Катод воздушно-металлического химического источника тока
Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована при производстве химических источников тока (ХИТ). Катод воздушно-металлического ХИТ состоит из активного слоя, содержащего активированный уголь 78-82 масс.%, технический углерод 9-11 масс.% и фторопласт 9-11 масс.%. Катод может дополнительно содержать гидрофобный слой, состоящий из технического углерода 56-59 масс.% и фторопласта 41-44 масс.%. Техническим результатом полезной модели является упрощение технологии производства и повышение энергетических характеристик ХИТ и батареи на его основе.
Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована при производстве химических источников тока (ХИТ).
Известен катод по патенту РФ 2040832, Кл. Н01М 4/86 и Н01М 4/96, активный слой которого содержит активированный уголь 85-98 масс.%, остальное - полиэтилен, а гидрофобный слой содержит технический углерод 60-95 масс.%, остальное - полиэтилен. Недостаток этого катода в том, что полиэтилен недостаточно гидрофобен, а количества гидрофобизатора в гидрофобном слое недостаточно. Это снижает энергетические характеристики из-за промокания электрода.
Известен катод, активная масса которого содержит технический углерод 61,4-63,4 масс.% и фторопласт 27-29% (патент РФ 1327755, Кл. Н01М М4/90 и Н01М 4/96). Недостаток заключается в снижении энергетических характеристик вследствие увеличенных омических потерь из-за большого количества фторопласта и недостаточной электрической проводимости сажи в активной части катода.
Прототипом настоящей полезной модели является катод, известный по патенту 2152670, Кл. Н01М 4/96 и Н01М 4/06. Активный и гидрофобный слои также содержат полиэтилен. Смесь каждого слоя смешивают вначале при комнатной, а затем при температуре 150°С. После прессуют на металлическую сетку также при температуре 150°С. После отмывки в растворителе, электрод подпрессовывают при температуре 110-170°С и удельном давлении 100-500 кгс/см 2.
Недостаток прототипа заключается в сложности технологии. При прессовании при повышенной температуре обычно время нахождения под давлением не превышает 0,5-1 мин. Этого недостаточно для скрепления частиц пористого монолитного электрода. После снятия нагрузки,
вследствие релаксационных явлений может возникать появление микротрещин, приводящих к затоплению пор электролитом и снижению энергетических характеристик ХИТ.
Задача полезной модели - упрощение технологии и повышение энергетических характеристик ХИТ.
Указанный технический результат достигается тем, что катод воздушно-металлического химического источника тока, содержащий токоотвод и активный слой, который содержит масс.%: активированный уголь 78-82, технический углерод 9-11 и фторопласт 9-11.
Целесообразно, чтобы катод дополнительно содержал гидрофобный слой, состоящий масс.%: из технического углерода 56-59 и фторопласта 41-44.
В полезной модели задача решается, во первых, тем, что катод для ХИТ с относительно небольшим сроком контакта катода с электролитом и работы состоит из одного активного слоя, содержащего активированный уголь 78-82 масс.%, технический углерод 9-11 масс.% и фторопласт 9-11%, а катод для ХИТ с длительным сроком работы дополнительно содержит гидрофобный слой, состоящий из технического углерода 56-59 масс.% и фторопласта 41-44 масс.%. Во-вторых фторопласт вводят в массу в виде фторопластовой суспензии, разбавленной в дистиллированной воде. В третьих, производят прессование катода удельным усилием 150-300 кгс/см2 Финишной операцией является термостабилизация катода при температуре 340-360°С в течение 10-20 минут.
