Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ БЛОКИРОВАНИЯ ТЕПЛОВОГО РАЗГОНА В НИКЕЛЬ-КАДМИЕВЫХ АККУМУЛЯТОРАХ

Изобретение относится электротехнике и касается вопроса безопасной работы никель-кадмиевых аккумуляторов в составе различных электротехнических и электронных систем.

Известен способ [патент РФ №2043678, МПК H01M 10/48, H01M 10/26, 1995] контроля теплового разгона в аккумуляторе во время его эксплуатации в буферном режиме. В рамках данного способа температура аккумулятора во время эксплуатации постоянно контролируется с помощью прикрепленных термодатчиков. В случае повышения температуры выше 70-80°С аккумулятор отключается.

Однако данный способ только предотвращает наступление теплового разгона, но не устраняет саму возможность появления этого явления в процессе эксплуатации аккумуляторов.

В качестве прототипа выбран способ создания никель-кадмиевых аккумуляторов с металлокерамическими электродами неподверженными тепловому разгону [патент РФ №2617687, МПК H01M 10/24, 2016], заключающийся в создании на поверхности оксидно-никелевых электродов электрически проводящего никелевого слоя проницаемого для ионов и имеющего электрический контакт с токоотводом, который создается путем помещение металлокерамических оксидно-никелевых электродов в пакеты из тонкой никелевой перфорированной фольги толщиной 2-5 мкм, причем вверху пакеты из фольги привариваются к токоотводам электродов.

Недостаток данного способа заключается в том, что создание перфорированной никелевой фольги и помещение металлокерамических оксидно-никелевых электродов в пакеты из этой фольги являются дорогостоящими и трудоемкими операциями.

Задачей изобретения является разработка дешевого и технологически эффективного способа создания на оксидно-никелевых электродах электрически проводящего никелевого слоя проницаемого для ионов и имеющего электрический контакт с токоотводом.

Поставленная задача решалась благодаря тому, что в известном способе создания на поверхности оксидно-никелевых электродов электрически проводящего никелевого слоя проницаемого для ионов и имеющего электрический контакт с токоотводом внесены изменения, характеризующиеся тем, что электрически проводящий никелевый слой толщиной 2-4 мкм на поверхности оксидно-никелевых электродов создается путем электролиза в нейтральном (рН=7) электролите никелирования.

Сущность предложенного способа заключается в следующем.

В работе [Yazvinskaya N.N., Galushkin N.E., Galushkin D.N., Galushkina LA. Probability investigation of thermal runaway in nickel-cadmium batteries with pocket electrodes // International journal of electrochemical science. - 2016. - V. 11. - P. 5850-5854] экспериментально и теоретически доказано, что в аккумуляторах с ламельными электродами тепловой разгон невозможен. Потому что для начала теплового разгона нужно, чтобы дендрит на кадмиевом электроде пророс через сепаратор, тогда в месте расположения дендрита плотность тока будет значительно выше, чем в соседних местах электрода и электрод будет разогреваться сильней. Это приведет к началу процесса теплового разгона [Galushkin N.E., Yazvinskaya N.N., Galushkin D.N. The mechanism of thermal runaway in alkaline batteries // Journal of the electrochemical society. - 2015. - V. 162. - P. A749-A753]. В аккумуляторах с ламельными электродами, проросший дендрит из-за высокой проводимости ламели не может сильно локально разогреть электрод и при большой плотности тока дендрит просто сгорит. Поэтому в аккумуляторах с ламельными электродами тепловой разгон невозможен.

Создание на поверхности оксидно-никелевых электродов электропроводящего никелевого слоя также не позволит электродам вместе прорастания дендритов сильно разогреваться, что исключит возможность наступления процесса теплового разгона [Galushkin N.E., Yazvinskaya N.N., Galushkin D.N. Study of thermal runaway electrochemical reactions in alkaline batteries // Journal of the electrochemical society. - 2015. - V. 162. - P. A2044-А2050].

Как известно, в случае электрохимического осаждения никеля при рН>5,5 [Шлугер М.А. Гальванические покрытия в машиностроении. Справочник, М.: Машиностроение, 1985, С. 105-118] начинается гидролиз. Продукты гидролиза (оксид и гидроксид никеля), внедряясь в покрытие, способствуют удержанию пузырьков водорода на поверхности катода, поэтому осажденный никель становится пористым, что обеспечивает создание электрически проводящего никелевого слоя проницаемого для ионов. Поэтому для создания электрически проводящего никелевого слоя проницаемого для ионов использовались нейтральные электролиты с рН=7.

Ниже приведены примеры осуществления предлагаемого способа.

Пример 1. Предлагаемый способ блокирования теплового разгона в никель-кадмиевых аккумуляторах с металлокерамическими электродами проверялся на десяти аккумуляторах НКБН-25-У3. Данные аккумуляторы после семи лет эксплуатации были сняты с объекта, вследствие большого тока саморазряда. Аккумуляторы вскрыли и с оксидно-никелевых электродов сняли сепараторы. Затем оксидно-никелевые электроды первой группы из пяти аккумуляторов помещали в электролит никелирования NiSO₄⋅7H₂O - 170 г/л; NiCl₂⋅6H₂O - 35 г/л; NaCl - 10 г/л; Na₂SO₄⋅10H₂O - 70 г/л. Никелирование проходило при: плотности тока 0,9 А/дм²; температуре 20°С и рН=7 в течение 18 мин. Это позволило создать на поверхности оксидно-никелевых электродов электрически проводящий никелевый слой, проницаемый для ионов, толщиной около 3 мкм, имеющий электрический контакт с токоотводом. Затем на эти электроды надевались прежние сепараторы.

