Активный материал электрода химического источника тока

Активный материал электрода химического источника тока

Реферат

 

Использование: химические источники тока с водным электролитом. Материал содержит 98,1-99,5 мас. активного вещества, выбранного из группы, включающей соединения кадмия, свинца, цинка, железа, 0,1-1,7 мас. полиэтилена с мол. м. 10⁴-10⁵ и 0,2-1,8 мас. полиэтилена с мол. м. 10⁶-610⁶ Электрод с такой активной массой имеет улучшенные электрические характеристики и высокий срок службы. 1 табл.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в химических источниках тока.

Известен активный материал электрода химического источника тока, содержащий, мас. Активный материал 77,8-84,3 Синтетическое волокно 0,1-0,2 Полиэтилен 2,0-2,4 Жидкая основа Остальное Недостатком известного активного материала является низкая механическая прочность получаемых электродов, быстрое оползание электродной массы при циклировании, нестабильность структуры активного материала в процессе эксплуатации, что обуславливает невысокий срок службы электродов.

Известен активный материал электрода химического источника тока, содержащий, мас. Активное вещество 88-95 Полиэтилен 5-12 Недостатком известного активного материала является высокое содержание полиэтилена и неопределенность его молекулярной массы (ММ), что приводит к повышению внутреннего сопротивления получаемых электродов, снижению их разрядной емкости и разрядного напряжения.

Наиболее близким к изобретению активным материалом для электрода химического источника тока по совокупности признаков является активный материал, содержащий, мас. Активное вещество, со- стоящее из дисульфида титана и электропровод- ных наполнителей 70-98 Полиэтилен с ММ более 2,5х10⁵ Суммарно Полиэтилен с ММ от 10⁵ до 2,5х10⁵ 2-30 Известный активный материал предназначен для химических источников тока с неводным электролитом. Недостатком известного активного материала является то, что комбинация полиэтиленов с указанной ММ и их высокое суммарное содержание не позволяют существенно повысить срок службы, разрядную емкость, среднее разрядное напряжение электродов с активным веществом на основе соединений кадмия, цинка, железа для наиболее широко выпускаемых химических источников тока с водным электролитом.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем.

Предлагаемое изобретение направлено на комплексное улучшение эксплуатационных характеристик электродов ряда типов химических источников тока с водным электролитом: кадмиевых электродов никелькадмиевых аккумуляторов, электродов свинцовых аккумуляторов, цинковых электродов серебряно-цинковых аккумуляторов, железных электродов никельжелезных аккумуляторов и др.

При осуществлении предлагаемого изобретения достигается повышение срока службы электродов, повышение разрядной емкости и среднего разрядного напряжения электродов за счет стабилизации структуры активного материала при циклировании.

Указанный технический результат при осуществлении предлагаемого изобретения достигается тем, что в известном активном материале электрода химического источника тока, содержащем активное вещество и смесь полиэтиленов с различной молекулярной массой, активное вещество взято из группы, включающей соединения кадмия, свинца, цинка, железа, полиэтилен взят с молекулярной массой 10⁴-10⁵ и 10⁶-6х10⁶ при следующем соотношении компонентов, мас. Активное вещество 98,1-99,5 Полиэтилен с ММ10⁴-10⁵ 0,1-1,7 Полиэтилен с ММ 10⁶-6х10⁶ 0,2-1,8 Молекулярная масса полиэтилена оказывает большое влияние на его реологические характеристики, растворимость, прочностные и деформационные характеристики и вследствие этого оказывает влияние на характер распределения полиэтилена в композиции с активным веществом при изготовлении электродов, что в свою очередь отражается на электрохимических и механических характеристиках получаемых электродов. Улучшение всего комплекса эксплуатационных характеристик электродов достигается при использовании смеси полиэтиленов сверхвысокомолекулярного (ММ 10⁶-6х10⁶) и низкомолекулярного (ММ 10⁴-10⁵), взятых в указанном выше соотношении. Оптимальным является следующий состав активного материала, мас. Активное вещество 98,1-99,2 Полиэтилен с ММ 6х10⁴-10⁵ 0,4-0,5 Полиэтилен с ММ1,5х10⁶-3х10⁶ 0,4-1,5 Полиэтилены с указанной ММ выполняет каждый свою функцию в составе электрода, дополняя друг друга.

Сверхвысокомолекулярный полиэтилен образует основной несущий каркас в электродной композиции, придавая электродам высокую гибкость, прочность, стабилизируя макроструктуру электродного материала в процессе эксплуатации. Его влияние на электрохимические процессы косвенно и несильно выражено, так как такой полиэтилен из-за своей высокой вязкости не может существенно покрыть поверхность активного вещества при изготовлении электрода. В то же время он является хорошим материалом для несущего каркаса, так как обладает более высокими по сравнению с обычным полиэтиленом механическими характеристиками. Кроме того, технологические характеристики сверхвысокомолекулярного полиэтилена способствуют созданию из него непрерывной трехмерной сетки в процессе изготовления электрода.

Полиэтилен с низкой ММ из-за своей пониженной вязкости более равномерно распределяется в электродной композиции в процессе изготовления электрода. При этом он "размазывается" по поверхности частиц активного вещества и впоследствии оказывает большое влияние на электрохимические процессы при эксплуатации электрода, стабилизируя микроструктуру и поверхность активного вещества.

