпочтительно электродный вывод выполняется из никеля или меди, покрытой никелем.

В аккумуляторах Ni-ГМ используется отрицательный электрод, имеющий активный материал, который способен обеспечить обратимое электрохимическое аккумулирование водорода. Отрицательный электрод также включает пористую металлическую основу, в которой размещается активный материал. Отрицательный электрод может быть выполнен путем впрессования активного материала (в порошкообразном виде) в пористую металлическую основу. Для увеличения сцепления порошкообразного активного материала с пористой металлической основой отрицательный электрод может также подвергаться спеканию.

При подаче на аккумулятор Ni-ГМ электрического напряжения активный материал отрицательного электрода заряжается вследствие электрохимического поглощения водорода и электрохимического образования ионов гидроксила. На отрицательном электроде протекает следующая электрохимическая реакция:



Реакции, протекающие на отрицательном электроде, являются обратимыми. При разрядке аккумулированный водород выделяется с образованием молекулы воды и при этом выделяется электрон.

Активный материал отрицательного электрода представляет собой материал, аккумулирующий водород. Материал, аккумулирующий водород, может быть выбран из активных материалов Ti-V-Zr-Ni таких, которые описаны в Патенте США 4551400 ("Патент '400"), раскрытие которого включено в качестве ссылки на источник информации. Как обсуждалось выше, материалы, используемые в Патенте '400, используют общую композицию Ti-V-Ni, в которой присутствуют, по меньшей мере, Ti, V и Ni, по меньшей мере, с одним или несколькими элементами из Cr, Zr и А1. Материалы из Патента '400 являются многофазными материалами, которые могут содержать, но не ограничиваться, одну или несколько фаз с кристаллическими структурами типа С14 и C15.

Существуют другие сплавы Ti-V-Zr-Ni, которые также могут использоваться для материала отрицательного электрода, аккумулирующего водород. Одно из семейств таких материалов описано в патенте США 4728586 ("Патент '586"), раскрытие которого включено в качестве ссылки на источник информации. В Патенте '586 описан специальный подкласс этих сплавов Ti-V-Ni-Zr, содержащий Ti, V, Zr, Ni и пятый компонент Сr. В Патенте '586 упоминается возможность использования добавок и модификаторов помимо компонентов сплава, Ti, V, Zr, Ni и Сr, и в общем виде обсуждаются конкретные добавки и модификаторы, количества и взаимодействия этих модификаторов и конкретные выгоды, которые можно от них ожидать.

Помимо материалов, описанных выше, материалы, аккумулирующие водород, для отрицательного электрода аккумулятора Ni-ГМ могут также выбираться из разупорядоченных сплавов гидридов металлов, которые подробно описаны в Патенте США 5277999 ("Патент '999") Овшинского и Фетченко, раскрытие которого включено в качестве ссылки на источник информации.

Проводимость отрицательного электрода может быть увеличена путем увеличения проводимости пористой металлической основы отрицательного электрода. Как уже обсуждалось выше, отрицательный электрод может быть выполнен путем впрессования активного материала, аккумулирующего водород, в пористую металлическую основу. Обычно пористая металлическая основа представляет собой, но не ограничивается, сетку, решетку, "циновку", фольгу, пену, пластинку и пористый металл. Предпочтительно пористая металлическая основа, используемая для отрицательного электрода, представляет собой сетку, решетку, пористый металл. Настоящее изобретение описывает отрицательный электрод для аккумулятора Ni-ГМ, содержащий пористую металлическую основу, которая выполнена из меди, никеля, покрытого медью, или сплава меди и никеля. В настоящем описании под "медью" понимается чистая медь или сплав меди, а под "никелем" понимается чистый никель или сплав никеля.

