Нікельметалгідридний акумулятор та негативний електрод для використання в ньому

1 Нікельметал гідрид ний акумулятор, що включає щонайменше один позитивний електрод, один негативний електрод і електроліт, який відрізняється тим, що щонайменше один негативний електрод має пористу металеву основу, що містить чисту мідь або сплав МІДІ, при цьому чиста мідь або сплав МІДІ знаходяться в електроліті 2 Нікельметалпдридний акумулятор за п 1, який відрізняється тим, що сплав МІДІ Є сплавом мідьнікель 3 Нікельметалпдридний акумулятор за п 2, який відрізняється тим, що сплав мідь-нікель має опір менший ніж чистий нікель 4 Нікельметалпдридний акумулятор за п 1, який відрізняється тим, що пориста металева основа містить чисту мідь, при цьому чиста мідь знаходиться в електроліті 5 Негативний електрод для використання в нікельметал гідридному акумуляторі, що включає сплав, який забезпечує акумулювання водню, прикріплений до пористої металевої основи, який відрізняється тим, що пориста металева основа містить чисту мідь або сплав МІДІ, при цьому чиста мідь або сплав МІДІ знаходяться в електроліті акумулятора 6 Негативний електрод за п 5, який відрізняється тим, що сплав МІДІ Є сплавом мідь-нікель 7 Негативний електрод за п 6, який відрізняється тим, що сплав мідь-нікель має менший опір ніж чистий нікель 8 Негативний електрод за п 5, який відрізняється тим, що пориста металева основа містить чисту мідь при цьому чиста мідь знаходиться в електроліті О со 00 ю Даний винахід стосується нікельметалпдридних акумуляторів і, зокрема, потужних нікельметалпдридних акумуляторів, що підходять для використання в електричних транспортних засобах і гідридних електричних транспортних засобах Акумулятори включають електроди, які використовують основи, що мають поліпшені можливості струмоприйому, завдяки чому збільшується питома потужність акумуляторів Останнім часом найбільш прогресивні розробки в області автомобільних акумуляторів для надавання руху транспортним засобам були спрямовані в першу чергу на виконання вимог, які пред'являються для чисто електричних транспортних засобів Для цієї мети Стенфорд Овшинський і його групи по розробці акумуляторів у Energy Conversion Demces, Inc i Ovomc Battery Company зробили великі успіхи в технології нікельметадпдридних акумуляторів Спочатку Овшинський і його групи звернулися до сплавів гідридів металів, які утворюють негативний електрод В результаті цих зусиль їм вдалося одержати дуже високі характеристики відносно оборотного акумулювання водню, які необхідні для ефективних і економічних застосувань акумуляторів, і створити акумулятори, здатні акумулювати енергію з високою ЩІЛЬНІСТЮ, ефективною реверсивністю, високою електричною ефективністю, ефективним акумулюванням водню в об'ємі без структурних змін або забруднень, з великою ДОВГОВІЧНІСТЮ при ЦИКЛІЧНІЙ роботі і повторюваній гли бокій розрядці Поліпшені характеристики цих сплавів "Ovomc" (Овонік), як вони тепер називаються, отримані в результаті розробки локальної 45483 хімічної упорядкованості і, отже, локальної структурної упорядкованості шляхом впровадження обраних елементів-модифікаторів у вихідну матрицю Розупорядковані сплави гідридів металів мають істотно більш високу ЩІЛЬНІСТЬ каталітично активних центрів і акумулюючих центрів у порівнянні з одно- або багатофазними кристалічними матеріалами Ці додаткові центри відповідають за поліпшену ефективність електрохімічної зарядки і розрядки і збільшують здатність до акумулювання електричної енергії Природа і число акумулюючих центрів можуть створюватися навіть незалежно від каталітично активних центрів А більш конкретно, ці сплави розроблені для об'ємного акумулювання дисоційованих атомів водню при силах зв'язування в межах діапазону оборотності, що підходить для використання у вторинних додатках акумуляторних батареях Деякі надзвичайно ефективні матеріали для електрохімічного акумулювання водню були створені на основі описаних вище розупорядкованих матеріалів Це активні матеріали типу Ti-V-Zr-Ni, які описані в патенті США №4,551,400 ("Патент '400") Сапру, Хонг, Фетченко і Венкетсен (Sapru, Hong, Fetcenko, Venkatesan), розкриття якого включено в якості посилання на джерело інформації Ці матеріали оборотне утворюють гідриди, для того, щоб акумулювати водень Усі матеріали, використовувані в патенті '400, використовують загальну композицію TI-V-NI, у якій є присутнім, щонайменше, Ті, V І NI І ВОНИ можуть бути модифіковані Cr, Zr і АІ Матеріали з Патенту '400 є багатофазними матеріалами, які можуть містити, але не обмежуватися, одну або декілька фаз із кристалічними структурами типу Си C-is Інші сплави Ti-V-Zr-Ni також використовуються для негативних електродів з оборотним акумулюванням водню Одна з родин таких матеріалів описана в патенті США №4,728,586 ("Патент '586") Венкетсена, Рейчмена і Фетченко, розкриття якого включено в якості посилання на джерело інформації У патенті '586 описаний спеціальний підклас цих сплавів Ti-V-Ni-Zr, що містить Ті, V, Zr, Ni і п'ятий компонент Сг У патенті '586 згадується можливість