151470 (Конструктивное исполнение электродов в первичных химических источниках тока), страница 5

Погружные аккумуляторы большой емкости уже в обозримом будущем найдут применение в качестве средств движения для подводных транспортных средств.

Перспективы дальнейшего развития свинцовых аккумуляторов

Новые материалы. Прошло не так много времени с тех пор, когда применение новых полимерных и композиционных материалов для изготовления корпусов, крышек и других комплектующих деталей, замена внешних межэлементных соединений на сварку блоков через перегородки позволили существенно повысить электрические параметры свинцовых аккумуляторов и их эксплуатационную надежность. Однако выявляются все новые и новые области применения АБ, поэтому изучение изменения свойств этих материалов (скорости деструкции, электрического сопротивления, модуля упругости и других механических свойств) должно явиться предметом специальных исследований.

Н е менее перспективен и поиск новых, более легких и электропроводных сплавов и металлов по сравнению со свинцовыми сплавами. В этом отношении уже создана принципиальная технология термодиффузионного свинцевания и лужения алюминия и его сплавов [4.2.2], позволяющая применить вкладыши в МЭС и в выводах из этих материалов (рис.4.2. 20) с целью снижения потерь напряжения аккумуляторов различного назначения на коротких режимах разряда. Массовое применение алюминиевых вкладышей в токоведущие детали таких аккумуляторов, как тяговые, тепловозные, стационарные, дало бы существенный экономический эффект, выигрыш в мощности и энергии аккумуляторов.

Использование титана в качестве токоведущих основ в литературе обсуждалось неоднократно. Применение титановых токоотводов затруднено образованием на их поверхности пленки из TiO2, создающей высокое электрическое сопротивление на границе токоотвод-активная масса. Основные исследования следует направить на поиски оксидных или иных электропроводных покрытий, исключающих непосредственный контакт титановой основы с серной кислотой.

В связи с тем, что дальнейшее увеличение ресурса, надежности и срока службы свинцовых аккумуляторов практически невозможно при использовании существующих сепараторов из-за прорастания их дендритами свинца и образования вследствие этого микрокоротких замыканий, основные исследования должны быть направлены на создание отечественных сепараторов с высокой объемной пористостью, низким электрическим сопротивлением, минимальным диаметром пор (~1 мкм) и с максимальным коэффициентом извилистости.

Технология. К числу приоритетных направлений дальнейших работ в области технологии можно отнести промышленное использование меди в качестве токоведущих основ отрицательных электродов (рис.4.2.21). Хотя медные основы известны более 40 лет (впервые в мировой практике применены в АОЗТ "Электротяга", Санкт-Петербург) и преимущества их очевидны, они, тем не менее, не нашли массового применения в стационарных, тяговых, тепловозных, электромобильных и других типах АБ. Основные усилия, кроме создания механизированной технологии изготовления медных токоотводов, должны быть направлены на отработку надежного способа защиты меди от воздействия серной кислоты.

Отливка токоотводов из свинцовых сплавов хотя и является в настоящее время высокопроизводительным процессом, его, тем не менее, нельзя назвать перспективным, прежде всего с точки зрения экологической безопасности. Альтернативой методу свободного литья токоотводов или литью под давлением (для тяговых и стационарных аккумуляторов) могут стать процессы непрерывной отливки тонкой ленты из свинцового сплава, ее дисперсионного упрочнения, просечки, вытяжки (по типу технологии изготовления медных основ) и последующей намазки.

Основным направлением дальнейших исследований электродных паст должна явиться разработка промышленной технологии для получения паст с заданными фазовым составом и структурными свойствами.

Процесс формирования электродных пластин является одним из самых "узких" мест в производстве свинцовых аккумуляторов из-за его большой продолжительности. Одними из основных направлений интенсификации процесса формирования электродных пластин следует считать охлаждение электролита путем его перемешивания при помощи аэролифтных систем, применение электропроводящих волокон или других добавок в активные массы.

Как и для большинства ХИТ, одним из реальных путей дальнейшего повышения удельной энергоемкости свинцовых аккумуляторов являются создание научных основ моделирования электродных процессов, оптимизация конструкции как отдельных узлов и деталей, так и аккумулятора в целом. Например, заслуживает внимания создание крупногабаритных аккумуляторов (тяговых и стационарных) с горизонтальным расположением электродов.

