RU2099820C1

RU2099820C1 - Nickel-cadmium cell

Info

Publication number: RU2099820C1
Application number: RU9595100016A
Authority: RU
Inventors: Л.К. Григорьева; В.Н. Медведков; А.П. Павлов; С.П. Чижик
Original assignee: Закрытое акционерное общество "АвтоУАЗ"
Priority date: 1995-01-10
Filing date: 1995-01-10
Publication date: 1997-12-20
Also published as: RU95100016A

Abstract

FIELD: alkaline cells. SUBSTANCE: nickel-cadmium cell has shell, alkaline electrolyte, positive and negative electrodes separated by separator and additional porous active layer arranged on surface of at least one of electrodes - positive, negative or both electrodes. Relation of capacitances of additional layer and central part of electrode amounts to 0.01-0.25, relation of porosities is 1.2-3.5 and relation of thicknesses is 0.02-0.3. Additional layer can be made from porous activated nickel foil. Proposed cell is capable of functioning under starter mode. EFFECT: improved operational characteristics. 7 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при производстве щелочных аккумуляторов. The invention relates to the field of electrical engineering and can be used in the production of alkaline batteries.

Известен никель-кадмиевый аккумулятор, содержащий корпус, щелочной электролит, ламельные положительный и отрицательный электроды и сепаратор, расположенный между электродами [1]
Недостатком указанного аккумулятора является низкий разрядный ток, величина которого ограничивается высоким внутренним сопротивлением ламельных электродов в связи с тем, что ламели имеют малую открытость активной поверхности против высыпания и вымывания активной массы из ламельного электрода.Known Nickel-cadmium battery containing a housing, an alkaline electrolyte, lamella positive and negative electrodes and a separator located between the electrodes [1]
The disadvantage of this battery is the low discharge current, the value of which is limited by the high internal resistance of the lamella electrodes due to the fact that the lamellas have low openness of the active surface against precipitation and leaching of the active mass from the lamella electrode.

Известен никель-кадмиевый аккумулятор, содержащий корпус, щелочной электролит, положительные и отрицательные электроды, разделенные сепаратором. Для увеличения разрядных характеристик электроды выполнены прессованными и гофрированными. За счет увеличения пористости и площади электродов обеспечивается увеличение разрядного тока [2]
Однако, рассматриваемый аккумулятор обладает рядом существенных недостатков. Он сложен в изготовлении из-за наличия гофрированных электродов. Необходимость применения одностороннего кадмиевого электрода приводит к снижению удельных электрических характеристик. Кроме того, наличие в прессованном электроде связующего ограничивает его пористость и повышает внутреннее сопротивление. Указанные факторы ограничивают максимальный разрядный ток.Known Nickel-cadmium battery containing a housing, an alkaline electrolyte, positive and negative electrodes separated by a separator. To increase the discharge characteristics, the electrodes are made pressed and corrugated. By increasing the porosity and area of the electrodes provides an increase in discharge current [2]
However, the battery in question has a number of significant drawbacks. It is difficult to manufacture due to the presence of corrugated electrodes. The need to use a one-sided cadmium electrode leads to a decrease in specific electrical characteristics. In addition, the presence of a binder in the pressed electrode limits its porosity and increases the internal resistance. These factors limit the maximum discharge current.

Из известных аккумуляторов наиболее близким по совокупности существенных признаков является никель-кадмиевый аккумулятор, содержащий корпус, щелочной электролит, положительные и отрицательные электроды, разделенные сепаратором [3] Для улучшения стартерных характеристик используются спеченные металлокерамические окисно-никелевые электроды. Указанные электроды обладают высокой пористостью и малым внутренним сопротивлением, что позволяет снимать большие токи в течение нескольких секунд. Of the known batteries, the closest in combination of essential features is a nickel-cadmium battery containing a housing, an alkaline electrolyte, positive and negative electrodes separated by a separator [3] Sintered metal-ceramic oxide-nickel electrodes are used to improve the starting characteristics. These electrodes have high porosity and low internal resistance, which allows you to remove large currents within a few seconds.