використання добавок і модифікаторів крім вищевказаних компонентів Крім матеріалів, описаних вище, матеріали, що акумулюють водень, для негативного електроду Ni-МГ акумулятора можуть також вибиратися із розупорядкованих сплавів гідридних металів, які описані в патенті США №5277999 В патенті США №5480741 згадується використання електродів зі сплаву, що акумулює водень, який містить пористу основу із нікелю, МІДІ або подібного матеріалу На противагу сплавам "Овонік", описаним вище, упорядковані сплави звичайно розглядалися як "упорядковані" матеріали, які мали ІНШІ ХІМІЧНІ властивості, мікроструктуру і електрохімічні характеристики Робочі характеристики раніше створених упорядкованих матеріалів були поганими, але на початку 1980-х, у міру збільшення ступеня модифікації (тобто, у міру збільшення числа і КІЛЬКОСТІ елементних модифікаторів), їх робочі характеристики стали значно поліпшуватися Це пов'язано з тим, що їх електричні і ХІМІЧНІ властивості зміню ються в залежності від того, наскільки значне розу порядкування внесене модифікаторами Такий розвиток сплавів, від спеціального класу "упорядкованих" матеріалів до сучасних багатокомпонентних, багатофазних "розупорядкованих" сплавів, показано в наступних патентах (і) Патент США №3,874,928, (м) Патент США №4,214,043, (їм) Патент США №4,107/395, (iv) Патент США №4,107,405, (v) Патент США №4,112,199, (vi) Патент США №4,125,688, (vn) Патент США №4,214,043, (VIM) Патент США №4,216/274, О*) Патент США №4,487,817, (х) Патент США №4,605/603, (хм) Патент США №4,696,873, і (хш) Патент США №4,699,856 (Ці джерела інформації докладно обговорюються в патенті США №5,096,667 і це обговорення спеціально включене в якості посилання на джерело інформації) Просто затверджувалося, що у всіх металпдридних сплавах у міру збільшення ступеня модифікації роль початкове упорядкованого базового сплаву є роллю з меншим значенням у порівнянні з властивостями і розупорядкуванням, властивими конкретним модифікаторам Крім того, аналіз наявних у даний час на ринку і створених різними виробниками багатокомпонентних сплавів вказує, що ці сплави модифіковані згідно з направляючою ЛІНІЄЮ, встановленою для систем із сплавом Овонік Таким чином, як стверджувалося вище, усі сильно модифіковані сплави є розупорядкованими матеріалами, що характеризуються наявністю безлічі компонентів і безлічі фаз, тобто сплавами Овонік Овшинський і його групи потім звернули увагу на позитивний електрод акумуляторів Сьогодні позитивні електроди являють собою електроди з нікелевою пастою, які складаються із частинок гідроксиду нікелю, що контактують із електропровідною сіткою або основою, яка переважно має велику площу поверхні Існує декілька варіантів таких електродів, включаючи так називані пластично зв'язані нікелеві електроди, які використовують графіт в якості мікропровідника, а також включаючи так називані пшо-металеві електроди, які використовують піну нікелю з високою пористістю в якості основи, заповненої сферичними частинками гідроксиду нікелю і кобальтовими добавками, що збільшують провідність Пастовані електроди типу піна-метал вже почали проникати на споживчий ринок завдяки їх низькій вартості і більш високої ЩІЛЬНОСТІ енергії в порівнянні із спеченими нікелевими електродами Звичайно вважається, що реакція, яка відбувається на електроді нікелевого акумулятора, являє собою одноелектродний процес, що включає окислення гідроксиду двовалентного нікелю в оксипдроксид тривалентного нікелю при зарядці і потім розрядку оксипдроксиду тривалентного нікелю до гідроксиду двовалентного нікелю, як показано нижче в рівнянні 2 Деякі одержані останнім часом свідчення вказують на те, що в окисно-відновлювальній реакції гідроксиду нікелю бере участь чотиривалентний нікель Це не нова концепція В ДІЙСНОСТІ, про існування чотиривалентного нікелю вперше зробив припущення Томас Едісон у деяких його ранніх патентах на акумуляторні батареї Проте повне 45483 лину, для того, щоб забезпечити енергією потужну використання чотиривалентного нікелю ніколи не систему акумулювання енергії, що видає пікову досліджувалося потужність для прискорення, а також забирає зноНа практиці звичайно не спостерігається здатву кінетичну енергію при використанні регенератиність електрода переносити більшу КІЛЬКІСТЬ елеквного гальмування тронів, ніж один, що відповідає теоретичній здатності переносити один електрон Одна з причин Аналогічно, виходячи з можливості використоцього полягає в неповному використанні активного вувати невеликий двигун, який працює з максимаматеріалу через електронну ІЗОЛЯЦІЮ окисненого льною ефективністю, і зв'язаний з системою акуматеріалу Оскільки відновлений матеріал гідромулювання енергії для забезпечення імпульсною ксиду нікелю має високий електричний опір, віднопотужністю, пропонується найкраща конструкція влення гідроксиду нікелю поблизу струмоприймадля зведення до мінімуму викидів, пов'язаних з ча призводить до утворення менш провідної використанням паливного двигуна Таким чином, поверхні, яка заважає наступному відновленню ключем технології