Способ изготовления электродов щелочного аккумулятора

Способ изготовления электродов щелочного аккумулятора

Реферат

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

Известны способы изготовления электродов щелочного аккумулятора [см. 1 - Патент РФ №2080694, Н 01 М 4/80, 10/28, приоритет 07.07.93] путем пропитки пористой спеченной никелевой основы в растворе соответствующей азотнокислой соли (нитрата никеля или кадмия), сушки на воздухе, обработки в растворе щелочи, промывки в воде и сушки. Перечисленные операции в указанной последовательности повторяют несколько раз, пока электроды не наберут необходимый привес активной массы.

Недостатком известного способа является постепенное, от цикла к циклу, нарастание на обеих сторонах электрода слоя активной массы (гидроокиси металла), который к тому же от цикла к циклу становится все прочнее и после завершения операции пропитки счищается с поверхности электрода с большим трудом. Вместе с электродами зарастает гидроксидами металлов и оснастка, поэтому при извлечении из нее электродов часть их разрушается, из-за чего на операции отмечается повышенный брак, а оснастку приходится периодически подвергать очистке от активной массы.

В качестве прототипа выбран способ изготовления безламельных электродов щелочного аккумулятора (см. 2 - Авт. свидетельство СССР №514380, класс Н 01 М 4/26, 10/28, заявлено 03.04.74, опубликовано 15.05.76), характеризующийся тем, что стенки емкости, в которой производится обработка электродов пропиточным раствором, после освобождения от рабочего раствора на каждом цикле пропитки обмывают водой. Недостатком способа является то, что при его реализации от следов пропиточного раствора отмывается лишь сама емкость, зарастание же активной массой электродов и оснастки не предотвращается, поэтому трудоемкость операции очистки их от активной массы и брак не снижаются. Другим недостатком способа является длительность процесса изготовления электродов из-за проведения операции сушки (кристаллизации) перед обработкой в растворе щелочи, при выполнении которой к тому же в окисно-никелевых электродах, например, продолжается процесс травления никелевого каркаса, имеющий место при пропитке, которая для этого типа электродов производится в горячем кислом растворе, и в зависимости от влажности воздуха, в котором осуществляется кристаллизация, коррозионные процессы могут протекать с разной интенсивностью и глубиной, что является причиной невоспроизводимости характеристик электродов.

Заявляемый способ позволяет решить задачу снижения трудоемкости и брака при изготовлении электродов без ухудшения их характеристик. Решение поставленной задачи достигается тем, что в известном способе изготовления электродов, включающем пропитку пористой спеченной никелевой электродной основы в растворе азотнокислой соли, обработку в растворе щелочи, промывку и сушку, согласно заявляемому техническому решению, электродную основу после пропитки в растворе соли подвергают кратковременной (от 2 до 60 сек) обработке водой при температуре от 18 до 90°С, а при изготовлении окисно-никелевого электрода после обработки в воде обрабатывают в растворе щелочи.

Зарастание электродов (и оснастки, в которой они находятся) гидроокисью происходит за счет слоя пропиточного раствора, который полностью не стекает с их поверхности после извлечения из ванны (или слива этого раствора из ванны) из-за шероховатости пористой основы; в процессе кристаллизации (сушки на воздухе) этот слой фиксируется на поверхности электродов, а после нейтрализующей обработки щелочью превращается в гидроокись. Образовавшись на первом цикле, он далее утолщается от цикла к циклу. При кратковременной обработке водой (ополаскивании) электродов после извлечения из пропиточного раствора (или слива раствора из пропиточной ванны) поверхностный слой солевого раствора с электродов смывается, фиксирования его не происходит, поэтому поверхность электродов и оснастка, не зарастая активной массой, остается чистой от цикла к циклу, вплоть до завершения операции пропитки. Режимы обработки водой должны быть выбраны такими, чтобы надежно смывать именно поверхностный слой солевого раствора и, вместе с тем, по крайней мере не разбавлять раствор в порах губчатого каркаса электродной основы, чтобы не снижать интенсивность набора привеса активной массы.

Отмена операции кристаллизации перед нейтрализующей обработкой в щелочном растворе предотвращает коррозию никелевого каркаса окисно-никелевого электрода, подвергнутого кратковременной обработке водой, и в то же время, поскольку солевой раствор находится лишь в объеме пористой среды, не препятствует фиксированию в порах образующейся активной массы. С отменой операции кристаллизации процесс изготовления окисно-никелевых электродов становится независимым от влажности воздуха, что обеспечивает повышение воспроизводимости характеристик электродов.

