PL190918B1 - Kratka elektrody ołowiowego akumulatora kwasowego - Google Patents

Abstract

1. Kratka elektrody olowiowego akumulatora kwasowego uformowana w procesie odlewania w formie skladanej, znamienna tym, ze ma nastepujacy zestaw skladników w procentach wago- wych: Wapn 0,035 - 0,085 Cyna 1,2 - 1,55 Srebro 0,002 - 0,035 Aluminium 0,005 Olów Reszta PL PL PL PL PL PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest kratka elektrody ołowiowego akumulatora kwasowego.

Ołów jest stosowany w ołowiowowych akumulatorach kwasowych do wytworzenia tlenku, który jest wykorzystywany do produkcji materiału na dodatnie jak i ujemne elektrody. Ołów jest także wykorzystywany jako struktura nośna i przewodząca, to jest na dodatnie i ujemne płytowe kratki elektrodowe z materiału aktywnego. Jednak w swojej czystej formie ołów jest zbyt miękki, aby go poddać obróbce w procesie produkcji płyt oraz następującym później montażu w produkcie finalnym, jakim jest akumulator.

Dla wzmocnienia kratek płytowych wykorzystuje się wiele różnych stopów ołowiu. Na przykład w konwencjonalnych samochodowych akumulatorach ołowiowo kwasowych stosuje się kratki wykonane ze stopu antymonoołowiowego, w którym zawartość antymonu mieści się w zakresie od około 3 do 42 procent wagowych. Stopy te poddają się obróbce w akceptowalnym ekonomicznie stopniu przy wykorzystaniu technik odlewania grawitacyjnego. Jednak przy stosowaniu stopu antymonoołowiowego, występuje niekorzystne gazowanie, a za tym - utrata wody. Ponadto, wraz ze wzrostem procentowego udziału antymonu rośnie stopień wydzielania się gazów.

Znany akumulator hybrydowy zawiera dodatnią elektrodę wykonaną ze stopu antymonoołowiowego o niskiej zawartości antymonu, zasadniczo około 1,3% - 1,6% antymonu, oraz elektrodę ujemną wykonaną ze stopu ołowiowo wapniowego. Ponieważ ilość antymonu w kratce elektrody ujemnej wpływa na stopień wydzielania się gazów, zamiana jej na elektrodę wykonaną ze stopu ołowiowo wapniowego obniża stopień wydzielania się gazów. Jednak w czasie użytkowania akumulatora można zauważyć, że antymon przechodzi z elektrody dodatniej na elektrodę ujemną, tak że występuje proces wydzielania się gazów. Jest on jednak znacznie mniejszy niż miało by to miejsce, gdyby ujemna elektroda była wykonana z antymonu.

Dla obniżenia stopnia wydzielania gazów, stop z jakiego wykonano elektrodę dodatnią zamieniono na kompozycję ołowiowo wapniową. Stopy te zawierają zwykle dodatkowe elementy, takie jak cyna i srebro. Ponadto, różne inne dodatki wykorzystywane są w celu poprawienia rozdrobnienia ziaren krystalicznych metalu, takie jak arsen, siarka i miedź. Akumulatory o takich elektrodach ciągle narażone są na wystąpienie efektu wydzielania się gazów, który występuje w stopniu odpowiadającym około 30% do 40% procesu zachodzącego w akumulatorze o elektrodach ze stopu antymonoołowiowego.

Różnego rodzaju stopy antymonoołowiowe do produkcji elektrod akumulatorowych przedstawione są w opisach patentowych USA o numerach 4 125 690, 2 860 969, 3 287 165 oraz 5 298 350.

Ostatnio, wyposażenie pojazdów zmieniło się w ogromnym stopniu. Trend obejmuje zaokrąglenia, bardziej aerodynamiczne nadwozia. W rezultacie, przednia kratka wlotowa zmniejszyła w sposób znaczący rozmiary, i w końcu prawdopodobnie zniknie całkowicie. Obszar kratki był jedynym obszarem w jakim świeże chłodne powietrze mogło przedostać się do wnętrza komory silnika, pomagając w obniżeniu temperatury akumulatora.

Ponadto, oprócz zmian stylistycznych, w niektórych konstrukcjach obszar komory silnika w typowym pojeździe także się zmniejszył, wymuszając zbliżenie wszystkich elementów do silnika. W niektórych pojazdach, blisko zamontowane katalizatory, zawory EGR lub inne elementy, które wywołują wzrost temperatury, są umieszczone w sąsiedztwie systemu wydechowego, a intensywność wypromieniowania ciepła przez te elementy powoduje, że temperatura w komorze silnikowej staje się coraz wyższa.

Ta zwartość konstrukcji, wraz ze wzrostem liczby podróży nawet w obszary pustynne, zwiększa przeciętną temperaturę, na którą narażony jest akumulator i elektrolit.

