RU2362240C2

RU2362240C2 - Lead accumulator

Info

Publication number: RU2362240C2
Application number: RU2006142945/09A
Authority: RU
Inventors: Алексей Алексеевич Кочуров (RU); Алексей Алексеевич Кочуров
Original assignee: Рязанский военный автомобильный институт имени генерала армии В.П. ДУБЫНИНА
Priority date: 2006-12-04
Filing date: 2006-12-04
Publication date: 2009-07-20
Also published as: RU2006142945A

Abstract

FIELD: chemistry.

SUBSTANCE: invention relates to chemical cells and can be used in designing and production of lead accumulators. According to the invention, the lead accumulator contains a block of negative electrodes and a block of positive electrodes, divided by separators, on whose sides facing the positive electrodes there are vertical fins, and put into a vessel (monoblock), filled with electrolyte. On the sides of separators, facing the positive electrodes there are also horizontal fins made from material of the separator, the number of which is less than or equal to the number of horizontal electric conductors in the current collector grid of the positive electrode, and their arrangement on the surface of the separator coincides with the arrangement of horizontal electric conductors in the current collector grid of the positive electrode.

EFFECT: prevention of slipping of active material of positive electrodes, provision for efficiency and given operational characteristics of accumulators during use and longer service life.

3 dwg

Description

Изобретение относится к химическим источникам тока и может быть использовано при конструировании и производстве свинцовых аккумуляторов.The invention relates to chemical current sources and can be used in the design and manufacture of lead batteries.

Известен автомобильный свинцовый аккумулятор, содержащий блок отрицательных электродов и блок положительных электродов, разделенных между собой сепараторами, у которых на сторонах, обращенных к положительным электродам, выполнены вертикальные ребра, и помещенных в сосуд (моноблок), заполненный электролитом (Акимов С.В., Чижков Ю.П. Электрооборудование автомобилей. Учебник для (вузов. - М.: ЗАО «КЖИ "За рулем"», 2003. - С.17). Известен свинцовый аккумулятор, содержащий блок отрицательных электродов и блок положительных электродов, завернутых в конверт из кислотостойкой синтетической ткани, разделенных сепараторами, и электролит (авторское свидетельство SU 1690027 А1, МПК Н01М 10/12, 1991).A known automobile lead battery containing a block of negative electrodes and a block of positive electrodes separated by separators, on which vertical ribs are made on the sides facing the positive electrodes, is placed in a vessel (monoblock) filled with an electrolyte (Akimov S.V., Chizhkov Yu.P. Electrical equipment of automobiles. A textbook for (universities. - M.: ZAO "KZhI" Driving ", 2003. - P.17). A lead battery is known that contains a block of negative electrodes and a block of positive electrodes wrapped in co an envelope made of acid-resistant synthetic fabric, separated by separators, and an electrolyte (copyright certificate SU 1690027 A1, IPC Н01М 10/12, 1991).

Недостатком известных аккумуляторов является возможность оплывания и оползания активной массы положительных электродов в процессе их эксплуатации, приводящая к ухудшению эксплуатационных характеристик, нарушению работоспособности аккумуляторных батарей.A disadvantage of the known batteries is the possibility of creeping and creeping of the active mass of positive electrodes in the process of their operation, leading to poor performance, impaired battery performance.

Эти процессы характеризуют вторичные изменения в положительных электродах аккумулятора (Багоцкий В.С., Скундин А.М. Химические источники тока. - М.: Энергоиздат, 1981. - С. 95-97), проявляющиеся при длительном циклировании. Так, постепенное оплывание активной массы или некоторых ее компонентов связано с тем, что в одной из фаз работы (в заряженном или в разряженном состоянии) реагент приобретает рыхлую структуру, и отдельные частицы в ней оказываются плохо сцепленными друг с другом или с основой (токоотводом) электрода. Постепенно отвалившиеся частицы накапливаются в нижней части моноблока в виде шлама. Этот процесс ускоряется в результате механических воздействий, например, из-за газовыделения при перезаряде или из-за вибрационных нагрузок на аккумулятор.These processes characterize the secondary changes in the positive electrodes of the battery (Bagotsky V.S., Skundin A.M. Chemical current sources. - M.: Energoizdat, 1981. - P. 95-97), manifested during prolonged cycling. So, the gradual swelling of the active mass or some of its components is due to the fact that in one of the phases of operation (in a charged or discharged state) the reagent acquires a loose structure, and individual particles in it turn out to be poorly adhered to each other or to the base (current collector) electrode. Gradually falling apart particles accumulate in the lower part of the monoblock in the form of sludge. This process is accelerated as a result of mechanical influences, for example, due to gas evolution during recharging or due to vibration loads on the battery.

