Нікельметалгідридний акумулятор та металгідридний електрод для використання в ньому

1 Нікельметалпдридний аккумулятор, що містить електроліт та включає щонайменше один позитивний та щонайменше, один негативний (металпдридний) електрод, що містить пористу металеву основу, який відрізняється тим, що щонайменше один негативний електрод має електродний вивід, прикріплений до пористої металевої основи, при цьому пориста металева ос Даний винахід стосується нікельметалпдридних акумуляторів і, зокрема, потужних нікельметалгідридних 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 нікель-метал гідридних акумуляторів Спочатку Овшинський і його групи звернулися нова містить чисту мідь або сплав МІДІ 2 Нікельметалпдридний акумулятор за п 1 , який відрізняється тим, що пориста металева основа містить сплав МІДІ, ЯКИМ Є сплав мідь-нікель 3 Нікельметалпдридний акумулятор за п 2, який відрізняється тим, що пориста металева основа зі сплаву мідь-нікель має менший опір ніж пориста металева основа зі сплаву з чистого нікелю 4 Металпдридний електрод для використання в нікельметалпдридному акумуляторі, причому металпдридний електрод містить пористу металеву основу, який відрізняється тим, що пориста металева основа містить чисту мідь або сплав МІДІ та електродний вивід, прикріплений до пористої металевої основи 5 Металпдридний електрод за п 4, який відрізняється тим, що пориста металева основа містить сплав МІДІ, яким є сплав мідь-нікель 6 Металпдридний електрод за п 5, який відрізняється тим, що пориста металева основа зі сплаву мідь-нікель має менший опір, ніж пориста металева основа зі сплаву з чистого нікелю 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 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 порів О 00 ю 45484 нянні 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 оборотно 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 і 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 змінюються в залежності від того, наскільки значне розупорядкування 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 початково 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 використання чотиривалентного нікелю ніколи не досліджувалося На практиці звичайно не спостерігається здатність електрода переносити більшу КІЛЬКІСТЬ електронів, ніж один, що відповідає теоретичній здатності переносити один електрон Одна з причин 45484 цього полягає в неповному використанні активного матеріалу через електронну ІЗОЛЯЦІЮ окисненого матеріалу Оскільки відновлений матеріал гідроксиду нікелю має високий електричний опір, відновлення гідроксиду нікелю поблизу струмоприймача призводить до утворення менш провідної поверхні, яка заважає наступному відновленню окисленого активного матеріалу, який знаходиться далі Овшинський і його групи розробили матеріали для позитивного електрода, які продемонстрували надійний переніс більше, ніж одного електрона на один атом нікелю Такі матеріали розкриті в патенті США №5,344,728 і 5,348,822 (які описують стабілізовані розупорядковані матеріали позитивних електродів) і патенті США №5,569,563, виданому 29 жовтня 1996р, і патенті США №5,567,549, виданому 22 жовтня 1996р В результаті цих досліджень в області активних матеріалів негативних і позитивних електродів Овонік нікель-метал гідридний акумулятор (Ni-МГ) досяг передової стадії розвитку для ЕТ (електричних транспортних) засобів Групи Овшинського змогли створити акумуляторні батареї для електричних транспортних засобів, які здатні забезпечити пересування електричного транспортного засобу більш, ніж на 350 миль на одній зарядці (Tour d'Sol 1996) Овонік акумулятор Ni-МГ продемонстрував чудову ЩІЛЬНІСТЬ енергії (до приблизно 90Вт/кг), ДОВГОВІЧНІСТЬ при ЦИКЛІЧНІЙ роботі (понад 1000 циклів при 80% ГР (глибина розрядки)), СТІЙКІСТЬ до експлуатації з порушенням норм і здатність швидко перезаряджатися (до 60% за 15 хвилин) Крім того, Овонік акумулятор продемонстрував більш високу ЩІЛЬНІСТЬ потужності, ніж акумулятори, створені по будь-якій ІНШІЙ технологи, при перевірці і ОЦІНЦІ характеристик для їх використання в якості джерела акумульованої енергії для ЕТ (електричних транспортних засобів) вувати невеликий двигун, який працює з максимальною ефективністю, і зв'язаний з системою акумулювання енергії для забезпечення імпульсною потужністю, пропонується найкраща конструкція