способ изготовления пористой основы безламельного электрода щелочного аккумулятора

Формула изобретения

Способ изготовления пористой основы безламельного электрода щелочного аккумулятора путем двустороннего нанесения на пористую ленту-подложку пасты из никелевого порошка со средним размером частиц 2,9 мкм и связующего, сушки и спекания в восстановительной атмосфере при температуре 990÷1010°С, отличающийся тем, что никелевый порошок вводят в пасту из расчета 20÷40% от общей массы, при этом толщину наружных слоев основы выдерживают равной от 50 до 150 мкм.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано в производстве щелочных аккумуляторов с безламельными электродами.

Известны способы изготовления пористой основы электрода щелочного аккумулятора (см. [1] - Патент США №3186871, кл. 136-29, 1965 г.) путем формирования пористой спеченной пластины слоистой структуры из пасты, состоящей из никелевого порошка, воды, пластификатора и технологических добавок. После сушки и спекания в атмосфере водорода получают основу с пористостью центрального слоя 90% и наружных слоев 70%.

Недостатком известного способа является то, что электроды, изготовленные с использованием такой основы, не обладают требуемыми механическими характеристиками, имеют малый срок службы, обусловленный разрушением электродов при эксплуатации из-за недостаточной прочности высокопористого (90%) центрального слоя.

В качестве прототипа выбран способ изготовления пористой основы электрода щелочного аккумулятора (см. [2] - Патент РФ №2040831, Н 01 М 4/80,10/28, Пр. 02.09.92), включающий двустороннее нанесение на пористую ленту-подложку пасты, состоящей из никелевого порошка со средним размером частиц 1,5-3,5 мкм, связующего и порообразователя, сушку и спекание в восстановительной атмосфере при температуре 1000-1250°С.

Недостатком способа является то, что внесение в изготовленную по данному изобретению электродную основу активной массы может быть успешно осуществлено, как показал эксперимент, лишь путем многократной последовательной пропитки основ в растворах солей соответствующих активных металлов и щелочи. Использование же такой основы для изготовления электродов по более экономичной и менее металло- и трудоемкой технологии, например намазных и вальцованных электродов, не обеспечивает получения приемлемых электрических характеристик и стабильности их при циклировании электродов и собранных из них аккумуляторов из-за малого количества внесенной активной массы и недостаточной прочности сцепления ее с основой. К недостаткам способа относится также необходимость введения в пасту при изготовлении электродной основы порообразователя (в количестве 12-15% мас. относительно никелевого порошка), в качестве которого используется основной углекислый никель, относящийся к довольно дорогостоящим химическим реактивам.

Предлагаемый способ позволяет решить задачу повышения электрических и механических характеристик электродов щелочных аккумуляторов и стабильности их при циклировании, а также экономии материалов.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в известном способе изготовления электродной основы путем двустороннего нанесения на пористую ленту-подложку пасты из никелевого порошка со средним размером частиц 1,5-3,5 мкм и связующего, сушки и спекания в восстановительной атмосфере при температуре 1000-1250°С, согласно заявляемому техническому решению никелевый порошок вводят в пасту в количестве 20-40% от общей массы, при этом толщину наружных слоев выдерживают равной 50-150 мкм.

Использование для нанесения на подложку жидкой пасты, содержащей всего 20-40% мас. никелевого порошка, позволяет формировать губчатые слои грубой структуры, причем не в виде сплошного покрытия, а в виде равномерно расположенных по поверхности подложки локальных порошковых образований («островков»), что обеспечивает внедрение активной массы в электродную основу механическим путем. Введение в пасту менее 20% мас. порошка и нанесение губчатых слоев тоньше 50 мкм приводит к получению электродной основы со слоями, имеющими слишком размытую структуру, в связи с чем в нее не удается внести активную массу в количестве, необходимом для получения высоких разрядных характеристик электродов. Кроме того, при нанесении слишком жидкой пасты из-за увеличенного количества связующего, приходящегося на частицы порошка, последние слабо припекаются к подложке, что приводит к снижению прочности сцепления активной массы с электродной основой и к ухудшению в связи с этим стабильности электрических характеристик электродов при эксплуатации, а также к увеличению брака основы. Использование пасты, содержащей более 40% мас. порошка, нанесение губчатых слоев толщиной более 150 мкм приводит к уменьшению коэффициента использования полезного объема электродной основы и соответственно к ухудшению удельных электрических характеристик электродов.

