RU2475896C2 - Method for fabrication of nickel fibre electrode base with developed fibre surface for chemical current sources and nickel fibre electrode base fabricated using such method - Google Patents
Method for fabrication of nickel fibre electrode base with developed fibre surface for chemical current sources and nickel fibre electrode base fabricated using such method Download PDFInfo
- Publication number
- RU2475896C2 RU2475896C2 RU2011118218/07A RU2011118218A RU2475896C2 RU 2475896 C2 RU2475896 C2 RU 2475896C2 RU 2011118218/07 A RU2011118218/07 A RU 2011118218/07A RU 2011118218 A RU2011118218 A RU 2011118218A RU 2475896 C2 RU2475896 C2 RU 2475896C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- nickel
- fibers
- fiber
- developed
- electrode base
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Abstract
Description
Изобретение относится к способам производства никелевой волоконной электродной основы с развитой поверхностью волокон для химических источников тока и полученной этим способом никелевой волоконной основе электрода. Изобретение предназначено для применения преимущественно в производстве оксидно-никелевых электродов для щелочных аккумуляторов, а именно газонепроницаемых щелочных никелевых аккумуляторов, может быть использовано в любых иных видах аккумуляторов, не на основе никеля. Изобретение может быть использовано в иных областях техники и технологий, там, где требуется развитая поверхность электрода для повышения реакционной способности заявляемой волоконной электродной основы, например в химическом катализе.The invention relates to methods for the production of a nickel fiber electrode base with a developed fiber surface for chemical current sources and a nickel fiber base electrode obtained by this method. The invention is intended for use mainly in the production of oxide-nickel electrodes for alkaline batteries, namely gas-tight alkaline nickel batteries, can be used in any other type of battery, not based on Nickel. The invention can be used in other fields of engineering and technology, where a developed electrode surface is required to increase the reactivity of the inventive fiber electrode base, for example, in chemical catalysis.
Как правило, в ХИТ используют пористые электроды для ускорения электрохимических реакций (или, что эквивалентно, для снижения электродной поляризации). Пористые электроды изготавливают либо из дисперсных материалов (порошки, волокна), либо путем соответствующей обработки гладких (массивных) электродов.As a rule, porous electrodes are used in HIT to accelerate electrochemical reactions (or, equivalently, to reduce electrode polarization). Porous electrodes are made either from dispersed materials (powders, fibers), or by appropriate processing of smooth (massive) electrodes.
Положительный электрод на основе гидроксидов никеля, называемый оксидно-никелевым или просто никелевым электродом, применяется в аккумуляторах нескольких систем. Следует отметить отличительные особенности никель-кадмиевого (НК) аккумулятора. В первую очередь, НК-аккумулятор отличается низким значением саморазряда (5-10% от удельной емкости в месяц), поэтому он незаменим в системах с длительным хранением батарей в заряженном состоянии. Это прежде всего батареи, расположенные в труднодоступных местах, не требующие постоянного ухода. Низкое значение саморазряда обусловливает меньший объем газовыделения как при хранении батарей, так и при их заряде. Поэтому снижаются требования по вентиляции аккумуляторных помещений.A positive nickel hydroxide-based electrode, called a nickel oxide or simply nickel electrode, is used in the batteries of several systems. It should be noted the distinctive features of the nickel-cadmium (NK) battery. First of all, an NK-battery is characterized by a low self-discharge value (5-10% of the specific capacity per month), therefore it is indispensable in systems with long-term storage of batteries in a charged state. These are primarily batteries located in inaccessible places that do not require constant care. The low value of self-discharge leads to a smaller volume of gas evolution both during storage of batteries and when they are charged. Therefore, reduced ventilation requirements for battery rooms.
Никель-кадмиевые батареи имеют более широкий диапазон температуры эксплуатации, а именно от -50 до +60°C, что делает их незаменимыми для применения как в районах с холодным климатом, так и в тропиках.Nickel-cadmium batteries have a wider range of operating temperatures, namely from -50 to + 60 ° C, which makes them indispensable for use in areas with cold climates and in the tropics.
К особенностям НК-аккумуляторов также относится более высокая отдача по энергии из-за более низкого коэффициента перезаряда и, как следствие, меньший расход электролита (воды) в зарядном процессе.The features of NK-batteries also include a higher energy efficiency due to a lower recharge coefficient and, as a result, a lower consumption of electrolyte (water) in the charging process.
Реагентами в НК-аккумуляторах служат гидроксид никеля и кадмий, электролитом - раствор КОН, поэтому они называются щелочными аккумуляторами. Имеются три основных вида НК-аккумуляторов: негерметичные с ламельными (ламельные аккумуляторы) и спеченными электродами (безламельные аккумуляторы) и герметичные. Наиболее дешевые ламельные НК-аккумуляторы характеризуются плоской разрядной кривой, высокими ресурсом и прочностью, но невысокой удельной энергией. Удельная энергия, скорость разряда аккумуляторов со спеченными электродами выше, они работоспособны при низких температурах, но дороже, характеризуются эффектом «памяти» и способностью к тепловому разгону.Nickel and cadmium hydroxide serve as reagents in NK-batteries; KOH solution is an electrolyte; therefore, they are called alkaline batteries. There are three main types of NK-batteries: non-sealed with lamella (lamella batteries) and sintered electrodes (lamella-free batteries) and sealed. The cheapest lamellar NK-batteries are characterized by a flat discharge curve, high resource and strength, but low specific energy. The specific energy, the discharge rate of batteries with sintered electrodes is higher, they are operable at low temperatures, but are more expensive, are characterized by the effect of "memory" and the ability to heat disperse.
В последнее время начинают применяться волоконные электроды для аккумуляторов на основе никеля [1, 2]. Волоконные (как и металловойлочные) электроды имеют высокопористую основу, изготовленную из никелевых или углеродных волокон. Пористость этих основ - 95% и более. Металловойлочный электрод выполнен на базе никелированного полимерного или углеграфитового фетра. Толщина электрода в зависимости от его назначения находится в диапазоне 0,8-10 мм. Активная масса вносится в войлок различными методами в зависимости от его плотности. Применяются электрохимическая пропитка, намазка суспензии, вибрационное заполнение сухой активной массой с последующей подкаткой готового электрода. В последнее время для приготовления суспензии получил применение мелкодисперсный порошок Ni(OH)2, кристаллизация которого остановлена на стадии образования зародышей (так называемый сферический гидроксид никеля). Вместо войлока может применяться пеноникель, получаемый никелированием пенополиуретана с последующим отжигом в восстановительной среде. В высокопористую среду вносятся обычно методом намазки паста, содержащая гидроксид никеля, и связующее. Затем основа с пастой сушится и вальцуется. Волоконные, металловойлочные и пенополимерные электроды характеризуются высокой удельной емкостью и высоким ресурсом [3, 4, 8].Recently, fiber electrodes have been used for nickel-based batteries [1, 2]. Fiber (like metal-carbon) electrodes have a highly porous base made of nickel or carbon fibers. The porosity of these bases is 95% or more. The metal-smelting electrode is made on the basis of a nickel-plated polymer or carbon-graphite felt. The thickness of the electrode, depending on its purpose, is in the range of 0.8-10 mm. The active mass is introduced into the felt by various methods, depending on its density. Electrochemical impregnation, spreading of the suspension, vibration filling with a dry active mass followed by rolling of the finished electrode are used. Recently, for the preparation of a suspension, finely dispersed powder Ni (OH) 2 has been used , the crystallization of which is stopped at the stage of nucleation (the so-called spherical nickel hydroxide). Instead of felt, foam nickel can be used, obtained by nickel plating of polyurethane foam, followed by annealing in a reducing medium. Usually, paste containing nickel hydroxide and a binder are usually applied to the highly porous medium by spreading. Then the base with the paste is dried and rolled. Fiber, metal-fiber and polystyrene electrodes are characterized by high specific capacity and high resource [3, 4, 8].
Изобретение отличается от аналогов тем, что направлено преимущественно на получение никелевых волокон с развитой поверхностью для электродных основ.The invention differs from analogues in that it is directed mainly to the production of nickel fibers with a developed surface for electrode substrates.
В мире существуют не менее пятидесяти тысяч производителей никелевых волокон, которые для получения волоконных основ электродов используют различные методы. На настоящем уровне развития технологий методы изготовления волокон для токопроводящих основ электродов подразделяются на физические, химические и электрохимические. К физическим относятся метод вытягивания волокна иглой из расплава никеля, находящегося при температуре выше точки плавления никеля, и метод распыления атомов никеля из сопла на подложку - газофазный метод получения волокон [5]. К электрохимическим относится метод осаждения никеля из раствора его соли в специальную матрицу, в которую никель осаждается в виде волокон [6]. Однако эти методы получения никелевых волоконных электродных основ относятся к микротехнологиям и получаемые с их помощью волокна имеют диаметры в диапазоне 0,3-20 микрон и обладают гладкой поверхностью, что ограничивает удельную площадь поверхности волокон.In the world there are at least fifty thousand manufacturers of nickel fibers that use various methods to obtain fiber electrode bases. At the current level of technological development, methods for manufacturing fibers for the conductive bases of electrodes are divided into physical, chemical and electrochemical. Physical methods include the method of pulling a fiber with a needle from a nickel melt at a temperature above the melting point of nickel, and the method of sputtering nickel atoms from a nozzle onto a substrate — a gas-phase method for producing fibers [5]. The electrochemical method involves the deposition of nickel from a solution of its salt into a special matrix in which nickel is deposited in the form of fibers [6]. However, these methods for producing nickel fiber electrode bases are related to microtechnologies and the fibers obtained with their help have diameters in the range of 0.3–20 microns and have a smooth surface, which limits the specific surface area of the fibers.
В настоящее время не существует физических или электрохимических методов получения волокон с развитой поверхностью и заданными свойствами за один этап технического процесса. Наиболее предпочтительным методом получения никелевых волокон с развитой поверхностью является химический метод. Этот метод благодаря образованию волокон по механизму самоорганизации позволяет создавать волоконную основу за один этап технического процесса. Химический метод получения волокон с развитой поверхностью из наноконусов интенсивно разрабатывается с 2002 года [5]. Однако его возможности для применения в создании электродов химических источников тока с развитой поверхностью совершенно не исследованы.Currently, there are no physical or electrochemical methods for producing fibers with a developed surface and desired properties in one stage of the technical process. The most preferred method for producing surface-developed nickel fibers is the chemical method. This method due to the formation of fibers by the self-organization mechanism allows you to create a fiber base in one stage of the technical process. The chemical method for producing fibers with a developed surface from nanoconuses has been intensively developed since 2002 [5]. However, its capabilities for application in the creation of electrodes of chemical current sources with a developed surface have not been completely studied.