для зведення до мінімуму викидів, пов'язаних з використанням паливного двигуна Таким чином, ключем технології для ГЕТ є система акумулювання енергії, здатна забезпечити дуже високу імпульсну потужність і прийом високих регенеративних струмів при гальмуванні з дуже високою ефективністю Для робочого циклу пристрою, що виробляє імпульсну потужність, потрібна виняткова ДОВГОВІЧНІСТЬ при ЦИКЛІЧНІЙ роботі з низькою глибиною розрядки Важливо зрозуміти, що для такої системи акумулювання енергії висуваються ІНШІ ВИМОГИ В порівнянні із системами для чисто електричних транспортних засобів Дальність - це критичний чинник для практичних ЕТ, що робить критичним оцінним параметром ЩІЛЬНІСТЬ енергії Потужність і ДОВГОВІЧНІСТЬ при ЦИКЛІЧНІЙ роботі дуже важливі, але для ЕТ вони стають вторинними в порівнянні з 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 хвилину, для того, щоб забезпечити енергією потужну систему акумулювання енергії, що видає пікову потужність для прискорення, а також забирає знову кінетичну енергію при використанні регенеративного гальмування 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 нікельметалпдридний акумулятор, що містить електроліт та включає, щонайменше, один позитивний та, щонайменше, один негативний електрод, що містить пористу металеву основу (Патент США №2969413, МПК6Н01М4/38, 4/80) За прототип винаходу прийнятий також метал Аналогічно, виходячи з можливості використо ЩІЛЬНІСТЮ енергії І, навпроти, у системах з імпульсною потужністю для ГЕТ переважне значення має ЩІЛЬНІСТЬ потужності Виняткова ДОВГОВІЧНІСТЬ при ЦИКЛІЧНІЙ роботі з низькою глибиною розрядки також більш критична, ніж більш звичайна ДОВГОВІЧНІСТЬ при ЦИКЛІЧНІЙ роботі при 80% ГР, яка вимагається в системах для ЕТ ЩІЛЬНІСТЬ енергії важлива для того, щоб зменшити вагу акумуляторної батареї і об'єм, але внаслідок більш меншого розміру акумулятора ця характеристика є менш критичною, ніж ЩІЛЬНІСТЬ потужності Можливість ШВИДКОГО перезарядження - це також істотний чинник для забезпечення ефективного регенеративного гальмування, а ефективність зарядки і розрядки - це критичний чинник для підтримки акумулятора в зарядженому стані у відсутності зовнішньої зарядки 45484 гідридний електрод для використання в нікельметалпдридному акумуляторі, причому металпдридний електрод містить пористу металеву основу (Патент США №2969413, МПК3 Н01М4/38, 4/80) Патент відноситься до способу виробництва пластини електроду до акумулятора Він описує застосування порошку мідь/нікель, який спікають і одержують пористі спечені вироби Описано використання анодів мідь/нікель або анодів з міднонікелевого сплаву Пластини електродів, використовувані в акумуляторах, створюють набагато меншу питому потужність, ніж питома потужність Ni-МГ акумулятора, в якому використовують негативний електрод, що має пористу металеву основу, яка містить чисту мідь або сплав МІДІ Недоліком негативного електроду цього акумулятора є також і те, що він має опір, який суттєво впливає на збільшення величини потужності акумулятора, яка витрачається через внутрішню дисипацію потужності останнього, що призводить до зменшення вихідної потужності акумулятора Крім того, акумулятор має досить недосконалі електричні зв'язки між елементами В основу винаходу поставлена задача підвищення ресурсоспроможності, терміну та ефективності роботи нікельметалпдридного акумулятора шляхом удосконалення пористої металевої основи негативного електроду, що входить до складу акумулятора, зокрема, виконання її з високопровідної МІДІ або її сплавів, та оснащення, принаймні, одного негативного електроду виводом, прикріпленим до основи електроду, що підвищує провідність пористої металевої основи негативного електроду, зменшує 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 металпдридного електроду для використання в нікельметалпдридному акумуляторі шляхом удосконалення його пористої металевої основи, зокрема, виконання її з високоелектропровідного сплаву МІДІ або чистої МІДІ та прикріплення до основи електродного виводу, що підвищує провідність пористої металевої основи негативного електроду, зменшує 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 нікельметалпдридному акумуляторі, що містить електроліт та включає, щонайменше, один позитивний та, щонайменше, один негативний електрод, що містить пористу металеву