Однако, указанный аккумулятор обладает ограниченным значением интегральной емкости на единицу видимой поверхности электрода, что связано с малым содержанием активной массы в порах электрода. Увеличение содержания массы в порах приводит к снижению пористости, а следовательно, к снижению разрядного тока и потере основного преимущества металлокерамического электрода способности разряжаться стартерными токами. However, this battery has a limited value of the integral capacitance per unit of the visible surface of the electrode, which is associated with a low content of active mass in the pores of the electrode. An increase in the mass content in the pores leads to a decrease in porosity and, consequently, to a decrease in the discharge current and the loss of the main advantage of the cermet electrode for the ability to discharge by starter currents.

Задачей изобретения является создание никель-кадмиевого щелочного аккумулятора, способного работать в стартерном режиме. The objective of the invention is to provide a nickel-cadmium alkaline battery capable of operating in a starter mode.

Указанный технический результат достигается тем, что в щелочном аккумуляторе, содержащем корпус, электролит, положительный и отрицательный электроды, разделенные сепаратором, по крайней мере, один из электродов содержит дополнительный поверхностный пористый активный слой. The specified technical result is achieved in that in an alkaline battery containing a housing, an electrolyte, positive and negative electrodes separated by a separator, at least one of the electrodes contains an additional surface porous active layer.

Целесообразно, чтобы дополнительный активный слой был размещен на положительном электроде, на поверхности, обращенной к отрицательному электроду. При размещении положительного электрода между двумя отрицательными электродами дополнительный слой располагается на обеих поверхностях положительного электрода. Наличие на поверхности электрода дополнительного активного слоя позволяет обеспечить высокие значения токов, которые характерны для стартерного режима разряда. Наибольшая необходимость в дополнительном активном слое возникает, когда ток разряда ограничивается характеристиками положительного электрода. Так, например, в аккумуляторе с ламельным или прессованным положительным электродом ток разряда ограничивается положительным электродом из-за малой величины активной поверхности и большого внутреннего сопротивления. Введение дополнительного слоя на указанный тип электрода снимает ограничение в величине разрядного тока. It is advisable that the additional active layer was placed on the positive electrode, on the surface facing the negative electrode. When a positive electrode is placed between two negative electrodes, an additional layer is located on both surfaces of the positive electrode. The presence of an additional active layer on the electrode surface allows one to ensure high currents that are characteristic of the starter discharge mode. The greatest need for an additional active layer arises when the discharge current is limited by the characteristics of the positive electrode. So, for example, in a battery with a lamellar or extruded positive electrode, the discharge current is limited by the positive electrode due to the small size of the active surface and large internal resistance. The introduction of an additional layer on the specified type of electrode removes the limitation in the magnitude of the discharge current.

Целесообразно, чтобы дополнительный слой был размещен на отрицательном электроде. Это особенно необходимо, когда активность отрицательного электрода меньше активности положительного электрода и именно отрицательный электрод определяет величину разрядного тока. Этот случай имеет место на практике, когда в качестве отрицательного электрода, как и в случае положительного электрода, используются прессованные или ламельные электроды, обладающие низкой активностью. It is advisable that the additional layer was placed on the negative electrode. This is especially necessary when the activity of the negative electrode is less than the activity of the positive electrode and it is the negative electrode that determines the value of the discharge current. This case takes place in practice, when as a negative electrode, as in the case of a positive electrode, extruded or lamellar electrodes with low activity are used.

Целесообразно, чтобы дополнительный активный слой был размещен и на положительном, и отрицательном электродах. Это необходимо, когда оба электрода не могут обеспечить требуемое значение стартерного тока разряда, например, когда в никель-кадмиевом аккумуляторе используются положительные и отрицательные ламельные электроды. Введение дополнительных поверхностных активных слоев на электродах позволяет снять ограничение в величине разрядного тока и обеспечить стартерный режим разряда. It is advisable that the additional active layer was placed on both the positive and negative electrodes. This is necessary when both electrodes cannot provide the required value of the starting current of the discharge, for example, when positive and negative lamella electrodes are used in a nickel-cadmium battery. The introduction of additional surface active layers on the electrodes makes it possible to remove the limitation in the magnitude of the discharge current and provide a starter discharge mode.