Firma Battery Council International (BCI) okresowo przeprowadza badania akumulatorów podlegających testom gwarancyjnym. Jedno z takich badań wykazało, iż w pewnych obszarach Stanów Zjednoczonych, gdzie panują wyższe średnie temperatury, zanotowano najkrótszy czas użytkowania akumulatorów. Ponadto stwierdzono krótki czas użytkowania akumulatorów, w związku z wydzielaniem gazów oraz niekorzystnym ubytkiem wody, co powoduje zwiększenie korozji elektrody dodatniej oraz jej rozrost, co jest jedną z podstawowych przyczyn awarii. Całkowite przejście na akumulatory ołowiowo wapniowe w tych obszarach Stanów Zjednoczonych przedłużyło czas użytkowania akumulatorów przez zredukowanie efektu wydzielania gazów, a przez co utraty wody, jednakże poszukiwane są dalsze usprawnienia.

PL 190 918 B1

Kratka elektrody ołowiowego akumulatora kwasowego, uformowana w procesie odlewania w formie składanej, według wynalazku charakteryzuje się tym, że ma następujący zestaw składników w procentach wagowych:

Wapń 0,035 - 0,085

Cyna 1,2 -1,55

Srebro 0,002 - 0,035

Aluminium 0,005

Ołów Reszta

Korzystnym jest, że zawartość wapnia mieści się w przedziale pomiędzy ,,,35 a ϋ,ϋ55 procent wagowych.

Korzystnym jest, że zawartość srebra mieści się w przedziale pomiędzy ,,,25 a ,,,35 procent wagowych.

Korzystnym jest, że zawartość cyny mieści się w przedziale pomiędzy 1,30 a 1,20 procent wagowych.

Korzystnym jest, że zawartość wapnia mieści się w przedziale pomiędzy ,,,45 a ,,,85 procent wagowych.

Korzystnym jest, że zawartość srebra mieści się w przedziale pomiędzy ,,„2 a ,,„49 procent wagowych.

Stosowane są dwa sposoby wytwarzania ołowiowo wapniowych elektrod dodatnich. Pierwszy polega na wykorzystaniu składanej formy odlewniczej. Drugi polega na wykorzystaniu procesu rozciągania siatki metalu, przy użyciu do produkcji siatki zarówno taśm obrabianych plastycznie, jak i odlewanych. Techniki te są całkowicie różne i wymagają zastosowania nieznacznie różniących się stopów ołowiowo wapniowych.

W systemie odlewania w formie składanej, wytwarzana kratka jest stosunkowo sztywna, o pełnych krawędziach po każdej ze stron, zarówno na górze jak i na dole. Pomaga to usztywnić kratkę i ułatwia zapobieganie pionowemu wzrostowi kratki. Ponieważ struktura jest zasadniczo sztywna, do nadania wytrzymałości w wysokich temperaturach, na jakie akumulator jest narażony, może być wykorzystana mniejsza zawartość wapnia, co sprawia, iż wzrasta twardość. Dodane srebro zwiększa wytrzymałość. Najważniejszym jednak składnikiem stopu jest cyna. W ilości wprowadzonej według wynalazku, cyna powoduje dalszy wzrost wytrzymałości w wysokich temperaturach przez wprowadzenie odporności na korozję międzykrystaliczną oraz odporności na wzrost kratki w czasie. Cyna ponadto ułatwia proces ładowania akumulatora z poziomu głębokiego rozładowania, w szczególności spowodowanego przez pobór energii przy niewielkim prądzie, typowo rzędu miliamperów.

Rozciąganie siatki z metalu zapewnia kratkę o krawędzi górnej, natomiast bez ramy bocznej oraz bez wyraźnie ukształtowanej krawędzi dolnej. Ponieważ kratka się rozciągała, sam układ posiada naturalny problem wzrostu. Aby rozwiązać ten problem, stopy wymagają modyfikacji w stosunku do stopów wykorzystywanych w procesie odlewania w formie składanej. Zwłaszcza, wprowadzona musi być zwiększona zawartość wapnia, dająca niezbędną twardość, podczas gdy zawartość cyny pozostaje zasadniczo na tym samym poziomie. Zawartość srebra jest natomiast obniżona, z uwagi na to, że jego wykorzystanie w większej koncentracji, spowodowałoby wytworzenie kratki z materiału zbyt twardego. W procesie rozciągania siatki z metalu, mogą być wykorzystane zarówno taśmy z metalu obrabianego plastycznie jak i odlewanego, a stop według wynalazku pozostanie zasadniczo taki sam dla obydwu procesów rozciągania siatki z metalu.

W przykładach wykonania, konkretne stopy ołowiowo wapniowe zawierają określone ilości cyny i srebra, przy czym stwierdzono, iż są one szczególnie przydatne w skutecznym zmniejszaniu efektu uwalniania się gazów, a przez co przedłużają czas użytkowania akumulatora.

