RU2475895C1 - Method for manufacture of active mass for alkaline battery oxide-nickel fibre electrode - Google Patents

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: manufacture of active mass for alkaline battery oxide-nickel fibre electrode by way of application onto the electrode fibre base by paste spreading method. The paste is produced by way of mixing a polymer water-soluble sodium-carbossimetilcellulose binder, cobalt sulphate solution (activating additive) at a temperature of 45-55°C and with concentration equal to 140-145 g/l, a filler (nickel hydroxide finely dispersed powder), the ration of nickel to cobalt being 9:1. The paste is ground until a homogenous condition in a dissolver where the gap between the mill and the trough body is equal to 300-400 mm.

EFFECT: invention allows to improve cyclic, resource and specific capacity characteristics of nickel-cadmium battery oxide-nickel fibre electrodes.

Description

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при производстве щелочных аккумуляторов с оксидно-никелевыми электродами на волокновой основе.The invention relates to the electrical industry and can be used in the production of alkaline batteries with oxide-nickel electrodes based on fiber.

В настоящее время известно множество различных типов никель-кадмиевых аккумуляторов, отличающихся друг от друга способом изготовления электродных основ. В этом плане перспективными являются источники тока с волокновыми электродами. Обладая высокой энергоемкостью и повышенным ресурсом (до 5000 циклов при 60% глубине разряда), аккумуляторы с такими электродами не требуют особого ухода, безотказны и работоспособны практически в любых климатических условиях. Высокая пористость волокновых основ (85-95%) позволяет уменьшить, при равной емкости, объем аккумулятора примерно на 20%, а массу примерно на 25% по сравнению с традиционными аккумуляторами, где используются ламельные или спеченные электроды. Один кубический сантиметр объема электрода с волокновой основой содержит около 300 метров проводящего волокна, что обеспечивает хороший токосъем и позволяет отказаться от добавки графита. Использование волокновых основ позволяет значительно сократить потребление металлического никеля на изготовление оксидно-никелевых электродов. Кроме того, существенно снижается потребление воды и электроэнергии. Применение пастированной технологии заполнения волокновых электродов активной массой также дает возможность уменьшить концентрацию соединений никеля в промышленных стоках и время, отведенное на выполнение технологического цикла изготовления оксидно-никелевых волокновых электродов.Currently, there are many different types of nickel-cadmium batteries that differ from each other in the method of manufacturing the electrode bases. In this regard, current sources with fiber electrodes are promising. Possessing a high energy intensity and an increased resource (up to 5000 cycles at 60% of the discharge depth), batteries with such electrodes do not require special care, are trouble-free and efficient in almost any climatic conditions. The high porosity of the fiber substrates (85-95%) makes it possible to reduce, with equal capacity, the battery volume by about 20% and the mass by about 25% compared to traditional batteries where lamella or sintered electrodes are used. One cubic centimeter of electrode volume with a fiber base contains about 300 meters of conductive fiber, which provides good current collection and eliminates the addition of graphite. The use of fiber bases can significantly reduce the consumption of metallic nickel for the manufacture of oxide-nickel electrodes. In addition, water and electricity consumption are significantly reduced. The application of the pasteurized technology of filling the fiber electrodes with the active mass also makes it possible to reduce the concentration of nickel compounds in industrial effluents and the time allotted for the execution of the technological cycle for the manufacture of oxide-nickel fiber electrodes.

Известен способ изготовления электрода на основе гидроксида никеля, легированного кобальтом [1]. Способ заключается в том, что в высокопористую металлическую основу из, например, нетканого материала вводят активное вещество на основе гидроксида никеля с определенным содержанием кобальта. Активное вещество заполняет часть пор металлической основы, при этом кобальт образует гетерогенную дисперсную среду внутри активного вещества, что обуславливает повышенную емкость электрода.A known method of manufacturing an electrode based on Nickel hydroxide doped with cobalt [1]. The method consists in introducing an active substance based on nickel hydroxide with a certain cobalt content into a highly porous metal base of, for example, non-woven material. The active substance fills part of the pores of the metal base, while cobalt forms a heterogeneous dispersed medium inside the active substance, which leads to an increased electrode capacity.