Фиг. 2 иллюстрирует области коррозии, иммунности и пассивности меди при 25oС. Горизонтальная ось представляет рН электролита, а вертикальная ось представляет электрический потенциал материала, содержащего медь. Электрический потенциал показан относительно водородного эталона (вертикальная ось, обозначенная "Н"), а также относительно эталона Нg/НgО (вертикальная ось, обозначенная "Нg/НgО"). В настоящем описании все величины напряжения даны относительно эталона Нg/НgО, если не оговорено другое. Использование меди в элементах с щелочным электролитом ранее исключалось из-за растворимости меди в электролите КОН. Фиг.2 иллюстрирует, что при определенных рабочих условиях (т. е. рН и напряжении) медь будет подвергаться действию коррозии. Фиг.2 также иллюстрирует, что при соответствующих величинах рН и напряжении медь проявляет иммунность к коррозии. При соответствующих рабочих условиях медная основа, находящаяся в контакте с активным материалом из гидрида металла, катодно защищена во всем диапазоне рабочих параметров для элемента Ni-ГМ.

Во время нормального чередования зарядки и разрядки аккумулятора Ni-ГМ отрицательный электрод с гидридом металла находится под электрическим потенциалом примерно -0,85 В, а рН на отрицательном электроде с гидридом металла примерно 14. Эта рабочая точка показана как рабочая точка А на фиг.2. Как видно на фиг. 2, рабочее напряжение -0,85 ниже (т.е. более отрицательное), чем напряжение растворения меди приблизительно на -0,4 В (для рН примерно 14). Следовательно, во время нормального чередования зарядки и разрядки аккумулятора Ni-ГМ отрицательный электрод с гидридом металла, использующий медную основу, обладает иммунностью к коррозии.

Во время разрядки аккумулятора Ni-ГМ более глубокой, чем нормальная, положительный электрод становится электродом, выделяющим водород, вследствие чего восстановление никеля заменяется на электролиз воды с образованием газообразного водорода и ионов гидроксида. Поскольку аккумулятор Ni-ГМ выполняется со стехиометрическим избытком гидрида металла в качестве активного материала, потенциал отрицательного электрода сохраняется близким к -0,8 В. Кроме того, водород, выделившийся на положительном электроде, окисляется на отрицательном электроде с гидридом металла, дополнительно стабилизируя потенциал отрицательного электрода на величине примерно -0,8 В. При низких токах чрезмерная разрядка может происходить неограниченно без разрядки отрицательного электрода с гидридом металла, необходимой для увеличения потенциала отрицательного электрода до величины, требующейся для растворения меди. При высоких токах водород выделяется быстрее, чем он рекомбинирует, и имеется суммарная разрядка отрицательного электрода с гидридом металла. Однако разрядка значительно меньшая, чем требуется для поднятия потенциала отрицательного электрода до уровня, при котором происходит растворение меди. Даже когда отрицательный и положительный электроды коротко замкнуты, стехиометрический избыток гидрида металла обеспечивает сохранение отрицательного электрода с гидридом металла под потенциалом примерно -0,8 В, и он все еще защищен от растворения меди. Следовательно, медь в основе отрицательного электрода с гидридом металла защищена при всех условиях за исключением тех, когда отрицательный электрод с гидридом металла будет неизбежно необратимо разрушаться из-за собственного окисления.

Как показано, при рабочих параметрах отрицательного электрода с гидридом металла материал медной основы защищен от коррозии. Однако для увеличения надежности аккумулятора и дополнительной защиты отрицательного электрода от агрессивной химической среды в аккумуляторе пористая металлическая основа, выполненная из вышеупомянутых материалов, меди, никеля, покрытого медью, или сплава меди и никеля, может быть еще дополнительно покрыта материалом, который электропроводящий и, кроме того, является стойким к коррозии в среде аккумулятора. Примером материала, который может быть использован для покрытия пористой металлической основы, является, но им не ограничивается, никель.

Использование меди для выполнения пористой металлической основы отрицательного электрода имеет несколько важных преимуществ. Медь - превосходный электрический проводник. Следовательно, ее использование в качестве материала основы уменьшает сопротивление отрицательного электрода. Это уменьшает величину мощности аккумулятора, которая теряется из-за внутренней диссипации мощности, и вследствие этого обеспечивается увеличение выходной мощности аккумулятора Ni-ГМ.