для ГЕТ є система акумулюванокисленого активного матеріалу, який знаходиться ня енергії, здатна забезпечити дуже високу імпудалі льсну потужність і прийом високих регенеративних струмів при гальмуванні з дуже високою ефективОвшинський і його групи розробили матеріали ністю Для робочого циклу пристрою, що виробляє для позитивного електрода, які продемонстрували імпульсну потужність, потрібна виняткова ДОВГОВІнадійний переніс більше, ніж одного електрона на ЧНІСТЬ при ЦИКЛІЧНІЙ роботі з низькою глибиною один атом нікелю Такі матеріали розкриті в патенрозрядки ті США №5,344,728 і 5,348,822 (які описують стабілізовані розупорядковані матеріали позитивних Важливо зрозуміти, що для такої системи акуелектродів) і патенті США №5,569,563, виданому мулювання енергії висуваються ІНШІ ВИМОГИ В по29 жовтня 1996р, і патенті США №5,567,549, вирівнянні із системами для чисто електричних даному 22 жовтня 1996р транспортних засобів Дальність - це критичний чинник для практичних ЕТ, що робить критичним В результаті цих досліджень в області активоцінним параметром ЩІЛЬНІСТЬ енергії Потужність них матеріалів негативних і позитивних електродів і ДОВГОВІЧНІСТЬ при ЦИКЛІЧНІЙ роботі дуже важливі, Овонік нікельметалпдридний акумулятор (Ni-МГ) але для ЕТ вони стають вторинними в порівнянні з досяг передової стадії розвитку для ЕТ (електричЩІЛЬНІСТЮ енергії них транспортних) засобів Групи Овшинського змогли створити акумуляторні батареї для електІ, навпроти, у системах з імпульсною потужнісричних транспортних засобів, які здатні забезпечитю для ГЕТ переважне значення має ЩІЛЬНІСТЬ ти пересування електричного транспортного засопотужності Виняткова ДОВГОВІЧНІСТЬ при ЦИКЛІЧНІЙ бу більш, ніж на 350 миль на одній зарядці (Tour роботі з низькою глибиною розрядки також більш d'Sol 1996) Овонік акумулятор Ni-МГ продемонсткритична, ніж більш звичайна ДОВГОВІЧНІСТЬ при рував чудову ЩІЛЬНІСТЬ енергії (до приблизно ЦИКЛІЧНІЙ роботі при 80% ГР, яка вимагається в 90Вт/кг), ДОВГОВІЧНІСТЬ при ЦИКЛІЧНІЙ роботі (понад системах для ЕТ ЩІЛЬНІСТЬ енергії важлива для 1000 циклів при 80% ГР (глибина розрядки)), СТІЙтого, щоб зменшити вагу акумуляторної батареї і КІСТЬ до експлуатації з порушенням норм і здатоб'єм, але внаслідок більш меншого розміру акуність швидко перезаряджатися (до 60% за 15 хвимулятора ця характеристика є менш критичною, лин) Крім того, Овонік акумулятор ніж ЩІЛЬНІСТЬ потужності Можливість ШВИДКОГО продемонстрував більш високу ЩІЛЬНІСТЬ потужноперезарядження - це також істотний чинник для сті, ніж акумулятори, створені по будь-якій ІНШІЙ забезпечення ефективного регенеративного гальтехнологи, при перевірці і ОЦІНЦІ характеристик для мування, а ефективність зарядки і розрядки - це їх використання в якості джерела акумульованої критичний чинник для підтримки акумулятора в енергії для ЕТ (електричних транспортних засозарядженому стані у відсутності зовнішньої зарядбів) ки Незважаючи на те, що Овшинський і його групи зробили великі успіхи в створенні акумуляторних батарей для чисто електричних транспортних засобів, Partnership for a New Generation of Vehicles (PNGV), державна компанія в області автопромисловості, створена в США в 1996р, зробила припущення, що гідридні електричні транспортні засоби (ГЕТ) зможуть у наступному десятилітті зайняти лідируюче положення в досягненні мети триразової економії автомобільного пального Для реалізації цієї мети будуть потрібні легкі, компактні, потужні акумуляторні батареї Використання системи з гідридним приводом припускає значні переваги в економії пального і забезпеченні зверхнизьких викидів Паливні двигуни досягають максимальної ефективності, коли вони працюють при ПОСТІЙНІЙ КІЛЬКОСТІ обертів у хвилину (об/хвил) Тому пікова ефективність пального може бути досягнута при використанні паливного двигуна з постійною КІЛЬКІСТЮ обертів у хви Очікується, що через такі фундаментальні розбіжності у вимогах, що ставляться до систем для ЕТ, і в вимогах до систем для ГЕТ, акумулятори, які у даний час оптимізовані для використання в системах з ЕТ, не будуть ВІДПОВІДНИМИ ДЛЯ ГЕТ, якщо не підвищити ЩІЛЬНІСТЬ потужності Незважаючи на те, що продемонстровані робочі характеристики Овонік акумуляторів для ЕТ були вражаючими, ці конструкції гальванічних елементів і батарей були оптимізовані для використання в чисто ЕТ і тому вони не задовольняють специфічним вимогам для ГЕТ Таким чином, існує потреба в акумуляторах високої потужності, що мають робочу характеристику по ПІКОВІЙ потужності, так необхідній для ГЕТ, а, крім того, мають вже продемонстровані робочі характеристики Овонік Ni-МГ акумуляторів і випробуваною можливістю їх промислового виготовлення За прототип винаходу прийнятий нікельметал 45483 гідридний акумулятор, що включає, щонайменше, один негативний електрод, який містить пористу металеву основу, (Патент США №2969413, МПК6 Н01М4/38, 4/80, опубл 26 09 58р ) За прототип винаходу прийнятий також негативний електрод для використання в нікельметалпдридному акумуляторі, який включає пористу металеву основу (Патент США №2969413, МПК6 