RU2069924C1 - Nickel-zinc storage cell - Google Patents

Abstract

FIELD: alkaline storage cells. SUBSTANCE: cell has nickel cathode and zinc anode with multilayer separator between them; auxiliary porous electrode is placed between its layers for switching together with anode or cathode. EFFECT: improved service life of cell. 2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при производстве и эксплуатации никель-цинковых аккумуляторов. The invention relates to the field of electrical engineering and can be used in the manufacture and operation of nickel-zinc batteries.

Известен никель-цинковый аккумулятор, содержащий корпус, раствор щелочного электролита, положительный и отрицательный электроды, разделенные сепаратором [1]
Недостатком указанного аккумулятора является низкий ресурс, связанный с неоптимальным режимом эксплуатации. Наличие избыточной емкости цинкового электрода ведет к его перезаряду и ускоренному росту дендритов, закорачивающих электроды.Known Nickel-zinc battery containing a housing, an alkaline electrolyte solution, positive and negative electrodes separated by a separator [1]
The disadvantage of this battery is the low resource associated with suboptimal operation. The presence of excess capacity of the zinc electrode leads to its recharging and accelerated growth of dendrites shorting the electrodes.

Известен никель-цинковый аккумулятор, в котором для повышения ресурса используют кислород, выделяющийся при заряде на положительном электроде, для окисления дендритов цинка, зарождающихся на отрицательном электроде. Аккумулятор содержит корпус, электролит, положительный и отрицательный электроды, разделенные сепаратором. Для облегчения диффузии кислорода к отрицательному электроду сепаратор имеет гладкую поверхность со стороны отрицательного электрода и ребристую со стороны положительного электрода [2]
Недостатком этого аккумулятора является избыточность емкости цинкового электрода, что снижает удельные характеристики, а также требует периодического разряда аккумулятора до нуля, чтобы предотвратить перезаряд цинкового электрода и усиленное дендритообразование. Это усложняет технологию эксплуатации аккумулятора.Known nickel-zinc battery, in which to increase the resource using oxygen released during the charge on the positive electrode, for the oxidation of zinc dendrites, arising on the negative electrode. The battery contains a housing, an electrolyte, positive and negative electrodes, separated by a separator. To facilitate the diffusion of oxygen to the negative electrode, the separator has a smooth surface on the side of the negative electrode and ribbed on the side of the positive electrode [2]
The disadvantage of this battery is the excess capacity of the zinc electrode, which reduces the specific characteristics, and also requires periodic discharge of the battery to zero to prevent overcharging of the zinc electrode and enhanced dendritic formation. This complicates the technology of battery operation.

Из известных аккумуляторов наиболее близким по совокупности существенных признаков является никель-цинковый аккумулятор, содержащий корпус, раствор щелочного электролита, положительный и отрицательный электроды, разделенные многослойным сепаратором, и вспомогательный электрод, предназначенный для подавления выделения кислорода в конце заряда. Вспомогательный электрод расположен с тыльной стороны отрицательного электрода и соединен с ним электрически [3]
Недостатком этого аккумулятора является закорачивание электродов дендритами, прорастающими через сепаратор. Это ограничивает ресурс никель-цинкового аккумулятора.Of the known batteries, the closest in combination of essential features is a nickel-zinc battery containing a housing, an alkaline electrolyte solution, positive and negative electrodes separated by a multilayer separator, and an auxiliary electrode designed to suppress oxygen evolution at the end of the charge. The auxiliary electrode is located on the back side of the negative electrode and is electrically connected to it [3]
The disadvantage of this battery is the shorting of the electrodes by dendrites growing through the separator. This limits the life of the nickel-zinc battery.

Задачей изобретения является создание никель-цинкового аккумулятора, обладающего повышенным ресурсом. The objective of the invention is the creation of a nickel-zinc battery with an increased resource.