Увеличению эксплуатационного срока службы аккумуляторов будут способствовать работы по созданию средств диагностики их технического состояния.

3.2. Никель-кадмиевые аккумуляторы и батареи.

Непроливаемые никель-кадмиевые аккумуляторы и батареи. В конструкции непроливаемых никель-кадмиевых аккумуляторов КН-14, КНБ-15 и КНП-20 есть много общего. Поэтому устройство перечисленных типов аккумуляторов целесообразно рассмотреть на примере конструктивного оформления аккумулятора типа КНБ-15 (рис.40).

Аккумулятор состоит из положительного 1 и отрицательного 2 блоков, помещенных в железный никелированный сосуд 4. От корпуса положительный и отрицательный блоки аккумуляторов КНБ-15 и-КНП-20 изолированы прокладками из винипласта 7, 8. У аккумуляторов КН-14 положительный блок соединен с корпусом; положительные пластины этого блока являются" крайними к корпусу аккумулятора, поэтому. прокладки из винипласта устанавливают только с торцевых сторон. Положительный блок аккумуляторов КН-14, КНБ-15 и КНП-20 состоит соответственно из пяти, шести и восьми пластин, отрицательный - из четырех, пяти, девяти и пластин. Пластины обеих полярностей аккумуляторов, КНБ-15 и КНП-20, а также отрицательные пластины аккумуляторов КН-14 приварены к мостику с борном (1, 2, 15). Борны выведены наружу через отверстия в. крышке сосуда аккумулятора. Положительные пластины и положительный борн аккумулятора КН-14 приварены соответственно к сосуду и крышке.

Пластины аккумулятора типа КНБ-15 изолированы друг от друга комбинированной изоляцией (сепаратором): капроновой тканью 14 и щелочестойкой бумагой 13.

Лента из капроновой ткани с бумагой проложена зигзагообразно между отрицательными и положительными пластинами в один слой. Изоляция электродов аккумулятора типа КНП-20 осуществляется размещением положительных пластин, обернутых щелочестойкой бумагой, чехлах из капроновой ткани.

Сепаратором аккумуляторов КН-14 служит чехол из перхлорвиниловой ткани, надеваемой на отрицательные пластины.

Уплотнение борнов в крышке аккумуляторов осуществляется с помощью уплотнительных колец из резины 10, изоляционных эбонитовых втулок 9, металлических шайб 12 и гаек 11. Горловина 17 уплотняется пробкой 5 и уплотнительным кольцом 18. Вентильные отверстия пробки закрыты вентильным кольцом 16.

Батареи типа 2КНБ-15 и 2КНП-20 состоят из двух последовательно соединенных аккумуляторов (рис.40). Сосуды аккумуляторов в батареях сварены по широкой стороне дна сплошным швом, а по крышке частичной сваркой. Борны (выводные штыри) аккумуляторов с одной стороны соединены последовательно шиной 6, другие два борна являются выводными полюсами батареи. У положительного борна на крышке 3 аккумулятора выштампован знак " + ", у отрицательного - тип батареи (2КНБ-15 или 2КНП-20).

В НК-аккумуляторах применяются безламельные электроды. Одной из разновидностей которых являются прессованные электроды. Прессованные электроды получают методом напрессовки под давлением 35-60 МПа активной массы на сетку или стальную перфорированную ленту. Активная масса состоит из гидроксида никеля (+2), гидроксида кобальта (3-6%), графита (16-23%) и связующего (раствора натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы, содержащего 5г/л КОН). Масса перед прессованием вальцуется. Для увеличения прочности полученные пластины покрывают щелочестойким лаком, а на некоторых предприятиях обклеивают бумагой или тканью. Толщина пластин 0,8-1,8 мм. Во избежание осыпания и вымывания активной массы прессованные электроды используют в аккумуляторах с плотной сборкой, при которой пластины, разделенные сепараторами, плотно прижимаются друг к другу. Для повышения устойчивости в активную массу иногда вводят связующие вещества. Прессованные электроды изготавливают также методом вальц евания.

