Дисковий нікель-водневий лужний акумулятор

1. Дисковый никель-водородный щелочной аккумулятор, имеющий герметично соединенные между собой через кольцеобразную диэлектрическую прокладку токопроводные цилиндрический корпус с донышком и крышку, положительный электрод н а основе таблетированного дисперсного гидроксида никеля (Н) и отрицательный водородный электрод на основе водородпоглощающего тонкодисперсного металлического материала, сепаратор, выполненный из щело Изобретение относится к конструкции преимущественно дисковых по геометрической форме малогабаритных никель-водородных аккумуляторов, которые используют в качестве источников постоянного тока для питания слуховых аппаратов, устройств подсветки очков, микрокалькуляторов, малогабаритных радиоприемников, измери честойкого пористого диэлектрического материала и расположенный между указанными электродами, и щелочной электролит, пропитывающий оба электрода и сепаратор, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что водородный электрод выполнен в виде пастообразной суспензии водородпоглощающего тонкодисперсного металлического материала в загущенном щелочном электролите и размещен под крышкой, а положительный электрод размещен в корпусе. 2. Аккумулятор поп.1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что между корпусом и положительным электродом выполнена буферная полость, в которой размещена прокладка-электролитоноситель из пористого щелочестойкого диэлектрического материала. С > 3. Аккумулятор по шиї или 2, о т л и ч аю щ и й с я тем, что буферная полость выполнена в виде торцевого выступа в донышке корпуса. ел тельных приборов, детских игрушек и т.п. изделий. Аккумуляторы указанного типа являются продукцией массового производства и потому должны обладать рядом трудносовместимых свойств, а именно: иметь габариты и массу, существенно меньшие, чем габариты и масса устройствпотребителей тока, но при этом иметь ем 15466 кость, достаточную для питания таких устройств в период от нескольких (6-8) часов до нескольких месяцев; быть малочувствительными к ''сверхзаряду" (до емкости выше номинала по пас- 5 портным данным) и "сверхрэзряду" (до состояния переполюсовки), ибо подавляющее большинство покупателей таких аккумуляторов несведущи в электрохимии и невнимательны при изучении и соблюдении 10 правил их нормальной эксплуатации; причинять минимальный ущерб окружающей природной среде при попадании в неутилизируемые отходы и быть безопасными для людей потребителей при случайном 15 нарушении целостности корпуса. Часть этих требований уже успешно выполнена. Например, из ГОСТ 11258-79 известна электрохимическая система "никель-кад- 20 мий", в которой материалом отрицательного электрода служит оксид кадмия, восстанавливаемый при зарядке до кадмия и возвращающийся в исходное состояние при разрядке, а материалом положительного 25 электрода служит гидроксид никеля (11), окисляемый при зарядке до гидроксида никеля (III) в виде N3OOH и возвращающийся в исходное состояние при разрядке, а в качестве электролита использован 30% водный 30 раствор едкого кали (с добавкой 3-10 г/л гидроксида лития при использовании аккумуляторов при низких температурах). Долгое время эта электрохимическая система служила и служит основой для щелоч- 35 ных аккумуляторов. Однако только крупногабаритные никель-кадмиевые аккумуляторы емкостью 13125 А чи более относительно экологически безопасны, ибо существует система их сбо- 40 ра и централизованной утилизации после завершения сроков эксплуатации, вэрывобеэопасны, ибо их корпуса негерметичны (в частности, оборудованы клапанами) или их изготовляют с избытком оксида кадмия, и 45 устойчивы к переполюсовке при использовании дополнительных аппаратных средств (например, путем шунтирования каждого из аккумуляторов в составе аккумуляторной 6атэреи специально подобранными диодами, 50 как это описано в патенте США № 3148322, 1964 г.). Малогабаритные же дисковые щелочные аккумуляторы существенно уступают по указанным потребительским свойствам сво- 55 им крупногабаритным аналогам. Например, из книги Романова В.В. и Хашева Ю.М. "Химические источники тока", М /Советское радио", 1978, с. 110-111, рис. 73} известен дисковый никель-кадмиевый щелочной аккумулятор, который имеет полый токопроводный тонкостенный цилиндрический корпус с донышком, токопроводную крышку, которая герметично припрессована или привальцована к корпусу через кольцевую диэлектрическую прокладку; положительный электрод, который состоит из смеси дисперсного гидроксида никеля (И) и графита и электрически связан с корпусом; пористый сепаратор из диэлектрического материала (в частности, в виде полиамидного войлока); отрицательный электрод, который состоит из электрохимически активного дисперсного материала - оксида кадмия и электрически связан с крышкой, и щелочной электролит, которым пропитаны оба электрода и сепаратор. При этом упомянутые электроды размещены в коробочках из никелевой сетки и через эту сетку введены в контакт с сепаратором. Аккумуляторы такого типа являются товаром