В таблице 1 приведены результаты работ по экспериментальному обоснованию выбранных режимов изготовления электродов по предлагаемому способу.

Таблица 1Характеристики электродов в зависимости от режимов обработки в воде
№№ п/п	Тип электрода, количество циклов пропитки	Режимы обработки	Привес активной массы, г/см3	Разрядная емкость, А·ч
Температура воды, °С	Время выдержки в воде, сек
1	Окисноникелевый, 5 циклов	18	2	1,42	0,64
2	60	1,42	0,64
3	90	1,41	0,63
4	60	30	1,41	0,64
5	60	1,39	0,66
6	Кадмиевый, 8 циклов	18	2	1,96	3,02
7	30	1,96	3,15
8	60	1,94	3,14
9	60	2	1,92	2,92
10	90	1,91	3,00

Работы проводились с электродами размером: окисно-никелевыми - (82×41×0,52) мм, кадмиевыми - (120×71×0,62) мм. Электрические испытания окисно-никелевых электродов производились в режиме «Заряд током 80 мА в течение 16 часов, разряд током 160 мА до напряжения 1 В относительно кадмиевого электрода», кадмиевых - в режиме «Заряд током 800 мА в течение 6 часов, разряд током такой же величины до конечного напряжения 0,8 В относительно цинкового электрода сравнения».

Как следует из таблицы, варьирование в достаточно широком диапазоне температуры воды (от комнатной до 90°С) и продолжительности обработки (от минимальной технически возможной (2 сек) до одной минуты) заметно не сказывается на величине привеса активной массы и разрядных характеристиках как окисно-никелевых, так и кадмиевых электродов, причем поверхность электродов от цикла к циклу и вплоть до завершения операции пропитки во всех опытах, вне зависимости от режимов обработки водой, оставалась чистой. Обработка в воде продолжительностью менее 2 сек технически трудноосуществима, а более 1 минуты - нецелесообразна, поскольку при этом, во-первых, увеличивается длительность операции, во-вторых (и это главное), возникает вероятность проникновения воды в поры электрода, разбавления солевого раствора и снижения за счет этого привеса активной массы на каждом цикле пропитки. Использование воды с температурой ниже комнатной не имеет смысла, т. к. для этого ее придется охлаждать, а при обработке электродов с температурой выше 90°С возникает вероятность интенсификации коррозионных процессов в никелевом каркасе электродов; кроме того, обработка электродов почти кипящей водой технически трудноосуществима и поэтому нецелесообразна. Обработка электродов водой с температурой от комнатной до 90°С продолжительностью от 2 сек до одной минуты обеспечивает изготовление электродов с высокими привесами активной массы и разрядными характеристиками без изменения количества циклов пропитки и без зарастания поверхности активной массой и технически осуществима при любой аппаратурной схеме организации операции пропитки.

Пример 1. Из электродной основы с пористостью 69%, изготовленной методом двустороннего нанесения на полученную прокатом никелевого порошка ленту-подложку пористостью 9% и толщиной (40±3) мкм пасты, состоящей из никелевого порошка с размером частиц 2,9 мкм, порообразователя и связующего, с последующей сушкой и спеканием, вырезали электродные пластины размером (164×82×0,53) мм для изготовления окисно-никелевых электродов и размером (220×82×0,56) мм - для изготовления кадмиевых электродов. Пластины для окисно-никелевых электродов подвергали пропитке в водном растворе азотнокислого никеля плотностью (1,65±0,01) г/см³ при температуре (75±5)°С в течение 2 часов, через 1-2 мин после извлечения из пропиточной ванны окунали на 2-5 сек в горячую (60-70°С) воду, после стекания воды (1-2 мин) сразу, без сушки, погружали в раствор гидроксида калия плотностью (1,20±0,01) г/см³ при температуре (60-80)°С, выдерживали в нем 1 час, затем промывали водой и сушили на воздухе. После проведения четырех циклов пропитки по описанному режиму пластины подвергали одному циклу пропитки в водном растворе азотнокислого кобальта плотностью (1,35-1,40) г/см³ при температуре (18-30)°С, для чего выдерживали их в этом растворе 1 час, через 1-2 мин после извлечения из пропиточной ванны также окунали на 2-5 сек в горячую (60-70°С) воду, после отекания воды погружали на 1 час в раствор гидроксида калия плотностью (1,20±0,01) г/см³ при температуре (18-30)°С, затем промывали водой и сушили на воздухе.