Возможности в создании электродов химических источников тока с развитой поверхностью относятся к области нанотехнологий. Скорость протекания реакций на электроде определяется следующей характеристикой:Opportunities for creating electrodes of chemical current sources with a developed surface belong to the field of nanotechnology. The reaction rate at the electrode is determined by the following characteristic:
- время диффузионного процесса τ, которое ограничивает скорость движения зарядов в активном веществе электрода аккумулятора. А именно, время диффузионного процесса τ связано с характерным размером частиц активного вещества d уравнением второго закона Фика (закон диффузии), приближенно оно равно- time diffusion process τ, which limits the speed of movement of charges in the active substance of the electrode of the battery. Namely, the time of the diffusion process τ is associated with the characteristic particle size of the active substance d by the equation of the second Fick law (diffusion law), approximately it is
где D - коэффициент диффузии активного вещества. Таким образом, становится ясным, что размер частиц определяет время диффузии и, следовательно, ограничивает скорость переноса зарядов. Для достижения низких значений τ необходимо уменьшать размер частиц активного вещества электрода, что возможно только при переходе к наночастицам.where D is the diffusion coefficient of the active substance. Thus, it becomes clear that the particle size determines the diffusion time and, therefore, limits the rate of charge transfer. To achieve low values of τ, it is necessary to reduce the particle size of the active substance of the electrode, which is possible only upon transition to nanoparticles.
В соответствии с общепринятой теорией, кинетика процессов на оксидно-никелевом электроде, в производстве которого в основном применяется изобретение, определяется скоростью твердофазного переноса протонов [7]. При разряде или заряде аккумулятора в активном веществе оксидно-никелевого электрода происходит диффузия протонов от поверхности раздела фаз к центру зерна активного вещества, поэтому время диффузионного процесса τ можно оценивать как минимальное время разряда/заряда. Механизм протекающих реакций на поверхностях электродов аккумуляторов таков, что только с применением методов нанотехнологий можно увеличить максимальный ток разряда/заряда аккумулятора при обеспечении емкости аккумулятора, равной его номинальной емкости. Также следует отметить, что это условие необходимое, но не достаточное, т.к. это объяснение не учитывает наличия факта существования границ между частицами (границы раздела фаз), что затрудняет переход зарядов от частицы к токопроводящей основе и от одной частицы к другой, конкретный механизм перехода обусловлен устройством токоотвода. Таким образом, из этого следует, что в обычных электродах этот механизм не учитывает характерные особенности (возможности) использования наноразмерных частиц при применении их в активном веществе электрода.In accordance with the generally accepted theory, the kinetics of processes on an oxide-nickel electrode, in the production of which the invention is mainly used, is determined by the rate of solid-phase proton transfer [7]. When a battery is discharged or charged in the active substance of a nickel-oxide electrode, protons diffuse from the phase interface to the center of the grain of the active substance; therefore, the diffusion process time τ can be estimated as the minimum discharge / charge time. The mechanism of the proceeding reactions on the surfaces of the battery electrodes is such that only using nanotechnology methods can the maximum discharge / charge current of the battery be increased while ensuring the battery capacity equal to its nominal capacity. It should also be noted that this condition is necessary, but not sufficient, because this explanation does not take into account the fact of the existence of boundaries between particles (phase interfaces), which complicates the transition of charges from a particle to a conductive base and from one particle to another, a specific transition mechanism is due to the collector. Thus, from this it follows that in ordinary electrodes this mechanism does not take into account the characteristic features (possibilities) of using nanosized particles when applied in the active substance of the electrode.
Заявленное техническое решение относится к группе изобретений, связанных единым изобретательским замыслом, и представляет собой способ получения никелевой волоконной электродной основы с развитой поверхностью волокон и полученную этим способом никелевую электродную волоконную основу с развитой поверхностью волокон. Полученная заявленным способом волоконная основа за счет своих свойств может быть эффективно применена в химических источниках тока и катализаторах.The claimed technical solution relates to a group of inventions related by a single inventive concept, and is a method for producing a nickel fiber electrode base with a developed fiber surface and a nickel electrode fiber base obtained in this way with a developed fiber surface. Obtained by the claimed method, the fiber base due to its properties can be effectively used in chemical current sources and catalysts.
Основной особенностью данной никелевой электродной основы является развитая поверхность волокон, состоящая из конусовидных частиц. Диаметр волокон составляет от 0,06 до 20 мкм (радиус соответственно 0,03-10 мкм). Размеры конусовидных частиц зависят от диаметра волокон (от радиуса соответственно), при этом диаметр у основания конуса меняется от 10 до 1000 нм (радиус соответственно от 5 до 500 нм).The main feature of this nickel electrode base is the developed surface of the fibers, consisting of cone-shaped particles. The diameter of the fibers is from 0.06 to 20 microns (radius, respectively, 0.03-10 microns). The size of the cone-shaped particles depends on the diameter of the fibers (on the radius, respectively), while the diameter at the base of the cone varies from 10 to 1000 nm (radius, respectively, from 5 to 500 nm).
Сущность заявленного технического решения заключается в том, что оно основано на улучшении характеристик поверхности волокон. Полученные волокна обладают развитой поверхностью с наноконусами. Это позволяет при одной и той же массе активного вещества уменьшить толщину его слоя и, как следствие, увеличить доступность частиц активного вещества для подвода и отвода электрических зарядов. Такое решение позволяет задействовать возможности наноразмерных частиц и при этом избежать появления границ раздела фаз между частицами активного вещества, поэтому оно оптимально для быстрого притока и оттока зарядов с активного вещества.The essence of the claimed technical solution lies in the fact that it is based on improving the surface characteristics of the fibers. The resulting fibers have a developed surface with nanocones. This allows for the same mass of the active substance to reduce the thickness of its layer and, as a result, increase the availability of particles of the active substance for the supply and removal of electric charges. This solution allows you to use the capabilities of nanoscale particles and at the same time avoid the appearance of phase boundaries between the particles of the active substance; therefore, it is optimal for the rapid influx and outflow of charges from the active substance.
Следствием такого решения является увеличение контролируемого показателя - максимального тока разряда/заряда электрода при как минимум сохранении его емкости, которое превосходит известные в мире показатели. Это понятно с учетом второго закона Фика (см. формулу 1). Для характеристики режима разряда обычно используют нормированный ток, который определяется как отношение тока разряда или заряда к номинальной емкости. Нормированный ток имеет размерность обратного времени, режим разряда 20 C соответствует режиму разряда нормированным током 0,05 ч-1. Режим разряда 1 C соответствует режиму разряда нормированным током 1 ч-1 [8]. Время диффузионного процесса из формулы (1) существенно влияет на величину нормированного тока, что иллюстрируется на следующем примере. Сравним обычную никелевую волоконную электродную основу с диаметром волокон 2 мкм и наиболее близкую к ней по характеристикам полученную заявителем никелевую волоконную электродную основу с диаметром волокон 1,7 мкм, высотой наноконусов 450 нм и расстоянием между наноконусами 365 нм. Примем, что характерная толщина слоя активного вещества, а именно гидроксида никеля, для электрода с гладкими волокнами составляет 500 нм. С учетом высокой пористости поверхности полученных заявителем волокон, можно принять, что для электрода с волокнами с развитой поверхностью она также составляет 500 нм. Для обычных гладких волокон время диффузионного процесса τ по формуле (1) будет соответствовать размеру частиц 500 нм. Для волокон с наноконусами длина диффузии протонов, рассчитанная из геометрических характеристик электрода, будет меняться от 50 до 190 нм и в среднем составит 140 нм. Это приведет к тому, что среднее время диффузии протонов для электрода с волокнами с развитой поверхностью уменьшится в 13 раз, поскольку время диффузионного процесса квадратично уменьшается с уменьшением длины пути диффузии протонов в активном веществе. Так как предполагается, что количество активного вещества на обоих электродах одинаково, то можно считать одинаковой и емкость аккумулятора при постоянном значении тока разряда Cp. Максимальный ток разряда равен:The consequence of this decision is an increase in the controlled indicator - the maximum discharge / charge current of the electrode while at least maintaining its capacity, which exceeds the parameters known in the world. This is understandable given Fick's second law (see formula 1). To characterize the discharge mode, a normalized current is usually used, which is defined as the ratio of the discharge current or charge to the rated capacity. The normalized current has the dimension of the inverse time, the discharge mode of 20 C corresponds to the discharge mode of the normalized current of 0.05 h -1 . The discharge mode 1 C corresponds to the discharge mode normalized current 1 h -1 [8]. The time of the diffusion process from formula (1) significantly affects the magnitude of the normalized current, which is illustrated by the following example. Let us compare a conventional nickel fiber electrode base with a fiber diameter of 2 μm and the closest to it according to the characteristics obtained by the applicant nickel fiber electrode base with a fiber diameter of 1.7 μm, a nanocone height of 450 nm and a nanocone spacing of 365 nm. We assume that the characteristic layer thickness of the active substance, namely nickel hydroxide, for an electrode with smooth fibers is 500 nm. Given the high porosity of the surface of the fibers obtained by the applicant, it can be assumed that for an electrode with fibers with a developed surface, it is also 500 nm. For ordinary smooth fibers, the diffusion process time τ according to formula (1) will correspond to a particle size of 500 nm. For fibers with nanocones, the proton diffusion length calculated from the geometric characteristics of the electrode will vary from 50 to 190 nm and will average 140 nm. This will lead to the fact that the average proton diffusion time for an electrode with fibers with a developed surface will decrease by 13 times, since the diffusion process time decreases quadratically with a decrease in the proton diffusion path length in the active substance. Since it is assumed that the amount of active substance on both electrodes is the same, we can assume the same and the battery capacity at a constant value of the discharge current C p . The maximum discharge current is:
следовательно, уменьшение в 13 раз времени диффузии протонов в активном веществе приведет примерно к тринадцатикратному увеличению максимального тока. Поэтому логически следует вывод, что использование волоконной электродной основы с развитой поверхностью из наноконусов и использование нановолокон позволит увеличить максимальный ток разряда/заряда аккумулятора до 25 раз. Это позволит существенно расширить диапазон режимов заряда и разряда электрода с волоконной токопроводящей основой до 30 C.therefore, a 13-fold decrease in the proton diffusion time in the active substance will lead to a approximately thirteen-fold increase in the maximum current. Therefore, it follows logically that the use of a fiber electrode base with a developed surface of nanoconuses and the use of nanofibers will increase the maximum discharge / charge current of the battery up to 25 times. This will significantly expand the range of charge and discharge modes of the electrode with a fiber conductive base up to 30 C.