Целесообразно, чтобы отношение емкостей дополнительного активного слоя и центральной части электрода составляло 0,01-0,25. Указанное соотношение емкости позволяет обеспечить стартерные циклы разряда аккумулятора. При соотношении емкостей менее 0,01 аккумулятор не обеспечивает пуска двигателя. При соотношении емкостей дополнительного слоя и центральной части электрода более 0,25 емкость дополнительного слоя избыточна, что повышает стоимость аккумулятора и снижает его удельные электрические характеристики. It is advisable that the ratio of the capacities of the additional active layer and the Central part of the electrode was 0.01 to 0.25. The indicated ratio of capacity allows for starter cycles of battery discharge. With a capacity ratio of less than 0.01, the battery does not start the engine. When the ratio of the capacitance of the additional layer and the central part of the electrode is more than 0.25, the capacity of the additional layer is excessive, which increases the cost of the battery and reduces its specific electrical characteristics.

Целесообразно, чтобы соотношение толщин дополнительного слоя и центральной части электрода составляло от 0,02 до 0,3. Уменьшение соотношения толщин менее 0,02 приводит к малой толщине металлокерамического слоя, что снижает его механическую прочность, усложняет технологию изготовления и сборки. Кроме того, при малой толщине дополнительного слоя он не предотвращает разбухание центральной части электрода при циклировании. Увеличение соотношения толщин более 0,3 не дает увеличения стартерного тока, а только повышает стоимость аккумулятора и снижает его удельные электрические характеристики. It is advisable that the ratio of the thicknesses of the additional layer and the Central part of the electrode ranged from 0.02 to 0.3. A decrease in the thickness ratio of less than 0.02 leads to a small thickness of the cermet layer, which reduces its mechanical strength, complicates the manufacturing and assembly technology. In addition, with a small thickness of the additional layer, it does not prevent the swelling of the central part of the electrode during cycling. An increase in the thickness ratio of more than 0.3 does not increase the starter current, but only increases the cost of the battery and reduces its specific electrical characteristics.

Целесообразно, чтобы соотношение пористостей дополнительного слоя и центральной части электрода составляло от 1,2 до 3,5, поскольку от пористости дополнительного слоя зависят стартерные характеристики электрода, а от пористости центральной части электрода емкостные характеристики. При соотношении меньше 1,2 величина стартерного тока будет ограничена из-за снижения активной поверхности дополнительного слоя. При соотношении более 3,5 пористость будет слишком велика, что снижает прочность дополнительного слоя и уменьшает содержание активной массы. Это с одной стороны может привести к разрушению дополнительного слоя при циклировании из-за разбухания центральной части электрода, с другой к ограничению времени стартерного режима разряда. It is advisable that the ratio of porosities of the additional layer and the Central part of the electrode ranged from 1.2 to 3.5, since the starter characteristics of the electrode depend on the porosity of the additional layer, and capacitive characteristics depend on the porosity of the central part of the electrode. When the ratio is less than 1.2, the magnitude of the starting current will be limited due to a decrease in the active surface of the additional layer. With a ratio of more than 3.5, the porosity will be too high, which reduces the strength of the additional layer and reduces the content of the active mass. On the one hand, this can lead to the destruction of the additional layer during cycling due to swelling of the central part of the electrode, and, on the other hand, to a limitation of the time of the starter discharge mode.

Целесообразно, чтобы дополнительный слой электрода был выполнен из активированной пористой никелевой фольги. Активирование фольги производится, например, путем ее пропитки в соответствующем растворе и последующего электрохимического формирования. It is advisable that the additional layer of the electrode was made of activated porous nickel foil. The activation of the foil is carried out, for example, by impregnating it in an appropriate solution and subsequent electrochemical formation.

Проведенный анализ уровня техники показал, что заявленная совокупность существенных признаков, изложенная в формуле изобретения, неизвестна, что позволяет сделать вывод о соответствии заявленного технического решения критерию "новизна". The analysis of the prior art showed that the claimed combination of essential features set forth in the claims is unknown, which allows us to conclude that the claimed technical solution meets the criterion of "novelty."