Процессы старения и оплывания активной массы происходят обычно равномерно по всей поверхности электрода. Возможны, однако, другие процессы, неравномерно распределенные вдоль поверхности положительного электрода. Примером может служить постепенное оползание активной массы с верхних зон электрода и накопление ее в нижних. Оползание наблюдается иногда в высоких аккумуляторах и не является следствием простого оплывания активной массы. Оно может быть вызвано концентрационными изменениями в электролите: более концентрированный и более тяжелый раствор, образующийся при заряде или разряде, накапливается в нижней части моноблока аккумулятора, оттесняя более легкие слои вверх, вследствие чего жидкость как бы расслаивается. В результате этого условия электродных процессов в нижней и верхней части электродов изменяются - в верхней создаются условия, благоприятствующие растворению активного вещества, в нижней - его осаждению.The aging and ablation processes of the active mass usually occur uniformly over the entire surface of the electrode. Other processes, however, are unevenly distributed along the surface of the positive electrode. An example is the gradual creep of the active mass from the upper zones of the electrode and its accumulation in the lower ones. Creeping is sometimes observed in high batteries and is not the result of a simple swelling of the active mass. It can be caused by concentration changes in the electrolyte: a more concentrated and heavier solution formed during charging or discharging accumulates in the lower part of the battery monoblock, pushing the lighter layers upward, as a result of which the liquid seems to separate. As a result of this, the conditions of the electrode processes in the lower and upper parts of the electrodes change - in the upper conditions are created that are favorable for the dissolution of the active substance, in the lower - its deposition.

Оползание или перемещение активной массы вызывает в отдельных участках накопление избытка массы, что не всегда связано с увеличением толщины электрода и может привести к уменьшению пористости. В этом случае уменьшается поверхность контакта с электролитом, увеличиваются диффузионные затруднения и эффективная проводимость в порах, т.е. ухудшаются общие условия работы активной массы и коэффициент ее использования. В результате в отдельных местах возможно полное прекращение работы активной массы, т.е. ее пассивация.Sliding or moving the active mass in some areas causes accumulation of excess mass, which is not always associated with an increase in the thickness of the electrode and can lead to a decrease in porosity. In this case, the contact surface with the electrolyte decreases, diffusion difficulties and effective conductivity in the pores increase, i.e. the general working conditions of the active mass and its utilization rate are deteriorating. As a result, in some places a complete cessation of the active mass, i.e. her passivation.

Все эти явления приводят к постепенному снижению емкости аккумулятора в целом, а также к росту поляризации и снижению разрядного напряжения. Они являются основной причиной ограничения ресурса, срока службы и срока сохраняемости свинцовых кислотных аккумуляторных батарей.All these phenomena lead to a gradual decrease in the battery capacity as a whole, as well as to an increase in polarization and a decrease in discharge voltage. They are the main reason for limiting the resource, service life and shelf life of lead acid batteries.

На фиг.1 изображена схема известной конструкции автомобильного аккумулятора, на фиг.2 изображены сепараторы автомобильного аккумулятора известной конструкции, на фиг.3 - схема сепаратора свинцового аккумулятора предлагаемой конструкции.Figure 1 shows a diagram of a known design of a car battery, figure 2 shows a separator of a car battery of known design, figure 3 is a diagram of a lead battery separator of the proposed design.