Н01М4/38> 4/80, опубл 26 09 58р) Пластини електродів, використовувані у відомому акумуляторі, мають недостатню питому потужність Крім цього, негативний електрод цього акумулятора має опір, який суттєво впливає на збільшення величини потужності акумулятора, яка витрачається через внутрішню дисипацію потужності останнього, що призводить до зменшення вихідної потужності акумулятора В основу винаходу поставлена задача підвищення ресурсоспроможності, терміну та ефективності роботи нікельметалпдридного акумулятора (першого варіанту його виконання) шляхом удосконалення пористої металевої основи негативного електроду, що входить до складу акумулятора, зокрема, виконання її з високопровідної МІДІ, нікелю, покритого міддю, або сплаву мідь-нікель, в результаті чого підвищується провідність пористої металевої основи негативного електроду і зменшується його опір, що супроводжується зменшенням величини потужності акумулятора, яка втрачається через внутрішню дисипацію потужності, а також збільшенням вихідної потужності акумулятора В основу винаходу поставлена також задача підвищення ресурсоспроможності, терміну та ефективності роботи нікельметалпдридного акумулятора (другого варіанту його виконання) шляхом удосконалення пористої металевої основи негативного електроду, що входить до складу акумулятора, зокрема, виконання її з високопровідної чистої МІДІ, в результаті чого підвищується провідність пористої металевої основи негативного електроду і зменшується його опір, що супроводжується зменшенням величини потужності акумулятора, яка втрачається через внутрішню дисипацію потужності, а також збільшенням вихідної потужності акумулятора В основу винаходу поставлена також задача підвищення провідності, надійності та терміну експлуатації негативного електроду для використання в нікельметалгідридному акумуляторі (першого варіанту його виконання) шляхом удосконалення його пористої металевої основи, зокрема, виконання її з високоелектропровідної МІДІ, нікелю, покритого міддю, або сплаву мідь-нікель, в результаті чого підвищується провідність пористої металевої основи негативного електроду і зменшується його опір, знижує опір між кожним електродом і вивідним вихідним контактом акумулятора, що супроводжується зменшенням величини потужності акумулятора, яка втрачається через внутрішню дисипацію потужності, а також збільшенням вихідної потужності акумулятора В основу винаходу поставлена також задача підвищення провідності, надійності та терміну експлуатації негативного електроду для використання в нікельметалгедридному акумуляторі (другого 8 варіанту його виконання) шляхом удосконалення його пористої металевої основи, зокрема, виконання її з високоелектропровідної чистої МІДІ, в результаті чого підвищується провідність пористої металевої основи негативного електроду і зменшується його опір, знижує опір між кожним електродом і вивідним вихідним контактом акумулятора, що супроводжується зменшенням величини потужності акумулятора, яка втрачається через внутрішню дисипацію потужності, а також збільшенням вихідної потужності акумулятора Поставлена задача досягається за рахунок того, що в нікельметал гідридному акумуляторі (першому варіанті його виконання), що включає, щонайменше, один негативний електрод, який містить пористу металеву основу, згідно винаходу, пориста металева основа виконана з МІДІ, нікелю, покритого міддю, або сплаву мідь-нікель, при цьому мідь, нікель, покритий міддю, або сплав мідьнікель знаходяться у взаємодії з електролітом, причому сплав мідь-нікель має менший питомий опір, ніж чистий нікель, пориста металева основа покрита матеріалом, який є електропровідним і стійким до корозії в середовищі акумулятора, при цьому матеріал, електропровідний і стійкий до корозії в середовищі акумулятора, є нікелем Поставлена задача досягається також за рахунок того, що в нікельметалпдридному акумуляторі (другому варіанті його виконання), що включає, щонайменше, один негативний електрод, що містить пористу металеву основу, згідно винаходу, пориста металева основа містить чисту мідь, яка знаходиться у взаємодії з електролітом Поставлена задача вирішується також тим, що в негативному електроді для використання в нікельметалпдридному акумуляторі (першому варіанті його виконання), який включає пористу металеву основу, згідно винаходу, пориста металева основа виконана з МІДІ, нікелю, покритого міддю, або сплаву мідь-нікель, при цьому мідь, нікель, покритий міддю, або сплав мідь-нікель знаходяться у взаємодії з електролітом, причому сплав мідьнікель має менший питомий опір, ніж чистий нікель, пориста металева основа покрита матеріалом, який є електропровідним і стійким до корозії в середовищі акумулятора, а матеріал, електропровідний і стійкий до корозії в середовищі акумулятора, є нікелем Поставлена задача досягається також за рахунок того, що в негативному електроді для використання в нікельметалпдридному акумуляторі (другому варіанті його виконання), який включає пористу металеву основу, згідно винаходу, пориста металева основа містить чисту мідь, яка