Недостатком способа является то, что активная масса электрода работает не в полном объеме, поскольку кобальт в ней распределен в виде отдельных частиц, что не обеспечивает необходимую проводимость.The disadvantage of this method is that the active mass of the electrode does not work in full, since the cobalt in it is distributed in the form of individual particles, which does not provide the necessary conductivity.

Известен способ создания материала для электродов гальванических элементов с повышенной электропроводностью [2]. Способ заключается в получении тонких металлических частиц при термическом разложении паров карбонилов металлов с последующим нагревом полученного материала до 500°С в течение 5 часов, его измельчением и введением в активный материал электрода.A known method of creating a material for electrodes of galvanic cells with high electrical conductivity [2]. The method consists in obtaining thin metal particles by thermal decomposition of metal carbonyl vapors, followed by heating the resulting material to 500 ° C for 5 hours, grinding it and introducing an electrode into the active material.

Недостатком этого способа является то, что полученный из карбонилов материал вводят в активную массу электродов в виде порошка, что не обеспечивает необходимую проводимость, а также включает в себя несколько дополнительных операций по получению электропроводящей добавки, что в целом усложняет технологию получения активной массы.The disadvantage of this method is that the material obtained from carbonyls is introduced into the active mass of the electrodes in the form of a powder, which does not provide the necessary conductivity, and also includes several additional operations to obtain an electrically conductive additive, which generally complicates the technology for producing the active mass.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому и потому принятым за прототип является способ изготовления активной массы щелочных аккумуляторов путем смешения порошков активной массы и легколетучего металлоорганического соединения с последующим его термическим разложением [3].The closest technical solution to the proposed and therefore adopted as a prototype is a method of manufacturing an active mass of alkaline batteries by mixing powders of the active mass and volatile organometallic compounds with subsequent thermal decomposition [3].

Недостатком этого способа является то, что сложная технология изготовления активной массы по указанному способу, высокая трудоемкость и энергозатраты для разложения летучего металлоорганического соединения приводят к возрастанию конечной стоимости оксидно-никелевого электрода для щелочного аккумулятора.The disadvantage of this method is that the complex manufacturing technology of the active mass according to the specified method, the high complexity and energy consumption for the decomposition of volatile organometallic compounds lead to an increase in the final cost of the nickel oxide electrode for an alkaline battery.

Технической задачей изобретения является разработка экономически эффективного способа изготовления активной массы для оксидно-никелевого волокнового электрода щелочного аккумулятора с повышенными циклическими, ресурсными и удельными емкостными характеристиками.An object of the invention is to develop a cost-effective method of manufacturing an active mass for an oxide-nickel fiber electrode of an alkaline battery with increased cyclic, resource and specific capacitive characteristics.

Указанный технический результат достигается способом изготовления активной массы для оксидно-никелевого волокнового электрода щелочного аккумулятора путем смешения полимерного водорастворимого связующего натрий-карбоксиметилцеллюлозы (NaКМЦ), водного раствора сульфата кобальта температурой 45-55°С, концентрацией 140-145 г/л и наполнителя (мелкодисперсного порошка гидроксида никеля) в соотношении 9:1 никеля к кобальту, затем полученная паста перетирается до гомогенного состояния в дисольвере с зазором между фрезой и корпусом дежи, равным 300-400 мм.The specified technical result is achieved by a method of manufacturing an active mass for an oxide-nickel fiber electrode of an alkaline battery by mixing a polymer of a water-soluble binder of sodium carboxymethyl cellulose (NaKMC), an aqueous solution of cobalt sulfate at a temperature of 45-55 ° C, a concentration of 140-145 g / l and a filler (finely divided nickel hydroxide powder) in a ratio of 9: 1 nickel to cobalt, then the resulting paste is ground to a homogeneous state in the disolver with a gap between the cutter and the bowl of the bowl, equal to 3 00-400 mm.