На фиг.1 представлена схема известной конструкции автомобильного аккумулятора, состоящего из блока отрицательных электродов 1, блока положительных электродов 2, электролита 3, сепараторов 4 с вертикально расположенными ребрами 8, моноблока 5.Figure 1 presents a diagram of a known construction of a car battery, consisting of a block of negative electrodes 1, a block of positive electrodes 2, an electrolyte 3, separators 4 with vertically located ribs 8, a monoblock 5.

Сепараторы известных конструкций автомобильных аккумуляторов чаще выполнены либо в виде пластины из мипласта (фиг.2а), либо в виде сепаратора-конверта из полиэтилена (фиг.2б). Однако независимо от конструкции на их стороне, обращенной к положительному электроду, выполнены вертикальные ребра 8.Separators of known constructions of automobile batteries are more often made either in the form of a plate from miplast (figa), or in the form of a separator-envelope made of polyethylene (fig.2b). However, regardless of the design on their side facing the positive electrode, vertical ribs 8 are made.

Однако, как показали проведенные автором экспериментальные исследования, конструкция сепараторов существующих автомобильных аккумуляторов не в полной мере обеспечивает предотвращение оплывания и оползания активной массы положительных электродов. Так, установлено, что при длительной эксплуатации аккумуляторов (от 2 до 4 лет и более) имеет место перемещение поверхностного слоя активной массы положительных электродов аккумулятора из верхней их части в нижние вдоль вертикальных ребер сепараторов. Оползание или перемещение активной массы вызывает на отдельных участках нижних частей поверхности положительных электродов в пространстве между сепаратором и поверхностью электрода накопление избытка массы. В этом случае уменьшается поверхность контакта электрода с электролитом, затрудняется диффузия электролита в поры активной массы электродов и эффективная проводимость в порах, приводящие к снижению эксплуатационных характеристик и срока службы аккумуляторных батарей. В результате в отдельных местах возможно полное прекращение работы активной массы и образование токопроводящих мостиков между разноименными электродами, приводящее к потере работоспособности аккумуляторов. При этом основной причиной оплывания и оползания активной массы положительных электродов является возникающая при эксплуатации аккумуляторов, разряженных более 25% от номинальной емкости, сила давления прореагировавшей в химической реакции активной массы верхних частей поверхности положительного электрода на нижние. Величина этого давления возрастает по мере разряда аккумулятора.However, as shown by the author's experimental studies, the design of the separators of existing automotive batteries does not fully prevent the creeping and creeping of the active mass of positive electrodes. So, it was found that during long-term operation of the batteries (from 2 to 4 years or more), the surface layer of the active mass of the positive electrodes of the battery moves from the top to the bottom along the vertical edges of the separators. Sliding or moving the active mass causes the accumulation of excess mass in separate sections of the lower parts of the surface of the positive electrodes in the space between the separator and the electrode surface. In this case, the contact surface of the electrode with the electrolyte decreases, diffusion of the electrolyte into the pores of the active mass of the electrodes and effective conductivity in the pores, leading to a decrease in the operational characteristics and service life of the batteries, are hindered. As a result, in some places a complete cessation of the active mass and the formation of conductive bridges between opposite electrodes are possible, leading to a loss of battery performance. In this case, the main reason for the floating and creeping of the active mass of positive electrodes is the pressure force that occurs during operation of batteries discharged more than 25% of the nominal capacity, and the pressure reacted in the chemical reaction of the active mass of the upper parts of the surface of the positive electrode to the lower. The magnitude of this pressure increases as the battery discharges.

Технический результат направлен на решение задачи предотвращения оплывания и оползания активной массы положительных электродов, обеспечение работоспособности и заданных эксплуатационных характеристик аккумуляторов в процессе эксплуатации, увеличение срока их службы.The technical result is aimed at solving the problem of preventing the creeping and creeping of the active mass of positive electrodes, ensuring operability and predetermined operational characteristics of the batteries during operation, increasing their service life.

