Щелочной никель-железный аккумулятор
Щелочной никель-железный аккумулятор относится к электротехнической промышленности и может быть использован при производстве щелочных никель-железных аккумуляторов с электродами ламельной конструкции. Никель-железный аккумулятор, содержит корпус, разнополярные электроды, выполненные в виде набора ламелей. В ламелях помещен активный материал. Активный материал для положительного электрода содержит гидрат закиси никеля, гидроокись бария, графит, кобальт. Компоненты активного материала взяты в следующем соотношении, мас.%: гидрат закиси никеля - 76,33-79,47, гидроокись бария - 1,18-1,22, кобальт - 2,17-2,26, графит - 17,18-20,19. Активный материал для отрицательного электрода выполнен на основе железосодержащих материалов типа FeOХ, где 1<×<1,5. Отношение масс активных материалов в ламелях положительного и отрицательного электродов равно 0,647-0,715. Плотность набивки активного материала в ламели для положительного электрода равна 1,56-1,76 г/см 3. Плотность активного материала для отрицательного электрода равна 2,68-3,21 г/см3. Отношение толщины положительного электрода к толщине отрицательного равно 1,0-1,46. Конструкция аккумулятора имеет повышенные удельные электрические характеристики.
Полезная модель относится к электротехнической промышленности и может быть использовано в производстве щелочных никель-железных аккумуляторах с электродами ламельной конструкции.
Известен щелочной никель-железный аккумулятор, содержащий корпус, разнополярные электроды, выполненные в виде набора ламелей, в которые помещен уплотненный активный материал, содержащий для положительного электрода гидрат закиси никеля, гидроокись бария, графит, сульфат-ион (к никелю), магний (к никелю), для отрицательного электрода активный материал на основе железосодержащего материала, сепаратор и электролит. (см. книгу М.А.Дасоян и др. "Производство электрических аккумуляторов", М, изд-во "Высшая школа", 1970 г., стр.301, 333-338, 343-369).
Недостатком такого аккумулятора является его низкие электрические удельные характеристики из-за низкого коэффициента использования гидрата закиси никеля в активной массе положительного электрода, что приводит к повышенному расходу гидрата закиси никеля и увеличению толщины электродов.
Кроме того, повышенный расход дорогостоящего никельсодержащего сырья повышает стоимость аккумулятора.
Наиболее близким к заявляемому объекту по совокупности признаков является щелочной никель-железный аккумулятор, содержащий корпус, разнополярные электроды, выполненные в виде набора ламелей, в которые помещен уплотненный активный материал, содержащий для положительного электрода гидрат закиси никеля, гидроокись бария, графит, кобальт, для отрицательного электрода активный материал на основе железосодержащих материалов, сепаратор и электролит. (см. книгу В.С.Багоцкий и др. "Химические источники тока", М, Энергоиздат, 1981 г., стр.196-201) - принято за прототип.
Недостатком этого аккумулятора является также его невысокие электрические удельные характеристики.
Это вызвано тем, что положительный активный материал ламельного электрода, включающий компоненты взятые с таким соотношением не позволяет обеспечить высокие электрохимические характеристики и требует повышенный расход гидрата закиси никеля и увеличение толщины электродов для достижения необходимых электрических характеристик аккумулятора.
Кроме того, повышенный расход дорогостоящего никельсодержащего сырья повышает стоимость аккумулятора.
Предлагаемой полезной моделью решается задача повышения удельных электрических характеристик аккумулятора
Для достижения указанного технического результата в щелочном никель-железном аккумуляторе, содержащем корпус, разнополярные электроды, выполненные в виде набора ламелей, в которые помещен уплотненный активный материал, содержащий для положительного электрода гидрат закиси никеля, гидроокись бария, графит, кобальт, для отрицательного электрода активный материал выполненный на основе железосодержащих материалов типа FeOx, где 1<×<1,5, сепаратор и электролит, компоненты активного материала положительного электрода взяты в следующем соотношении, мас.%
| Гидрат закиси никеля | 76,33-79,47 |
| Гидроокись бария | 1,18-1,22 |
| Кобальт | 2,17-2,26 |
| Графит | 17,18-20,19 |
при этом отношение масс активных материалов в ламелях положительного и отрицательного электродов равно 0,647-0,715, а плотность активного материала в ламели для положительного электрода равна 1,56-1,76 г/см3, а в ламели для отрицательного электрода равна 2,68-3,21 г/см3, причем отношение толщины положительного электрода к толщине отрицательного равно 1,0-1,46.
Щелочной никель-железный аккумулятор содержит корпус, размещенные в нем разнополярные электроды с расположенными между ними, сепаратором и электролит. Электроды выполнены в виде набора ламелей, в которые помещен активный материал.