знаходяться у взаємодії з електролітом Даний винахід направлений на створення нікельметалпдридних акумуляторів і електродів для них, що здатні виробляти підвищену вихідну потужність, і які мають підвищені швидкості перезарядження Винахід направлений також на створення NiМГ акумуляторів, які виробляють достатню потужність для забезпечення роботи ЕТ і ГЕТ Винахід пояснюють слідуючі креслення фіг 1 представляє електрод для призматичного Ni-МГ акумулятора, прикріплений до електро 45483 дного виводу, фіг 2 представляє області корозії, імунності і пасивності МІДІ при 25°С Винахід направлений на збільшення вихідної потужності Ni-МГ акумулятора, що перезаряджається Звичайно, вихідна потужність може бути збільшена шляхом зменшення внутрішнього опору акумулятора Зниження внутрішнього опору зменшує втрати, пов'язані з дисипацією потужності в акумуляторі, внаслідок чого збільшується потужність, яка може використовуватися для надавання руху ЗОВНІШНІХ навантажень Внутрішній опір Ni-МГ акумулятора може бути зменшений шляхом збільшення провідності елементів акумулятора, а також з'єднань між елементами А більш конкретно, внутрішній опір може бути зменшено шляхом збільшення провідності позитивних і негативних електродів акумулятора 10 ми При розрядці акумульований водень виділяється у вигляді молекул води і виділяється електрон Активний матеріал негативного електрода являє собою матеріал, що акумулює водень Матеріал, що акумулює водень, може бути обраний з активних матеріалів Ti-V-Zr-Ni, таких, які описані в патенті США №4,551,400 ("Патент '400"), розкриття якого включено в якості посилання на джерело інформації Як обговорювалося вище, матеріали, використовувані в патенті '400, використовують загальну композицію TI-V-NI, у якій присутні, щонайменше, Ті, V і Ni, щонайменше, з одним або декількома елементами з Cr, Zr і АІ Матеріали з Патенту '400 є багатофазними матеріалами, які можуть містити, але не обмежуватися, одну або декілька фаз із кристалічними структурами типу C M I C-I5 Звичайно Ni-МГ акумулятор включає, щонайменше, один негативний електрод і, щонайменше, один позитивний електрод Електродний вивід може бути прикріплений до кожного негативного і позитивного електродів для забезпечення електричного контакту електродів із ВІДПОВІДНИМ ВИХІДНИМ контактом Ni-МГ акумулятора (тобто негативний електрод - з негативним контактним виходом, а позитивний електрод - з позитивним контактним виходом) На фіг 1 показаний варіант електрода 1, прикріпленого до електродного виводу 2 для призматичного Ni-МГ акумулятора Електрод 1, показаний на фіг1, являє собою або негативний, або позитивний електрод Ni-МГ акумулятора Існують ІНШІ сплави Ti-V-Zr-Ni, які також можуть використовуватися для матеріалу негативного електрода, що акумулює водень Одна із родин таких матеріалів описана в патенті США №4,728,586 ("Патент '586"), розкриття якого включено в якості посилання на джерело інформації У патенті '586 описаний спеціальний підклас цих сплавів Ti-V-Ni-Zr, який вміщує Ті, V, Zr, Ni і п'ятий компонент Сг В патенті '586 згадується можливість використання добавок і модифікаторів крім компонентів сплаву, Ті, V, Zr, Ni і Сг, і в загальному вигляді обговорюються конкретні добавки і модифікатори, КІЛЬКОСТІ і взаємодії цих модифікаторів, і конкретні вигоди, які можна від них очікувати Електродний вивід 2 може бути прикріплено будь-якого місця на електроді 1, тому що він може легко з'єднуватися з ВІДПОВІДНИМ ВИХІДНИМ контактом акумулятора До кожного електроду може прикріплюватись більше одного електродного виводу 2 Електродний вивід 2 може бути виконаний з будь-якого електропровідного матеріалу, який є стійким до корозії в умовах середовища акумулятора Переважно, електродний вивід 2 виконується з нікелю або МІДІ, покритої нікелем Виконання електродного виводу 2 з МІДІ, покритої нікелем, а не з нікелю, зменшує опір електродного виводу і збільшує вихідну потужність акумулятора В Ni-МГ акумуляторах використовується негативний електрод, що має активний матеріал, який здатен забезпечити оборотне електрохімічне акумулювання водню Негативний електрод також включає пористу металеву основу, в якій розміщується активний матеріал Негативний електрод може бути виконаний шляхом впресування активного матеріалу (у порошкоподібному вигляді) у пористу металеву основу Для збільшення зчеплення порошкоподібного активного матеріалу з пористою металевою основою, негативний електрод може бути підданий спіканню При подачі на Ni-МГ акумулятор електричної напруги активний матеріал негативного електрода заряджається внаслідок електрохімічного поглинання водню і електрохімічного утворення ІОНІВ гідроксиду На негативному електроді протікає наступна електрохімічна реакція М + Н2О + е~ М-Н + ОН~ Реакції на негативному електроді є оборотни Крім матеріалів, описаних вище, матеріали, що акумулюють водень, для негативного електрода Ni-Mr акумулятора можуть також вибиратися з розупорядкованих сплавів гідридів металів, які докладно описані в патенті США №5,277,999 ("Патент '999") Овшинського і