RU2106043C1 - Alkaline battery plate - Google Patents

Abstract

FIELD: storage batteries. SUBSTANCE: plate has active material cake, current lead, and external shell of porous metal such as nickel. Thickness makes up 0.005-0.2 of cake thickness; shell porosity is 1.0-8.0 of that of cake; pore size of cake is maximum 1.5 of particle size of active material in cake. Shell may be separated from cake by layer of ion-conducting material, including porous material. Current lead may be separated from shell by insulator. Shell has mechanical and/or electric contact with active material cake. Shell may be provided with gas-outlet hole. Active material crumbling and creeping is made impossible in plate. EFFECT: improved stability of discharge characteristics. 11 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при производстве электродов для щелочных аккумуляторов (ЩА). The invention relates to the field of electrical engineering and can be used in the manufacture of electrodes for alkaline batteries (AL).

Основной проблемой применения прессованных электродов в ЩА является осыпание активной массы или ее перемещение и изменение формы электрода в процессе циклирования [1]
Известен электрод для щелочного аккумулятора, в котором для решения указанной проблемы наружная поверхность активного материала на основе цинка покрыта пористой резиновой пленкой [2]
Недостаток данного электрода связан с тем, что резиновая пленка не обладает достаточной прочностью для предотвращения изменения формы электрода, так называемого "оползания" активной массы.The main problem of the use of extruded electrodes in AH is the crumbling of the active mass or its movement and the change in the shape of the electrode during cycling [1]
A known electrode for an alkaline battery, in which to solve this problem the outer surface of the active material based on zinc is coated with a porous rubber film [2]
The disadvantage of this electrode is that the rubber film does not have sufficient strength to prevent the electrode from changing shape, the so-called “creep” of the active mass.

Известен электрод для ЩА, содержащий токоотвод, брикет активной массы и наружную оболочку из перфорированной металлической ленты. Указанные электроды имеют большой ресурс [3]
Однако эти электроды обладают невысоким удельными электрическими характеристиками из-за блокирования части поверхности материалом оболочки и затрудненной миграции электролита через перфорацию к активной массе.A well-known electrode for AH containing a down conductor, a briquette of the active mass and an outer shell of perforated metal tape. These electrodes have a long resource [3]
However, these electrodes have a low specific electrical characteristics due to the blocking of part of the surface by the shell material and the difficult migration of the electrolyte through perforation to the active mass.

Из известных электродов для ЩА наиболее близким по совокупности существенных признаков является электрод, содержащий брикет активной массы, токоотвод и оболочку из металлической сетки [4] Указанный электрод обладает высокими удельными электрическими характеристиками вследствие свободного доступа электролита к активной массе. Of the known electrodes for AL, the closest in combination of essential features is the electrode containing the briquette of the active mass, the collector and the sheath of the metal mesh [4] This electrode has high specific electrical characteristics due to the free access of the electrolyte to the active mass.

Однако этот электрод обладает существенным недостатком, связанным с продавливанием активной массы через ячейки сетки из-за разбухания брикета активной массы при циклировании. Это приводит в конечном итоге к закорачиванию электродов и выходу ЩА из строя. However, this electrode has a significant drawback associated with forcing the active mass through the mesh cells due to swelling of the briquette of the active mass during cycling. This ultimately leads to the shorting of the electrodes and the failure of the alkaline alkaline oxide.

Задачей изобретения является создание электрода для ЩА, свободного от осыпания и "оползания" активной массы и обладающего стабильными разрядными характеристиками. The objective of the invention is to provide an electrode for alkaline acid, free from shedding and "creeping" of the active mass and having stable discharge characteristics.

Указанный технический результат достигается тем, что в электроде для ЩА, содержащем брикет активной массы, токоотвод и наружную оболочку из металла, оболочка выполнена из пористого металла. The specified technical result is achieved by the fact that in the electrode for the alkali alloy containing the briquette of the active mass, the collector and the outer shell of metal, the shell is made of porous metal.

Целесообразно, чтобы толщина оболочки, для предотвращения разбухания электрода, составляла 0,005-0,2 от толщины брикета активной массы электрода. It is advisable that the thickness of the shell, to prevent swelling of the electrode, be 0.005-0.2 of the thickness of the briquette of the active mass of the electrode.

ЦУелесообразно, чтобы пористость наружной оболочки составляла 1,0-8,0 от пористости брикета активной массы электрода для обеспечения высоких электрических характеристик. It is advisable that the porosity of the outer shell is 1.0-8.0 of the porosity of the briquette of the active mass of the electrode to ensure high electrical characteristics.