В ламелях для положительного электрода помещен активный материал, в составе которого компоненты взяты в следующем соотношении, мас.%
| Гидрат закиси никеля | 76,33-79,47 |
| Гидроокись бария | 1,18-1,22 |
| Кобальт | 2,17-2,26 |
| Графит | 17,18-20,19 |
Для отрицательного электрода активный материал выполнен на основе железосодержащих материалов типа FeOx, где 1<×<1,5, и состоит, например, из следующих компонентов, мас%:
| Магнетит | 92,7-93,5 |
| Графит | 4,54-4,7 |
| Сульфат никеля | 1,8-2,4 |
| Сера | 0,16-0,2 |
при этом выдерживали следующее соотношение, в %:
| Feобщее | 66,5-68,5 |
| Fe+2 к Feобщее | не менее 23,6 |
| Ni к Fеобщее | 0,5-1,0 |
| Графит к Fеобщее | 6,0-8,5 |
| S2- к Fе общее | 0,2-0,4 |
Отношение масс активных материалов в ламелях положительного и отрицательного электродов равно 0,647-0,715, плотность набивки активного материала в ламели для положительного электрода равна 1,56-1,76 г/см3, а в ламели для отрицательного электрода равна 2,68-3,21 г/см3, причем отношение толщины положительного электрода к толщине отрицательного равно 1,0-1,46.
При работе аккумулятора электроды равномерно пропитываются электролитом. В качестве электролита используются водные растворы гидроксида натрия или калия плотностью 1,18-1,30 г/см3 с добавкой 20±1 г/л гидроокиси лития
Полезная модель обеспечивает повышение удельных электрических характеристик за счет использования в положительном ламельном электроде активного материала с оптимальным соотношением компонентов, а также за счет оптимального соотношения количества активных масс в ламелях разнополярных электродов, степени уплотнения этих масс, а также оптимального соотношения толщин разнополярных электродов.
Пример: Был изготовлен щелочной никель-железный аккумулятор ТНЖ-400М. Аккумулятор содержит корпус, положительный и отрицательный ламельные электроды, с расположенным между ними сепаратором в виде полиэтиленового чулка и электролит (водный раствор гидроксида натрия плотностью 1,20 г/см3 с добавкой 20±1 г/л гидроокиси лития) Каждый положительный электрод состоит из набора 24 ламелей, а отрицательный из 20. Количество положительных электродов составляет 10, а отрицательных 11.
В ламели положительного электрода помещен активный материал, содержащий следующие компоненты в следующем соотношении, мас.%:
| Гидрат закиси никеля | 77,88 |
| Гидроокись бария | 1,20 |
| Кобальт | 2,22 |
| Графит | 18,7 |
В ламели отрицательного электрода помещен активный материал, содержащий следующие компоненты в следующем соотношении, %:
| Feобщее | 66,5 |
| Fе+2 к Feобщее | не менее 23,6 |
| Ni к Feобщее | 1,0 |
| Графит к Feобщее | 8,5 |
| S2- к Fe общее | 0,4 |
Масса активного материала в ламели для положительного электрода равна 11,50 г., а масса активного материала в ламели для отрицательного электрода равна 16,30 г., отношение 
составляет 0,705.
Плотность набивки активного материала в ламели для положительного электрода равна 1,56 г/см 3, а в ламели для отрицательного электрода равна 2,68 г/см 3, отношение 
составляет 0,58.
Толщина положительного электрода равна 3,8 мм., а толщина отрицательного - 2,60 мм., отношение 
составляет 1,46.
При весе активного материала в ламели 11,5 г вес положительного активного материала в аккумуляторе составляет 2760 г., что обеспечивает положительным электродам расчетную емкость 441,6 А·ч.
При весе активного материала в ламели 16,3 г вес отрицательного активного материала в аккумуляторе составляет 3260 г., что обеспечивает отрицательным электродам расчетную емкость 440,1 А·ч.
При испытании фактическая емкость аккумулятора на контрольном цикле составила 420 А·ч.
| Таблица 1 | |||||||
| №п/ п | Показатели | Результаты исследований | |||||
| Прототип | Заявляемый активный материал | ||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | |||
| 1 | Состав активного материала для положительного электрода, мас.% | ||||||
| Гидрат закиси никеля | 77-78 | 75,84 | 76,33 | 77,88 | 79,47 | 79,60 | |
| Гидроокись бария | 2-3 | 1,22 | 1,22 | 1,20 | 1,18 | 1,18 | |
| Кобальт | - | 2,26 | 2,26 | 2,22 | 2,17 | 2,17 | |
| Графит | 20 | 20,68 | 20,19 | 18,7 | 17,18 | 17,05 | |
| 2 | Емкость А·ч/кг | 146 | 146 | 160 | 160 | 160 | 150 |
В табл.1 приведены экспериментальные данные обоснования выбранных соотношений компонентов активного материала положительного электрода. Из данных табл.1 видно, что при уменьшении в активном материале содержания, мас.% гидрата закиси никеля меньше 76,33, при гидроокиси бария 1,22, кобальта 2,26 и графита больше 20,19 приводит к снижению удельной емкости активного материала (удельных электрических характеристик аккумулятора) за счет уменьшения количества гидрата закиси никеля.