Przedmiot wynalazku zostanie bliżej objaśniony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia kratkę elektrody wykonaną w procesie odlewania w formie składanej, w widoku z boku, a fig. 2 przedstawia kratkę elektrody wykonaną w procesie rozciągania siatki metalowej, w widoku z boku.

Na fig. 1, kratka 1, elektrody dodatniej jest przedstawiona w postaci, w jakiej jest zasadniczo produkowana w procesie konwencjonalnego odlewania w formie składanej. Kratka 1, jest utworzona z pełną krawędzią górną 12, krawędzią dolną 14 i krawędziami bocznymi 16 i 18, wraz z wewnętrznym rusztem 2, utworzonym przez wzajemnie prostopadłe żebra 22, 24 kratki elektrody.

PL 190 918 B1

Na fig. 2 przedstawiona jest kratka 26 elektrody dodatniej, która jest elektrodą wykonaną w konwencjonalnym procesie rozciągania siatki metalowej. W tym przypadku, kratka 26 jest ograniczona przez krawędź górną 28 oraz krawędź dolną 30, ale nie ma wyraźnie ukształtowanych krawędzi bocznych. Co więcej, krawędź dolna 20, posiada mniejszą grubość lub szerokość niż krawędź górna 28. Wewnętrzny ruszt 32 utworzony jest przez wiele przeciwnie zorientowanych, ukośnych żeber 34 i 36 kratki elektrody. Kratka 26 elektrody, utworzona w konwencjonalnym procesie rozciągania siatki metalowej, przy wykorzystaniu zarówno taśm odlewanych, jak i poddanych obróbce plastycznej, przedstawiona na fig. 2, w sposób naturalny ma problem wzrostu, a ponadto jej sztywność jest mniejsza niż kratki 10 z fig. 1.

Zgodnie z wynalazkiem, kratka elektrody dodatniej akumulatora posiada następujący skład w procentach wagowych:

Wapń

Cyna

Srebro

Aluminium

Ołów

0,035 - 0,085 1,20 - 1,55 0,002 - 0,035 0,005 Reszta

W zależności od konkretnego procesu wytwarzania kratek elektrod dodatnich akumulatora, poniższe przykłady ilustrują korzystne kompozycje według wynalazku.

P r z y k ł a d 1. Zgodnie z wynalazkiem, kratkę elektrody dodatniej akumulatora wykonano w procesie odlewania w formie składanej i posiadał on następujący skład w procentach wagowych:

Wapń

Cyna

Srebro

Aluminium

Ołów

0,035 - 0,055 1,2 - 1,55 0,025 - 0,035 0,005 Reszta

P r z y k ł a d 2. Zgodnie z wynalazkiem, kratkę elektrody dodatniej akumulatora wykonano w procesie rozciągania siatki metalowej i posiadał on następujący skład w procentach wagowych:

Wapń

Cyna

Srebro

Aluminium

Ołów

0,045 - 0,085 1,20 - 1,55 0,002 - 0,0049 0,005 Reszta

Wynalazek został opisany w nawiązaniu do przykładu wykonania, który jest uważany obecnie za najbardziej praktyczny i korzystny. Oczywiście wynalazek ten nie jest ograniczony do przedstawionego przykładu wykonania, lecz ma na celu objęcie różnych jego modyfikacji i rozwiązań równoważnych.

Claims (6)

1. Kratka elektrody ołowiowego akumulatora kwasowego uformowana w procesie odlewania w formie składanej, znamienna tym, że ma następujący zestaw składników w procentach wagowych:

Wapń

Cyna

Srebro

Aluminium

Ołów

0,035 - 0,085 1,2 - 1,55 0,002 - 0,035 0,005 Reszta

PL 190 918 B1

2. Kratka elektrody według zastrz.1, z namiennatym, że zawartośćwapniamieści sięw przedziale pomiędzy 0,035 a 0,055 procent wagowych.

3. Kartka eleetrood według zzstrz. 1, znnmiennntym. że zzwaPodćsteeramieećisięw przze dziale pomiędzy 0,025 a 0,035 procent wagowych.

4. Kratka e leetrood weedug gzairtrzl , z nnmiiennntymi. że dawaPodćccnnmiedći s ięw p rzzediat le pomiędzy 1,30 a 1,20 procent wagowych.

5. Kratka eleetrood wadług zzstrz.1, z nnmiennntym. że zzwaPodćwaaniamiedći s ięw ρ^ dziale pomiędzy 0,045 a 0,085 procent wagowych.

6. Kratka eleetrood zzstrz. 1, z nnmiennntym. że zzwaPodćsredramiedćisięw praze dziale pomiędzy 0,002 a 0,0049 procent wagowych.