Катод с одним слоем - активным может использоваться в ХИТ с относительно коротким сроком работы, например, в воздушно-цинковых батареях «Штиль» для питания средств навигационной обстановки с заправкой электролитом перед разрядом и длительностью разряда 10-11 недель. Этот однослойный катод обладает смешанными гидрофильно-гидрофобными свойствами. Гидрофильность обеспечивается, прежде всего, активированным углем, этому также способствует сажа, хорошо впитывающая и удерживающая влагу. Гидрофобность достигается тем, что фторопласт, содержащийся в суспензии в мелкодисперсном виде, покрывает стенки пор катода. Мелкодисперсная пленка фторопласта, покрывая частицы катода, играет роль связующего между ними. Гидрофобности также способствует сажа, удерживающая электролит от просачивания из пор в течение времени разряда ХИТ. Термостабилизация катода в незаневоленном виде предотвращает снижение пористости и релаксационные явления. При температуре стабилизации 340-360°С происходит размягчение фторопласта и более плотное покрытие им частиц электрода повышающее его механическую прочность.
В варианте катода для ХИТ с длительным разрядом к активному слою присоединяют гидрофобный слой. Содержание в гидрофобном слое технического углерода достаточно для обеспечения электронной проводимости слоя, а значительное количество фторопласта обеспечивает невытекание электролита. Способ изготовления двухслойного электрода остается таким же, как и однослойного.
Проведенный анализ уровня техники показал, что заявленная совокупность существенных признаков, изложенных в формуле полезной модели, неизвестна. Это позволяет сделать вывод о ее соответствии критерию «новизна».
Сущность полезной модели поясняется примером практической реализации.
Пример 1 практический реализации. Изготовляем однослойный катод для ХИТ, входящего в состав двух элементов батареи «Штиль» резервного типа. Токоотвод - стальная никелированная сетка толщиной 70 мкм. Активную массу готовят из смеси: активированный уголь - 80 масс.%, технический углерод (сажа) - 10 масс.%, суспензия фторопласта - 10 масс.% по сухому остатку. Производят перемешивание активированного угля и углерода в смесителе в водно-спиртовом растворе в течение 5 мин. Фторопластовую суспензию разбавляют дистиллированной водой и выливают в смеситель и перемешивают активированный уголь, технический углерод и фторопластовую суспензию в течение 7 минут. Затем активную массу сушат при температуре 130-150°с в течение суток и прессуют катод при комнатной температуре удельным усилием 220 кгс/см2 Финишная операция - термостабилизация при температуре 350°С в течение 15 мин. Батареи разряжались с плотностью тока на катодах 3 мА/см2 со скважностью разряда: разряд - 0,5 сек, отдых - 0,5 сек. Время работы в таком режиме составило 1676 часов.
Время работы батареи с катодами, изготовленными по прототипу, составило 1334 часа.
Пример 2. Изготовлен двухслойный катод для батареи «Штиль». Активную массу готовят по способу, описанному в примере 1. Состав гидрофобной массы: технический углерод - 58 масс.%, фторопласт - 42 масс.%, по сухому остатку. Производят перемешивание углерода в водно-спиртовом растворе в течение 5 мин. в смесителе, в который затем выливают фторопластовую суспензию, разбавленную дистиллированной водой и перемешивают в течение 6 минут.
Смешанную массу сушат, как в примере 1.
В прессформу засыпают активный слой, затем - гидрофобный слой, накладывают металлическую сетку, прессуют и термостабилизируют, как в примере 1.
Одна батарея разряжалась сразу после заливки по режиму, приведенному в примере 1. Время работы составило 1630 часов. Некоторое преимущество батареи с однослойными катодами
связано с более высоким напряжением ХИТ с однослойным катодом. Другая батарея с двухслойными катодами хранилась до разряда 3 месяца (2160 часов) с заправленным электролитом. Время работы после включения на разряд составило 1610 часов, что свидетельствует о кондиционности катодов, контактировавшим с электролитом до разряда и при разряде, всего 3770 час.
На основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что заявленные катод и способ его изготовления могут быть реализованы с достижением заявленного технического результата, т.е. они соответствуют критерию «промышленная применимость».
1. Катод воздушно-металлического химического источника тока, содержащий токоотвод и активный слой, отличающийся тем, что активный слой катода содержит, мас.%: активированный уголь 78-82, технический углерод 9-11 и фторопласт 9-11.
2. Катод по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит гидрофобный слой, состоящий, мас.%: из технического углерода 56-59 и фторопласта 41-44.