Фетченко, розкриття якого включено в якості посилання на джерело інформації Як вже обговорювалося, негативний електрод може бути виконаний шляхом впресування активного матеріалу, який акумулює водень, у пористу металеву основу Провідність негативного електрода може бути збільшена шляхом збільшення провідності пористої металевої основи негативного електрода Звичайно пориста металева основа являє собою, але не обмежується, сітку, решітку, "циновку", фольгу, піну, пластинку і пористий метал Переважно пориста металева основа, використовувана для негативного електрода, являє собою сітку, решітку, пористий метал Даний винахід описує негативний електрод для Ni-МГ акумулятора, що містить пористу металеву основу, яка виконана з МІДІ, нікелю, покритого міддю або сплаву МІДІ і нікелю, У даному описі під "міддю" розуміється чиста мідь або сплав МІДІ, а під "нікелем" розуміється чистий нікель або сплав нікелю Фіг 2 ілюструє області корозії, імунності і пасивності МІДІ при 25°С Горизонтальна вісь представляє рН електроліту, а вертикальна вісь представляє електричний потенціал матеріалу, що містить мідь Електричний потенціал показаний щодо водневого еталона (вертикальна вісь, позначена "Н"), а також щодо еталона Hg/HgO (вертикальна вісь, позначена "Hg/HgO") У даному описі всі величини 11 45483 12 напруги дані відносно еталона Hg/HgO, якщо не нікелю, покритого міддю або сплаву МІДІ І нікелю, обговорено інше Використання МІДІ В елементах із може бути ще додатково покрита електропровідлужним електролітом раніше виключалося через ним матеріалом і який, крім того, є стійким до корозчинність МІДІ в електроліті КОН Фіг 2 ілюструє, розії в середовищі акумулятора Прикладом матещо при визначених робочих умовах (тобто рН і ріалу, що може бути використаний для покриття напрузі) мідь буде піддаватися дії корозії Фіг 2 пористої металевої основи, є, але ним не обмежутакож ілюструє, що при ВІДПОВІДНИХ величинах рН і ється, нікель напрузі мідь виявляє імунність до корозії За ВІДВикористання МІДІ ДЛЯ виконання пористої меПОВІДНИХ робочих умов мідна основа, що знахоталевої основи негативного електрода має декільдиться в контакті з активним матеріалом із гідриду ка важливих переваг Мідь - чудовий електричний металу, катодно захищена в усьому діапазоні ропровідник Отже, и використання в якості матеріабочих параметрів для Ni-МГ елемента лу основи зменшує опір негативного електрода Це зменшує величину потужності акумулятора, яка Під час нормального чергування зарядки і втрачається через внутрішню дисипацію потужнорозрядки Ni-МГ акумулятора негативний електрод сті, і внаслідок цього забезпечується збільшення з гідридом металу знаходиться під електричним вихідної потужності Ni-МГ акумулятора потенціалом приблизно -0,85 вольт, а рН на негативному електроді з гідридом металу приблизно Крім того, мідь - м'який (пластичний) метал 14 Ця робоча точка показана як робоча точка А на М'якість дуже важлива в умовах розширення і стифіг 2 Як видно на фіг 2, робоча напруга -0,85 нижснення негативних електродів під час чергування че (тобто більш негативна), ніж напруга розчинензарядки і розрядки Ni-МГ акумулятора Підвищена ня МІДІ приблизно на -0,4 вольта (для рН приблизпластичність основи сприяє запобіганню руйнуно 14) Отже, під час нормального чергування вання електрода в результаті розширення і стисзарядки і розрядки Ni-МГ акумулятора негативний нення, що призводить до підвищення надійності електрод з гідридом металу, що використовує мідакумулятора Підвищена пластичність основи тану основу, має імунність до корозії кож дозволяє основі більш надійно утримувати активний матеріал, що акумулює водень, який Під час розрядки Ni-МГ акумулятора більш спресовано на поверхні основи Це зменшує поглибокої, ніж нормальна, позитивний електрод требу в термообробці негативних електродів після стає електродом, що виділяє водень, внаслідок того, як активний матеріал був спресований на чого відновлення нікелю замінюється на електрооснові, завдяки чому спрощується процес виготоліз води з утворенням газоподібного водню і ІОНІВ влення електрода і зменшується його вартість гідроксиду Оскільки NI-МГ акумулятор виконується із стехіометричним надлишком гідриду металу в Провідність негативного електрода може бути якості активного матеріалу, потенціал негативного також збільшена шляхом збільшення провідності електрода зберігається близьким до -0,8 вольт активного матеріалу негативного електрода (тобто Крім того, водень, що виділився на позитивному гідриду металу, що є активним матеріалом) Проелектроді, окислюється на негативному електроді відність активного матеріалу може бути збільшена з гідридом металу, додатково стабілізуючи потеншляхом включення МІДІ в матеріал гідриду металу ціал негативного електрода на величину приблизЦе може бути зроблено багатьма різними спосоно -0,8 вольт При низьких струмах надмірна розбами Один із способів - це змішування мідного рядка може відбуватися необмежено без розрядки порошку з гідридом металу під час приготування негативного електрода з гідридом металу, яка неактивного