Результат достигается тем, что в никель-цинковом аккумуляторе вспомогательный электрод выполнен пористым и размещен между слоями сепаратора. Наличие пористого гидрофильного электрода между слоями сепаратора, не влияя на протекание электрохимических процессов, позволяет оптимально эксплуатировать аккумулятор. Коммутируя вспомогательный электрод с положительным или отрицательным электродами, можно ограничить выделение газа на соответствующем электроде. Кроме того, вспомогательный электрод позволяет использовать избыточную емкость цинкового электрода в процессе разряда путем периодической коммутации с этим электродом. Кроме того, этот электрод механически защищает электроды от закорачивания, образовавшимися в процессе эксплуатации дендритами. Целесообразно вспомогательный электрод выполнять с внешним электрическим выводом, что дает возможность коммутации в процессе эксплуатации вспомогательного электрода с положительным или отрицательным электродами. The result is achieved in that in the nickel-zinc battery, the auxiliary electrode is made porous and placed between the layers of the separator. The presence of a porous hydrophilic electrode between the layers of the separator, without affecting the flow of electrochemical processes, allows you to optimally operate the battery. By switching the auxiliary electrode with positive or negative electrodes, it is possible to limit the gas evolution at the corresponding electrode. In addition, the auxiliary electrode allows you to use the excess capacity of the zinc electrode in the discharge process by periodically switching with this electrode. In addition, this electrode mechanically protects the electrodes from shorting caused by dendrites during operation. It is advisable to perform the auxiliary electrode with an external electrical outlet, which makes it possible to switch during operation of the auxiliary electrode with positive or negative electrodes.

Наличие вывода на вспомогательном электроде позволяет производить оптимальный раздельный заряд и разряд электродов аккумулятора. Это связано с тем, что обычно в никель-цинковом аккумуляторе цинковый электрод имеет избыточную по отношению к никелевому электроду емкость. При обычном циклировании один электрод либо недозаряжен, либо другой перезаряжен. The presence of the output on the auxiliary electrode allows optimal separate charge and discharge of the battery electrodes. This is due to the fact that usually in a nickel-zinc battery, the zinc electrode has an excess capacity with respect to the nickel electrode. In normal cycling, one electrode is either undercharged or the other recharged.

Проведенный анализ уровня техники показал, что заявленная совокупность существенных признаков, изложенная в формуле изобретения, неизвестна. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявленного изобретения критерию "новизна". The analysis of the prior art showed that the claimed combination of essential features set forth in the claims is unknown. This allows us to conclude that the claimed invention meets the criterion of "novelty."

Для определения соответствия заявленного изобретения критерию "изобретательский уровень" проведен дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения. To determine the conformity of the claimed invention to the criterion of "inventive step", an additional search was carried out for known solutions in order to identify features that match the distinctive features of the claimed invention from the prototype.

Установлено, что данное изобретение не следует для специалиста в данной области явным образом из известного уровня техники. Следовательно, заявленное изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень". It is established that this invention does not follow for a person skilled in the art explicitly from the prior art. Therefore, the claimed invention meets the criterion of "inventive step".

На чертеже приведены зависимости зарядного и разрядного напряжений от числа циклов. The drawing shows the dependence of the charging and discharge voltages on the number of cycles.

На базе никель-цинкового аккумулятора НЦ-30 емкостью 30 А.ч был собран аккумулятор в соответствие с заявленным изобретением. Для реализации сборки блока электродов извлекались из корпуса, между слоями полипропиленового сепаратора устанавливался вспомогательный электрод из пористой никелевой фольги толщиной 70 мкм, пористостью 40 и средним размером пор 5 мкм. После установки вспомогательного электрода блоки электродов вновь устанавливались в корпус, аккумулятор заправляется электролитом и устанавливался на циклировании. Заряд аккумулятора проводился до напряжения 2,0 В, разряд проводился в течение часа. Зарядный и разрядный токи равнялись 6,0 А. Испытания проводились в течение более 100 циклов. Периодически проводились контрольные циклы разряда до конечного напряжения 1,65 В. Контрольные циклы разряда (50 и 100) показали значение емкости выше номинального 39 и 37 А.ч соответственно. Эффективность отдачи по току достигала 98 В процессе испытаний вспомогательный электрод подключался к положительному электроду на несколько мин или к зарядному устройству. Вспомогательный электрод быстро заряжался и отдавал емкость около 300 кулон за несколько секунд. Вспомогательный электрод может использоваться как противоэлектрод для циклирования основных электродов и как накопитель энергии. On the basis of the NTs-30 nickel-zinc battery with a capacity of 30 A. h, the battery was assembled in accordance with the claimed invention. To realize the assembly, the block of electrodes was removed from the casing; between the layers of the polypropylene separator, an auxiliary electrode of porous nickel foil with a thickness of 70 μm, porosity of 40, and an average pore size of 5 μm was installed. After the auxiliary electrode was installed, the electrode blocks were reinstalled in the housing, the battery was charged with electrolyte and mounted on cycling. The battery charge was carried out to a voltage of 2.0 V, the discharge was carried out for an hour. Charging and discharge currents were 6.0 A. The tests were carried out for more than 100 cycles. Periodically, control discharge cycles were carried out to a final voltage of 1.65 V. The control discharge cycles (50 and 100) showed a capacitance value higher than the nominal 39 and 37 A. h, respectively. The efficiency of current efficiency reached 98. During the tests, the auxiliary electrode was connected to the positive electrode for several minutes or to the charger. The auxiliary electrode was quickly charged and gave a capacity of about 300 pendant in a few seconds. The auxiliary electrode can be used as a counter electrode for cycling the main electrodes and as an energy storage device.