Целесообразно, чтобы размер пор оболочки составлял 0,0005-1,5 от размера частиц активной массы в брикете, для предотвращения вымывания и осыпания активной массы с электрода. Целесообразно, чтобы электрод содержал слой ионопроводящего материала, расположенного между брикетом и оболочкой. Необходимость промежуточного слоя между оболочкой и активной массой вызвана тем, что металл оболочки может образовать гальваническую пару с материалом активного слоя. Это будет приводить к саморазряду электрода и потере емкости. It is advisable that the pore size of the shell is 0.0005-1.5 of the particle size of the active mass in the briquette, to prevent leaching and shedding of the active mass from the electrode. It is advisable that the electrode contains a layer of ion-conducting material located between the briquette and the shell. The need for an intermediate layer between the shell and the active mass is due to the fact that the shell metal can form a galvanic couple with the material of the active layer. This will lead to self-discharge of the electrode and loss of capacitance.

Целесообразно, чтобы слой ионопроводящего материала был пористым для улучшения доступа электролита к активной массе. It is advisable that the layer of ion-conducting material is porous to improve the access of the electrolyte to the active mass.

Целесообразно оболочку выполнить из пористого никеля. Применение никеля оправдано тем, что он стоек при рабочих условиях ЩА и широко используется в технологии производства источников тока. It is advisable to make the shell of porous nickel. The use of nickel is justified by the fact that it is resistant under the working conditions of the alkali alloy and is widely used in the technology of production of current sources.

Целесообразно, чтобы токоотвод был отделен от наружной оболочки изолятором для исключения саморазряда электрода из-за наличия электронной связи между активной массой и материалом оболочки. It is advisable that the collector be separated from the outer shell by an insulator to exclude self-discharge of the electrode due to the presence of electronic coupling between the active mass and the sheath material.

Целесообразно, чтобы токоотвод имел механический контакт с наружной оболочкой через изолятор для уплотнения выхода токоотвода через оболочку. It is advisable that the collector has mechanical contact with the outer shell through the insulator to seal the outlet of the collector through the shell.

Целесообразно, чтобы токоотвод имел электрический контакт с оболочкой для улучшения токосъема с активной массы, это возможно при совместимости материалов оболочки и активной массы с точки зрения образования гальванической пары. It is advisable that the collector has electrical contact with the shell to improve current collection from the active mass, this is possible with the compatibility of the shell materials and the active mass from the point of view of the formation of a galvanic pair.

Целесообразно, чтобы наружная оболочка имела газоотводящее отверстие для удаления газа, который может выделяться на электроде при перезаряде. It is advisable that the outer shell has a gas outlet to remove gas that may be released on the electrode during recharging.

Соотношение толщин 0,005-0,2 оболочки и брикета активной массы определяется условиями механической прочности электрода и его удельными электрическими характеристиками. При соотношении менее 0,005 прочность каркаса будет недостаточна, чтобы удержать активную массу от набухания и "оползания". При соотношении толщин более 0,2 доля оболочки в массе электрода будет неоправданно велика, что снижает его удельные электрические характеристики. The ratio of the thicknesses of 0.005-0.2 of the shell and the briquette of the active mass is determined by the conditions of the mechanical strength of the electrode and its specific electrical characteristics. With a ratio of less than 0.005, the strength of the frame will be insufficient to keep the active mass from swelling and "creeping". With a thickness ratio of more than 0.2, the proportion of the shell in the mass of the electrode will be unreasonably large, which reduces its specific electrical characteristics.

Соотношение пористостей оболочки и брикета активной массы 1,0-8,0 определяется, с одной стороны, прочностью каркаса, с другой электрическими характеристиками. При соотношении пористостей более 8,0 прочность оболочки недостаточна для удержания активной массы от "оползания". При соотношении пористостей менее 1,0 оболочка будет диффузионным барьером для проникновения электролита к активной массе. Это увеличивает внутреннее сопротивление электрода и снижает его разрядные характеристики. The ratio of the porosity of the shell and the briquette of the active mass of 1.0-8.0 is determined, on the one hand, by the strength of the frame, with the other electrical characteristics. With a porosity ratio of more than 8.0, the shell strength is insufficient to keep the active mass from "creeping". If the porosity ratio is less than 1.0, the shell will be a diffusion barrier for the penetration of the electrolyte to the active mass. This increases the internal resistance of the electrode and reduces its discharge characteristics.

Соотношение размеров пор оболочки и частиц активной массы в брикете, равное 0,0005-1,5, определяется характеристиками электрода и возможность вымывания активной массы. При соотношении пор более 1,5 частицы активной массы могут вымываться электролитом из брикета. The ratio of the pore sizes of the shell and the particles of the active mass in the briquette, equal to 0.0005-1.5, is determined by the characteristics of the electrode and the possibility of leaching the active mass. With a pore ratio of more than 1.5, the particles of the active mass can be washed out of the briquette by electrolyte.