матеріалу Другий спосіб - це замкнення обхідна для збільшення потенціалу негативного частинок гідриду металу в оболонку з МІДІ за доелектрода до величини, що необхідна для розчипомогою процесу ХІМІЧНОГО міднення Крім збільнення МІДІ При високих струмах водень виділяшення провідності додавання МІДІ ДОЗВОЛИТЬ ЗНИється швидше, ніж рекомбінує, і в наявності є суЗИТИ температуру термообробки, коли активний марна розрядка негативного електрода з гідридом матеріал спікається в МІДНІЙ ОСНОВІ металу Проте розрядка значно менша, ніж потрібПровідність негативного електрода може тано для підняття потенціалу негативного електрода кож бути збільшена шляхом покриття міддю негадо рівня, при якому відбувається розчинення МІДІ тивного електрода після того, як активний матеріНавіть коли негативний і позитивний електроди ал у вигляді гідриду металу був спресований (і, коротко замкнені, стехіометричний надлишок гідможливо, підданий спіканню) на поверхні основи риду металу забезпечує збереження негативного Покриття міддю може виконуватися за допомогою електрода з гідридом металу під потенціалом пришаблона або без шаблона Крім збільшення проблизно -0,8 вольт, і він усе ще захищений від розвідності електрода мідне покриття слугує додаткочинення МІДІ Отже, мідь в основі негативного елевим засобом, гарантуючим, що активний метал ктрода з гідридом металу захищена при всіх залишиться "приклеєним" до основи умовах за винятком тих, коли негативний електрод В Ni-МГ акумуляторах звичайно використовуз гідридом металу буде неминуче невідповідне ється позитивний електрод, який має гідроксид руйнуватися через власне окислення нікелю в якості активного матеріалу Як вказано, при робочих параметрах негативНегативний електрод, описаний в даному опиного електрода з гідридом металу матеріал мідної сі, може застосовуватися у всіх Ni-МГ акумулятооснови захищений від корозії Проте для збільрах, включаючи, але не обмежуючи призматичні шення надійності акумулятора і додаткового захиNi-МГ акумулятори і циліндричні - "рулет з варенсту негативного електрода від агресивного ХІМІЧНОням" Ni-МГ акумулятори ГО середовища в акумуляторі пориста металева Вихідна потужність нікель-метал гідридних основа, виконана з вищезгаданих матеріалів - МІДІ, акумуляторів також може бути збільшена шляхом 13 збільшення провідності позитивних елеісгродів акумуляторів Як і у випадку з негативними електродами, це робиться шляхом ВІДПОВІДНОГО вибору матеріалів, із яких виготовляються компоненти електродів В нікельметалпдридних акумуляторах використовується, щонайменше, один позитивний електрод, що має активний матеріал, виконаний з гідроксиду нікелю Позитивний електрод також включає пористу металеву основу, яка утримує ативний матеріал Позитивний електрод може бути виконаний шляхом впресування активного матеріалу позитивного електрода (у порошкоподібному вигляді) у пористу металеву основу Один або декілька електродних виводів можуть бути прикріплені до позитивного електрода для забезпечення електричного контакту позитивного електрода з позитивним контактним виводом акумулятора На позитивному електроді протікають наступні реакції Ni(O_H)2 + ОН~ NiOOH + Н2О + е Позитивний електрод із гідроксидом нікелю описаний у Патентах США №5,344,728 і №5,348,822 (які описують стабілізовані розупорядковані матеріали позитивного електрода), в патенті США №5,569,563 і в патенті США №5,567,549, розкриття яких включено в якості посилання Провідність позитивного електрода може бути збільшена шляхом збільшення провідності пористої металевої основи електрода Пориста металева основа позитивного електрода включає, але не обмежує, сітку, решітку, фольгу, піну, "циновку", пластинку, пористий метал Переважно пориста металева основа являє собою спінений матеріал Розкритий у даному описі позитивний електрод містить пористу металеву основу, яка виконана з МІДІ, нікелю, покритого міддю, або сплаву мідьнікель Виконання основи з одного або декількох цих матеріалів збільшує провідність позитивних електродів акумулятора Це зменшує величину потужності, що розтрачується без користі по причині внутрішньої дисипації потужності, і внаслідок цього збільшує вихідну потужність Ni-МГ акумулятора Для захисту пористої металевої основи позитивного електрода від агресивного середовища в акумуляторі пориста металева основа може бути покрита електропровідним матеріалом і, крім того, стійким до корозії в середовищі акумулятора Переважно, пориста металева основа може бути покрита нікелем Позитивні електроди, розкриті в даному описі, можуть застосовуватися для всіх Ni-МГ акумуляторів, включаючи, але не обмежуючи, призматичні Ni-МГ акумулятори і циліндричні - "рулет із варенням" Ni-МГ акумулятори Другий об'єкт даного винаходу - це Ni-МГ акумулятор, що містить, щонайменше, один позитивний електрод, що стосується типу, розкритому в даному описі, і ще один об'єкт цього винаходу - це Ni-МГ акумулятор, що містить, щонайменше, один негативний електрод - типу, розкритому в даному описі Тип нікельметалпдридного акумулятора включає, але не обмежує, призматичні