Изготовление электродов для аккумуляторов

способ изготовления электрода электрического аккумулятора

Использование: производство химических источников тока. Сущность изобретения: 100 мас.ч. активного материала смешивают с 2,4-24 мас.ч. связующего — водной дисперсии сополимера бутадиена и органического вещества и 10-40 мас. ч. воды, наносят полученную смесь на токоотвод и сушат. Электрод имеет высокую механическую прочность и прост в изготовлении. 1 табл.

Формула изобретения

Способ изготовления электрода электрического аккумулятора путем смешивания активного материала со связующим в виде водной дисперсии сополимера бутадиена и органического вещества, нанесения смеси на токоотвод и сушки, отличающийся тем, что в качестве органического вещества берут метилметакрилат при следующем соотношении компонентов смеси, мас.ч.

Активный материал 100
Связующее 2,4 24
Вода 10 40
а сушку ведут до остаточной влажности 1,0 3,5%

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнической промышленности, в частности к производству никель-кадмиевых, никель-гидридных и других щелочных аккумуляторов, и может быть использовано в производстве первичных химических источников тока.

Известен способ изготовления электрода электрического аккумулятора, включающий смешивание активного материала со связующим, нанесение смеси на токоотвод и сушку [1]
К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного способа, относится ограниченность его осуществления в части использования более эффективных методов нанесения активной массы на токоотвод, кроме как метода намазки. Это вызвано тем, что при использовании других методов нанесения, а именно вальцевания и прессования, которые позволяют получить электроды с более высокими удельными характеристиками, влажная смесь активной массы будет выдавливаться. Кроме того, в процессе сушки активной массы намазного электрода неизбежно его коробление, что вызывает необходимость дополнительной операции прокатки его для выравнивания. Сушка требует полного отверждения связующего. В результате этого при прокатке высушенных электродов происходит разрушение образовавшейся из полимерного связующего скелетной структуры электрода, вследствие чего снижается прочность и гибкость электрода, нарушается контакт между отдельными частицами активного материала, что ведет к снижению емкостных характеристик электрода.

Наиболее близким способом изготовления электрода того же назначения по совокупности признаков является способ изготовления электрода электрического аккумулятора, включающий смешивание активного материала со связующим в виде водной дисперсии сополимера бутадиена и органического вещества, нанесение смеси на токоотвод и сушку [2] принято за прототип.

К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного способа, относится невозможность за одну основную операцию (вальцевание, прессование) получить электрод с заданными весовыми характеристиками из-за сильной ползучести пасты. При нанесении пасты на токовый коллектор к обычному оборудованию, применяемому для осуществления данного способа, необходимы дополнительные водоотнимающие и исключающие прилипание пасты к рабочим частям средства пористые ленты, корды и т.п. что значительно усложняет процесс изготовления.

Кроме того, электроды, полученные данным способом с рекомендуемым связующим, обладают ограниченной гибкостью, что сужает спектр применяемости, например в малогабаритных цилиндрических ХИТ, из-за растрескивания электродов при сворачивании в рулон.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Целью изобретения является получение нового способа изготовления электрода электрического аккумулятора из известного ряда таких же способов, который по сравнению с другими представителями этого ряда обеспечивал бы упрощение технологического процесса и повышение механической прочности электрода.

Технический результатом, полученным при осуществлении изобретения, является упрощение технологического процесса путем уменьшения количества оборудования для его осуществления и разделения операций сушки и непосредственного получения готового электрода, т.е. сушка не предопределяет суммарное технологическое время, а задел активной массы с определенной конечной влажностью, не влияющей на электрохимические и гравиметрические характеристики электрода, позволяет гибко использовать это время, а также повышение механической прочности электрода за счет уменьшения хрупкости и растрескивания его при сворачивании в рулон для малогабаритных цилиндрических ХИТ.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе изготовления электрода электрического аккумулятора, включающем смешивание активного материала со связующим, нанесение смеси на токоотвод и сушку, в качестве связующего берут водную дисперсию сополимера бутадиена и метилметакрилата при следующих соотношениях компонентов, мас.ч.

Активный материал 100
Водная дисперсия сополимера бутадиена и метилметакрилата 2,4-24
Вода 10-40,
а сушку ведут до остаточной влажности 1,0-2,5%
Заявленный способ обеспечивает расширение технологических возможностей в части использования различных методов нанесения активной массы на токоотвод и обеспечивает получение повышенной гибкости электрода (без разрушения основы) за счет использования нового связующего с соответствующим соотношением компонентов и сушки смеси до определенной остаточной влажности.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «новизна» по действующему законодательству.