Технический результат достигается тем, что в автомобильном свинцовом аккумуляторе, содержащем блок отрицательных электродов и блок положительных электродов, разделенных между собой сепараторами, у которых на сторонах, обращенных к положительным электродам, выполнены вертикальные ребра, и помещенных в сосуд (моноблок), заполненный электролитом, на сторонах сепараторов, обращенных к положительным электродам, дополнительно выполнены из материала сепаратора горизонтальные ребра, количество которых меньше или равно количеству горизонтальных жил в решетке токоотвода положительного электрода, а их расположение на поверхности сепаратора совпадает с расположением горизонтальных жил в решетке токоотвода положительного электрода.The technical result is achieved by the fact that in an automobile lead battery containing a block of negative electrodes and a block of positive electrodes separated by separators, in which vertical ribs are made on the sides facing the positive electrodes, and placed in a vessel (monoblock) filled with electrolyte, on the sides of the separators facing the positive electrodes, horizontal ribs are additionally made of separator material, the number of which is less than or equal to the number of horizon nyh lived in the lattice of the positive electrode collector, and their location on the separator surface coincides with the horizontal arrangement of veins in the grid of the positive electrode collector.

Отличительными признаками является то, что на сторонах сепараторов, обращенных к положительным электродам, дополнительно выполнены из материала сепаратора горизонтальные ребра, количество которых меньше или равно количеству горизонтальных жил в решетке токоотвода положительного электрода, а их расположение на поверхности сепаратора совпадает с расположением горизонтальных жил в решетке токоотвода положительного электрода.Distinctive features are that on the sides of the separators facing the positive electrodes, horizontal ribs are additionally made of separator material, the number of which is less than or equal to the number of horizontal cores in the grid of the current collector of the positive electrode, and their location on the surface of the separator coincides with the location of the horizontal cores in the grid the collector of the positive electrode.

На фиг.3 изображена схема сепаратора свинцового аккумулятора предлагаемой конструкции. На стороне сепаратора 4, обращенной к положительному электроду, помимо вертикальных ребер 8 дополнительно выполнены из материала сепаратора горизонтальные ребра 9, количество которых меньше или равно количеству горизонтальных жил 7 (фиг.1) в решетке токоотвода положительного электрода 6, а их расположение на поверхности сепаратора совпадает с расположением горизонтальных жил 7 в решетке токоотвода положительного электрода 6.Figure 3 shows a diagram of a lead battery separator of the proposed design. On the side of the separator 4 facing the positive electrode, in addition to the vertical ribs 8, horizontal ribs 9 are additionally made of separator material, the number of which is less than or equal to the number of horizontal cores 7 (Fig. 1) in the grid of the collector of the positive electrode 6, and their location on the surface of the separator coincides with the location of the horizontal cores 7 in the grid of the collector of the positive electrode 6.

Предлагаемое устройство свинцового аккумулятора заключается в следующем.The proposed device is a lead battery is as follows.

Свинцовый аккумулятор, содержащий блок отрицательных электродов 1 и блок положительных электродов 2, разделенных между собой сепараторами 4 и помещенных в сосуд (моноблок) 5, заполненный электролитом 3, в котором на стороне сепаратора 4, обращенной к положительному электроду, помимо вертикальных ребер 8 дополнительно выполнены из материала сепаратора горизонтальные ребра 9, количество которых меньше или равно количеству горизонтальных жил 7 (фиг.1) в решетке токоотвода положительного электрода 6, а их расположение на поверхности сепаратора совпадает с расположением горизонтальных жил 7 в решетке токоотвода положительного электрода 6.A lead battery containing a block of negative electrodes 1 and a block of positive electrodes 2, separated by separators 4 and placed in a vessel (monoblock) 5, filled with electrolyte 3, in which, on the side of the separator 4, facing the positive electrode, in addition to the vertical ribs 8 are additionally made from the separator material horizontal ribs 9, the number of which is less than or equal to the number of horizontal cores 7 (Fig. 1) in the grid of the collector of the positive electrode 6, and their location on the surface of the separator with coincides with the location of the horizontal cores 7 in the grid of the collector of the positive electrode 6.