Кроме того, медь - мягкий металл. Мягкость очень важна из-за расширения и сжатия отрицательных электродов во время чередования зарядки и разрядки аккумулятора Ni-ГМ. Повышенная пластичность основы способствует предотвращению разрушения электрода в результате расширения и сжатия, что приводит к повышению надежности аккумулятора.

Повышенная пластичность основы также позволяет основе более надежно удерживать активный материал, аккумулирующий водород, который спрессован на поверхности основы. Это уменьшает потребность в термообработке отрицательных электродов после того, как активный материал был спрессован на основе, благодаря чему упрощается процесс изготовления электрода и уменьшается его стоимость.

Проводимость отрицательного электрода может быть также увеличена путем увеличения проводимости активного материала отрицательного электрода. Проводимость активного материала может быть увеличена путем включения меди в материал гидрида металла. Это может быть сделано многими различными способами. Один из способов - это смешивание медного порошка с гидридом металла во время приготовления активного материала. Другой способ - это заключение частиц гидрида металла в оболочку из меди с помощью процесса химического меднения. Помимо увеличения проводимости добавление меди позволит понизить температуру термообработки, когда активный материал спекается в медной основе и в уменьшении электрического сопротивления между каждым положительным электродом и соответствующим электродным выводом.

Проводимость отрицательного электрода может также быть увеличена путем покрытия медью отрицательного электрода после того, как активный материал в виде гидрида металла был спрессован (и возможно подвергнут спеканию) на поверхности основы. Покрытие медью может выполняться через шаблон или без шаблона. Помимо увеличения проводимости электрода медное покрытие служит дополнительным средством, гарантирующим, что активный металл останется "приклеенным" к основе.

Отрицательный электрод, описанный в настоящем описании, может применяться во всех аккумуляторах Ni-ГМ, включая, но не ограничиваясь, призматические аккумуляторы Ni-ГМ и цилиндрические, "рулет с вареньем", аккумуляторы Ni-ГМ.

Как обсуждалось выше, электродный вывод может быть прикреплен к каждому отрицательному электроду и каждому положительному электроду аккумулятора Ni-ГМ для обеспечения электрического соединения между каждым электродом и соответствующим выходным контактом аккумулятора. Другой способ увеличения удельной выходной мощности аккумулятора Ni-ГМ заключается в уменьшении электрического сопротивления соединения между каждым отрицательным электродом и соответствующим электродным выводом.

Каждый электродный вывод может быть прикреплен непосредственно к пористой металлической основе соответствующего электрода так, чтобы образовывать соединение, имеющее низкое электрическое сопротивление. Такое соединение в настоящем описании называется "соединение с низким электрическим сопротивлением". Соединение с низким электрическим сопротивлением определяется в настоящем описании как соединение между двумя или более материалами (такими как металлы), в котором два или более материалов соединены друг с другом за счет процесса сплавления или смачивания. Примеры, в которых два металла соединяются за счет сплавления, - это сварка и пайка твердым припоем. Пример, в котором два металла соединяются за счет процесса смачивания, это пайка легкоплавким припоем. Следовательно, соединение с низким сопротивлением может быть выполнено с помощью таких методов, которые включают, но не ограничиваются, сварку, пайку твердым припоем или пайку легкоплавким припоем. Используемая технология сварки включает, но не ограничивается, контактную сварку сопротивлением, лазерную сварку, сварку электронным пучком и ультразвуковую сварку.

Как обсуждалось выше, пористая металлическая основа отрицательного электрода может быть выполнена из сетки, решетки, "циновки", фольги, пены, пластины или пористого металла. Предпочтительно пористая металлическая основа отрицательного электрода представляет собой сетку, решетку или пористый металл. Для увеличения удельной мощности аккумулятора Ni-ГМ электродный вывод может прикрепляться к сетке, решетке или пористому металлу с помощью соединения с низким электрическим сопротивлением. Предпочтительно электродный вывод может привариваться, припаиваться твердым припоем или припаиваться легкоплавким припоем к сетке, решетке или пористому металлу. Более предпочтительно, чтобы электрический вывод мог привариваться к сетке, решетке или пористому металлу. Как уже обсуждалось, технология сварки включает, но не ограничивается, контактную сварку сопротивлением, лазерную сварку, сварку электронным пучком и ультразвуковую сварку.

