Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ЗАРЯДА ХИМИЧЕСКОГО ИСТОЧНИКА ТОКА С ВОДНЫМ ЭЛЕКТРОЛИТОМ

Изобретение относится к способам заряда химических источников тока (ХИТ) и может быть использовано для заряда ХИТ с водным электролитом. Изобретение предназначено для применения преимущественно в процессе заряда щелочных ХИТ, а именно газонепроницаемых щелочных никелевых химических источников тока, может быть использовано в любых иных видах ХИТ не на основе никеля.

Наиболее близкими аналогами, совпадающими с заявленным техническим решением как по способу заряда ХИТ, так и по назначению в аккумуляторной промышленности, являются следующие.

Способ заряда и восстановления аккумулятора путем возбуждения механических ультразвуковых колебаний электродов, погруженных в раствор электролита (SU 922923, опубликованное 23.10.1992, H01M 10/42).

Сущность этого способа заряда аккумулятора заключается в следующем: возбуждаются механические ультразвуковые колебания электродов, погруженных в раствор электролита. Колебания электродов интенсифицируют электрохимические процессы в поверхностной области пористых электродов аккумулятора, что приводит к восстановлению его номинального напряжения. Одновременно достигается дегазация аккумулятора, снижается его разогрев и также производится очистка электродов. При этом указанный способ характеризуется тем, что улучшается перемешивание электролита преимущественно в поверхностной области электродов [1].

Характерными недостатками указанного способа является то, что колебания электролита происходят не во всей межэлектродной области, а только в поверхностной области электрода, что ограничивает возможности способа по повышению максимального тока заряда аккумулятора. Кроме того, следует отметить, что при таком способе не возникают стоячие ультразвуковые волны в поверхностной области электрода и межэлектродной области аккумулятора.

В изобретении по патенту RU 2226019, опубликованному 20.03.2004, H01M 10/44, H02J 7/00, был разработан способ заряда и восстановления аккумулятора, более эффективный по сравнению с известными аналогами, с целью их применения для заряда и восстановления никель-кадмиевых (Ni-Cd) и никель-металл-гидридных (Ni-MH) и свинцовых аккумуляторов.

Сущность изобретения по патенту RU 2226019 выражается в следующем: способ заряда и восстановления аккумулятора заключается в подаче на заряжаемый аккумулятор зарядного тока и возбуждении в аккумуляторе механических колебаний и характеризуется тем, что заряд производят асимметричным импульсным током с чередованием зарядного и разрядного импульсов, а возбуждение в аккумуляторе механических колебаний осуществляют за счет формирования зарядного импульса в виде серии импульсов высокой частоты [2].

Аналогом заявленного способа по совпадению общих признаков заявляемого способа является изобретение по патенту RU 2226019 [2], выбранному в качестве прототипа.

Характерным недостатком указанного способа является то, что такой способ не позволяет получить максимальный ток заряда и одновременно обеспечить максимальную емкость аккумулятора.

Предлагаемое изобретение решает проблему заряда аккумулятора с максимальным током и одновременным обеспечением максимальной емкости аккумулятора. В основу настоящего изобретения положено решение задачи возбуждения механических колебаний как ионов, так и нейтральных частиц электролита как целого акустическим воздействием.

Решением технической задачи в способе заряда химического источника тока с водным электролитом, заключающемся в подаче зарядного тока на пористые электроды ХИТ и возбуждении механических колебаний ионов электролита, достигается тем, что механические колебания электролита ХИТ возбуждают акустическим воздействием в диапазоне от 1 кГц до 5 МГц.

Акустическое воздействие на электролит осуществляют в поверхностной области электродов, имеющих заданные размеры пор, находящиеся в диапазоне от 0,7 нм до 10 мкм.

Акустическое воздействие на электролит осуществляют в поверхностной области электродов и межэлектродной области ХИТ в виде стоячих волн с ультразвуковой частотой и пучностью в поверхностной области электродов.

Пористые электроды имеют открытые поры с размерами от 0,7 нм в суперконденсаторах [3] до 10 мкм для ламельных электродов [4] в зависимости от типа электрода.

Воздействие на электролит осуществляют с частотой акустических колебаний в диапазоне от 1 кГц до 5 МГц в зависимости от геометрических размеров аккумулятора в виде стоячих волн с ультразвуковой частотой и пучностью в поверхностной области электродов, при этом мощность акустического воздействия задают не более порога кавитации в электролите.

