Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ СОЗДАНИЯ НИКЕЛЬ-КАДМИЕВЫХ АККУМУЛЯТОРОВ С МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИМИ ЭЛЕКТРОДАМИ, НЕ ПОДВЕРЖЕННЫХ ТЕПЛОВОМУ РАЗГОНУ

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 изготовления никель-кадмиевых аккумуляторов с металлокерамическими электродами [Коровин Н.В., Скундин A.M. Химические источники тока. М.: МЭИ, 2003, С. 197-198], который включает следующие стадии: изготовление металлокерамической основы электродов, пропитка отрицательных и положительных электродов соответствующими активными веществами, помещение электродов в сепаратор и сборка аккумулятора. Недостаток данного способа заключается в том, что полученные никель-кадмиевые аккумуляторы подвержены тепловому разгону [Galushkin N.E., Yazvinskaya N.N., Galushkin D.N., Galushkina I.A. Causes analysis of thermal runaway in nickel-cadmium accumulators // J. Electrochem. Soc, 2014, Vol. 161, Is. 9, P. A1360-А1363].

Задачей изобретения является разработка способа создания никель-кадмиевых аккумуляторов с металлокерамическими электродами, не подверженных тепловому разгону.

Поставленная задача решалась благодаря тому, что в известном способе изготовления никель-кадмиевых аккумуляторов с металлокерамическими электродами, который включает следующие стадии: изготовление металлокерамической основы электродов, пропитка отрицательных и положительных электродов соответствующими активными веществами, помещение электродов в сепараторы и сборка аккумуляторов, была добавлена новая стадия - помещение металлокерамических оксидно-никелевых электродов в пакеты из тонкой никелевой перфорированной фольги толщиной 2-5 мкм (перед стадией помещения электродов в сепараторы), причем вверху пакеты из фольги привариваются к токоотводам электродов.

Сущность предложенного способа заключается в следующем.

В работе [Galushkin N.E., Yazvinskaya N.N., Galushkin D.N., Galushkina I.A. Probability investigation of thermal runaway in nickel-cadmium batteries with pocket electrodes // Int. J. Electrochem. Sci., 2016, Vol. 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 // J. Electrochem. Soc, 2015, Vol. 162, Is. 4, P. А749-А753]. В аккумуляторах с ламельными электродами, проросший дендрит в силу 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. Помещение оксидно-никелевых электродов в пакет из тонкой никелевой перфорированной фольги также не позволит электродам в месте 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 // J. Electrochem. Soc, 2015, Vol. 162, Is. 10, P. А2044-А2050].

Ниже приведены примеры осуществления предлагаемого способа.

Пример 1. Предлагаемый способ создания никель-кадмиевых аккумуляторов с металлокерамическими электродами, не подверженных тепловому разгону, проверялся на десяти аккумуляторах НКБН-25-У3. Данные аккумуляторы после семи лет эксплуатации были сняты вследствие большого тока саморазряда. Аккумуляторы были вскрыты и с оксидно-никелевых электродов были сняты сепараторы. Затем на оксидно-никелевые электроды первой группы из пяти аккумуляторов были надеты пакеты из тонкой никелевой перфорированной фольги толщиной 4 мкм и пакеты приварены к токоотводам этих электродов, а сверху 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.

Согласно исследованиям в работе [Galushkin N.E., Yazvinskaya N.N., Galushkin D.N., Galushkina I.A. Causes analysis of thermal runaway in nickel-cadmium accumulators // J. Electrochem. Soc, 2014, Vol. 161, Is. 9, P. A1360-A1363] вероятность теплового разгона увеличивается с увеличением температуры эксплуатации аккумуляторов и напряжения их заряда. В связи с этим мы заряжали аккумуляторы в термокамере при температуре 45°С и при напряжении заряда 2,2 В в течение 10 часов. 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 три раза в контрольной группе аккумуляторов и ни одного раза в аккумуляторах, в которых оксидно-никелевые электроды находились в пакетах из тонкой никелевой перфорированной фольги.

Пример 2. Предлагаемый способ создания никель-кадмиевых аккумуляторов с металлокерамическими электродами, не подверженных тепловому разгону, проверялся на десяти аккумуляторах НКГК-33СА. Данные аккумуляторы после шести лет эксплуатации были сняты с эксплуатации. Аккумуляторы были вскрыты и с оксидно-никелевых электродов были сняты сепараторы. Затем на оксидно-никелевые электроды первой группы из пяти аккумуляторов были надеты пакеты из тонкой никелевой перфорированной фольги толщиной 4 мкм и пакеты приварены к токоотводам этих электродов, а сверху 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 2,2 В в течение 10 часов. 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, в которых оксидно-никелевые электроды находились в пакетах из тонкой никелевой перфорированной фольги.

Предлагаемый способ является первым способом, позволяющим создавать никель-кадмиевые аккумуляторы с металлокерамическими электродами, не подверженные тепловому разгону.

ИСТОЧНИКИ

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

2. Коровин Н.В., Скундин A.M. Химические источники тока. М.: МЭИ, 2003, С. 197-198.

3. Galushkin N.E., Yazvinskaya N.N., Galushkin D.N., Galushkina I.A. Causes analysis of thermal runaway in nickel-cadmium accumulators // J. Electrochem. Soc, 2014, Vol. 161, Is. 9, P. A1360-A1363.

4. Galushkin N.E., Yazvinskaya N.N., Galushkin D.N., Galushkina I.A. Probability investigation of thermal runaway in nickel-cadmium batteries with pocket electrodes // Int. J. Electrochem. Sci., 2016, Vol. 11, P. 5850-5854.

5. Galushkin N.E., Yazvinskaya N.N., Galushkin D.N. The mechanism of thermal runaway in alkaline batteries // J. Electrochem. Soc, 2015, Vol. 162, Is. 4, P. A749-A753.

6. Galushkin N.E., Yazvinskaya N.N., Galushkin D.N. Study of thermal runaway electrochemical reactions in alkaline batteries // J. Electrochem. Soc, 2015, Vol. 162, Is. 10, P. A2044-A2050.