основу, згідно винаходу, щонайменше, один негативний електрод має електродний вивід, прикріплений до пористої металевої основи, при цьому пориста металева основа містить чисту мідь або сплав МІДІ, яким є сплав мідь-нікель, і пориста металева основа зі сплаву мідь-нікель має менший опір, ніж 8 пориста металева основа зі сплаву з чистого нікелю Поставлена задача досягається також за рахунок того, що в металпдридному електроді для використання в нікельметалпдридному акумуляторі, причому метал гідрид ний електрод містить пористу металеву основу, згідно винаходу, пориста металева основа містить чисту мідь або сплав МІДІ та електродний вивід, прикріплений до пористої металевої основи, причому пориста металева основа містить сплав МІДІ, ЯКИМ Є сплав мідьнікель При цьому пориста металева основа зі сплаву мідь-нікель має менший опір, ніж пориста металева основа зі сплаву з чистого нікелю Даний винахід направлений на створення нікельметалпдридних акумуляторів і електродів для них, що здатні виробляти підвищену вихідну потужність, і які мають підвищені швидкості перезарядження Винахід пояснюють слідуючі креслення фіг 1 представляє електрод для призматичного Ni-МГ акумулятора, прикріплений до електродного виводу, фіг 2 представляє області корозії, імунності і пасивності МІДІ при 25°С фіг 3 представляє питому потужність (Вт/кг) для Ni-МГ акумуляторів типу С-елемента у вигляді функції від можливої глибини розрядки у відсотках 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 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 Електродний вивід 2 може бути прикріплений до будьякого електропровідного металу, який є стійким до корозії в умовах середовища акумулятора Краще, коли електродний вивід виконується з нікелю або МІДІ, покритої нікелем 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 зчіплення 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 оборотними 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 Сг, 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 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 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 Провідність негативного електрода може бути збільшена шляхом збільшення провідності пористої металевої основи негативного електрода Як вже обговорювалося, негативний електрод може бути виконаний шляхом впресування активного матеріалу, який акумулює водень, у пористу металеву основу 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 вина 45484 10 хід 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 напруги дані відносно еталона Hg/HgO, якщо не обговорено інше Використання МІДІ В елементах із лужним електролітом раніше виключалося через розчинність МІДІ в електроліті КОН Фіг 2 ілюструє, що при визначених робочих умовах (тобто рН і напрузі) мідь буде піддаватися дії корозії Фіг 2 також ілюструє, що при ВІДПОВІДНИХ величинах рН і напрузі мідь виявляє імунність до корозії За ВІДПОВІДНИХ робочих умов мідна основа, що знаходиться в контакті з активним матеріалом із гідриду металу, катодно захищена в усьому діапазоні робочих параметрів для Ni-МГ елемента Під час нормального чергування зарядки і розрядки Ni-МГ акумулятора негативний електрод з гідридом металу знаходиться під електричним потенціалом приблизно - 0,85 вольт, а рН на негативному електроді з гідридом металу приблизно 14 Ця робоча точка показана як робоча точка А на фіг 2 Як видно на фіг 2, робоча напруга - 0,85 нижче (тобто більш негативна), ніж напруга розчинення МІДІ приблизно на - 0,4 вольта (для рН приблизно 14) Отже, під час нормального чергування зарядки і розрядки Ni-МГ акумулятора негативний електрод з гідридом металу, що використовує мідну основу, має імунність до корозії Під час розрядки Ni-МГ акумулятора більш глибокої, ніж нормальна, позитивний електрод стає електродом, що виділяє водень, внаслідок чого відновлення нікелю замінюється на електроліз води з утворенням газоподібного водню і ІОНІВ гідроксиду Оскільки NI-МГ акумулятор виконується із стехіометричним надлишком гідриду металу в якості активного матеріалу, потенціал негативного електрода зберігається близьким до - 0,8 вольт Крім того, водень, що виділився на позитивному електроді, окислюється на негативному електроді з гідридом металу, додатково стабілізуючи потенціал негативного електрода на величину приблизно - 0,8 вольт При низьких