Увеличение в активном материале содержания, мас.% гидрата закиси никеля больше 79,49 при гидроокиси бария 1,18, кобальта 2,17 и графита менее 17,18 не приводит к дальнейшему росту удельной емкости активного материала (удельных электрических характеристик аккумулятора) из-за снижения электропроводности активного материала (из-за уменьшения количества графита).
| Таблица 2 | |
| Отношение масс активных материалов в ламелях положительного и отрицательного электродов | Достигнутый технический результат |
| 0,645 | Электрическая емкость аккумулятора снижена |
| 0,647 | Электрическая емкость аккумулятора соответствует норме |
| 0,705 |  _ |
| 0,715 | _ |
| 0,717-0,772 | Положительный активный материал взят с избытком. Улучшение работы аккумулятора не наблюдается |
В табл.2 приведены экспериментальные данные обоснования выбранных соотношений масс активных материалов в ламелях положительного и отрицательного электродов. Из данных табл.2 видно, что при отношении меньше 0,647 уменьшается количество активного материала необходимого для обеспечения необходимой емкости в ламелях положительного и отрицательного электродов, а при отношении больше 0,715 положительный активный материал взят с избытком и улучшение работы аккумулятора не наблюдается, вследствие чего увеличивается перерасход активного материала (увеличивается предел достаточности активного материала), что ведет к ухудшению удельных электрических характеристик аккумулятора.
| Таблица 3 | |
| Плотность в г/см3 в ламели | Характеристика положительного электрода |
| 1,40-1,55 | Активный материал вымывается из ламелей электрода |
| 1,56 | Вымывания активного материала нет |
| _ | |
| 1,76 | _ |
| 1,79-1,94 | Электрод при работе набухает выше пределов допуска |
| Таблица 4 | ||
| Плотность в г/см3 в ламели | Характеристика отрицательного электрода | |
| 2,32-2,63 | Активный материал вымывается | |
| 2,68 | Вымывания активного материала нет | |
| _ | ||
| 3,21 | _ | |
| 3,28 | Электрод имеет избыток активного материала | |
В табл.3, 4 приведены экспериментальные данные обоснования выбранных пределов плотности активного материала положительного и отрицательного электродов.
Из данных табл.3, 4 видно, что если плотность активного материала меньше 1,56 г/см 3 (для положительного электрода) и меньше 2,68 г/см 3 (для отрицательного электрода), то активный материал подвергается вымыванию из ламелей. Если плотность активного материала для положительного электрода больше 1,76 г/см 3, то при эксплуатации аккумулятора происходит значительное набухание электродов выше предельно допустимого значения, что вызывает снижение процента открытия поверхности ламелей и приводит к внутреннему короткому замыканию.
| Таблица 5 | |
| Отношение толщины положительного электрода к отрицательному. | Достигнутый технический результат |
| менее 1,0 | Емкость аккумулятора снижена из-за недостаточного количества активной массы |
| 1,0 | Емкость аккумулятора удовлетворяет требованиям |
| 1,32 | _ |
| 1,46 | _ |
| 1,51 | Снижены удельные электрические характеристики |
В табл.5 приведены экспериментальные данные обоснования выбранных пределов отношения толщины положительного электрода к толщине отрицательного электрода. Из данных табл.5 видно, что при отношении меньше 1,0 снижается емкость аккумулятора из-за недостаточного количества активной массы, а при отношении больше 1,46 снижаются удельные электрические характеристики аккумулятора из-за избыточной закладки положительного активного материала
Данная конструкция аккумулятора имеет удельные электрические характеристики выше более чем на 10% аккумулятора по прототипу за счет использования в положительном ламельном электроде активного материала с оптимальным соотношением компонентов, а также за счет оптимального соотношения количества активных масс в ламелях разнополярных электродов, степени уплотнения этих масс, а также оптимального соотношения толщин разнополярных электродов.
Щелочной никель-железный аккумулятор, содержащий корпус, разнополярные электроды, выполненные в виде набора ламелей, в которые помещен уплотненный активный материал, содержащий для положительного электрода гидрат закиси никеля, гидроокись бария, графит, кобальт, для отрицательного электрода активный материал на основе железосодержащих материалов типа FeOx, где 1<х<1,5 сепаратор и электролит, отличающийся тем, что компоненты активного материала положительного электрода взяты в следующем соотношении, мас.%:
| Гидрат закиси никеля | 76,33-79,47 |
| Гидроокись бария | 1,18-1,22 |
| Кобальт | 2,17-2,26 |
| Графит | 17,18-20,19, |
при этом отношение масс активных материалов в ламелях положительного и отрицательного электродов равно 0,647-0,715, а плотность активного материала в ламелях для положительного электрода равна 1,56-1,76 г/см3, а отрицательного электрода равна 2,68-3,21 г/см3, причем отношение толщины положительного электрода к толщине отрицательного равно 1,0-1,46.