массового потребления, сбор которых у множества потребителей для последующей утилизации затруднен. Поэтому загряз-, иение окружающей среды токсичными соединениями кадмия неизбежно. Использование же в конструкции аккумуляторов никелевой сетки для фиксации дисперсных электродных масс снижает их удельную емкость и затрудняет их сборку, что особенно невыгодно в условиях массового производства. Экологические требования удалось в существенной части выполнить путем отказа от никель-кадмиевой электрохимической системы и перехода к никель-аодородным аккумуляторам, в которых вторым электродом служит водород, а его фиксатором ~ водород поглощаю щий (в частности, путем образования гидридов) металлический материал. Из числа таких аккумуляторов к предлагаемому наиболее близок дисковый никельводородный щелочной аккумулятор по акцептованной заявке Японии № 63-131472, кл. Н01 М 10/28). Этот аккумулятор имеет; токопроводный цилиндрический металлический корпус с донышком, токопроводную крышку, герметично соединенную по периметру с корпусом, диэлектрическую кольцеобразную герметизирующую прокладку между корпусом и крышкой, положительный никелевый таблетированный электрод на основе гидроксида никеля (II), размещенный под крышкой, сепаратор из щелочестойкого пористого диэлектрического материала, непосредственно соприкасающийся с одной стороны с упомянутым положительным электродом. 15466 отрицательный водородный электрод на основе таблетированного тонкодисперсного водородпоглощэющего металлического материала, например, сплава LaNIs, соприкасающийся с упомянутым сепаратором с 5 противоположной положительному электроду стороны и расположенный в корпусе, круглую прокладку из никелевой сетки между донышком корпуса и водородным электродом, имеющую диаметр, равный ди- 10 аметру внутренней части корпуса аккумулятора, щелочной электролит, пропитывающий оба электрода, сепаратор и прокладку из никелевой сетки. 15 Аккумуляторы описанного типа экологически существенно менее опасны, чем никель-кадмиевые дисковые аккумуляторы. Однако выполнение отрицательного водородного электрода в виде таблетки даже 20 при наличии сетчатой никелевой прокладки между ним и корпусом аккумулятора для поглощения избытка водорода приводит к тому, что а порах таблетки в силу незначительной вязкости электролита могут 25 возникать газовые пузырьки. При этом скорость диффузии водорода из газовой фазы в гидридообразующий водородпоглощэющий металлический материал уменьшается и возникает опасность разгерметизации кор- 30 пуса и выхода аккумулятора из строя. Для подавления этого неблагоприятного явления необходимо уменьшать ток и увеличивать время заряда. Кроме того, при повторении циклов заряда-разряда возмож- 35 ны случаи разрушения таблетированного водородного электрода на нерегулярные по размерам и форме агрегаты металлических частиц, что усиливает указанный нежелательный эффект и неблагоприятно сказыва- 40 ется на емкости аккумулятора и уровне допустимого максимального тока разряда. И, наконец, при размещении положительного электрода под крышкой, упругость которой недостаточна для компенсации 45 давления выделяющегося на этом электроде кислорода, и при упомянутом выше растрескивании водородного электрода облегчается диффузия кислорода в зону расположения водородного электрода. В ре- 50 зультате возрастает ток саморазряда и сокращается допустимый срок хранения заряженного аккумулятора до использования. В связи с изложенным, аккумуляторы описанного типа имеют ограниченный срок 55 службы по количеству циклов заряда-разряда. Поэтому в основу изобретения положена задача путем усовершенствования водородного электрода и его взаиморасположения по отношению к положительному электроду создать такой дисковый никель-водородный щелочной аккумулятор, который был бы более надежен в эксплуатации. Поставленная задача решена тем, что в дисковом никель-водородном щелочном аккумуляторе, имеющем герметично соединенные между собой через кольцеобразную диэлектрическую прокладку токопроводные цилиндрический корпус с донышком и крышку, положительный электрод на основе таблетированного дисперсного гидроксида никеля (II) и отрицательный водородный электрод на основе аодородпоглощающего тонкодисперсного металлического материала, сепаратор, выполненный из щелочестойкого пористого диэлектрического материала и расположенный между указанными электродами, и щелочной электролит, пропитывающий оба электрода и сепаратор, согласно изобретению, водородный электрод выполнен в виде пастообразной суспензии водородпоглощающего материала в загущенном щелочном электролите и размещен под крышкой, а положительный электрод размещен в корпусе. Поскольку предлагаемое изобретение, по имеющимся у нас данным, не известно из общедоступных источников информации об уровне техники, поскольку оно удовлетворяет условию патентоспособности "новизна". Поскольку это изобретение осуществимо промышленным путем и изделия на его основе могут быть использованы для потребления в других промышленных изделиях, оно соответствует