Дополнительный слой ионопроводящего материала между оболочкой и брикетом активной массы необходим, когда материалы активной массы и оболочки образуют гальваническую пару. Наличие дополнительного слоя необходимо, например для цинкового электрода и никелевой оболочки. Никель и цинк в щелочном растворе образуют гальваническую пару. При этом будет происходить растворение цинка, приводящее к саморазряду электрода. Ионопроводимость дополнительного слоя необходима для переноса ионов и протекания электродных токообразующих реакций. В качестве материала дополнительного слоя могут использоваться ионопроводящие мембраны с проводимостью по ионам OH^-.An additional layer of ion-conducting material between the shell and the briquette of the active mass is necessary when the materials of the active mass and the shell form a galvanic pair. The presence of an additional layer is necessary, for example, for a zinc electrode and a nickel shell. Nickel and zinc in an alkaline solution form a galvanic pair. In this case, zinc will dissolve, leading to self-discharge of the electrode. The ion conductivity of the additional layer is necessary for ion transfer and the occurrence of electrode current-forming reactions. As an additional layer material, ion-conducting membranes with OH ^- ion conductivity can be used.

Дополнительный слой может быть выполнен также из пористого сепараторного материала, который после пропитки электролитом становится ионопроводящим. The additional layer can also be made of porous separator material, which after impregnation with electrolyte becomes ion-conducting.

Когда материалы оболочки и активной массы не образуют гальванической пары, целесообразно оболочку использовать как основной или дополнительный токосъемник при наличии электрического контакта между оболочкой и токоотводом. При этом дополнительный слой отсутствует и оболочка находится в контакте с брикетом активной массы. When the materials of the shell and the active mass do not form a galvanic pair, it is advisable to use the shell as the main or additional current collector in the presence of electrical contact between the shell and the collector. In this case, an additional layer is absent and the shell is in contact with the briquette of the active mass.

Необходимость газоотводящего отверстия в оболочке электрода определяется наличием газовыделения в активной массе при перезаряде. Капиллярно-пористая оболочка, смоченная электролитом, непроницаема для газа. Выделяющийся газ будет раздувать оболочку, образуя газовые полости, что увеличивает внутреннее сопротивление электрода. При наличии специального отверстия в оболочке газ свободно удаляться. The need for a gas outlet in the electrode shell is determined by the presence of gas in the active mass during recharging. The capillary-porous shell moistened with electrolyte is impervious to gas. The released gas will inflate the shell, forming gas cavities, which increases the internal resistance of the electrode. In the presence of a special hole in the shell, the gas can be freely removed.

При отсутствии газовыделения в электроде необходимость в газоотводящем отверстии отпадает. In the absence of gas evolution in the electrode, the need for a gas outlet is eliminated.

Проведенный анализ уровня техники показал, что заявленная совокупность существенных признаков, изложенная в формуле изобретения, неизвестна. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявленного технического решения 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 technical solution meets the criterion of "novelty."

Для проверки соответствия заявленного решения критерию "изобретательский уровень" проведен дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения. To verify the conformity of the claimed solution 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 заявленное изобретение не следует явным образом для специалиста в данной области из известного уровня техники. Следовательно, заявленное изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень". На фиг.1 схематично изображен поперечный разрез заявляемого электрода; на фиг.2
продольный разрез заявляемого электрода в зоне токоотвода.It is established that the claimed invention should not be explicitly for a person skilled in the art from the prior art. Therefore, the claimed invention meets the criterion of "inventive step". Figure 1 schematically shows a cross section of the inventive electrode; figure 2
longitudinal section of the claimed electrode in the area of the collector.

Заявленный электрод содержит брикет активной массы 1, оболочку из пористого металла 2, слой ионопроводящего материала 3, токоотвод 4, газоотводящее отверстие 5 и изолятор 6. The claimed electrode contains a briquette of active mass 1, a shell of porous metal 2, a layer of ion-conducting material 3, a current collector 4, a gas outlet 5 and an insulator 6.

Пример практической реализации. An example of practical implementation.