При использовании никелевых волокон с наноразмерной толщиной (60-100 нм) в пеноникелевой и спеченной никелевой электродных основах режим разряда может достигнуть еще более высоких значений нормированного тока - 120 C при сохранении емкости. Спеченная и пеноникелевая электродные основы обладают значениями нормированного тока разряда/заряда до 20 C, высокими по сравнению с волоконной основой [12]. Используя нановолокна, нормированный ток разряда/заряда дополнительно увеличивается и диапазон разряда/заряда расширяется. Имеются экспериментальные факты, демонстрирующие возможность такого увеличения нормированного тока разряда и увеличения максимального тока до 2,5 кА при сохранении емкости аккумулятора в спеченной электродной основе [9].When using nickel fibers with nanoscale thickness (60-100 nm) in foam-nickel and sintered nickel electrode bases, the discharge mode can reach even higher values of the normalized current - 120 C while maintaining the capacitance. Sintered and foam-nickel electrode substrates have normalized discharge / charge currents up to 20 C, high compared to fiber substrates [12]. Using nanofibres, the normalized discharge / charge current is further increased and the range of discharge / charge is expanded. There are experimental facts demonstrating the possibility of such an increase in the normalized discharge current and an increase in the maximum current up to 2.5 kA while maintaining the battery capacity in a sintered electrode base [9].
Характерной особенностью заявленного технического решения является получение волокон с характерным (минимально возможным) радиусом закругления конусов на поверхности получаемых волокон. Данная особенность связана с токопроводящими свойствами волокон в нанометровом диапазоне - в зависимости от радиуса закругления острия конусов, как известно из уровня техники, меняются потенциалы окисления и восстановления материала на острие конуса. При этом в собственно электродной основе процессы окисления и восстановления не происходят, а лишь поддерживаются, за счет подведения и отведения электронов в области реакций на активном веществе. Факт уменьшения потенциалов материала при уменьшении размера наночастиц [10] говорит о том, что на острие конуса движение электронов происходит эффективнее при переходе из активного вещества в токопроводящую основу. Описанное качество вместе с большой шероховатостью (удельной площадью поверхности) волокон обуславливает ускорение реакций на электроде с токопроводящей основой с развитой поверхностью.A characteristic feature of the claimed technical solution is to obtain fibers with a characteristic (minimum possible) radius of curvature of the cones on the surface of the resulting fibers. This feature is associated with the conductive properties of the fibers in the nanometer range - depending on the radius of curvature of the tip of the cones, as is known from the prior art, the oxidation and reduction potentials of the material at the tip of the cone change. In this case, in the actual electrode basis, the processes of oxidation and reduction do not occur, but are only supported, due to the addition and removal of electrons in the reaction region on the active substance. The fact of a decrease in the material potentials with a decrease in the size of nanoparticles [10] suggests that the movement of electrons at the tip of the cone is more efficient when moving from the active substance to the conductive base. The described quality, together with the large roughness (specific surface area) of the fibers, leads to the acceleration of reactions on the electrode with a conductive base with a developed surface.
Поэтому, определяя характеристики поверхности волокон, кроме такой общеизвестной характеристики, как удельная площадь поверхности σ, заявитель должен рассмотреть геометрические характеристики этих конусов, а именно:Therefore, determining the surface characteristics of the fibers, in addition to such a well-known characteristic as the specific surface area σ, the applicant must consider the geometric characteristics of these cones, namely:
- радиус закругления r,is the radius of curvature r,
- высота конуса h,- cone height h,
- угол раствора конуса α:- the angle of the cone α:
где R - радиус основания конуса,where R is the radius of the base of the cone,
- среднее расстояние между вертикальными осями конусов Δ:- the average distance between the vertical axes of the cones Δ:
где n - среднее число конусов на единицу длины (на 1 м).where n is the average number of cones per unit of length (per 1 m).
Как уже было сказано выше, радиус закругления вызывает интерес тем, что от его значения зависят потенциалы окисления/восстановления материала. Высота конуса и радиус основания характеризуют конус как проводник, и основным требованием к конусу является то, что он должен эффективно проводить электроны при любых значениях высоты и угла раствора конуса. Поскольку волокна с конусами имеют шероховатость в отличие от гладких волокон, то для оценки шероховатости волокон используется фактор шероховатости волокон k:As mentioned above, the radius of curvature is of interest because the potentials of oxidation / reduction of the material depend on its value. The height of the cone and the radius of the base characterize the cone as a conductor, and the main requirement for the cone is that it must conduct electrons efficiently at any height and angle of the cone. Since fibers with cones have a roughness in contrast to smooth fibers, the fiber roughness factor k is used to assess the fiber roughness:
По определению k равен отношению истинной площади поверхности к геометрической [11].By definition, k is equal to the ratio of the true surface area to geometric [11].
При уменьшении диаметра волокон происходит гиперболический рост удельной площади поверхности волокон. Экспериментально наблюдаются два противоположных процесса, влияющих на удельную площадь поверхности. С одной стороны, при уменьшении диаметра гладких волокон от 1 микрона до 100 нм (в 10 раз) удельная площадь поверхности возрастает от 0,45 м2/г до 4,5 м2/г, т.е. в 10 раз. С другой стороны, если рассматривать волокна с развитой поверхностью, то при уменьшении диаметра уменьшается их шероховатость. Однако даже если фактор шероховатости нановолокон принять равным единице, как у гладких волокон, и в этом случае удельная площадь поверхности нановолокон по меньшей мере в два раза выше, чем у шероховатых волокон любого диаметра. Приравнивание шероховатости нановолокон единице соответствует отсутствию шипов. Благодаря высокой удельной площади поверхности нановолокна представляют собой наиболее практически значимые волокна для создания электродов для аккумуляторов.With a decrease in fiber diameter, a hyperbolic increase in the specific surface area of the fibers occurs. Two opposite processes are observed experimentally, affecting the specific surface area. On the one hand, with a decrease in the diameter of smooth fibers from 1 micron to 100 nm (10 times), the specific surface area increases from 0.45 m 2 / g to 4.5 m 2 / g, i.e. 10 times. On the other hand, if we consider fibers with a developed surface, then with a decrease in diameter, their roughness decreases. However, even if the roughness factor of the nanofibers is taken to be unity, as for smooth fibers, in this case, the specific surface area of the nanofibers is at least two times higher than that of rough fibers of any diameter. Equating the roughness of nanofibers to one corresponds to the absence of spikes. Due to the high specific surface area of the nanofibers, they are the most practically significant fibers for creating electrodes for batteries.
С точки зрения характеристики волокон с наноконусами как проводника необходимо сказать об их кристалличности и химическом составе. Для определения кристаллических свойств используется метод РСА (рентгеноструктурный анализ), который определяет содержания примесей в кристалле и характеризует степень кристалличности по ширине пиков.From the point of view of the characteristics of fibers with nanocones as a conductor, it is necessary to say about their crystallinity and chemical composition. To determine the crystalline properties, the X-ray diffraction (XRD) method is used, which determines the content of impurities in the crystal and characterizes the degree of crystallinity over the width of the peaks.
Основным отличием изобретения является то, что заявленная волоконная электродная основа с развитой поверхностью волокон по контролируемому показателю - максимальному току разряда/заряда превосходит известные в мире показатели и обеспечивает номинальную емкость при режимах разряда нормированным током от 20 C и выше.The main difference of the invention is that the claimed fiber electrode base with a developed fiber surface in terms of a controlled indicator - the maximum discharge / charge current exceeds the known indicators in the world and provides nominal capacity for discharge modes with a rated current of 20 C and above.
Из исследованного уровня техники широко известны технические решения - аналоги, по способу(ам) получения волокна и собственно волокну(ам).From the investigated prior art, technical solutions are widely known - analogues, by the method (s) for producing fiber and the actual fiber (s).
В изобретении по патенту США №6,375,703 был разработан способ (метод) синтеза никелевых волокон, более дешевый и простой по сравнению с известными аналогами, с целью их применения в экранах для защиты персонала и окружающей среды от воздействия электромагнитного излучения. Среди областей применения никелевых волокон, названных в тексте патента, не указано их применение в качестве токопроводящей электродной основы, как в химических источниках тока, так и в катализаторах, для реализации целей заявленного технического решения.In the invention according to US patent No. 6,375,703, a method (method) for synthesizing nickel fibers was developed, which is cheaper and simpler than the known analogues, for the purpose of their use in screens to protect personnel and the environment from electromagnetic radiation. Among the applications of nickel fibers, referred to in the text of the patent, their use as a conductive electrode base, both in chemical current sources and in catalysts, for realizing the goals of the claimed technical solution is not indicated.
Сущность указанного метода заключается в синтезе никелевых волокон, включающем водный раствор, содержащий ионы никеля в присутствии щелочи, pH буфера и магнитного поля, восстановление названных ионов никеля восстанавливающим агентом при температуре 80-100°C в течение периода времени для того, чтобы сформировать никелевые волокна в названном водном растворе, где названный водный раствор имеет значение pH не меньше чем 11,0 в течение названного периода времени. При этом указанный метод характеризуется тем, что синтез никелевых волокон, включающий водный раствор, содержащий ионы никеля, происходит в присутствии поверхностно-активных веществ (ПАВ). Никелевые волокна имеют диаметр от 0,1 до 20 микрон, длину от 1 до 100 мм, пористость не менее 95%. Способ основан на гидразиновой методике, которая позволяет синтезировать чистый никель.The essence of this method is the synthesis of nickel fibers, including an aqueous solution containing nickel ions in the presence of alkali, pH buffer and magnetic field, the restoration of these nickel ions with a reducing agent at a temperature of 80-100 ° C for a period of time in order to form nickel fibers in said aqueous solution, wherein said aqueous solution has a pH of not less than 11.0 over a named period of time. Moreover, this method is characterized in that the synthesis of nickel fibers, including an aqueous solution containing nickel ions, occurs in the presence of surface-active substances (surfactants). Nickel fibers have a diameter of 0.1 to 20 microns, a length of 1 to 100 mm, a porosity of at least 95%. The method is based on a hydrazine technique that allows the synthesis of pure nickel.