Контрольная проверка электродов аккумулятора в процессе циклирования визуальным осмотром дендритов не обнаружила. A check of the battery electrodes during cycling by visual inspection of the dendrites was not found.

Характеристики аккумуляторов НЦ-30 с вспомогательным электродом и без него практически совпадают. Это дает основание утверждать, что вспомогательный электрод из пористой фольги практически не вносит вклада во внутреннее сопротивление аккумулятора. The characteristics of the NTs-30 batteries with and without an auxiliary electrode practically coincide. This suggests that the auxiliary electrode made of porous foil practically does not contribute to the internal resistance of the battery.

В процессе циклирования обычного аккумулятора НЦ-30 без вспомогательного электрода наблюдается падения напряжения. Для обеспечения номинального ресурса 60 70 циклов в соответствие с технической документацией на НЦ-30 необходимо через каждые 5 циклов проводить глубокий разряд до конечного напряжения 0,15 0,30 В, так называемый "лечебный" цикл разряда. Указанный цикл предназначен для полного разряда цинкового электрода и растворения зарождающихся дендритов. Если лечебный цикл не проводить, аккумулятор выходит из строя через 15 20 циклов. During cycling of a conventional NTs-30 battery without an auxiliary electrode, voltage drops are observed. To ensure a nominal life of 60 70 cycles in accordance with the technical documentation on the NTs-30, it is necessary to conduct a deep discharge every 5 cycles to a final voltage of 0.15 0.30 V, the so-called "medical" discharge cycle. The indicated cycle is intended for the complete discharge of the zinc electrode and the dissolution of incipient dendrites. If the treatment cycle is not carried out, the battery fails after 15 20 cycles.

Таким образом, вышеизложенные данные свидетельствуют о том, что заявленный аккумулятор обладает повышенным ресурсом и возможностью оптимальной его эксплуатации при использовании вспомогательного электрода. Приведенные данные подтверждают возможность практической реализации заявленного аккумулятора с получением заявленного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует критерию "промышленная применимость". Thus, the above data indicate that the claimed battery has an increased resource and the possibility of its optimal operation when using an auxiliary electrode. These data confirm the possibility of practical implementation of the claimed battery with obtaining the claimed technical result. Therefore, the claimed invention meets the criterion of "industrial applicability".

Claims (2)

1. Никель-цинковый аккумулятор, содержащий корпус, раствор щелочного электролита, положительный и отрицательный электроды, разделенные многослойным сепаратором, и вспомогательный электрод, отличающийся тем, что вспомогательный электрод выполнен пористым и размещен между слоями сепаратора. 1. Nickel-zinc battery containing a housing, an alkaline electrolyte solution, positive and negative electrodes separated by a multilayer separator, and an auxiliary electrode, characterized in that the auxiliary electrode is made porous and placed between the layers of the separator. 2. Аккумулятор по п. 1, отличающийся тем, что вспомогательный электрод выполнен с возможностью коммутации с положительным или отрицательным электродами. 2. The battery according to claim 1, characterized in that the auxiliary electrode is configured to switch with positive or negative electrodes.