На оксидно-никелевые электроды второй контрольной группы из пяти аккумуляторов были надеты прежние сепараторы. После этого аккумуляторы собрали снова, запаяли и залили электролит.

Согласно исследованиям в работе [Galushkin N.E., Yazvinskaya N.N., Galushkin D.N., Galushkina LA. Causes analysis of thermal runaway in nickel-cadmium accumulators the mechanism of thermal runaway in alkaline batteries // Journal of the electrochemical society. - 2014. - V. 161. - P.A1360-A1363] вероятность теплового разгона увеличивается с увеличением температуры аккумуляторов при их эксплуатации и напряжения их заряда. В связи с этим, аккумуляторы заряжались в термокамере при температуре 45°С и при напряжении заряда 2,3 В в течение 10 ч. Разряд выполнялся согласно руководству по технической эксплуатации аккумуляторов НКБН-25-У3 током 10 А до напряжения на клеммах аккумулятора 1 В. Было выполнено всего 800 циклов заряда-разряда для аккумуляторов каждой группы.

В результате циклирования тепловой разгон наблюдался четыре раза в контрольной группе аккумуляторов и ни одного раза в аккумуляторах с оксидно-никелевыми электродами, покрытыми электрически проводящим никелевым слоем.

Пример 2. Предлагаемый способ блокирования теплового разгона в никель-кадмиевых аккумуляторах с металлокерамическими электродами проверялся на десяти аккумуляторах НКГК-33СА. Данные аккумуляторы после шести лет эксплуатации были сняты с объекта. Аккумуляторы вскрыли и с оксидно-никелевых электродов сняли сепараторы. Затем оксидно-никелевые электроды первой группы из пяти аккумуляторов были помещены в электролит никелирования NiSO₄⋅7H₂O - 170 г/л; NiCl₂⋅6H₂O - 35 г/л; NaCl - 10 г/л; Na₂SO₄⋅10H₂O - 70 г/л. Никелирование происходило при: плотности тока 0,9 А/дм²; температуре 20°С и рН=7 в течение 18 мин. Это позволило создать на поверхности оксидно-никелевых электродов электрически проводящий никелевый слой, проницаемый для ионов толщиной около 3 мкм, имеющий электрический контакт с токоотводом. Затем на эти электроды были надеты прежние сепараторы.

На оксидно-никелевые электроды второй контрольной группы из пяти аккумуляторов были надеты прежние сепараторы. После этого аккумуляторы собрали снова, запаяли и залили электролит.

Аккумуляторы заряжали в термокамере при температуре 45°С и при напряжении заряда 2,3 В в течение 10 ч. Разряд выполнялся согласно руководству по технической эксплуатации аккумулятора НКГК-33СА током 6 А до напряжения на клеммах аккумулятора 1 В. Было выполнено всего 800 циклов заряда-разряда для аккумуляторов каждой группы.

В результате циклирования тепловой разгон наблюдался четыре раза в контрольной группе аккумуляторов и ни одного раза в аккумуляторах с оксидно-никелевыми электродами, покрытыми электрически проводящим никелевым слоем.

Предлагаемый способ является недорогим и эффективным способом, позволяющим создавать никель-кадмиевые аккумуляторы с металлокерамическими электродами неподверженными тепловому разгону.

ИСТОЧНИКИ

1. Патент РФ №2043678, МПК Н01М 10/48, Н01М 10/26, 1995.

2. Патент РФ №2617687, МПК Н01М 10/24, 2016.

3. Galushkin N.E., Yazvinskaya N.N., Galushkin D.N., Galushkina I.A. Causes analysis of thermal runaway in nickel-cadmium accumulators the mechanism of thermal runaway in alkaline batteries // Journal of the electrochemical society. - 2014. - V. 161. - P. A1360-A1363.

4. Yazvinskaya N.N., Galushkin N.E., Galushkin D.N., Galushkina I.A. Probability investigation of thermal runaway in nickel-cadmium batteries with pocket electrodes // International journal of electrochemical science. - 2016. - V. 11. - P. 5850-5854.

5. Galushkin N.E., Yazvinskaya N.N., Galushkin D.N. The mechanism of thermal runaway in alkaline batteries // Journal of the electrochemical society. - 2015. - V. 162. - P. A749-A753.

6. Galushkin N.E., Yazvinskaya N.N., Galushkin D.N. Study of thermal runaway electrochemical reactions in alkaline batteries // Journal of the electrochemical society. - 2015. - V. 162. - P. A2044-A2050.

7. Шлугер M.A. Гальванические покрытия в машиностроении. Справочник, М.: Машиностроение, 1985, С. 105-118.