Сущность заявленного способа заключается в следующем.

Способ заряда химического источника тока с водным электролитом заключается в подаче зарядного тока на пористые электроды химического источника тока и одновременном возбуждении механических колебаний электролита химического источника тока акустическим воздействием.

Основным преимуществом заявленного способа заряда являются его высокие возможности по подводу и отводу ионов к поверхности пористых электродов, что достигается благодаря акустическим воздействиям на электролит мощностью не более порога кавитации в электролите, обеспечивающим механические колебания электролита как целого в поверхностной и межэлектродной областях пористого электрода.

Кроме этого, заявленное решение имеет ряд признаков, характеризующих изобретение в конкретных формах его воплощения, а именно: частоту колебаний электролита выбирают в диапазоне от 1 кГц до 5 МГц в зависимости от геометрических размеров аккумулятора в виде стоячих волн с ультразвуковой частотой и пучностью в поверхностной области электродов с учетом собственных механических колебаний как ионов, так и нейтральных частиц электролита как целого. Также механические колебания электролита производят в поверхностной области пористых электродов с размерами пор от 0,7 нм до 10 мкм.

Заявленное техническое решение поясняется следующим графическим материалом, представленным на фиг. 1, 2.

На фиг. 1 представлена кривая заряда ХИТ по предлагаемому способу, в результате чего емкость аккумулятора и ток заряда возрастают по сравнению с прототипом. На фиг. 2 представлено полученное методом СЭМ (сканирующая электронная микроскопия) изображение поверхности среза оксидно-никелевого электрода химического источника тока, с активным веществом электрода, созданным с использованием методики химической пропитки. ХИТ с этим электродом (фиг. 2) заряжался по предлагаемому способу.

Рассмотрим пример конкретной реализации заявленного способа заряда химического источника тока с водным электролитом.

Никель-кадмиевый щелочной аккумулятор формируют из опущенных в щелочной электролит оксидно-никелевого и кадмиевого электродов, между которыми помещают магнитострикционный излучатель ультразвуковых колебаний. Как правило, способ заряда аккумулятора осуществляют при площади каждого из электродов, равной 1 см² [5, стр. 214]. Заряд аккумулятора осуществляют с использованием многофункциональной системы потенциостат-гальваностат PGSTAT 302 N (MetrohmAutolab) с диапазоном изменения потенциала от 0,3 до 1,4 В и зарядным током плотностью 0,5 мА/см². Для возбуждения ультразвуковых колебаний используют ультразвуковой диспергатор УЗДН-2Т на рабочей частоте 22 кГц. Частоту выбирают 22 кГц, так что четверть длины волны соответствует 1,7 см. Излучатель закрепляют на расстоянии 1,7 см как от оксидно-никелевого электрода, так и от кадмиевого электрода. Удельную акустическую мощность преобразователя выбирают порядка 0,1 Вт/см², поскольку известно, что разрушение электродов при воздействии УЗ может происходить при кавитации при мощности 0,3 Вт/см² [6]. В результате при заряде аккумулятора возбуждают механические колебания электролита на частоте 22 кГц. При этом величина зарядного тока увеличивается до 3 раз при акустическом воздействии на электролит, следовательно, емкость аккумулятора также возрастает, поскольку линейно связана с током заряда [1, стр. 22]. При акустическом воздействии за счет роста средней плотности тока заряда достигают уменьшения времени заряда макета до 50%. Оксидно-никелевый электрод получают по методике химической пропитки с уменьшенным размером пор электрода до 10-100 нм.

Заявленные результаты были реализованы в условиях лабораторной установки в Институте радиоэлектроники и телекоммуникаций в Казанском национальном исследовательском техническом университете им. А.Н. Туполева, таким образом, можно сделать вывод о его соответствии критерию «промышленная применимость», предъявляемому к изобретениям.

Как правило, в ХИТ используют пористые электроды для ускорения электрохимических реакций (или, что эквивалентно, для снижения электродной поляризации). Поры могут быть извилистыми и неизвилистыми. Пористые электроды изготавливают либо из дисперсных материалов (порошки, волокна), либо путем соответствующей обработки гладких (массивных) электродов.