Для проверки соответствия заявленного изобретения требованию изобретательского уровня заявитель провел дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «изобретательский уровень» по действующему законодательству.

Способ осуществляется следующим образом.

Для изготовления электрода смешивают 100 мас.ч. активного материала с 2,4-24 мас.ч. связующего. В качестве связующего берут предварительно разбавленную водой водную дисперсию сополимера бутадиена и метилметакрилата (синтетический латекс ДММА-65 ГП (ГК), причем латекса берут из расчета 2 o C10% по сухому веществу. Латекс берут 37-41%-ный, так как при увеличении концентрации уменьшается его агрегативная устойчивость и увеличивается вязкость. При смешивании добавляют воду 10-40 мас.ч. Затем производят сушку смеси до остаточной влажности 1-3,5% и наносят на токоотвод.

Прочность и гибкость полученных электродов обусловлена оптимальным соотношением физических параметров и свойств применяемого связующего, так как физическое воздействие (вальцевание, прессование) на активную массу производится в стадии желатинизации связующего (с остаточной влажностью), т.е. в момент, когда латекс имеет наибольшие адгезионные свойства, а в процессе нанесения массы происходит удаление остатков влаги и упрочняется связь на молекулярном уровне. Пористость готовых электродов объясняется полидисперсностью латекса (наличие частиц от 0,1 до 50 нм), которая приводит к образованию неоднородной структуры (пленки на составляющих активной массы) с неплотной упаковкой латексных частиц, при которой отдельные крупные частицы разделены промежутками, соизмеримыми с их размером или превышающими его. Образуется пористая пространственно-скелетная гидрофильная сетка, не вызывающая диффузионных затруднений.

Пример 1. Берут порошок водородсорбирующего сплава (ВСС) для отрицательного электрода никель-металлгидридного аккумулятора, добавляют электропроводную ацетиленовую сажу в количестве 2,5% (можно и без нее, так как применяемые металлы и их гидриды обладают электропроводностью на 2-3 порядка выше, чем сажа). Отдельно готовят раствор 41%-ной водной дисперсии сополимера бутадиена и метилметакрилата (латекс ДММА-65 ГК (ГП). Латекс разбавляют дистиллированной водой с соотношением объемов 1:1. На 100 г сплава берут 12,2 г 41%-ного латекса, что обеспечивает 5%-ное содержание сухого остатка сополимера в активной массе и разбавляют его 12 мл воды. Затем при перемешивании (n 500-800 об/мин) вводят разбавленный латекс в сухую смесь, добавляют 1/2 объема воды (от ранее введенной, т.е. 12/2 6 г (на 100 г сплава) и производят перемешивание в течение 20 мин. При данных условиях и при указанном процентном содержании готовая активная масса после перемешивания имеет «пышную» консистенцию. Затем готовую массу сушат на поддоне в шкафу при 80 o С до конечного содержания влаги в активной массе 2,5% После чего готовую активную массу вальцуют на никелевую просечную-растяжную ленту толщиной 0,1 мм. Ремень выходит гибкий и прочный, выдерживает изгиб с радиусом 5 мм без трещин и изломов. Толщина ремня регулировалась от 0,6 мм до 0,9 мм. Затем ремень разрубают на электроды нужного типоразмера, приваривают токоотвод и используют для сборки аккумуляторов.

Пример 2. В условиях примера 1 водную дисперсию бутадиена и метилметакрилата берут в количестве 2,2 мас.ч. а сушку производят до содержания влаги в активной массе до 0,9% Ремень выходит прочный, но более толстый (при тех же зазорах между валками) 0,75-1,0 мм и жесткий, при сворачивании в кольцо растрескивается.

Пример 3. В условиях примера 1 водную дисперсию бутадиена и метилметакрилата берут в количестве 2,4 мас.ч. а сушку производят до содержания влаги в активной массе до 1, Ремень получается ровный, гладкий, гибкость хорошая.

Пример 4. В условиях примера 1 водную дисперсию бутадиена и метилметакрилата берут в количестве 24,0 мас.ч. а сушку производят до содержания влаги в активной массе до 4, Ремень получается удовлетворительной толщины, прочный, гибкость хорошая.