Характерными недостатками указанного способа (метода) является то, что имеется низкая концентрация ПАВ до 1·10-2 М и узкий температурный диапазон синтеза 80-100°C, что ограничивает возможности метода по синтезу волокон с заранее заданными свойствами.Typical disadvantages of this method (method) is that there is a low concentration of surfactants up to 1 · 10 -2 M and a narrow synthesis temperature range of 80-100 ° C, which limits the method's ability to synthesize fibers with predetermined properties.
Наиболее близкими аналогами, совпадающими с заявленным техническим решением как по характеристикам волоконной основы, так и по назначению в аккумуляторной промышленности, являются следующие.The closest analogs that coincide with the claimed technical solution both for the characteristics of the fiber base and for the purpose in the battery industry are the following.
Известен способ изготовления оксидно-никелевого электрода на основе никелевых волокон, позволяющий получить легкий по массе электрод с высокой удельной энергией (патент США №6,265,112).A known method of manufacturing an oxide-Nickel electrode based on Nickel fibers, which allows to obtain a light mass electrode with high specific energy (US patent No. 6,265,112).
Сущность этого метода производства улучшенного никелевого волоконного электрода заключается в следующем:The essence of this method of manufacturing an improved nickel fiber electrode is as follows:
- получении никелевой волоконной основы,- obtaining a Nickel fiber base,
- электрохимической пропитке полученной никелевой волоконной основы в водном растворе и посредством этого производстве электрода,- electrochemical impregnation of the obtained Nickel fiber base in an aqueous solution and through this production of the electrode,
- погружении данного электрода в раствор нитрата кобальта в течение приблизительно 20 минут и, таким образом, увеличении коэффициента использования данного электрода (где коэффициент использования электрода - это отношение измеренной емкости к теоретически рассчитанной емкости на основе массы осажденного активного вещества),- immersing this electrode in a solution of cobalt nitrate for approximately 20 minutes and, thus, increasing the utilization of this electrode (where the utilization of the electrode is the ratio of the measured capacitance to the theoretically calculated capacitance based on the mass of the deposited active substance),
- погружении данного электрода в раствор гидроксида калия (КОН) и подвергании электрода примерно восьми 20-минутным циклам заряда и примерно восьми 20-минутным циклам разряда при плотности тока около 70 мА/см2, для того чтобы индуцировать окислительно-восстановительную реакцию, и погружении данного электрода в тот же раствор нитрата кобальта второй раз, в течение приблизительно 20 минут, и, таким образом, увеличении коэффициента использования данного электрода до 100% [12].- immersing this electrode in a solution of potassium hydroxide (KOH) and subjecting the electrode to about eight 20-minute charge cycles and about eight 20-minute discharge cycles at a current density of about 70 mA / cm 2 in order to induce a redox reaction, and immersion this electrode in the same solution of cobalt nitrate a second time, for approximately 20 minutes, and, thus, increasing the utilization of this electrode to 100% [12].
Недостатком данного решения является ровная и гладкая поверхность волоконной основы, что значительно снижает максимальный ток заряда/разряда аккумулятора. А именно, в описании к патенту США №6,265,112 фактическая емкость электрода начинает существенно снижаться уже при значениях нормированного тока больше 3С.The disadvantage of this solution is a flat and smooth surface of the fiber base, which significantly reduces the maximum charge / discharge current of the battery. Namely, in the description of US patent No. 6,265,112, the actual capacitance of the electrode begins to decrease significantly even with normalized current values of more than 3C.
Известен композитный материал для оксидно-никелевого положительного электрода с включенным в его активное вещество проводником, в частности проводящей сеткой из никелевых волокон, и способ его изготовления, позволяющий получить электрод с повышенной токопроводимостью (патент США №6,177,213).A composite material is known for an oxide-nickel positive electrode with a conductor included in its active substance, in particular a conductive network of nickel fibers, and a method for its manufacture, which makes it possible to obtain an electrode with increased conductivity (US Patent No. 6,177,213).
Сущность композитного положительного материала для использования в электрохимических ячейках заключается в следующем:The essence of a composite positive material for use in electrochemical cells is as follows:
данный материал включает в себяthis material includes
- частицу материала положительного электрода; и- a particle of the positive electrode material; and
- проводящий материал, по крайней мере частично включенный в пределах внутренней части названной частицы положительного электродного материала [13].- conductive material, at least partially included within the inner part of the named particles of the positive electrode material [13].
Недостатками данного решения являются:The disadvantages of this solution are:
- ровная и гладкая поверхность волокон (проводящего материала),- flat and smooth surface of the fibers (conductive material),
- слишком большой диаметр волокон (проводящего материала), находящийся в диапазоне от 0,1 до 1 мкм, что значительно снижает максимальный ток заряда/разряда электрода (аккумулятора),- too large a diameter of the fibers (conductive material), which is in the range from 0.1 to 1 μm, which significantly reduces the maximum charge / discharge current of the electrode (battery),
- и как следствие эти показатели ограничивают контролируемые показатели аккумуляторов, в которых преимущественно планируется использование заявленного решения, преимущественно на высоких скоростях разряда/заряда - емкость, максимальный ток разряда/заряда, мощность аккумулятора, удельная энергия.- and as a result, these indicators limit the controlled indicators of the batteries, in which it is mainly planned to use the claimed solution, mainly at high discharge / charge speeds - capacity, maximum discharge / charge current, battery power, specific energy.
А именно, в патенте США №6,177,213 характеристика нормированного тока заряда/разряда отдельно не рассматривалась, однако рассматривая аккумуляторы на основе никеля в целом, их обычные режимы разряда лежат в пределах 1-5 C, а максимальные не превышают 20 C.Namely, in US Pat. No. 6,177,213, the characteristic of the normalized charge / discharge current was not considered separately, however, when considering batteries based on nickel as a whole, their usual discharge modes are within 1-5 C, and the maximum ones do not exceed 20 C.
Кроме этого, из исследованного уровня техники известны водородные генераторы топливных ячеек, где никелевые волокна с гладкой поверхностью используются в качестве катализаторов [14].In addition, hydrogen generators of fuel cells are known from the prior art, where nickel fibers with a smooth surface are used as catalysts [14].
Данные устройства характеризуются аналогичными недостатками, что ограничивает скорость протекания реакции получения водорода.These devices are characterized by similar disadvantages, which limits the rate of the reaction for hydrogen production.
Таким образом, обобщая вышеприведенные недостатки аналогов, можно сделать следующие выводы.Thus, summarizing the above disadvantages of analogues, we can draw the following conclusions.
В отношении главного недостатка, приводящего к снижению максимального тока аккумулятора, - слишком большое значение времени диффузии протонов в активном веществе.In relation to the main drawback leading to a decrease in the maximum battery current, the proton diffusion time in the active substance is too large.
Все указанные недостатки аналогов возникают при использовании токопроводящей электродной основы, не имеющей развитой поверхности, в которой не задействованы приведенные возможности наноразмерного вещества (заявленной электродной основы). Таким образом, можно констатировать следующее - известные из уровня техники волокна имеют существенные недостатки, выражающиеся в имеющей место быть ровной и гладкой поверхности волокон (волоконной электродной основы).All these disadvantages of analogues arise when using a conductive electrode base that does not have a developed surface, in which the reduced capabilities of a nanoscale substance (declared electrode base) are not involved. Thus, we can state the following - the fibers known from the prior art have significant drawbacks, expressed in the fact that there is a smooth and smooth surface of the fibers (fiber electrode base).
Известный химический метод получения волокон имеет слишком узкий диапазон значений концентраций ПАВ и температуры, что ограничивает его возможности в получении волокон с заранее заданными свойствами.The known chemical method for producing fibers has a too narrow range of surfactant concentrations and temperatures, which limits its ability to produce fibers with predetermined properties.
Эти недостатки устраняются заявителем при реализации заявленного технического решения - заявленного решения в отношении синтеза и использовании электродной основы с развитой поверхностью.These shortcomings are eliminated by the applicant in the implementation of the claimed technical solution - the claimed solution in relation to the synthesis and use of the electrode base with a developed surface.
Аналогом заявленного способа по совпадению общих признаков заявляемого способа и вещества является изобретение по патенту США №6,375,703 [5], выбранное заявителем в качестве прототипа.An analogue of the claimed method according to the coincidence of common features of the proposed method and substance is the invention according to US patent No. 6,375,703 [5], selected by the applicant as a prototype.
Описанный в заявленном техническом решении способ значительно развивает и дополняет известное как таковое из уровня техники решение по изобретению, раскрытому в способе (методе) синтеза никелевых волокон, приведенном в описании к патенту США №6,375,703.The method described in the claimed technical solution significantly develops and complements the solution of the invention known per se from the prior art disclosed in the method (method) for synthesizing nickel fibers described in the description of US Patent No. 6,375,703.
Так, например, известное решение применено для реализации цели - изготовления волокон для применения в экранах для защиты от электромагнитного излучения, т.е. для обеспечения защиты персонала и окружающей среды от вредного воздействия электромагнитного излучения, и не преследует заявленную в данном техническом решении цель - использование их (волокон) в аккумуляторной промышленности.So, for example, the well-known solution is applied to achieve the goal of manufacturing fibers for use in screens for protection against electromagnetic radiation, i.e. to ensure the protection of personnel and the environment from the harmful effects of electromagnetic radiation, and does not pursue the goal stated in this technical solution - the use of them (fibers) in the battery industry.