Применение только сверхвысокомолекулярного полиэтилена или только полиэтилена с обычной (ММ 10⁵-10⁶) или низкой ММ не позволяет комплексно улучшить эксплуатационные характеристики электродов. При этом также значительно снижается собственное действие каждого полиэтилена. Так, например, при введении в активное вещество только одного обычного или низкомолекулярного полиэтилена получаются хрупкие электроды, электродная масса при их эксплуатации быстро оползает, осыпается, что приводит к падению основных электрохимических характеристик и сокращению срока службы электродов. При введении в активное вещество только одного сверхвысокомолекулярного полиэтилена получаются электроды с нестабильной структурой и сравнительно быстро ухудшающимися электрическими параметрами. В частности, у кадмиевых электродов происходит так называемая цементация активного вещества, заключающаяся в укрупнении зерен активного вещества и сокращении его активной поверхности, приводящая к снижению разрядной емкости, повышению внутреннего сопротивления и падению среднего разрядного напряжения. При этом также снижается эффект стабилизации макроструктуры активного вещества. Например, у цинкового электрода происходит электрохимическое перемещение активного вещества к центру электрода, сопровождаемое значительным сокращением рабочей поверхности электрода.

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 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 влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата, в частности, заявленным изобретением не предусматриваются следующие преобразования: дополнение известного средства какой-либо известной частью, присоединяемой к нему по известным правилам, для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно таких дополнений; замена какой-либо части известного средства другой известной частью для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такой замены; исключение какой-либо части средства с одновременным исключением обусловленной ее наличием функции и достижением при этом обычного для такого исключения результата; увеличение однотипных элементов для усиления технического результата, обусловленного наличием в средстве именно таких элементов; выполнение известного средства или его части из известного материала для достижения технического результата, обусловленного известными свойствами материала; создание средства, состоящего из известных частей, выбор которых и связь между ними осуществлены на основании известных правил, и достигаемый при этом технический результат обусловлен только известными свойствами частей этого объекта и связей между ними.

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

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением вышеуказанного технического результата, заключаются в следующем.

Активный материал предлагаемого состава, в частности, для кадмиевого электрода никелькадмиевого аккумулятора готовят смешением при комнатной температуре, например, 98,5 г кадмиевого активного вещества (CdO 86 г, NiSO₄ 12,5 г), 0,5 г порошкообразного полиэтилена с ММ8,3х10⁴ и 1,0 г порошкообразного полиэтилена с ММ 2х10⁶. Полученный активный материал используют для изготовления электрода. Для этого в него добавляют 20 мл индустриального нефтяного масла и смешивают в двухроторном смесителе при 160^оС в течение 10 мин. Из полученной смеси при 160^оС и давлении 5 МПа прессуют листовые заготовки толщиной 0,5 мм. Затем заготовки напрессовывают с двух сторон на решетчатый токоотвод при тех же условиях. Из отформованного электрода экстрагируют масло с помощью четыреххлористого углерода. Полученный электрод при размерах 100х40х1,0 мм содержит 5,2 г активного вещества (CdO). Электрохимические характеристики электрода приведены в таблице (пример N 3).

Электрохимические испытания электродов проводили в ячейках. Пакет электродов собирали из двух стандартных окисноникелевых электродов и одного кадмиевого. Сепаратор стандартный винипластовый. Сборка пакета плотная. Электролит водный раствор KOH (плотность 1,2 г/мл). Формировку электродов проводили током 2,5 мА/см² (2 цикла). На рабочих циклах заряд и разряд проводили током 20 мА/см². Разряд проводили до напряжения 1 В.

Аналог изготовлен по соответствующей технологии следующего состава, мас.

Кадмиевое активное вещество 85 Полиэтилен с ММ1,8х10⁵ 6 Графит 9 Прототип изготовлен по описанной технологии следующего состава, мас.

Кадмиевое активное вещество 94 Полиэтилен с ММ1,8х10⁵ 3 Полиэтилен с ММ2х10⁶ 3 Результаты электрохимических испытаний кадмиевых электродов с другими вариантами состава активного материала также приведены в таблице.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании предлагаемого изобретения следующей совокупности условий: средство, воплощающее изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в промышленности, именно в электротехнике; для предлагаемого изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте нижеизложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов; средство, воплощающее изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, изобретение соответствует требованию "промышленная применимость" по действующему законодательству.

В таблице представлена зависимость электрохимических характеристик кадмиевых электродов от состава активного материала.

Формула изобретения

АКТИВНЫЙ МАТЕРИАЛ ЭЛЕКТРОДА ХИМИЧЕСКОГО ИСТОЧНИКА ТОКА, содержащий активное вещество и смесь полиэтиленов с различной молекулярной массой, отличающийся тем, что активное вещество взято из группы, включающей соединения кадмия, свинца, цинка, железа, и полиэтилен взят с мол.м. 10⁴ - 10⁵ и (1 6) х 10⁶ при следующем соотношении компонентов, мас.

Активное вещество 98,1-99,5 Полиэтилен с мол.м. 10⁴ 10⁵ 0,1 1,7 Полиэтилен с мол.м. (1 6 х 10⁶) 0,2 1,8

РИСУНКИ

Рисунок 1