Для проверки соответствия заявленного изобретения критерию "изобретательский уровень" проведен дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного решения. На основании проведенного анализа установлено, что изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники. Следовательно, заявленное изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень". To verify the conformity of the claimed invention to the criterion of "inventive step", an additional search of known solutions was carried out in order to identify features that match the distinctive features of the claimed solution from the prototype. Based on the analysis, it was found that the invention does not explicitly follow from the prior art for a specialist. Therefore, the claimed invention meets the criterion of "inventive step".

На фиг. 1 приведены зависимости среднего разрядного напряжения от глубины разряда для базового аккумулятора и аккумуляторов с дополнительным слоем на положительном электроде, отрицательном электроде и на обоих электродах. In FIG. Figure 1 shows the dependences of the average discharge voltage on the depth of discharge for the base battery and batteries with an additional layer on the positive electrode, negative electrode, and both electrodes.

Пример. В качестве базового аккумулятора для проведения сравнительных испытаний взят никель-кадмиевый аккумулятор емкостью 12,5 Ач, содержащий 6 стандартных никелевых металлокерамических электродов размером 71х121х0,57 мм, 7 металлокерамических кадмиевых электродов с теми же размерами, но толщиной 0,62 мм, сепаратор положительных электродов из капроновой ткани толщиной 0.2 мм, сепаратор отрицательных электродов из полипропиленового нетканого материала толщиной 0,1 мм. Положительные электроды имели пористость 15%
Аккумулятор, в соответствии с п. 2 заявленной формулы, изготовлялся на основе базового аккумулятора путем приварки на поверхность положительных электродов дополнительных слоев и последующей сборки аккумулятора. Дополнительные слои изготавливались из активированной никелевой пористой фольги и имели емкость 80,0-90,0 А•с. Формировка указанных дополнительных слоев проводилась в составе аккумулятора. Аккумулятор содержал 12 дополнительных слоев. Для заявляемого аккумулятора соотношение емкостей дополнительного слоя и центральной части электрода составляло 0,023, соотношение пористостей 1,32 и соотношение толщин 0,16.Example. A 12.5 Ah nickel-cadmium battery containing 6 standard nickel metal-ceramic electrodes of 71x121x0.57 mm in size, 7 metal-ceramic cadmium electrodes with the same dimensions but 0.62 mm thick, a positive electrode separator was taken as the base battery for comparative tests from kapron fabric 0.2 mm thick, a negative electrode separator from polypropylene non-woven material 0.1 mm thick. Positive electrodes had a porosity of 15%
The battery, in accordance with paragraph 2 of the claimed formula, was made on the basis of the base battery by welding additional layers onto the surface of the positive electrodes and then assembling the battery. Additional layers were made of activated nickel porous foil and had a capacity of 80.0-90.0 A • s. The formation of these additional layers was carried out as part of the battery. The battery contained 12 additional layers. For the inventive battery, the ratio of the capacities of the additional layer and the central part of the electrode was 0.023, the ratio of porosities 1.32 and the ratio of the thicknesses was 0.16.

Аккумулятор, в соответствии с п. 3 формулы изобретения, изготавливают на основе базового аккумулятора путем приварки на поверхность кадмиевых электродов дополнительных активных слоев и последующей сборки аккумулятора. Дополнительные активные слои изготавливались из активированной никелевой пористой фольги. Аккумулятор содержал 14 дополнительных слоев. Соотношение емкостей дополнительного слоя и центральной части электрода составляло 0,034, соотношение пористостей и толщин такое же, как и в случае дополнительного слоя на положительном электроде. The battery, in accordance with paragraph 3 of the claims, is made on the basis of the base battery by welding additional active layers onto the surface of the cadmium electrodes and then assembling the battery. Additional active layers were made of activated nickel porous foil. The battery contained 14 additional layers. The ratio of the capacitances of the additional layer and the central part of the electrode was 0.034; the ratio of porosities and thicknesses was the same as in the case of the additional layer on the positive electrode.