Так, например, продолжая анализ известного уровня техники - целью известного изобретения по патенту США №6,375,703 была разработка метода синтеза никелевых волокон, более дешевого и простого по сравнению с аналогами, с нацеленностью на их конкретное применение в экранах электромагнитного излучения.So, for example, continuing the analysis of the prior art, the purpose of the known invention according to US patent No. 6,375,703 was to develop a method for the synthesis of nickel fibers, cheaper and simpler than analogues, with a focus on their specific application in screens of electromagnetic radiation.
Из анализа описания текста патента США №6,375,703 можно констатировать неизвестность его применения в катализаторах и химических источниках тока, т.к. данные цели не были указаны в заявленных целях известного, описанного выше изобретения.From an analysis of the text description of US Pat. No. 6,375,703, it is possible to ascertain the unknown nature of its use in catalysts and chemical current sources, because these objectives were not indicated for the stated purposes of the known, described above invention.
Кроме этого, следует отметить то, что недостатками этого метода являются отсутствие описания особенностей технологии получения волокон как таковых с заданными свойствами (с развитой - шероховатой поверхностью) и отсутствие в тексте описания технологических условий (конкретного способа) получения нановолокон с шероховатой поверхностью.In addition, it should be noted that the disadvantages of this method are the lack of a description of the features of the technology for producing fibers as such with predetermined properties (with a developed - rough surface) and the absence in the text of a description of the technological conditions (specific method) for producing nanofibers with a rough surface.
Задачей заявленного технического решения является повышение контролируемых показателей, используемых преимущественно в аккумуляторной промышленности, а именно:The objective of the claimed technical solution is to increase the controlled indicators used mainly in the battery industry, namely:
- уменьшение времени диффузионных процессов в электроде,- reducing the time of diffusion processes in the electrode,
- значительное уменьшение диаметра волокон,- a significant reduction in the diameter of the fibers,
- увеличение удельной площади поверхности,- increase in specific surface area,
- увеличение емкости,- increase in capacity,
- увеличение максимального ток разряда,- increase in maximum discharge current,
- увеличение мощности,- increase in power,
- увеличение удельной энергии электрода.- increase in the specific energy of the electrode.
Сущность заявленного способаThe essence of the claimed method
Способ получения никелевой волоконной электродной основы с развитой поверхностью волокон для химических источников тока и катализаторов, заключающийся в синтезе никелевых волокон, включающем водный раствор, содержащий ионы никеля в присутствии щелочи, pH буфера, поверхностно-активного вещества и магнитного поля, восстановление названных ионов никеля восстанавливающим агентом в течение периода времени для того, чтобы сформировать никелевые волокна в названном водном растворе, характеризуется соотношением поверхностно-активного вещества, вводимого в виде цетилтриметиламмонийбромида в количестве 1·10-2-5·10-2 М или в виде его сочетания с полиэтиленгликолем (М=5000-20000) в количестве 8·10-4-5·10-3 М, при этом процесс ведут в диапазоне температур от 70 до 160°C, при этом осуществляют воздействие переменным и неоднородным магнитным полем величиной в диапазоне от 0,01 до 1 Тл и временем воздействия полем от 0,5 мин до 3 часов, и обеспечивает получение поверхности никелевых волокон с заранее заданными свойствами, никелевая волоконная электродная основа, полученная в соответствии с п.1 формулы изобретения, обладающая развитой поверхностью волокон для химических источников тока и катализаторов, характеризуется тем, что обладает развитой поверхностью волокон до 12 м2/г, состоящей из конусовидных частиц, при этом высота конусовидных частиц меняется в диапазоне от 50 до 2500 нм, угол раствора конуса от 5° до 20°, радиус закругления острия конуса от 5 до 50 нм, среднее расстояние между конусами от 80 до 1500 нм; диаметром волокон от 0,2 до 20 мкм и/или диаметром, который находится в диапазоне от 60 до 100 нм.A method of producing a nickel fiber electrode base with a developed surface of fibers for chemical current sources and catalysts, which consists in the synthesis of nickel fibers, including an aqueous solution containing nickel ions in the presence of alkali, pH buffer, surfactant and magnetic field, the restoration of these nickel ions by reducing agent for a period of time in order to form nickel fibers in said aqueous solution, characterized by the ratio of surfactant the amount introduced in the form of cetyltrimethylammonium bromide in an amount of 1 · 10 -2 -5 · 10 -2 M or in the form of its combination with polyethylene glycol (M = 5000-20000) in an amount of 8 · 10 -4 -5 · 10 · -3 M, at this process is carried out in a temperature range from 70 to 160 ° C, while they are exposed to an alternating and inhomogeneous magnetic field in the range from 0.01 to 1 T and exposure time from a field of 0.5 min to 3 hours, and provides a nickel surface fibers with predetermined properties, a nickel fiber electrode base obtained in accordance with
Заявленное техническое решение реализуется более подробно следующим образом.The claimed technical solution is implemented in more detail as follows.
Для практической реализации предлагаемого способа необходимо использовать стеклянную колбу или автоклав, термостат или нагревательную печь.For the practical implementation of the proposed method, it is necessary to use a glass flask or an autoclave, a thermostat or a heating furnace.
В рамках заявленного способа в лаборатории были исследованы условия синтеза и выявлено влияние различных физико-химических факторов на управляемые характеристики получаемых никелевых волокон. А именно, варьировались в широких диапазонах:As part of the claimed method, the synthesis conditions were investigated in the laboratory and the influence of various physicochemical factors on the controlled characteristics of the nickel fibers obtained was revealed. Namely, they varied in wide ranges:
- температура синтеза - 70-160°C;- synthesis temperature - 70-160 ° C;
- состав реагентов: соль никеля, гидразин, щелочь (NaOH), полиэтиленгликоль (М=5000-20000), ЦТАБ, дистиллированная вода;- composition of reagents: nickel salt, hydrazine, alkali (NaOH), polyethylene glycol (M = 5000-20000), CTAB, distilled water;
- концентрации реагентов - 0,260-1,320 г NiCl2·6H2O, 2-10 мл гидразина (N2H4·H2O, 80% по массе) и 45 мл дистиллированной воды. Для исследования процесса создания развитой поверхности на получаемом материале использовались различные поверхностно-активные вещества (ПАВ). В качестве ПАВ использовался, например, цетилтриметиламмонийбромид 0,15-0,8 г (ЦТАБ) или его сочетание с полиэтиленгликолем 0,4-2 г (ПЭГ, М=5000-20000);- concentration of reagents - 0.260-1.320 g of NiCl 2 · 6H 2 O, 2-10 ml of hydrazine (N 2 H 4 · H 2 O, 80% by weight) and 45 ml of distilled water. To study the process of creating a developed surface on the resulting material, various surface-active substances (surfactants) were used. As a surfactant, for example, cetyltrimethylammonium bromide 0.15-0.8 g (CTAB) or its combination with polyethylene glycol 0.4-2 g (PEG, M = 5000-20000);
- режимы смешивания исходных реагентов: простое смешивание, нагревание растворов щелочи и NiCl2·6H2O перед смешиванием, воздействие ультразвуковой частотой перед смешиванием;- mixing modes of the starting reagents: simple mixing, heating solutions of alkali and NiCl 2 · 6H 2 O before mixing, exposure to ultrasonic frequency before mixing;
- длительность реакции - 10-180 минут;- the duration of the reaction is 10-180 minutes;
- применялись разные способы внешнего воздействия, в первую очередь воздействие магнитным полем величиной 0,01-1 Тл, которое накладывалось в течение всей реакции или на определенной стадии, воздействие осуществлялось однородным магнитным полем;- different methods of external influence were applied, first of all, exposure to a magnetic field of 0.01-1 T, which was superimposed throughout the reaction or at a certain stage, the exposure was carried out by a uniform magnetic field;
- неоднородным магнитным полем с градиентами в диапазоне 1 мТл/мм - 50 мТл/мм;- an inhomogeneous magnetic field with gradients in the range of 1 mT / mm - 50 mT / mm;
- дополнительно исследовались способы воздействия ЭМИ частотой в диапазонах 100 кГц - 1 МГц, мощностью в диапазоне 0,1-1 Вт;- additionally investigated the methods of exposure to EMR frequency in the ranges of 100 kHz - 1 MHz, power in the range of 0.1-1 W;
- применялась полная герметизация системы с помощью автоклава;- applied complete sealing of the system using an autoclave;
- частичная герметизация с помощью керна.- partial core sealing.
В результате было найдено, что использование концентраций ПЭГ (М=5000-20000) в количестве 8·10-4-5·10-3 М позволяет получать волокна с поверхностью из наноконусов и с заранее заданными свойствами.As a result, it was found that the use of PEG concentrations (M = 5000-20000) in an amount of 8 · 10 -4 -5 · 10 -3 M allows one to obtain fibers with a surface from nanoconuses and with predetermined properties.
При этом проведение реакции синтеза в температурном диапазоне 70-160°C позволило добиться воспроизводимых результатов по получению никелевых нановолокон и волокон с поверхностью из наноконусов.At the same time, carrying out the synthesis reaction in the temperature range of 70-160 ° C made it possible to achieve reproducible results on the production of nickel nanofibers and fibers with a surface made of nanocones.
Исследовано воздействие магнитным полем на стадии образования никелевых наночастиц в течение времени от 0,5 минут и выше, что позволило избежать агломерации этих наночастиц и синтезировать заявленные никелевые нановолокна.The effect of a magnetic field at the stage of the formation of nickel nanoparticles for a time of 0.5 minutes or more was studied, which avoided agglomeration of these nanoparticles and synthesized the claimed nickel nanofibers.
Характеристики волокон были определены методом СЭМ (сканирующая электронная микроскопия). Для определения удельной площади поверхности проводилась обработка СЭМ-изображений волокон с помощью математической модели, учитывающей размеры волокон, размеры конусов и число конусов на единицу длины волокон.The fiber characteristics were determined by SEM (scanning electron microscopy). To determine the specific surface area, SEM images of the fibers were processed using a mathematical model that takes into account the sizes of the fibers, the sizes of the cones, and the number of cones per unit length of the fibers.