струмах надмірна розрядка може відбуватися необмежене без розрядки негативного електрода з гідридом металу, яка необхідна для збільшення потенціалу негативного електрода до величини, що необхідна для розчинення МІДІ При високих струмах водень виділяється швидше, ніж рекомбінує, і в наявності є сумарна розрядка негативного електрода з гідридом металу Проте розрядка значно менша, ніж потрібно для підняття потенціалу негативного електрода до рівня, при якому відбувається розчинення МІДІ Навіть коли негативний і позитивний електроди коротко замкнені, стехіометричний надлишок гідриду металу забезпечує збереження негативного 11 45484 12 електрода з гідридом металу під потенціалом приал у вигляді гідриду металу був спресований (і, близно - 0,8 вольт, і він усе ще захищений від розможливо, підданий спіканню) на поверхні основи чинення МІДІ Отже, мідь в основі негативного елеПокриття міддю може виконуватися за допомогою ктрода з гідридом металу захищена при всіх шаблона або без шаблона Крім збільшення проумовах за винятком тих, коли негативний електрод відності електрода мідне покриття служить додатз гідридом металу буде неминуче невідповідно ковим засобом, гарантуючим, що активний метал руйнуватися через власне окислення залишиться "приклеєним" до основи Як вказано, при робочих параметрах негативЯк обговорювалося вище, електродний вивід ного електрода з гідридом металу матеріал мідної може бути прикріплений до кожного негативного основи захищений від корозії Проте для збільелектрода і кожного позитивного електрода Ni-МГ шення надійності акумулятора і додаткового захиакумулятора для забезпечення електричного з'єдсту негативного електрода від агресивного ХІМІЧНОнання між кожним електродом і ВІДПОВІДНИМ вихідГО середовища в акумуляторі пориста металева ним контактом акумулятора Інший спосіб збільоснова, виконана з вищезгаданих матеріалів - МІДІ, шення питомої вихідної потужності Ni-МГ нікелю, покритого міддю або сплаву МІДІ І нікелю, акумулятора полягає в зменшенні електричного може бути ще додатково покрита електропровідопору з'єднання між кожним негативним електроним матеріалом і який, крім того, є стійким до кодом і ВІДПОВІДНИМ електродним виводом розії в середовищі акумулятора Прикладом матеКожен електродний вивід може бути прикріпріалу, що може бути використаний для покриття лений безпосередньо до пористої металевої оснопористої металевої основи, є, але ним не обмежуви ВІДПОВІДНОГО електрода так, щоб утворювати ється, нікель з'єднання, що має низький електричний опір Таке з'єднання в даному описі називається "з'єднання з Використання МІДІ ДЛЯ виконання пористої менизьким електричним опором" З'єднання з низьталевої основи негативного електрода має декільким електричним опором визначається в даному ка важливих переваг Мідь - чудовий електричний описі як з'єднання між двома або більше матеріапровідник Отже, и використання в якості матеріалами (такими, як метали), у якому два або більше лу основи зменшує опір негативного електрода матеріали з'єднані один з одним за рахунок процеЦе зменшує величину потужності акумулятора, яка су сплавлення або змочування Приклади, у яких втрачається через внутрішню дисипацію потужнодва метали з'єднуються за рахунок сплавлення сті, і внаслідок цього забезпечується збільшення це зварювання і пайка твердим припоєм Приклад, вихідної потужності Ni-МГ акумулятора у якому два метали з'єднуються за рахунок процеКрім того, мідь - м'який (пластичний) метал су змочування - це пайка легкоплавким припоєм М'якість дуже важлива в умовах розширення і стиОтже, з'єднання з низьким опором може бути виснення негативних електродів під час чергування конане за допомогою таких методів, що включазарядки і розрядки Ni-МГ акумулятора Підвищена ють, але не обмежуються, зварювання, пайкою пластичність основи сприяє запобіганню руйнутвердим припоєм або пайкою легкоплавким привання електрода в результаті розширення і стиспоєм Використовувана технологія зварювання нення, що призводить до підвищення надійності включає, але не обмежується, контактне зварюакумулятора вання опором, лазерне зварювання, зварювання Підвищена пластичність основи також дозвоелектронним пучком і ультразвукове зварювання ляє основі більш надійно утримувати активний матеріал, що акумулює водень, який спресовано Як обговорювалося вище, пориста металева на поверхні основи