Предложенный способ изготовления активной пасты для оксидно-никелевого волокнового электрода щелочного аккумулятора заключается в следующем. В необходимый объем дистиллированной воды или конденсата температурой 40-45°С небольшими порциями при постоянном перемешивании добавляется необходимое количество NaКМЦ, далее перемешивается до получения однородной гелеобразной массы в течение 3-4 ч и оставляется для полного набухания на 10-12 ч. Затем приготавливается раствор сульфата кобальта, для чего в необходимый объем дистиллированной воды или конденсата температурой 50-60°С добавляется расчетное количество сульфата кобальта для получения концентрации 140-145 г/л и перемешивается до полного растворения кристаллов в течение 2-3 ч. По истечении времени набухания, раствор NaКMЦ перемешивается в течение 3-4 ч, затем раствор сульфата кобальта нагревается до температуры 45-55°С и при постоянном перемешивании небольшими порциями вливается в раствор NaКMЦ. В дальнейшем раствор перемешивается до гомогенного состояния в течение 0,5-1 ч. Затем в соотношении 9:1 к кобальту взвешивается необходимое количество наполнителя (мелкодисперсный порошок гидроксида никеля) и при постоянном перемешивании небольшими порциями добавляется в полученный раствор сульфата кобальта и NaКMЦ. Далее полученная активная паста перемешивается в течение 15-20 мин. После окончания перемешивания активная паста помещается в дисольвер с зазором между фрезой и корпусом дежи, равным 300-400 мм, и перетирается до гомогенного состояния в течение 15-45 мин. После окончания времени перетира активная паста извлекается из дисольвера и используется для изготовления оксидно-никелевых волокновых электродов щелочного аккумулятора методом намазки.The proposed method of manufacturing an active paste for an oxide-nickel fiber electrode of an alkaline battery is as follows. In the required volume of distilled water or condensate with a temperature of 40-45 ° С, the required amount of NaCMC is added in small portions with constant stirring, then mixed until a homogeneous gel-like mass is obtained for 3-4 hours and left to completely swell for 10-12 hours. Then a solution is prepared cobalt sulfate, for which a calculated amount of cobalt sulfate is added to the required volume of distilled water or condensate with a temperature of 50-60 ° C to obtain a concentration of 140-145 g / l and mixed to a full dissolution of the crystals for 2-3 hours. After a swelling time NaKMTs solution was stirred for 3-4 hours, then the cobalt sulphate solution is heated to 45-55 ° C and under constant stirring, in small portions NaKMTs poured into solution. Subsequently, the solution is stirred to a homogeneous state for 0.5-1 hours. Then, in the ratio of 9: 1 to cobalt, the required amount of filler (finely divided nickel hydroxide powder) is weighed and, with constant stirring, is added in small portions to the resulting solution of cobalt sulfate and NaKMTS. Next, the resulting active paste is mixed for 15-20 minutes. After mixing, the active paste is placed in a disolver with a gap between the mill and the bowl of the bowl, equal to 300-400 mm, and rubbed to a homogeneous state for 15-45 minutes. After the grinding time is over, the active paste is removed from the disolver and used to make nickel oxide fiber electrodes of the alkaline battery by spreading.

Выбор температуры нагрева и концентрации раствора сульфата кобальта, а также величины зазора между фрезой и корпусом дежи при перетире и соотношение между активирующей добавкой и наполнителем продиктован следующими соображениями.The choice of the heating temperature and the concentration of the cobalt sulfate solution, as well as the gap between the cutter and the bowl during grinding and the ratio between the activating additive and the filler are dictated by the following considerations.