С помощью спектроскопического анализа в индуктивно-связанной плазме (ИСП) и рентгеноспектрального энергодисперсионного микроанализа (EDX) обнаружено, что волокна состоят преимущественно из чистого никеля. На дифрактограммах РСА (Фиг.4, в) были обнаружены три пика: 44,5°, 51,7°, 76,4°, каждый пик был идентифицирован согласно кристаллографическим индексам Миллера никеля: 44,5° - (111), 51,7° - (200), 76,4° - (220), высокая интенсивность пика (111) показывает, что большая часть никеля ориентируется строго определенным образом в волокнах. То, что на дифрактограммах РСА не были обнаружены пики каких-либо загрязнителей типа оксидов или гидроксидов, подтверждает высокую химическую чистоту никелевых волокон.Using spectroscopic analysis in inductively coupled plasma (ICP) and X-ray energy dispersive microanalysis (EDX), it was found that the fibers consist predominantly of pure nickel. On the XRD patterns (Figure 4, c), three peaks were detected: 44.5 °, 51.7 °, 76.4 °, each peak was identified according to the Miller crystallographic indices of nickel: 44.5 ° - (111), 51 , 7 ° - (200), 76.4 ° - (220), the high intensity of the peak (111) shows that most of the nickel is oriented in a strictly defined way in the fibers. The fact that peaks of any pollutants such as oxides or hydroxides were not detected on X-ray diffraction patterns confirms the high chemical purity of nickel fibers.
Основным преимуществом полученной волоконной основы являются их высокие возможности по подводу и отводу электрических зарядов, что достигается благодаря получению поверхности волокон с наноконусами с заранее заданными свойствами.The main advantage of the obtained fiber base is their high ability to supply and remove electric charges, which is achieved by obtaining the surface of the fibers with nanocones with predetermined properties.
Другое преимущество заявленного технического решения - это высокая удельная площадь поверхности волокон, особенно нановолокон, с показателем до 12 м2/г. Фактически это характеризует поверхность волокон как развитую, что создает преимущества для получения развитой поверхности активного вещества.Another advantage of the claimed technical solution is a high specific surface area of the fibers, especially nanofibers, with an indicator of up to 12 m 2 / g. In fact, this characterizes the surface of the fibers as developed, which creates advantages for obtaining a developed surface of the active substance.
Заявленное техническое решение поясняется следующими графическими материалами, представленными на Фиг.1-7, и таблицей 1.The claimed technical solution is illustrated by the following graphic materials presented in Fig.1-7, and table 1.
На Фиг.1 представлена никелевая волоконная основа, полученная с применением предлагаемого способа. Для создания развитой поверхности волокон использован комплекс с ПАВ (ПЭГ и ЦТАБ). (а) - изображение сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) поверхности волокон при типичных концентрациях реагентов, (б, в) - изображения СЭМ волоконной структуры и поверхности волокон при пониженных концентрациях реагентов, (г) - рентгеноспектральный микроанализ волокон.Figure 1 presents the Nickel fiber base obtained using the proposed method. To create a developed fiber surface, a complex with a surfactant (PEG and CTAB) was used. (a) image of scanning electron microscopy (SEM) of the surface of the fibers at typical concentrations of reagents, (b, c) - images of the SEM of the fiber structure and surface of the fibers at low concentrations of reagents, (d) X-ray microanalysis of the fibers.
На Фиг.2 представлена никелевая волоконная основа, полученная с применением предлагаемого способа. Для создания развитой поверхности волокон использован минимум реагентов - водный раствор хлорида никеля и гидразина, синтез проводился в колбе объемом 1 литр. (а) - изображение СЭМ, увеличение 2000х, (б) - изображение СЭМ, увеличение 40000х.Figure 2 presents the Nickel fiber base obtained using the proposed method. To create a developed fiber surface, a minimum of reagents was used - an aqueous solution of nickel chloride and hydrazine, the synthesis was carried out in a 1 liter flask. (a) - SEM image, magnification 2000x, (b) - SEM image, magnification 40000x.
На Фиг.3 представлена никелевая волоконная основа, полученная с применением предлагаемого способа. Для создания развитой поверхности волокон использован комплекс с ПАВ (ПЭГ и ЦТАБ) и синтез проводился при воздействии однородным магнитным полем 0,25 Тл. (а) - изображение оптической микроскопии, (б, в) - изображения СЭМ.Figure 3 presents the Nickel fiber base obtained using the proposed method. To create a developed surface of the fibers, a complex with a surfactant (PEG and CTAB) was used and the synthesis was carried out under the influence of a uniform magnetic field of 0.25 T. (a) image of optical microscopy, (b, c) - SEM images.
На Фиг.4 представлена никелевая волоконная основа, полученная с применением предлагаемого способа. Для создания развитой поверхности волокон использован комплекс с ПАВ (ПЭГ и ЦТАБ), синтез проводился в колбе объемом 1 литр. (а) - изображение СЭМ, увеличение 30000x, (б) - рентгеноструктурный анализ волокон.Figure 4 presents the Nickel fiber base obtained using the proposed method. To create a developed fiber surface, a complex with a surfactant (PEG and CTAB) was used, the synthesis was carried out in a 1 liter flask. (a) - SEM image, magnification 30000x, (b) - X-ray analysis of fibers.
На Фиг.5 представлена никелевая волоконная основа, полученная с применением предлагаемого способа. Для создания развитой поверхности волокон использовано воздействие магнитным полем на стадии образования в растворе никелевых наночастиц. Воздействие осуществляется неоднородным магнитным полем со средней величиной 0,056 Тл. (а) - изображение атомно-силовой микроскопии (АСМ), (б) - профиль волокон из данных АСМ, (в) - изображение СЭМ.Figure 5 presents the Nickel fiber base obtained using the proposed method. To create a developed surface of the fibers, a magnetic field was used at the stage of formation of nickel nanoparticles in the solution. The exposure is carried out by an inhomogeneous magnetic field with an average value of 0.056 T. (a) image of atomic force microscopy (AFM), (b) profile of fibers from AFM data, (c) image of SEM.
На Фиг.6 представлена никелевая волоконная основа, полученная с применением предлагаемого способа. Для создания развитой поверхности волокон использовано воздействие пространственно неоднородным магнитным полем величиной 0,056 Тл. (а, б) - изображения СЭМ.Figure 6 presents the Nickel fiber base obtained using the proposed method. To create a developed surface of the fibers, a spatially inhomogeneous magnetic field of 0.056 T was used. (a, b) - SEM images.
На Фиг.7 представлена зависимость удельной площади поверхности гладких волокон и волокон с развитой поверхностью от их среднего диаметра, рассчитанная по результатам математического моделирования по формулам (5, 6). Удельная площадь поверхности гладких волокон (цилиндров) рассчитывается как отношение площади поверхности цилиндров к массе. Формула выглядит следующим образом:Figure 7 shows the dependence of the specific surface area of smooth fibers and fibers with a developed surface on their average diameter, calculated according to the results of mathematical modeling by the formulas (5, 6). The specific surface area of smooth fibers (cylinders) is calculated as the ratio of the surface area of the cylinders to the mass. The formula is as follows:
где ρ - плотность вещества, d - диаметр цилиндров.where ρ is the density of the substance, d is the cylinder diameter.
Удельная площадь поверхности волокон с развитой поверхностью рассчитывается по следующей формуле:The specific surface area of the fibers with a developed surface is calculated by the following formula:
где по сравнению с (4) добавились параметры n - среднее число конусов на единицу длины, R - средний радиус конусов и Н - средняя длина конусов. Параметры d, R, Н и n взяты из данных электронной микроскопии.where, in comparison with (4), the parameters n were added - the average number of cones per unit length, R - the average radius of the cones, and H - the average length of the cones. Parameters d, R, H and n are taken from electron microscopy data.
На Фиг.7 точки и их аппроксимация красной кривой - для волокон с развитой поверхностью, синяя кривая - для волокон с гладкой поверхностью (цилиндров).In Fig. 7, the points and their approximation of the red curve are for fibers with a developed surface, the blue curve is for fibers with a smooth surface (cylinders).
Далее приведены примеры синтеза волокон (описание способа) и примеры управления характеристиками этих волокон с целью получения волокон с заранее заданными качественными (контролируемыми) характеристиками.The following are examples of fiber synthesis (method description) and examples of controlling the characteristics of these fibers in order to obtain fibers with predetermined qualitative (controlled) characteristics.
Пример 1. Типичные условия синтеза в реакции с использованием ПАВ: 0,672 г NiCl2·6H2O (Acros organics), 1 г ПЭГ (Alfa Aesar, M=5000-20000), 0,364 г ЦТАБ (Acros organics) и 45 мл дистиллированной воды смешивались при комнатной температуре в круглодонной колбе. Полученный раствор зеленого цвета перемешивался в течение нескольких минут с помощью магнитной мешалки. Затем в полученный раствор при помощи капельной воронки закапывались 5 мл гидразина (N2H4·H2O, 80% по массе, Acros organics) при помешивании магнитной мешалкой, в результате цвет раствора изменялся на темно-синий. Круглодонная колба с реакционной смесью помещалась в водный термостат при температуре 70-160°C на один час. После окончания реакции на поверхность раствора всплывала волоконная структура металлического никеля. Образовавшаяся структура несколько раз промывалась дистиллированной водой и изопропиловым спиртом. В этом случае получается хаотическая дендритная структура со средним диаметром волокон 4,3 микрона (см. Фиг.1а). Морфологические характеристики волокон, синтезированных в данных условиях, см. в таблице 1.Example 1. Typical synthesis conditions in a reaction using a surfactant: 0.672 g of NiCl 2 · 6H 2 O (Acros organics), 1 g of PEG (Alfa Aesar, M = 5000-20000), 0.364 g of CTAB (Acros organics) and 45 ml of distilled water was mixed at room temperature in a round bottom flask. The resulting green solution was mixed for several minutes using a magnetic stirrer. Then, 5 ml of hydrazine (N 2 H 4 · H 2 O, 80% by weight, Acros organics) was instilled into the resulting solution using a dropping funnel while stirring with a magnetic stirrer, as a result, the color of the solution changed to dark blue. A round-bottom flask with a reaction mixture was placed in a water thermostat at a temperature of 70-160 ° C for one hour. After the reaction, the fiber structure of metallic nickel floated to the surface of the solution. The resulting structure was washed several times with distilled water and isopropyl alcohol. In this case, a chaotic dendritic structure is obtained with an average fiber diameter of 4.3 microns (see Fig. 1a). The morphological characteristics of the fibers synthesized under these conditions, see table 1.