Предлагаемый свинцовый аккумулятор более совершенен по сравнению с известным, так как предотвращает оплывание и оползание активной массы положительных электродов, обеспечивает работоспособность и заданные эксплуатационные характеристики аккумуляторов в процессе эксплуатации, способствует увеличению срока их службы за счет того, что на стороне сепаратора 4, обращенной к положительному электроду, помимо вертикальных ребер 8 дополнительно выполнены из материала сепаратора горизонтальные ребра 9, количество которых меньше или равно количеству горизонтальных жил 7 (фиг.1) в решетке токоотвода положительного электрода 6, а их расположение на поверхности сепаратора совпадает с расположением горизонтальных жил 7 в решетке токоотвода положительного электрода 6.The proposed lead-acid battery is more perfect than the known one, since it prevents the active mass of positive electrodes from slipping and creeping, ensures the operability and specified operational characteristics of the batteries during operation, and helps to increase their service life due to the fact that on the separator side 4 facing the positive to the electrode, in addition to the vertical ribs 8, horizontal ribs 9 are additionally made of separator material, the number of which is less than or equal to 7 (1) horizontal lattice t he lived in the positive electrode collector 6, and their location coincides with the horizontal location on the surface of the separator 7 in the lattice lived positive electrode collector 6.

Такое конструктивное исполнение сепараторов обеспечивает механическое разделение активной массы поверхности положительного электрода на участки, ограниченные горизонтальными ребрами сепаратора, исключая тем самым давление активной массы верхних частей поверхности электрода на нижние, что устраняет саму причину оползания и оплывания активной массы. При этом исполнение горизонтальных ребер высотой, равной высоте вертикальных ребер, и толщиной, равной толщине сепаратора, из материала сепаратора, проницаемого для электролита, обеспечивает свободный доступ свежего электролита к активной массе положительного электрода.This design of the separators provides mechanical separation of the active mass of the surface of the positive electrode into sections bounded by the horizontal edges of the separator, thereby eliminating the pressure of the active mass of the upper parts of the electrode surface to the lower ones, which eliminates the very reason for the creep and slipping of the active mass. Moreover, the execution of horizontal ribs with a height equal to the height of the vertical ribs and a thickness equal to the thickness of the separator from the separator material permeable to electrolyte provides free access of fresh electrolyte to the active mass of the positive electrode.

Количество горизонтальных ребер сепаратора выбирается с учетом особенностей конструкции и материала активной массы положительного электрода. При этом целесообразно, чтобы количество горизонтальных ребер в нижней части сепаратора было больше, чем в его верхней части.The number of horizontal ribs of the separator is selected taking into account the design features and the material of the active mass of the positive electrode. In this case, it is advisable that the number of horizontal ribs in the lower part of the separator be greater than in its upper part.

Исполнение горизонтальных ребер на поверхности сепаратора совпадающими с расположением горизонтальных жил в решетке токоотвода положительного электрода обеспечивает надежное механическое разделение активной массы поверхности положительного электрода на участки, исключая тем самым давление активной массы верхних частей поверхности электрода на нижние, что устраняет саму причину оползания и оплывания активной массы.The execution of horizontal ribs on the surface of the separator coinciding with the location of the horizontal cores in the grid of the current collector of the positive electrode provides reliable mechanical separation of the active mass of the surface of the positive electrode into sections, thereby eliminating the pressure of the active mass of the upper parts of the electrode surface into the lower ones, which eliminates the very reason for the creep and slipping of the active mass .

Claims

A lead battery containing a block of negative electrodes and a block of positive electrodes separated by separators, on which vertical ribs are made on the sides facing the positive electrodes, and placed in a vessel (monoblock) filled with electrolyte, characterized in that the lattices of the positive electrodes are made with horizontal conductors, and on the sides of the separators facing the positive electrodes, horizontal ribs are additionally made of separator material, the number of which is equal to or less than the number of horizontal cores in the grid of the current collector of the positive electrode, and the number of horizontal ribs in the lower part of the separator is greater than in its upper part, and their location on the surface of the separator coincides with the location of the horizontal cores in the grid of the collector of the positive electrode.