При температуре нагрева раствора сульфата кобальта ниже 45°С имеет место неполное растворение всех кристаллов сульфата кобальта, что приводит к невозможности его использования, а при температуре нагрева выше 55°С происходит порча совместного раствора сульфата кобальта и NаКМЦ вследствие его сворачиваемости.At a temperature of heating a cobalt sulfate solution below 45 ° C, incomplete dissolution of all cobalt sulfate crystals occurs, which makes it impossible to use, and at a heating temperature above 55 ° C, a joint solution of cobalt sulfate and Na-CMC is damaged due to its coagulation.

Указанная концентрация раствора сульфата кобальта 140-145 г/л является оптимальной для установления соотношения между наполнителем и активирующей добавкой равным 9:1 и обеспечения рационального использования дорогостоящих материалов, увеличения коэффициента использования никеля и срока службы волокнового электрода.The indicated concentration of cobalt sulfate solution 140-145 g / l is optimal for establishing the ratio between the filler and the activating additive equal to 9: 1 and ensuring the rational use of expensive materials, increasing the utilization of nickel and the life of the fiber electrode.

При зазоре между фрезой и корпусом дежи меньше 300 мм происходит быстрая сворачиваемость активной пасты из-за увеличения температуры нагрева при перетире, а при зазоре между фрезой и корпусом дежи больше 400 мм портится активная паста вследствие невозможности перетира ее до гомогенного состояния.When the gap between the cutter and the bowl is less than 300 mm, the active paste quickly curls up due to an increase in the heating temperature during grinding, and when the gap between the mill and the bowl is more than 400 mm, the active paste deteriorates due to the impossibility of grinding it to a homogeneous state.

На основании вышеизложенного следует, что заявленное изобретение соответствует критерию "новизна" и подтверждает возможность практической реализации заявленного изобретения с достижением заявленного технического результата.Based on the foregoing, it follows that the claimed invention meets the criterion of "novelty" and confirms the possibility of practical implementation of the claimed invention with the achievement of the claimed technical result.

Использование данного изобретения в промышленности позволяет изготавливать оксидно-никелевые волокновые электроды для никель-кадмиевых аккумуляторов с высокими эксплуатационными характеристиками.The use of this invention in industry allows the manufacture of oxide-nickel fiber electrodes for nickel-cadmium batteries with high performance.

Источники информацииInformation sources

1. Заявка Франции №2602612, МКИ4 Н01М 4/52, 4/32, 1986 г.1. Application of France No. 2602612, MKI4 H01M 4/52, 4/32, 1986

2. Патент ФРГ №2327931, кл. Н01М 4/52, 1976 г.2. The patent of Germany №2327931, cl. H01M 4/52, 1976

3. Патент России №2174727, заявл. 06.12.1999 г.3. Patent of Russia No. 2174727, filed. 12/06/1999

Claims (1)

Способ изготовления активной массы для оксидно-никелевого волокнового электрода щелочного аккумулятора путем нанесения на волокновую основу электрода методом намазки пасты, полученной смешением полимерного водорастворимого связующего натрий-карбоксиметилцеллюлозы, раствора сульфата кобальта и наполнителя (мелкодисперсного порошка гидроксида никеля), отличающийся тем, что активирующая добавка в соотношении 1:9 кобальта к никелю вводится в пасту из водного раствора сульфата кобальта температурой 45-55°С, концентрацией 140-145 г/л, затем паста перетирается до гомогенного состояния в дисольвере с зазором между фрезой и корпусом дежи, равным 300-400 мм. A method of manufacturing an active mass for an oxide-nickel fiber electrode of an alkaline battery by applying to the fiber base of the electrode by spreading a paste obtained by mixing a polymer of a water-soluble binder of sodium carboxymethyl cellulose, a solution of cobalt sulfate and a filler (fine powder of nickel hydroxide), characterized in that the activating additive a ratio of 1: 9 cobalt to nickel is introduced into the paste from an aqueous solution of cobalt sulfate with a temperature of 45-55 ° C, a concentration of 140-145 g / l, then hundred frays homogeneously in dissolvers with a gap between the cutter and the housing bowl equal to 300-400 mm.