Пример 2. Те же условия, что и в примере 1, но количество хлорида никеля изменено: 0,336 г NiCl2·6H2O. В этом случае получается хаотическая дендритная структура со средним диаметром волокон 330 нм (см. Фиг.1б, в). Морфологические характеристики волокон, синтезированных в данных условиях, см. в таблице 1.Example 2. The same conditions as in example 1, but the amount of nickel chloride changed: 0.336 g of NiCl 2 · 6H 2 O. In this case, a chaotic dendritic structure with an average fiber diameter of 330 nm is obtained (see Fig. 1b, c) . The morphological characteristics of the fibers synthesized under these conditions, see table 1.
Пример 3. В типичных экспериментальных условиях для реакции без использования ПАВ брались следующие соотношения реагентов: 0,119 г NiCl2·6H2O (Acros organics), 40 мл дистиллированной воды и 2 мл гидразина. Остальные условия для проведения синтеза совпадают с описанными в примере 1 для реакции с использованием ПАВ. В этом случае получается хаотическая дендритная структура со средним диаметром волокон 1,05 мкм (см. Фиг.2). Морфологические характеристики волокон, синтезированных в данных условиях, см. в таблице 1.Example 3. Under typical experimental conditions for the reaction without the use of surfactants, the following ratios of reagents were taken: 0.119 g of NiCl 2 · 6H 2 O (Acros organics), 40 ml of distilled water and 2 ml of hydrazine. The remaining conditions for the synthesis coincide with those described in example 1 for the reaction using a surfactant. In this case, a chaotic dendritic structure with an average fiber diameter of 1.05 μm is obtained (see Figure 2). The morphological characteristics of the fibers synthesized under these conditions, see table 1.
Пример 4. Те же условия, что и в примере 1, но синтез осуществляется при воздействии постоянного магнитного поля 0,25 Тл. Этот пример демонстрирует влияние магнитного поля на структуру волоконной основы и отдельные волокна. При воздействии магнитного поля общая структура становится более упорядоченной, а сами волокна выпрямляются. В этом случае получается упорядоченная дендритная структура со средним диаметром волокон 700 нм (см. Фиг.3). Морфологические характеристики волокон, синтезированных в данных условиях, см. в таблице 1.Example 4. The same conditions as in example 1, but the synthesis is carried out under the influence of a constant magnetic field of 0.25 T. This example demonstrates the effect of a magnetic field on the structure of a fiber base and individual fibers. Under the influence of a magnetic field, the general structure becomes more ordered, and the fibers themselves are straightened. In this case, an ordered dendritic structure with an average fiber diameter of 700 nm is obtained (see FIG. 3). The morphological characteristics of the fibers synthesized under these conditions, see table 1.
Пример 5. Те же условия, что и в примере 1, но количество хлорида никеля на 45 мл дистиллированной воды изменено: 0,504 г NiCl2·6H2O, и синтез осуществляется в колбе объемом 1 л, объем раствора 900 мл. В этом случае получается хаотическая дендритная структура со средним диаметром волокон 1,7 микрона (см. Фиг.4). Морфологические характеристики волокон, синтезированных в данных условиях, см. в таблице 1.Example 5. The same conditions as in example 1, but the amount of nickel chloride per 45 ml of distilled water was changed: 0.504 g of NiCl 2 · 6H 2 O, and the synthesis was carried out in a 1 L flask, the solution volume was 900 ml. In this case, a chaotic dendritic structure is obtained with an average fiber diameter of 1.7 microns (see Figure 4). The morphological characteristics of the fibers synthesized under these conditions, see table 1.
Пример 6. Те же условия, что и в примере 3, но в раствор добавлены 0,02 г NaOH и синтез осуществляется при воздействии магнитным полем на стадии образования в растворе никелевых наночастиц. Воздействие осуществляется неоднородным магнитным полем величиной 0,056 Тл (градиент поля 1 мТл/мм). В этих условиях получаются нановолокона и их жгуты, толщина волокон составляет 90-200 нм (см. Фиг.5). Морфологические характеристики волокон, синтезированных в данных условиях, см. в таблице 1. Синтезированные волокна имеют шероховатую поверхность, однако для простоты можно принять, что их удельная площадь поверхности соответствует гладким волокнам, и тогда для нановолокон диаметром 90 нм удельная площадь поверхности составит не менее 5 м2/г, что является заниженной оценкой данного параметра.Example 6. The same conditions as in example 3, but 0.02 g of NaOH were added to the solution and the synthesis is carried out when exposed to a magnetic field at the stage of formation of nickel nanoparticles in the solution. The impact is carried out by an inhomogeneous magnetic field of 0.056 T (
Пример 7. Те же условия, что и в примере 6, но концентрации хлорида никеля NiCl2·6H2O и щелочи NaOH повышены в 1,5 раза и синтез осуществляется при постоянном воздействии неоднородным магнитным полем величиной 0,056 Тл (градиент поля 1 мТл/мм) (см. Фиг.6). Морфологические характеристики волокон, синтезированных в данных условиях, см. в таблице 1.Example 7. The same conditions as in example 6, but the concentration of nickel chloride NiCl 2 · 6H 2 O and alkali NaOH increased by 1.5 times and the synthesis is carried out under constant exposure to an inhomogeneous magnetic field of 0.056 T (
Технико-экономическая или иная эффективность изобретенияFeasibility or other effectiveness of the invention
Использование заявленного способа и полученная этим способом никелевая волоконная основа электрода по сравнению с известными в мире аналогами на дату подачи заявки имеют следующие преимущества.The use of the claimed method and the nickel fiber base of the electrode obtained by this method in comparison with world-known analogues at the filing date of the application have the following advantages.
1) Обеспечивает возможность реализации заявленных целей, а именно получение электродной основы с поверхностью из наноконусов для уменьшения времени диффузионных процессов в электроде. Это приводит к получению более развитой поверхности волокон (проводящего материала) до 12 м2/г. Также достигается значительное уменьшение диаметра этих волокон (проводящего материала) до 0,06 мкм, находящегося у прототипа и аналогов в диапазоне от 0,1 до 1 мкм, что значительно снижает максимальный ток заряда/разряда электрода (аккумулятора). Как следствие достигается повышение контролируемых показателей - емкости, максимального тока разряда/заряда, мощности, удельной энергии, при использовании волокон преимущественно в аккумуляторной промышленности, в которой планируется использование заявленного решения, преимущественно на высоких скоростях заряда/разряда.1) Provides the opportunity to achieve the stated goals, namely obtaining an electrode base with a surface of nanocones to reduce the time of diffusion processes in the electrode. This leads to a more developed surface of the fibers (conductive material) up to 12 m 2 / g. Also achieved is a significant reduction in the diameter of these fibers (conductive material) to 0.06 μm, located in the prototype and analogues in the range from 0.1 to 1 μm, which significantly reduces the maximum charge / discharge current of the electrode (battery). As a result, an increase is achieved in controlled indicators - capacity, maximum discharge / charge current, power, specific energy, when using fibers mainly in the battery industry, in which it is planned to use the claimed solution, mainly at high charge / discharge speeds.
2) Кроме этого, заявленный способ дополнительно позволяет получить никелевые волокна с высокой каталитической активностью.2) In addition, the claimed method additionally allows to obtain Nickel fibers with high catalytic activity.
Решение в комплексе этих задач, благодаря полученной развитой поверхности электродной основы, приводит к повышению ряда контролируемых характеристик электрода:The solution of these problems in the complex, due to the developed surface of the electrode base obtained, leads to an increase in a number of controlled characteristics of the electrode:
- удельная площадь поверхности до 500%,- specific surface area up to 500%,
- емкость до 120%,- capacity up to 120%,
- максимальный ток разряда/заряда до 2500%,- maximum discharge / charge current up to 2500%,
- мощность до 2500%,- power up to 2500%,
- удельная энергия до 120%.- specific energy up to 120%.
С точки зрения вышеуказанного(ых) показателя(ей), для реализации которого(ых) заявителем разработан наиболее эффективный способ получения морфологических характеристик волоконной электродной основы и волокно(а) как таковое(ые), а именно созданы волокна (волоконная основа с развитой поверхностью), величина площади поверхности и структура поверхности которых (волокон) значительно (на порядки) превосходит известные в мире волоконные электродные основы.From the point of view of the above indicator (s), for the implementation of which (s) the applicant has developed the most effective way to obtain the morphological characteristics of the fiber electrode base and fiber (s) as such (s), namely fibers (fiber base with a developed surface ), the value of the surface area and the surface structure of which (of the fibers) significantly (by orders of magnitude) exceeds the world-famous fiber electrode bases.
Следует отметить, что лучшие, известные в мире на дату подачи настоящей заявки технические решения из уровня техники по контролируемым показателям, в том числе и прототипа, значительно уступают полученным результатам заявленного решения.It should be noted that the best technical solutions known in the world at the filing date of this application from the prior art in terms of controlled indicators, including the prototype, are significantly inferior to the results of the claimed solution.
По мнению заявителя, рост контролируемых показателей на порядки обеспечивается как за счет оптимизации физико-химических факторов, так и за счет улучшения морфологии волокон как таковой, а именно:According to the applicant, the growth of controlled indicators by orders of magnitude is ensured both by optimizing the physicochemical factors, and by improving the morphology of the fibers as such, namely:
- получения электродной основы с поверхностью из наноконусов для уменьшения времени диффузионных процессов в электроде,- obtaining an electrode base with a surface of nanocones to reduce the time of diffusion processes in the electrode,
- получения более развитой поверхности волокон (проводящего материала),- obtaining a more developed surface of the fibers (conductive material),
- значительного уменьшения диаметра этих волокон (проводящего материала) от 100 нм у прототипа до 60 нм в заявленном техническом решении,- a significant reduction in the diameter of these fibers (conductive material) from 100 nm in the prototype to 60 nm in the claimed technical solution,
- как следствие этого происходит повышение контролируемых показателей - емкость, максимальный ток разряда/заряда, мощность, удельная энергия, при этом данный рост показателей проявляется на высоких (критических) скоростях заряда/разряда химических источников тока.- as a consequence of this, an increase in the controlled indicators occurs - capacity, maximum discharge / charge current, power, specific energy, while this increase in indicators is manifested at high (critical) charge / discharge speeds of chemical current sources.