Раскрытое в настоящем описании соединение с низким электрическим сопротивлением может применяться и к положительным и к отрицательным электродам аккумулятора Ni-ГМ. Кроме того, соединение с низким электрическим сопротивлением может применяться во всех аккумуляторах Ni-ГМ, включая, но не ограничиваясь, призматические аккумуляторы Ni-ГМ и цилиндрические аккумуляторы Ni-ГМ.

Выходная мощность аккумуляторов никель-гидрид металла также может быть увеличена путем увеличения проводимости положительных электродов аккумуляторов. Как и в случае с отрицательными электродами, это делается путем соответствующего выбора материалов, из которых изготавливаются элементы электродов.

Положительный электрод аккумулятора никель-гидрид металла может быть выполнен путем впрессования порошкообразного активного материала положительного электрода в пористую металлическую основу. Каждый положительный электрод может иметь токопринимающий вывод, прикрепленный, по меньшей мере, к одной точке на электроде. Токопринимающий вывод может быть приварен к положительному электроду. Технология сварки включает, но не ограничивается, контактную сварку сопротивлением, лазерную сварку, сварку электронным пучком или ультразвуковую сварку.

В аккумуляторах Ni-ГМ обычно используется положительный электрод, имеющий гидроксид никеля в качестве активного материала. На положительном электроде протекают следующие реакции:



Положительный электрод с гидроксидом никеля описан в Патентах США 5344728 и 5348822 (которые описывает стабилизированные разупорядоченные материалы положительного электрода) и Патенте США 5569563 и Патенте США 5567549, раскрытие которых включено в качестве ссылки.

Проводимость положительного электрода может быть увеличена путем увеличения проводимости пористой металлической основы электрода. Пористая металлическая основа положительного электрода включает, но не ограничивается, сетку, решетку, фольгу, пену, "циновку", пластинку, пористый металл. Предпочтительно пористая металлическая основа представляет собой вспененный материал. Раскрытый в настоящем описании положительный электрод содержит пористую металлическую основу, которая выполнена из меди, никеля, покрытого медью, или сплава медь-никель. Выполнение основы из одного или нескольких этих материалов увеличивает проводимость положительных электродов аккумулятора. Это уменьшает величину мощности, растрачиваемой без пользы из-за внутренней диссипации мощности, и вследствие этого увеличивает выходную мощность аккумулятора Ni-ГМ.

Для защиты пористой металлической основы положительного электрода от агрессивной среды в аккумуляторе пористая металлическая основа может быть покрыта материалом, который является электропроводящим и, кроме того, стойким к коррозии в среде аккумулятора. Предпочтительно пористая металлическая основа может быть покрыта никелем.

Положительные электроды, раскрытые в настоящем описании, могут применяться для всех аккумуляторов Ni-ГМ, включая, но не ограничиваясь, призматические аккумуляторы Ni-ГМ и цилиндрические, "рулет с вареньем", аккумуляторы Ni-ГМ.

Другой объект настоящего изобретения - это аккумулятор никель-гидрид металла, содержащий, по меньшей мере, один отрицательный электрод, относящийся к типу, раскрытому в настоящем описании. Аккумулятор никель-гидрид металла включает, но не ограничивается, призматические аккумуляторы Ni-ГМ и цилиндрические, "рулет с вареньем", аккумуляторы Ni-ГМ (т.е. АА-элементы, С-элементы и т.д.).

Пример 1

В таблице 1 показана мощность при 50 и 80% ГР (глубине разрядки) для призматических аккумуляторов Ni-ГМ, имеющих положительные и отрицательные электроды, содержащие раскрытые в настоящем описании материалы основы.