Положительный электрод на основе гидроксидов никеля, называемый оксидно-никелевым или просто никелевым электродом, применяется в химических источниках тока нескольких систем. Следует отметить отличительные особенности никель-кадмиевого (НК) щелочного аккумулятора. В первую очередь, НК-аккумулятор отличается низким значением саморазряда (5-10% от удельной емкости в месяц), поэтому он незаменим в системах с длительным хранением батарей в заряженном состоянии. Это прежде всего батареи, расположенные в труднодоступных местах, не требующие постоянного ухода. Низкое значение саморазряда обусловливает меньший объем газовыделения как при хранении батарей, так и при их заряде. Поэтому снижаются требования по вентиляции аккумуляторных помещений.

Никель-кадмиевые батареи имеют более широкий диапазон температуры эксплуатации, а именно: от -50 до +60°C, что делает их незаменимыми для применения как в районах с холодным климатом, так и в тропиках.

Потребность в таких ХИТ в настоящее время высокая, поскольку диапазон по мощности применяемых устройств очень широк, что позволяет применять их в качестве пусковых и стартерных ХИТ транспортных средств. Функционального различия пусковых и стартерных ХИТ нет, оба типа предназначены для пуска двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Но стартерные батареи совмещают две функции: пуск ДВС и обеспечение энергетических потребностей внутренних потребителей автомобиля (свет, мультимедиа и пр.), а пусковые предназначены именно для эффективного пуска.

Удельная энергия, скорость разряда аккумуляторов со спеченными электродами выше, они работоспособны при низких температурах, но дороже, характеризуются эффектом «памяти» и способностью к тепловому разгону. Волоконные, металловойлочные и пенополимерные электроды характеризуются высокой удельной емкостью и высоким ресурсом [4]. С точки зрения физико-химических процессов, ток заряда аккумуляторов ограничивается минимальным размером пор и глубиной, на которой происходит перенос ионов электролита.

Сущность заявленного технического решения заключается в том, что оно основано на улучшении диффузионных характеристик ионов в электролите во всей области химического источника тока. В качестве причин, способных влиять на ход процесса диффузии в звуковом поле, можно выделить следующие вторичные эффекты, имеющие место в озвучиваемой среде: кавитацию, нагрев среды и акустические макро- и микропотоки. В результате ультразвуковой кавитации и нагрева среды в акустическом поле возможно увеличение кинетической энергии диффундирующих молекул и, следовательно, ускорение процесса диффузии. Акустические течения и особенно микропотоки, возникающие на границе раздела фаз, в состоянии вызвать ускорение переноса масс вещества в ультразвуковом поле вблизи твердой поверхности [7].

Следствием такого решения является увеличение максимального тока заряда химического источника тока при обеспечении его максимальной емкости, которое превосходит известные в мире показатели. Это понятно из того, что интенсивность контакта ионов с поверхностью электродов возрастает. Это позволяет существенно повысить максимальный ток заряда до 20 раз.

Источники информации

1. А.с. СССР №922923: МПК Н01М 10/42; опубл. 23.10.1992.

2. Способ заряда и восстановления аккумулятора: Патент на изобретение №2226019 РФ: МПК H01M 10/44, H02J 7/00/ С.В. Сарапов, А.Ю. Федоров. - Заявл. 28.03.2002; опубл. 20.03.2004.

3. P. Simon, Y. Gogotsi. Materials for electrochemical capacitors / Naturematerials. - 2008. -Vol. 7. - P. 845-854.

4. Химические источники тока: Справочник. Под редакцией Н.В. Коровина и A.M. Скундина // М.: Издательство МЭИ, 2003. 740 с.

5. Морозов, М.В. Никелевые микро- и нанопроволочные массивы как базовый материал для анодов литий-ионных аккумуляторов / М.В. Морозов, А.Х. Гильмутдинов // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева. - 2012. - №4, вып. 2. - С. 213-218.

6. Основы взаимодействия ультразвука с биологическими объектами / Б.В. Акопян, Ю.А. Ершов // М.: МГТУ им. Баумана, 2005. 224 с.

7. М.Е. Архангельский. Воздействие акустических колебаний на процесс диффузии. УФН. 1967. Т. 2, вып. 2, с. 181-206.