Таким образом, заявленное техническое решение обеспечивает выход на более высокий уровень применения в отличие от известных в мире волокон, описанных в том числе и в патенте США выше, относится к способу получения волоконной электродной основы с развитой поверхностью волокон и получению этим способом собственно никелевой волоконной основы электрода.Thus, the claimed technical solution provides access to a higher level of application, in contrast to the world-famous fibers described including in the US patent above, relates to a method for producing a fiber electrode base with a developed fiber surface and obtaining in this way the actual nickel fiber base electrode.
Учитывая вышеизложенное, можно сделать логическое умозаключение о том, что заявленное техническое решение не известно из исследованного заявителем уровня техники на дату представления материалов и при этом оно значительно превосходит известный на дату подачи заявки уровень техники и соответствует критерию «новизна», предъявляемому к изобретениям.Given the above, it can be concluded that the claimed technical solution is not known from the prior art investigated by the applicant at the date of submission of materials and at the same time it significantly exceeds the prior art known at the date of filing the application and meets the “novelty” criterion for inventions.
Учитывая факт того, что полученные результаты не являются очевидными для специалиста в данной области техники, возможно сделать вывод о его соответствии критерию «изобретательский уровень», предъявляемому к изобретениям.Given the fact that the results are not obvious to a person skilled in the art, it is possible to conclude that it meets the criterion of "inventive step" for inventions.
Заявленные цели способа и полученный собственно материал по сравнению с известными в мире аналогами имеют преимущества по следующим контролируемым показателям, а именно:The stated objectives of the method and the actual material obtained in comparison with world-famous analogues have advantages in the following controlled indicators, namely:
- площадь поверхности волокон превосходит до 500% от наиболее высоких известных в мире по патентам аналогам;- the surface area of the fibers exceeds 500% of the highest analogues in the world known for patents;
- показатель максимального тока заряда-разряда превосходит аналоги до 25 раз. Это означает получение максимального тока заряда-разряда в диапазоне от 500 ампер до 2500 килоампер;- the indicator of the maximum charge-discharge current exceeds analogues up to 25 times. This means obtaining the maximum charge-discharge current in the range from 500 amperes to 2500 kiloamperes;
- показатель нормированного тока заряда-разряда превосходит аналоги до 6 раз, а именно достигает 120 С;- the indicator of the normalized charge-discharge current surpasses analogues up to 6 times, namely it reaches 120 C;
- емкость электрода превосходит аналоги примерно до 120%;- the electrode capacity exceeds analogues up to about 120%;
- показатель мощности значительно превосходит аналоги;- the power indicator significantly exceeds analogues;
- показатель удельной энергии электрода превосходит аналоги;- the indicator of the specific energy of the electrode exceeds analogues;
- показатель каталитической активности превосходит аналоги.- the rate of catalytic activity exceeds analogues.
Заявленные результаты были реализованы в условиях лабораторной установки в Институте физики в Казанском (Приволжском) федеральном университете, таким образом, можно сделать вывод о его соответствии критерию «промышленная применимость», предъявляемому к изобретениям.The claimed results were realized in a laboratory setting at the Institute of Physics in Kazan (Volga) Federal University, so we can conclude that it meets the criterion of "industrial applicability" for inventions.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011118218/07A RU2475896C2 (en) | 2011-05-05 | 2011-05-05 | Method for fabrication of nickel fibre electrode base with developed fibre surface for chemical current sources and nickel fibre electrode base fabricated using such method |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011118218/07A RU2475896C2 (en) | 2011-05-05 | 2011-05-05 | Method for fabrication of nickel fibre electrode base with developed fibre surface for chemical current sources and nickel fibre electrode base fabricated using such method |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2011118218A RU2011118218A (en) | 2012-11-10 |
| RU2475896C2 true RU2475896C2 (en) | 2013-02-20 |
Family
ID=47322090
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2011118218/07A RU2475896C2 (en) | 2011-05-05 | 2011-05-05 | Method for fabrication of nickel fibre electrode base with developed fibre surface for chemical current sources and nickel fibre electrode base fabricated using such method |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2475896C2 (en) |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH02216776A (en) * | 1989-02-17 | 1990-08-29 | Elco Internatl:Kk | Surface mounting connector |
| US6025095A (en) * | 1996-10-21 | 2000-02-15 | Japan Storage Battery Co., Ltd. | Battery electrode and manufacturing method thereof |
| US6177213B1 (en) * | 1998-08-17 | 2001-01-23 | Energy Conversion Devices, Inc. | Composite positive electrode material and method for making same |
| EP1176649A1 (en) * | 2000-07-24 | 2002-01-30 | Sociedad Espanola Del Acumulador Tudor, S.A. | An alkaline secondary battery with an improved positive nickel electrode and procedure for its activation |
| US6375703B1 (en) * | 2000-10-17 | 2002-04-23 | National Science Council | Method of synthesizing nickel fibers and the nickel fibers so prepared |
| RU2289178C2 (en) * | 2005-03-03 | 2006-12-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное объединение прикладной механики им. академика М.Ф. Решетнева" | Method for servicing nickel-hydrogen storage battery of artificial earth satellite |
| RU2406185C1 (en) * | 2009-06-09 | 2010-12-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)" | Method of making nickel oxide electrode |
-
2011
- 2011-05-05 RU RU2011118218/07A patent/RU2475896C2/en active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH02216776A (en) * | 1989-02-17 | 1990-08-29 | Elco Internatl:Kk | Surface mounting connector |
| US6025095A (en) * | 1996-10-21 | 2000-02-15 | Japan Storage Battery Co., Ltd. | Battery electrode and manufacturing method thereof |
| US6177213B1 (en) * | 1998-08-17 | 2001-01-23 | Energy Conversion Devices, Inc. | Composite positive electrode material and method for making same |
| EP1176649A1 (en) * | 2000-07-24 | 2002-01-30 | Sociedad Espanola Del Acumulador Tudor, S.A. | An alkaline secondary battery with an improved positive nickel electrode and procedure for its activation |
| US6375703B1 (en) * | 2000-10-17 | 2002-04-23 | National Science Council | Method of synthesizing nickel fibers and the nickel fibers so prepared |
| RU2289178C2 (en) * | 2005-03-03 | 2006-12-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное объединение прикладной механики им. академика М.Ф. Решетнева" | Method for servicing nickel-hydrogen storage battery of artificial earth satellite |
| RU2406185C1 (en) * | 2009-06-09 | 2010-12-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)" | Method of making nickel oxide electrode |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2011118218A (en) | 2012-11-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP7369277B2 (en) | Cobalt-free positive electrode material, its manufacturing method and lithium ion battery | |
| Xiao et al. | 3D hierarchical Co3O4 twin‐spheres with an urchin‐like structure: large‐scale synthesis, multistep‐splitting growth, and electrochemical pseudocapacitors | |
| Lee et al. | Rattle-type porous Sn/C composite fibers with uniformly distributed nanovoids containing metallic Sn nanoparticles for high-performance anode materials in lithium-ion batteries | |
| Zhang et al. | Facile synthesis of hollow urchin-like NiCo 2 O 4 microspheres for high-performance sodium-ion batteries | |
| US20130059203A1 (en) | Anode active material for a lithium secondary battery, method for preparing same, and lithium secondary battery including same | |
| CN109461927A (en) | A kind of compound nickel-cobalt-manganese multi positive electrode of high magnification and preparation method thereof | |
| CN106252651B (en) | A kind of porous composite negative pole material of lithium ion battery and preparation method thereof | |
| CN108883949A (en) | Positive active material, preparation method and the lithium secondary battery comprising it | |
| Li et al. | Synthesis of Ni-MOF derived NiO/rGO composites as novel electrode materials for high performance supercapacitors | |
| Zhang et al. | An efficient, bifunctional catalyst for lithium–oxygen batteries obtained through tuning the exterior Co 2+/Co 3+ ratio of CoO x on N-doped carbon nanofibers | |
| KR102199753B1 (en) | Positive composition for Lithium secondary battery using spherical mixed metal carbonate with nano-titanate and manufacturing method thereof | |
| Wu et al. | Spherical Al-substituted ɑ-nickel hydroxide with high tapping density applied in Ni-MH battery | |
| Zhang et al. | Nano-particle assembled porous core–shell ZnMn2O4 microspheres with superb performance for lithium batteries | |
| CN110620230A (en) | Positive active material, preparation method thereof, positive plate and lithium battery | |
| JP4625926B2 (en) | ELECTRODE MATERIAL FOR LITHIUM ION SECONDARY BATTERY, ITS MANUFACTURING METHOD, AND SECONDARY BATTERY | |
| Xi et al. | Enhanced cyclic stability of NCM-622 cathode by Ti3+ doped TiO2 coating | |
| Sun et al. | Graphene-oxide-wrapped ZnMn2O4 as a high performance lithium-ion battery anode | |
| CN111370653A (en) | Positive electrode material precursor, preparation method thereof, positive electrode material and battery | |
| Zhang et al. | Chemical replacement route to Cu 2− x Se-coated CuO nanotube array anode for enhanced performance in lithium ion batteries | |
| Zhang et al. | Synthesis of Mn-doped α-Ni (OH) 2 nanosheets assisted by liquid-phase laser ablation and their electrochemical properties | |
| Guo et al. | Template‐Free Fabrication of Hollow NiO–Carbon Hybrid Nanoparticle Aggregates with Improved Lithium Storage | |
| Hou et al. | Enhanced capacity of NiO nanocubes with high dispersion and exposed facets reinforced by thermal plasma | |
| Qu et al. | Nitrogen-doped TiO2 nanotube anode enabling improvement of electronic conductivity for fast and long-term sodium storage | |
| Zhou et al. | Morphology-controlled construction of hierarchical hollow hybrid SnO2@ TiO2 nanocapsules with outstanding lithium storage | |
| JP7104075B2 (en) | Aluminum-doped β-nickel hydroxide |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PD4A | Correction of name of patent owner | ||
| PC41 | Official registration of the transfer of exclusive right |
Effective date: 20161013 |