К разновидностям прессованных электродов относят таблеточные электроды, имеющие круглую форму. Прессованные электроды имеют высокую удельную энергию и меньшую стоимость по сравнению со спеченными электродами, могут работать при низких температурах, но характеризуются меньшим ресурсом.

Герметичные аккумуляторы производятся в металлических корпусах призматической, цилиндрической и дисковой форм (рис.4.4.1-4.4.4).

Г ерметизируют цилиндрические и дисковые аккумуляторы путем обжатия (завальцовки) полиамидной или винипластовой прокладки между зигом корпуса и крышкой. Уплотнение борнов призматических аккумуляторов осуществляется, как правило, при помощи резиновых колец в виде тора овального сечения. Сжимается кольцо в радиальном направлении от борна к втулке крышки. В зарубежных призматических герметичных аккумуляторах широко применяются керамические уплотнения борнов.

В качестве сепараторов используются ткани и нетканые материалы (войлоки, фетры) из поливинилхлорида, полипропилена, полиамида, капрона и других материалов. Могут быть комбинации нескольких слоев сепараторов из различных материалов.

Призматические аккумуляторы в большинстве случаев содержат спеченные положительные электроды. Если не требуется большого ресурса, то используются прессованные положительные электроды. Отрицательные электроды бывают как спеченной, так и прессованной, вальцованной и намазной конструкции. Спеченные электроды получают пропиткой активной массой высокопористых (не менее 70%) никелевых пластин, которые изготовляют спеканием заготовок из порошка карбонильного никеля. Прессованные, вальцованные и намазные электроды получили свое название по технологии нанесения активного материала на металлическую подложку. В цилиндрических аккумуляторах применяются спеченные положительные электроды, в паре с которыми могут использоваться как спеченные, так и намазные или вальцованные отрицательные электроды. В дисковых аккумуляторах в основном используются ламельные электроды, хотя могут применяться прессованные и спеченные электроды. В качестве материала ламели используется никелевая сетка.

Спеченные (металлокерамические) электроды состоят из пористой (с пористостью не менее 70%) металлокерамической основы, в порах которой находится активная масса. Основу производят из карбонильного никелевого мелкодисперсного порошка, который в смеси с карбонатом аммония или карбамидом (60-65% никеля, остальное - наполнитель) напрессовывают, накатывают или напыляют на стальную или никелевую сетку. После этого сетку с порошком подвергают термообработке в восстановительной атмосфере (обычно в атмосфере водорода) при температуре 800-960 °С, при этом карбонат аммония или карбамид разлагается и улетучивается, а никель спекается. Полученные таким образом основы имеют толщину 1 - 2,3 мм, пористость 80-85% и радиус пор 5-20 мкм. Основу поочередно пропитывают концентрированным раствором нитрата никеля или сульфата никеля и нагретым до 60-90 °С раствором щелочи, которая вызывает осаждение оксидов и гидроксидов никеля. Пропитку проводят несколько раз (до 4 раз), чтобы заполнить оксидами до 40-60% объема пор пластин. Затем пластины тщательно отмывают от нитрат - и сульфат-ионов в конденсате или деминерализованной воде до слабо розового окрашивания пробы воды при добавлении фенолфталеина. После этого пластины сушат при температуре 80-139 °С.

П ластины формируют путем двух-трехкратных зарядов-разрядов в растворе КОН плотностью 1,09-1,11 г/см3 при определенных режимах. В настоящее время применяется также электрохимический метод пропитки, при котором электрод подвергается катодной обработке в растворе нитрата никеля. Из-за выделения водорода раствор в порах пластины подщелачивается, что приводит к осаждению оксидов и гидроксидов никеля в порах пластины. К разновидностям спеченных электродов относят фольговые электроды. Электроды изготавливают нанесением на тонкую (0,05 мм) перфорированную никелевую ленту с двух сторон методом пульверизации спиртовой эмульсии никелевого карбонильного порошка, содержащей связующие вещества (обычно клей БФ), спеканием и последующей химической или электрохимической пропиткой реагентами. Толщина электрода составляет 0,4-0,6 мм.