Электрод, в соответствии с заявленным изобретением, изготавливали из смеси порошков, металлического цинка, оксида цинка, органического ингибитора коррозии и связующего. Из приготовленной смеси изготавливали брикет путем прессования на просечную сетку из оцинкованной медной фольги. Затем на обе поверхности полученного брикета напрессовывали пористую никелевую фольгу, покрытую пленкой из гидратцеллюлозы со стороны активного слоя. По периметру брикета кромки фольги сваривались, образуя карман. Толщина брикета составляла 1,5 мм, пористость- 23% при размере пор 20 мкм. Используемая пористая никелевая фольга имела толщину 70 мкм, пористость 40% и размер пор 12 мкм. Соотношение толщин оболочки из пористой фольги и активного слоя составляло 0,046, соотношение пористостей 1,7 и соотношение размеров пор 0,5. Изготовленный электрод испытывался в составе металловоздушного элемента с щелочным электролитом. Элемент разряжался током 10-15 мА/см² при напряжении 1,0-1,1В. элемент имел стабильные разрядные характеристики. Вымывание активной массы не наблюдалось. Отрицательного влияния пористой никелевой оболочки на электрические характеристики элемента не обнаружено.The electrode, in accordance with the claimed invention, was made from a mixture of powders, zinc metal, zinc oxide, an organic corrosion inhibitor and a binder. A briquette was made from the prepared mixture by pressing onto a perforated mesh of galvanized copper foil. Then, porous nickel foil coated with a cellulose hydrate film on the side of the active layer was pressed onto both surfaces of the obtained briquette. Along the perimeter of the briquette, the edges of the foil were welded to form a pocket. The thickness of the briquette was 1.5 mm, the porosity was 23% with a pore size of 20 μm. The porous nickel foil used was 70 μm thick, 40% porosity, and 12 μm pore size. The ratio of the thicknesses of the shell of the porous foil and the active layer was 0.046, the ratio of porosities of 1.7 and the ratio of pore sizes of 0.5. The fabricated electrode was tested as part of a metal-air element with an alkaline electrolyte. The element was discharged with a current of 10-15 mA / cm ² at a voltage of 1.0-1.1V. the element had stable discharge characteristics. The leaching of the active mass was not observed. No negative effect of the porous nickel shell on the electrical characteristics of the element was found.

Предложенный электрод будет особенно перспективен при использовании в щелочных аккумуляторах, где одной из основных проблем является "оползание" активной массы. The proposed electrode will be especially promising when used in alkaline batteries, where one of the main problems is the "creep" of the active mass.

На основании изложенного можно сделать заключение о возможности практической реализации заявленного изобретения с достижением указанного технического результата, а следовательно и о соответствии заявленного изобретения критерию "промышленная применимость". Based on the foregoing, it is possible to draw a conclusion about the possibility of practical implementation of the claimed invention with the achievement of the specified technical result, and therefore the compliance of the claimed invention with the criterion of "industrial applicability".

Claims (11)

1. Электрод для щелочного аккумулятора, содержащий брикет активной массы, токоотвод и наружную металлическую оболочку, отличающийся тем, что оболочка выполнена из пористого металла. 1. The electrode for an alkaline battery containing a briquette of active mass, a collector and an outer metal shell, characterized in that the shell is made of porous metal. 2. Электрод по п.1, отличающийся тем, что толщина оболочки составляет 0,005 0,2 толщины брикета активной массы. 2. The electrode according to claim 1, characterized in that the shell thickness is 0.005 0.2 thickness of the briquette of the active mass. 3. Электрод по п.1, отличающийся тем, что пористость оболочки составляет 1,0 8,0 пористости брикета активной массы. 3. The electrode according to claim 1, characterized in that the porosity of the shell is 1.0 to 8.0 porosity of the briquette of the active mass. 4. Электрод по п.1, отличающийся тем, что размер пор оболочки составляет не более 1,5 размера частиц активной массы в брикете. 4. The electrode according to claim 1, characterized in that the pore size of the shell is not more than 1.5 particle sizes of the active mass in the briquette. 5. Электрод по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит слой ионопроводящего материала, расположенный между брикетом активной массы и наружной оболочкой. 5. The electrode according to claim 1, characterized in that it further comprises a layer of ion-conducting material located between the briquette of the active mass and the outer shell. 6. Электрод по п.5, отличающийся тем, что дополнительный слой ионопроводящего материала выполнен пористым. 6. The electrode according to claim 5, characterized in that the additional layer of ion-conducting material is made porous. 7. Электрод по п.1, отличающийся тем, что пористая оболочка выполнена из никеля. 7. The electrode according to claim 1, characterized in that the porous shell is made of nickel. 8. Электрод по п.1, отличающийся тем, что токоотвод отделен от наружной оболочки изолятором. 8. The electrode according to claim 1, characterized in that the collector is separated from the outer shell by an insulator. 9. Электрод по п.1, отличающийся тем, что токоотвод имеет механический контакт с наружной оболочкой. 9. The electrode according to claim 1, characterized in that the collector has mechanical contact with the outer shell. 10. Электрод по п.1, отличающийся тем, что токоотвод имеет электрический контакт с наружной оболочкой. 10. The electrode according to claim 1, characterized in that the collector has electrical contact with the outer shell. 11. Электрод по п.1, отличающийся тем, что наружная оболочка имеет газоотводящее отверстие. 11. The electrode according to claim 1, characterized in that the outer shell has a gas outlet.

Images