условию патентоспособности "промышленная применимость". И, наконец, поскольку сущность изобоетения применительно к достигаемому техническому эффекту - повышению надежности - не следует явным образом из уровня техники, поскольку оно соответствует условию патентоспособности "изобретательский уровень". Первое дополнительное отличие заключается в том, что между корпусом и положительным электродом выполнена буферная полость, в которой размещена прокладкаэлектролитоноситель из пористого щелочестойкого диэлектрического материала. При зарядке аккумулятора в этой полости (в порах прокладки-электролитоносителя) концентрируется газообразный кислород, вследствие чего окисление водородного электрода замедляется, ток и скорость саморазряда аккумулятора без нагрузки уменьшаются, а срок хранения заряженного аккумулятора до использования возрастает. Второе дополнительное отличие состоит в том, что указанная буферная полость выполнена в виде торцевого выступа в до 15466 нншке корпуса. Такое выполнение наиболее технологично и повышает жесткость корпуса аккумулятора. На чертеже изображен в продольном разрезе предлагаемый аккумулятор. 5 Предлагаемый дисковый никель-водородный щелочной аккумулятор имеет цилиндрический токопроводный корпус 1 с донышком и токопроводную крышку 2 в виде круглой пластинки с отогнутым фланцем. 10 Крышка 2 герметично присоединена к корпусу 1 через кольцеобразную диэлектрическую прокладку 3. В корпусе 1 размещен положительный никелевый электрод 4, выполненный в виде 15 предварительно (до сборки аккумулятора) спрессованной в таблетку смеси тонкодисперсного гидроксида никеля (II) и графита. Электрод 4 соприкасается со стенкой корпуса 1 и донышком. 20 Целесообразно, чтобы между электродом 4 и корпусом 1 располагалась буферная полость, выполненная преимущественно в виде торцевого выступа 5 в донышке корпуса 1, и чтобы в этой полости располагалась 25 прокладка-электролитоноситель 6 из пористого щелочестойкого диэлектрического материала, например, из полипропиленового волокна Над электродом 4 в корпусе 1 располо- 30 жен сепаратор 7 из щелочестойкого пористого диэлектрического материала, например, из того же полипропиленового волокна Между крышкой 2 и сепаратором 7 рас- 35 положен отрицательный водородный электрод 8, выполненный в виде пасты из тонкодисперсного аодородпоглощающего металлического материала, например, сплава лантана и никеля LaNIs в загущенном 40 подходящим водорастворимым полимером, например, кзрбоксиметилцеллюлозой щелочном электролите. Оба электрода 4 и 8, сепаратор 7, и, если имеется, прокладка-электролитоноситель 6 45 находятся в среде упомянутого щелочного электролита. Перед использованием описанный аккумулятор заряжают через подходящее зарядное устройство, работающее от 50 электрической сети или от иного источника тока. Ток заряда устанавливают близким по величине 0,2 С5(т.е, емкости, соответствующей пятичасовому разряду). Для аккумулятора диаметром 11,6 мм, высотой 3,8 мм и массой 55 4,1 г С5 составляет, в частности, 25 мА' ч, а ток 8 заряда - 5 мА. Время заряда составляет 7-8 ч. При первичном заряде протекают следующие химические реакции: на положительном никелевом электроде Ni(OHh-e -*NIOOH + H + на отрицательном водородном электроде LaNi 5 +H + + e -*LaNI5H. При разряде протекают следующие реакции: на положительном никелевом электроде NIOOH + НгО + е -»Nt(0H)2 + 0H" на отрицательном водородном электроде LaNl5H + ОН* - е -+ LaNIs + Н2О Выделение водорода в материале отрицательного электрода происходит в вязкой среде загущенного щелочного электролита практически во всем ее объеме. Поскольку твердые частицы водородсорбирующего сплава также находятся в этой вязкой среде и равномерно покрыты ею по всей их поверхности, поскольку взаимодействие между водородом и гидридобраэующим металлическим материалом происходит также по всей поверхности твердых частиц, что позволяет повысить ток и сократить время заряда аккумулятора. Если же ток заряда превысит 0,2 С5 и, следовательно, скорость сорбции (поглощения) водорода окажется меньше скорости его выделения, то отрицательный электрод не разрушится, ибо при появлении в вязком электролите микропузырьков газообразного водорода они будут удерживаться в объеме электролита и при коррекции режимов заряда исчезнут. При сверхзаряде на положительном электроде возможно выделение свободного кислорода по реакции 2ОН"-2е - Н 2 О + 0,5Ог Этот кислород концентрируется в буферной полости в порах прокладки-электролитоносителя 6 и затем расходуется на окисление части связанного на отрицательном электроде водорода с образованием воды. Совокупность этих химических и физико-химических процессов обеспечивает устойчивое существование обоих электродов при значительных токовых нагрузках и многократном заряде-разряде ("циклировании"). 15466 Упорядник Є Лабков Замовлення 4185 Техред М Моргентал Коректор Л.Пилиленко Тираж Підписне Державне патентне відомство України, 254655, ГСП, Київ-53, Львівська пл., 8 Відкрите акціонерне товариство "Патент", м. Ужгород, вул Гагаріна, 101