Пример 5. В условиях примера 1 водную дисперсию бутадиена и метилметакрилата берут в количестве 24,1 мас.ч. а сушку производят до содержания влаги в активной массе до 4,1% Активная масса (при тех же зазорах валков) вальцевалась плохо, ремень идет с пропусками, происходит налипание массы на вальцы. Ремень получается с удовлетворительной прочностью при достаточно больших зазорах между вальцами. Основа толстая и ломкая.

Были также изготовлены активные массы для положительных и отрицательных электродов для никель-кадмиевых аккумуляторов.

Для положительных электродов применялась масса, состоящая из гидрата закиси никеля, графита (и без него), карбонильного никеля (применяется в серийном производстве) и предлагаемого латекса, процентное содержание которого варьировалось от 2 до 10% по сухому веществу (2,4-24 мас.ч.).

При приготовлении положительной активной массы без графита электропроводной составляющей являлся порошок карбонильного никеля с содержанием от 20 до 60 мас. по отношению к гидрату закиси никеля.

В отрицательную массу, состоящую из окиси кадмия и различных стабилизиpующих добавок (применяется в серийном производстве), вводилось то же количество латекса.

Во всех вышеперечисленных примерах имели место высоковоспроизводимые технологические характеристики, которые отражены в табл.1.

Предлагаемый способ позволяет изготавливать электроды для ХИТ обеих полярностей с высоковоспроизводимыми вольт-амперными и технологическими характеристиками, применим также для изготовления основ для металлокерамических электродов и электродов для первичных ХИТ.

Таким образом, заявленное изобретение соответствует требованию «промышленная применимость» по действующему законодательству.

Источник

электрод для щелочного аккумулятора и способ его изготовления

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при производстве щелочных аккумуляторов и электродов для них. Сущность изобретения — использование в качестве токопроводящей основы трехслойной никелевой фольги. Центральный слой имеет пористость 5 — 25% и толщину 30 — 60 мкм. Поверхностные слои имеют пористость 60 — 80% и толщину 70 — 150 мкм. Токоотвод выполнен прессовкой токопроводящей основы до минимальной пористости. Электрод изготавливается путем прокатки и спекания центрального слоя в восстановительной атмосфере, формирования поверхностных слоев путем нанесения никелевой суспензии на обе стороны центрального слоя и спекания в восстановительной атмосфере, опрессовки под токоотводы и их отжига, внесения активной массы в токопроводящую основу химическим или электрохимическим методом. Техническим результатом изобретения является повышение удельных электрических характеристик электрода. 2 с.п. ф-лы.

Формула изобретения

1. Электрод для щелочного аккумулятора, содержащий трехслойную пористую токопроводящую основу, токоотвод и активную массу, отличающийся тем, что в качестве токопроводящей основы взята пористая никелевая фольга, состоящая из центрального слоя с пористостью 5 — 25% и толщиной 30 — 60 мкм и поверхностных слоев пористостью 60 — 80% и толщиной 70 — 150 мкм, при этом отношение пористостей к толщинам центрального и поверхностных слоев составляет 0,06 — 0,4 и 0,2 — 0,6 соответственно.

2. Способ изготовления электрода по п.1, включающий прокатку основы, ее спекание в восстановительной атмосфере и последующее внесение активной массы, отличающийся тем, что путем прокатки и спекания в восстановительной атмосфере формируют центральный слой, формирование поверхностных слоев проводят путем последующего нанесения никелевой суспензии на обе стороны центрального слоя и спекания в восстановительной атмосфере, места под токоотводы опрессовывают и отжигают, внесение активной массы в токопроводящую основу осуществляют химическим или электрохимическим методами.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при производстве электродов для щелочных аккумуляторов различных электрохимических систем.

Известен электрод щелочного аккумулятора, содержащий пористую токопроводящую основу из пористой никелевой фольги, токоотвод и активную массу (см. патент РФ 2098891, кл. H 01 M 4/24, 1997).

Недостатком электрода является невысокая емкость из-за небольшого количества активной массы, внесенной в подложку.

Из известных электродов для щелочного аккумулятора наиболее близким по совокупности существенных признаков является электрод для щелочного аккумулятора, содержащий трехслойную пористую токопроводящую основу, токоотвод и активную массу (авторское свидетельство СССР 324679, кл. H 01 M 4/24, 1971).

Недостатком этого электрода являются низкие удельные электрические характеристики из-за значительной массы и толщины трехслойной пористой основы.