Аккумулятор, в соответствии с п. 4 формулы, содержал положительные и отрицательные электроды с дополнительными слоями, выполненными как описано выше. The battery, in accordance with paragraph 4 of the formula, contained positive and negative electrodes with additional layers made as described above.

Сравнительные испытания базового и описанных выше аккумуляторов проводились током 5C на одинаковую глубину разряда в течение 10-15 сек. Результаты испытаний представлены на фиг. 1. Сравнение разрядных характеристик показывает, что самое низкое разрядное напряжение имеет базовый аккумулятор, самое высокое заявляемый аккумулятор с дополнительными слоями одновременно и на положительных, и на отрицательных электродах. Разрядные напряжения на аккумуляторах с дополнительными слоями на положительных электродах и отрицательных электродах практически совпадают друг с другом, но на 0,15-0,20 B выше разрядного напряжения базового аккумулятора. Повторное циклирование аккумуляторов дает хорошую воспроизводимость результатов. Анализ полученных результатов показывает, что заявляемый аккумулятор с дополнительным слоем на положительных электродах позволяет дополнительно получить при разряде в стартерном режиме 950-100 А•с, аккумулятор с дополнительным слоем на отрицательных электродах 1400-1500 А•с. Аккумулятор с дополнительными слоями на электродах обеих полярностей дает дополнительную емкость 2300-2400 А•с. Заявляемый аккумулятор допускает последовательное проведение нескольких циклов разряда в стартерном режиме без подзарядки аккумулятора от внешнего источника. Время выдержки между циклами разряда составляло 15-30 секунд. Результаты испытаний показывают, что заявляемый аккумулятор способен работать в стартерном режиме. Comparative tests of the base and the batteries described above were carried out with a current of 5C at the same discharge depth for 10-15 seconds. The test results are shown in FIG. 1. Comparison of the discharge characteristics shows that the lowest discharge voltage has a base battery, the highest claimed battery with additional layers at the same time on the positive and negative electrodes. The discharge voltages on the batteries with additional layers on the positive electrodes and negative electrodes practically coincide with each other, but 0.15-0.20 V higher than the discharge voltage of the base battery. Recycling the batteries gives good reproducibility. Analysis of the results shows that the inventive battery with an additional layer on the positive electrodes allows you to additionally receive when the discharge in the starter mode 950-100 A • s, the battery with an additional layer on the negative electrodes 1400-1500 A • s. The battery with additional layers on the electrodes of both polarities gives an additional capacity of 2300-2400 A • s. The inventive battery allows the sequential conduct of several discharge cycles in the starter mode without recharging the battery from an external source. The exposure time between discharge cycles was 15-30 seconds. The test results show that the inventive battery is able to work in starter mode.

Таким образом, вышеизложенные данные свидетельствуют о том, что заявляемый аккумулятор обеспечивает достижение заявленного технического результата и соответствует критерию "промышленная применимость". Thus, the above data indicate that the claimed battery ensures the achievement of the claimed technical result and meets the criterion of "industrial applicability".

Claims

1. Nickel-cadmium battery containing a housing, an alkaline electrolyte, positive and negative electrodes separated by a separator, characterized in that at least one of the electrodes further comprises at least one surface porous active layer electrically connected to this electrode.

2. The battery according to claim 1, characterized in that the additional layer is placed on the positive electrode.

3. The battery according to claim 1, characterized in that the additional layer is placed on the negative electrode.

4. The battery according to claim 1, characterized in that the additional layer is placed on the electrodes of both polarities.

5. The battery according to claim 1, characterized in that the ratio of the capacitance of the additional layer and the Central part of the electrode is 0.01 to 0.25.

6. The battery according to claim 1, characterized in that the ratio of the porosities of the additional layer and the Central part of the electrode is 1.2 to 3.5.

7. The battery according to claim 1, characterized in that the ratio of the thicknesses of the additional layer and the Central part of the electrode is 0.02 0.3.

8. The battery according to claim 1, characterized in that the additional layer is made of porous activated nickel foil.