Ni-МГ акумуля 14 45483 тори і циліндричні - "рулет з варенням", Ni-МГ акумулятори (тобто АА-елементи, С-елементи і т д ) Приклад 1 У нижченаведеній таблиці 1 вказана потужність при 50% і 80% ГР (глибині розрядки) для призматичних Ni-МГ акумуляторів, які мають позитивні і негативні електроди, що містять розкриті в даному описі матеріали основи Таблиця 1 Основа електрода Позитивного 1) Піна Ni 2) Піна Ni Питома потужність (Вт/кг) Негативного Металева сітка з Ni Металева сітка із Си 50% 80% 214 176 338 270 Ємність елемента 121 ампер-година Розміри позитивного електрода 5,5"В х 3,5"Ш х 0315"Г Розміри негативного електрода 5,25"В х 3,38"Шх,0145"Г У Прикладі 1 розміри позитивних електродів 5,5 дюймів висота, 3,5 дюймів ширина і 0315 дюймів глибина Розміри негативних електродів 5,25 дюймів висота, 3,38 дюймів ширина і 0145 дюймів глибина У рядку 1 таблиці 1 основа позитивних електродів і основа негативних електродів формуються з нікелю (основа позитивних електродів формується зі спіненого нікелю, а основа негативних електродів формується з металевої нікелевої сітки) У цьому випадку питома потужність при 50% ГР (глибина розрядки) приблизно 214Вт/кг, а питома потужність при 80% ГР приблизно 176Вт/кг У рядку 2 таблиці 1 основа позитивних електродів формується зі спіненого нікелю, але основа негативних електродів тепер формується з мідної металевої сітки У цьому випадку питома потужність при 50% ГР приблизно 338Вт/кг, а питома потужність при 80% ГР приблизно 270Вт/кг Питома вихідна потужність Ni-МГ акумулятора може бути також збільшена шляхом регулювання висоти, ширини і глибини позитивних і негативних електродів Співвідношення висоти до ширини електродів (тобто висота, розділена на ширину) визначається в даному описі як "аспектне співвідношення" електродів Аспектне співвідношення позитивних і негативних електродів може регулюватися для збільшення питомої потужності Більш того, електроди можуть бути виконані більш тонкими для того, щоб вмістити декілька електродних пар у кожен акумулятор, завдяки чому зменшується ЩІЛЬНІСТЬ струму, що протікає через кожен електрод Приклад 2 У таблиці 2 вказана питома потужність призматичного Ni-МГ акумулятора, що використовує основу позитивних електродів із піни нікелю, а основу негативних електродів із мідної металевої сітки Крім цього, аспектне співвідношення позитивних і негативних електродів було змінене в порівнянні з прикладом 1 для збільшення питомої вихідної потужності акумулятора 45483 16 у прикладі 1 У прикладі 2 позитивні і негативні електроди також були виконані більш тонкими, щоб ввести Основа електПитома потужність декілька пар електродів в акумулятор, завдяки рода (Вт/кг) чому зменшується ЩІЛЬНІСТЬ струму, що протікає Позитивного Негативного 50% 80% через кожен електрод У прикладі 2 позитивні еле1) Піна Ni Металева сітка із Си 505 350 ктроди мають глибину приблизно 0,028 дюймів, а негативні електроди мають глибину приблизно Ємність елемента 62 ампер-година 0,013 дюймів Ni-МГ акумулятори, що використоРозміри позитивних електродів 3,1"ВхЗ,5"Ш х вують позитивні і негативні електроди, які мають 0,028'Т аспектні співвідношення, аналогічні аспектним Розміри негативних електродів 2,9"В х 3,3"Ш х співвідношенням із приклада 2, але які використо0,01 З Т вують нікель для обох електродів, позитивних І У прикладі 2 аспектні співвідношення (висота, негативних, мають питому потужність приблизно розділена на ширину) позитивного і негативного 300Вт/кг при 50% ГР і приблизно 225Вт/кг при 80% електродів була змінена для збільшення питомої ГР потужності акумулятора Позитивні електроди маНезважаючи на те, що винахід був описаний у ли розміри приблизно 3,1 дюймів висота, 3,5 відношенні кращих варіантів і способів його здійсдюймів ширина, а негативні електроди мали рознення, зрозуміло, що винахід не обмежується циміри приблизно 2,9 дюймів висота, 3,3 дюймів ми кращими варіантами і способами його здійсширина Аспектні співвідношення позитивних і ненення Навпроти, мається на увазі, що винахід гативних електродів з Приклада 2 приблизно 89 і включає всі альтернативні, модифіковані і еквіваприблизно 88, ВІДПОВІДНО лентні варіанти, що можуть підпадати під сутність і І навпроти, аспектні співвідношення позитивоб'єм винаходу, як воно визначено в формулі виних і негативних електродів з приклада 1 приблизнаходу но 1,57 і приблизно 1,55, ВІДПОВІДНО Аспектні співвідношення в прикладі 2 ближче до "одиниці", ніж 15 Таблиця 2 ЄТ -Н ЕТ. Hg/HgO г -1 0 1 2 3 4 5 в 7 8 в 10 11 12 13 14 15 Ів__ г 2 21 18 • І£ 19 16 IS 17 • M 15 1.2 13 14 І2 1 1 «1 пасивність корозія sa Об 03 04 04 • ог as 02 корозія OS 08 ^ D ^ ^ ^ 0 ^^^^ їмуншсть А 1 • . '-03 -0,5 -OS -07 і •03 • -іг •11 -І А 13 •IB І Я вГ В 9 10 11 12 13 14 15 16 -15 __ 1 7 -і.г •14 16 , 1 Р Т . . • і о! г з45 ФІГ.1 ' • • Г ДП «Український інститут промислової власності» (Укрпатент) вул Сім'ї Хохлових, 15, м Київ, 04119, Україна (044)456-20- 90 ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна » > ! • . • рН ФІГ.2 (044)216-32-71 -01 04 -06 4 -08 1В 03 Di -0-г J\2 -04 •Of 07