Пластины для кадмиевых электродов подвергали пропитке в водном растворе азотнокислого кадмия плотностью (1,65±0,01) г/см³ при температуре (18-30)°С в течение 1 часа, через 1-2 мин после извлечения из пропиточной ванны окунали на 2-5 сек в горячую (60-70°С) воду, сушили 1,5 ч при температуре (100±10)°С, обрабатывали водным раствором гидроксида калия при температуре (60-80)°С в течение 1 часа, промывали водой и сушили; всего проводили 8 циклов пропитки.

Часть электродных пластин использовали для изготовления окисно-никелевых и кадмиевых электродов с пропиткой по способу прототипа. При изготовлении окисно-никелевых электродов проводили всего 5 циклов, кадмиевых - 8 циклов пропитки, причем при изготовлении положительных электродов пластины после извлечения из пропиточной ванны, перед обработкой в растворе щелочи на каждом цикле сушили на воздухе в течение 2 часов.

Электродные пластины как положительные, так и отрицательные, пропитанные по предлагаемому способу, имели чистую поверхность, пластины же, изготовленные по способу прототипа, оказались покрытыми прочным слоем активной массы. Все пластины после завершения операции пропитки подвергали механической чистке металлическими щетками; если пластины, изготовленные по способу прототипа, и после такой чистки остались покрытыми прочным слоем гидроксидов металлов, то на поверхности пластин, изготовленных предлагаемым способом, не было видно даже следов активной массы.

Пластины формировали в щелочном электролите проведением двух циклов «заряд -разряд», промывали в воде и сушили на воздухе; окисно-никелевые пластины формировали в режиме «Заряд током 600 мА в течение 7,5 часов - разряд током такой же величины до напряжения 0,9 В относительно кадмиевого электрода», кадмиевые пластины - в режиме «Заряд током 900 мА в течение 7,5 часов - разряд током такой же величины до напряжения 0,9 В относительно окисно-никелевого электрода». Затем пластины подкатывали в валках до рабочих значений толщины (окисно-никелевые - до 0,51 мм, кадмиевые - до 0,45 мм), после чего из них вырубали электроды размером: окисно-никелевые - (82×41) мм, кадмиевые - (110×41) мм.

Результаты пропитки и электрических испытаний электродов, изготовленных с применением различных способов пропитки, представлены в таблице 2.

Испытания электродов производились цитированием в режиме: окисно-никелевых - «Заряд током 80 мА в течение 16 часов - разряд током 160 мА до напряжения 1 В относительно кадмиевого электрода», кадмиевых - «Заряд током 100 мА (16 ч), разряд током 200 мА до напряжения 1 В относительно окисно-никелевого электрода». Значения разрядной емкости окисно-никелевых электродов в каждом опыте представлены данными, усредненными по трем циклам «заряд - разряд», емкость кадмиевых электродов получена на первом цикле.

Таблица 2Зависимость характеристик электродов от способа изготовления
Способ изготовления	Тип электрода, количество циклов пропитки	Привес активной массы, г/см3	Разрядная емкость, А·ч	Внешний вид электродов
Заявляемый	Окисно-никелевый, 5 циклов	1,4	0,73	На поверхности отсутствуют следы активной массы
Известный (прототип)	1,3	0,70	На поверхности имеется прочный слой активной массы
Заявляемый	Кадмиевый, 8 циклов	2,2	1,30	На поверхности отсутствуют следы активной массы
Известный (прототип)	2,0	1,25	На поверхности имеется прочный слой активной массы

Из данных таблицы 2 видно, что электроды, изготовленные предлагаемым способом, по своим характеристикам не уступают аналогичным изделиям, изготовленным известным способом, но отличаются от них чистой поверхностью. Применение предлагаемого способа позволяет (за счет предотвращения зарастания электродов и технологической оснастки активной массой) сократить общее количество бракованных изделий в 1,3-1,5 раза, снизить трудоемкость на операции чистки электродов в 2 раза, а при производстве окисно-никелевых электродов за счет отмены сушки перед обработкой в щелочном растворе - сократить общую продолжительность операции пропитки, в зависимости от количества циклов, на 8-12 часов.

Источники информации

1 Патент РФ №2080694, Н 01 М 4/80, 10/28, приоритет 07.07.93.

2 Авт. свидетельство СССР №514380, класс Н 01 М 4/26, 10/28, заявлено 03.04.74, опубликовано 15.05.76.

Способ изготовления электродов щелочного аккумулятора, включающий пропитку пористой спеченной никелевой электродной основы в растворе соли, обработку в растворе щелочи, промывку и сушку, отличающийся тем, что после пропитки в растворе соли электроды обрабатывают водой при температуре от 18 до 90°С продолжительностью от 2 до 60 с.