В примере 1 размеры положительных электродов - 5,5 дюймов высота, 3,5 дюймов ширина и . 0315 дюймов глубина. Размеры отрицательных электродов - 5,25 дюймов высота, 3,38 дюймов ширина и .0145 дюймов глубина. В строке 1 таблицы 1 основа положительных электродов и основа отрицательных электродов формируются из никеля (основа положительных электродов формируется из вспененного никеля, а основа отрицательных электродов формируется из металлической никелевой сетки). В этом случае удельная мощность при 50% ГР (глубина разрядки) примерно 214 Вт/кг, а удельная мощность при 80% ГР примерно 176 Вт/кг.

В строке 2 таблицы 1 основа положительных электродов формируется из вспененного никеля, но основа отрицательных электродов теперь формируется из медной металлической сетки. В этом случае удельная мощность при 50% ГР примерно 338 Вт/кг, а удельная мощность при 80% ГР примерно 270 Вт/кг.

Удельная выходная мощность аккумулятора Ni-ГМ может быть также увеличена путем регулирования высоты, ширины и глубины положительных и отрицательных электродов. Отношение высоты к ширине электродов (т.е. высота, деленная на ширину) определяется в настоящем описании как "аспектное отношение" электродов. Аспектное отношение положительных и отрицательных электродов может регулироваться для увеличения удельной мощности. Более того, электроды могут быть выполнены более тонкими, для того чтобы ввести несколько электродных пар в каждый аккумулятор, благодаря чему уменьшается плотность тока, протекающего через каждый электрод.

Пример 2

В таблице 2 показана удельная мощность призматического аккумулятора Ni-ГМ, использующего основу положительных электродов из пены никеля, а основу отрицательных электродов из медной металлической сетки. Помимо этого, аспектное отношение положительных и отрицательных электродов было изменено по сравнению с примером 1 для увеличения удельной выходной мощности аккумулятора.

В примере 2 аспектные отношения (высота, деленная на ширину) положительного и отрицательного электродов была изменена для увеличения удельной мощности аккумулятора. Положительные электроды имели размеры: примерно 3,1 дюймов высота, 3,5 дюймов ширина, а отрицательные электроды имели размеры: примерно 2,9 дюймов высота, 3,3 дюймов ширина. Аспектные отношения положительных и отрицательных электродов из примера 2 примерно .89 и примерно .88, соответственно. И напротив, аспектные отношения положительных и отрицательных электродов из примера 1 примерно 1,57 и примерно 1,55, соответственно. Аспектные отношения в примере 2 ближе к "единице", чем в примере 1.

В примере 2 положительные и отрицательные электроды также были выполнены более тонкими, чтобы ввести несколько пар электродов в аккумулятор, благодаря чему уменьшается плотность тока, протекающего через каждый электрод. В примере 2 положительные электроды имеют глубину примерно 0,028 дюймов, а отрицательные электроды имеют глубину примерно 0,013 дюймов. Аккумуляторы Ni-ГМ, использующие положительные и отрицательные электроды, имеющие аспектные отношения, аналогичные аспектным отношениям из примера 2, но использующие никель для обоих электродов, положительных и отрицательных, имеют удельную мощность примерно 300 Вт/кг при 50% ГР и примерно 225 Вт/кг при 80% ГР.

Пример 3

Как упоминалось выше, материалы для основы, раскрытые в настоящем описании, также могут использоваться для отрицательных и положительных электродов цилиндрических, "рулет с вареньем", аккумуляторов Ni-ГМ. А конкретно, в таблице 3 удельная выходная мощность аккумулятора Ni-ГМ типа С-элемента увеличивается, если для отрицательного электрода в качестве материала основы используется медь. Каждая строка в таблице 3 показывает удельную мощность при 20% ГР и 80% ГР. Для каждой строки основа положительного электрода состоит из пены никеля.

В строках 1 и 2 токоприемный вывод прикреплен к отрицательному электроду. В строке 1 основа отрицательного электрода состоит из пористого металлического никеля, а в строке 2 основа отрицательного электрода состоит из пористой металлической меди. Таблица 3 показывает, что использование меди в качестве материала основы увеличивает удельную мощность аккумулятора.