Из известных способов изготовления электрода для щелочного аккумулятора наиболее близким по совокупности существенных признаков является способ изготовления электрода, включающий прокатку основы, ее спекание в восстановительной атмосфере и последующее внесение активной массы (патент РФ 2098892 C1, кл. H 01 M 4/24, 1997).

Недостаток этого способа связан с тем, что он не позволяет изготовить электрод с трехслойной основной из пористой никелевой фольги.

Задачей изобретения является создание электрода для щелочного аккумулятора, обладающего повышенными удельными электрическими характеристиками.

Указанный технический результат достигается тем, что в электроде для щелочного аккумулятора, содержащем трехслойную пористую токопроводящую основу, токоотвод и активную массу, в качестве токопроводящей основы взята пористая никелевая фольга, состоящая из центрального слоя с пористостью от 5 до 25% и толщиной от 30 до 60 мкм, и поверхностных слоев пористостью от 60 до 80% и толщиной от 70 до 150 мкм, при этом соотношение пористостей и толщин центрального и поверхностного слоев составляет от 0,06 до 0,4 и от 0,2 до 0,6 соответственно. Заявляемый диапазон пористостей, толщин и их соотношений для центрального и поверхностного слоев является оптимальным. При пористости центрального слоя меньше 5% и поверхностного слоя меньше 60% электрод будет иметь низкие характеристики из-за недостаточного содержания активной массы. При пористости центрального слоя более 25% и поверхностного слоя больше 80% электрод будет иметь низкие характеристики из-за повышенного электрического сопротивления токопроводящей основы. При толщине центрального слоя меньше 30 мкм и поверхностного слоя меньше 70 мкм электрод будет обладать недостаточной механической прочностью. При толщине центрального слоя более 60 мкм и толщине поверхностного слоя более 150 мкм у электрода будут пониженные удельные характеристики из-за избыточной массы.

Что касается способа изготовления, то результат достигается за счет того, что в способе изготовления электрода по п. 1, включающем прокатку основы, ее спекание, в восстановительной атмосфере формируют центральный слой, формирование поверхностных слоев проводят путем последующего нанесения никелевой суспензии на обе стороны центрального слоя и спекания в восстановительной атмосфере, места под токоотводы опрессовывают и отжигают, внесение активной массы в токопроводящую основу осуществляют химическим или электрохимическим методом.

Проведенный анализ уровня техники показал, что заявленная совокупность существенных признаков, изложенная в формуле изобретения, неизвестна. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявленного технического решения критерию «новизна».

Для проверки соответствия заявленного изобретения критерию «изобретательский уровень» проведен дополнительный поиск известных технических решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения. Установлено, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники. Следовательно, заявленное изобретение соответствует критерию «изобретательский уровень».

Сущность изобретения поясняется примером практической реализации электрода.

Электрод для щелочного аккумулятора изготавливался следующим образом. Из никелевого порошка со средним размером частиц 15 мкм путем прессования в валках при давлении 250 кгс/см 2 и последующего спекания в водородной проходной печи изготавливали пористый центральный слой. Полученный слой имел толщину 35 мкм и обладал пористостью 17%. На обе поверхности полученного пористого слоя наносили никелевую суспензию (смесь 80% никелевого порошка и 20% порообразователя в этиловом спирте), сушили, подпрессовывали и спекали в водородной среде при температуре 900 o C. Полученная основа имела толщину 235 мкм при пористости поверхностных слоев 65%. Из полученной основы вырубался электрод с токоотводящим ушком. Токоотводящее ушко опрессовывали до минимально возможной плотности, после чего проводили отжиг при температуре 500 o C. Полученную токопроводящую пористую основу с токоотводящим ушком активировали путем последовательной пропитки в растворах нитрата никеля плотностью 1,21 г/см 3 и гидроксида калия плотностью 1,4 г/см 3 . Количество введенной активной массы определялось по величине привеса электрода. Требуемое количество активной массы вводилось повторением пропитки в указанных растворах. После отмывки в дистиллированной воде и сушки электрод подвергался циклированию в экспериментальной ячейке с цинковым противоэлектродом. Полученный электрод показал в процессе циклирования высокие стабильные электрические характеристики.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что заявленные электрод для щелочного аккумулятора и способ его изготовления могут быть реализованы на практике с достижением заявленного технического результата, т.е. они соответствуют критерию «промышленная применимость».

Источник