Выбранный интервал концентраций вводимого в пасту никелевого порошка и толщин наносимых слоев обеспечивает изготовление электродной основы с такой структурой губчатых слоев, которая позволяет вносить в эти слои механическим путем по намазной или вальцованной технологии требуемое количество активной массы и соответственно изготавливать электроды с высокими электрическими характеристиками, обеспечивая при этом прочное сцепление активной массы с электродной основой и тем самым устойчивость характеристик изделий при эксплуатации.

Пример 1. Для изготовления электродной основы на ленту-подложку толщиной 60 мкм и пористостью 12%, полученную прокатом никелевого порошка с последующим спеканием в атмосфере водорода при температуре (1250±10)°С, наносили с двух сторон пасту, которую получали смешиванием 30 мас. ч. никелевого порошка со средним размером частиц 2,9 мкм и 70 мас. ч. связующего (3,5%-ного водного раствора метилцеллюлозы). После нанесения ленту вначале сушили на воздухе (толщина ее при этом составила (280±20) мкм), а затем спекали в атмосфере водорода при температуре (1000±10)°С. Толщина готовой электродной ленты в среднем составила 260 мкм, толщина наружных слоев - 100 мкм.

Электродная лента была использована для изготовления кадмиевых электродов с размером пористой части (122×71,2×0,42) мм двух типов: по намазной технологии и вальцованных. Электроды первого типа изготавливали путем двустороннего нанесения на электродную ленту пасты, полученной замешиванием на 3%-ном водном растворе поливинилового спирта порошковой шихты из оксида кадмия (88,4% мас.), гидроксида никеля (7,2% мас.), графита (2,0% мас.) и соляровой фракции (2,4% мас.). После сушки при температуре (100±10)°С в течение 1 ч толщина ленты с нанесенными слоями составила 940-950 мкм; путем подкатки в валках она была доведена до заданного (420 мкм) значения.

Вальцованные электроды изготавливали путем нанесения на ленту с двух сторон пасты, полученной замешиванием оксида кадмия на этиловом спирте (80 см³ на 100 г оксида кадмия) с добавкой гидроксида никеля, 60%-ной водной суспензии фторопласта - 4 Д и метилцеллюлозы (соответственно 7%, 3 и 1% относительно оксида кадмия). После сушки (при температуре до 100°С) толщина ленты составила 940-950 мкм; прессованием она была доведена до рабочего значения (420 мкм).

Электроды обоих типов были подвергнуты испытаниям циклированием в режиме «заряд током 0,7 А в течение 5,5 ч - разряд током такой же величины до напряжения 0,9 В относительно окисно-никелевого электрода сравнения».

Результаты испытаний представлены в таблице 1. Для удобства в таблице показаны лишь значения емкости на первом и десятом циклах и далее через каждые 10 циклов.

Пример 2. Для сравнения была изготовлена электродная основа с такой же средней толщиной (260 мкм), как и в примере 1, по способу прототипа. Пасту готовили замешиванием 60 мас. ч. шихты из никелевого порошка со средним размером частиц 2,9 мкм, содержащей 12% мас.порообразователя (карбоната никеля), и 40 мас. ч. связующего. Электродная лента была использована для изготовления намазных кадмиевых электродов по способу, описанному в примере 1. Результаты испытаний электродов циклированием приведены в таблице 1.

Таблица 1 Разрядные характеристики электродов в зависимости от способа изготовления
№ п.п	Способ изготовления	Тип Электрода	Емкость электродов, А·ч, по циклам
			1	10	20	30	40	50	60	70	80	90
1	Предлагаемый	Намазной	2,36	2,39	2,35	2,34	2,33	2,40	2,42	2,40	2,37	2,37
2		Вальцованный	2,40	2,38	2,36	2,34	2,30	2,46	2,41	2,38	2,37	2,36
3	Известный (прототип)	Намазной	1,68	1,66	1,65	1,64	1,61	1,62	1,59	1,57	1,56	1,55

Из данных таблицы1 видно, что емкость электродов на базе электродной основы, изготовленной предлагаемым способом, за счет увеличения полезной доли объема, занимаемой активной массой, заметно (примерно на 30%) превышает емкость электродов, изготовленных из основы по прототипу. Такие электроды отличаются также более высокой стабильностью характеристик при циклировании.

Применение предлагаемого способа изготовления основы позволяет не менее чем на 50% сократить расход никелевого порошка на формирование наружных слоев и полностью отказаться от использования порообразователя (основного углекислого никеля). Кроме того, использование этого способа облегчает механизацию процесса изготовления основы и электродов, позволяет организовать ленточную технологию их производства, обеспечивая тем самым дополнительную экономию материалов, снижение трудоемкости и себестоимости изделий в целом.