В строках 3 и 4 токоприемный вывод приварен к отрицательному электроду. В строке 3 основа отрицательного электрода состоит из пористого металлического никеля, а в строке 4 основа отрицательного электрода состоит из пористой металлической меди. И опять таблица 3 показывает, что использование меди в качестве материала основы увеличивает удельную мощность аккумулятора.

В общем виде данные, представленные в таблице 3, показывают, что для аккумулятора Ni-ГМ типа С-элемента использование меди в качестве основы материала для отрицательных электродов увеличивает выходную удельную мощность аккумулятора независимо от того, прикреплены электродные выводы к электродам или непосредственно приварены к основе. Данные также показывают, что вообще удельная мощность аккумулятора увеличивается, если электродные выводы непосредственно привариваются к электродам, а не прикрепляются к электродам.

Данные, представленные в таблице 3, показаны в графическом виде на фиг. 3. Фиг.3 показывает выходную удельную мощность аккумуляторов Ni-ГМ типа С-элемента (четыре случая, представленных в примере 3) в виде функции от глубины разрядки в % (показанные данные соответствуют точкам 0, 20, 50 и 80% ГР).

Несмотря на то, что изобретение было описано в отношении предпочтительных вариантов и способов его осуществления, понятно, что подразумевается, что изобретение не ограничивается этими предпочтительными вариантами и способами его осуществления. Напротив, подразумевается, что изобретение включает все альтернативные, модифицированные и эквивалентные варианты, которые могут подпадать под сущность и объем изобретения, как оно определено в прилагаемой формуле изобретения.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Щелочной никель-металл гидридный аккумулятор, содержащий щелочной электролит, по меньшей мере один положительный электрод, имеющий электродный вывод, по меньшей мере один отрицательный электрод, имеющий электродный вывод, причем отрицательный электрод включает пористую металлическую основу, содержащую чистую медь и аккумулирующий водород сплав, впрессованный в указанную основу, при этом электродный вывод приваривается к указанной основе указанного отрицательного электрода, при этом указанный отрицательный электрод с гидридом металла, использующий медную основу, при соответствующих величинах рН и напряжения проявляет иммунность к коррозии.

2. Аккумулятор по п.1, в котором пористая металлическая основа представляет собой сетку, пластинку или тянутый металл.

3. Отрицательный электрод для использования в щелочном никель-металл гидридном аккумуляторе, включающий пористую металлическую основу, содержащую чистую медь, аккумулирующий водород сплав, впрессованный в указанную основу и электродный вывод, приваренный к указанной основе.

4. Электрод по п.3, в котором пористая металлическая основа представляет собой сетку, пластинку или тянутый металл.

5. Щелочной никель-металл гидридный аккумулятор, содержащий щелочной электролит, по меньшей мере один положительный электрод, имеющий электродный вывод, и по меньшей мере один отрицательный электрод, имеющий электродный вывод, при этом отрицательный электрод включает пористую металлическую основу, содержащую сплав меди и аккумулирующий водород сплав, впрессованный в указанную основу, причем электродный вывод приваривается к указанной основе указанного отрицательного электрода, при этом указанный отрицательный электрод с гидридом металла, использующий медную основу, при соответствующих величинах рН и напряжения проявляет иммунность к коррозии.

6. Аккумулятор по п.5, в котором пористая металлическая основа представляет собой сетку, пластинку или тянутый металл.

7. Аккумулятор по п.5, в котором сплав меди является сплавом медь-никель.

8. Отрицательный электрод для использования в щелочном никель-металл гидридном аккумуляторе, включающий пористую металлическую основу, содержащую сплав меди, аккумулирующий водород сплав, впрессованный в указанную основу, и электродный вывод, приваренный к указанной основе.

9. Электрод по п.8, в котором пористая металлическая основа представляет собой сетку, пластинку или тянутый металл.

10. Электрод по п.8, в котором сплав меди является сплавом медь-никель.

Версия для печати
Дата публикации 25.03.2007гг


вверх