Це зменшує потребу в термооснова негативного електрода може бути виконаобробці негативних електродів після того, як актина із сітки, решітки, "циновки", фольги, піни, пласвний матеріал був спресований на основі, завдяки тини або пористого металу Краще, коли пориста чому спрощується процес виготовлення електрода металева основа негативного електрода являє і зменшується його вартість собою сітку, решітку або пористий метал Для збільшення питомої потужності Ni-МГ акумулятора Провідність негативного електрода може бути електродний вивід може прикріплюватися до сітки, також збільшена шляхом збільшення провідності решітки або пористого металу за допомогою з'єдактивного матеріалу негативного електрода (тобто нання з низьким електричним опором Переважно, гідриду металу, що є активним матеріалом) Проелектродний вивід може приварюватися, припаювідність активного матеріалу може бути збільшена ватися твердим припоєм або припаюватися легкошляхом включення МІДІ в матеріал гідриду металу плавким припоєм до сітки, решітки або до пористоЦе може бути зроблено багатьма різними спосого металу Найкраще, щоб електричний вивід міг бами Один із способів - це змішування мідного приварюватися до сітки, решітки або до пористого порошку з гідридом металу під час приготування металу Як вже обговорювалося, технологія зваактивного матеріалу Другий спосіб - це замкнення рювання включає, але не обмежується, контактне частинок гідриду металу в оболонку з МІДІ за дозварювання опором, лазерне зварювання, зварюпомогою процесу ХІМІЧНОГО міднення Крім збільвання електронним пучком і ультразвукове зварюшення провідності додавання МІДІ ДОЗВОЛИТЬ ЗНИвання ЗИТИ температуру термообробки, коли активний матеріал спікається в МІДНІЙ ОСНОВІ І В зменшенні Розкрите в даному описі з'єднання з низьким електричного опору між кожним позитивним елекелектричним опором може застосовуватися і до тродом і ВІДПОВІДНИМ електродним виводом позитивних і до негативних електродів Ni-МГ акумулятора Крім того, з'єднання з низьким електриПровідність негативного електрода може тачним опором може застосовуватися в усіх Ni-МГ кож бути збільшена шляхом покриття міддю негаакумуляторах, включаючи, але не обмежуючись, тивного електрода після того, як активний матері 13 45484 14 призматичні Ni-МГ акумулятори і циліндричні Niням" Ni-МГ акумулятори МГ акумулятори Тип нікельметалпдридного акумулятора включає, але не обмежує, призматичні Ni-МГ акумуляВихідна потужність Ni-МГ акумуляторів також тори і циліндричні - "рулет з варенням", Ni-МГ акуможе бути збільшена шляхом збільшення провідмулятори (тобто АА-елементи, С-елементи і т д ) ності позитивних електродів акумуляторів Як і у випадку з негативними електродами, це робиться Приклад 1 шляхом ВІДПОВІДНОГО вибору матеріалів, із яких У нижченаведеній таблиці 1 вказана потужвиготовляються елементи електродів ність при 50% і 80% ГР (глибині розрядки) для призматичних Ni-МГ акумуляторів, які мають позиПозитивний електрод Ni-МГ акумулятора може тивні і негативні електроди, що містять розкриті в бути виконаний шляхом впресування порошкоподаному описі матеріали основи дібного активного матеріалу позитивного електрода в пористу металеву основу Кожен позитивний електрод може мати струмоприймальний вивід, Таблиця 1 прикріплений, щонайменше, до однієї точки на електроді Струмоприймальний вивід може бути Основа електПитома потужність приварений до позитивного електрода Технологія рода (Вт/кг) зварювання включає, але не обмежується, контакПозитивного Негативного 50% 80% тне зварювання опором, лазерне зварювання, 1) Піна Ni Металева сітка з Ni 214 176 зварювання електронним пучком або ультразвуко2) Піна Ni Металева сітка із Си 338 270 ве зварювання В Ni-МГ акумуляторах звичайно використовуЄмність елемента 121 ампер-година ється позитивний електрод, який має гідроксид Розміри позитивного електрода 5,5"В х 3,5"Ш нікелю в якості активного матеріалу х 0315"Г Негативний електрод, описаний в даному опиРозміри негативного електрода 5,25"В х сі, може застосовуватися у всіх Ni-МГ акумулято3,38"Шх,0145Г рах, включаючи, але не обмежуючи призматичні У прикладі 1 розміри позитивних електродів Ni-МГ акумулятори і циліндричні - "рулет з варен5,5 дюймів висота, 3,5 дюймів ширина і 0315 ням" Ni-МГ акумулятори дюймів глибина Розміри негативних електродів На позитивному електроді протікають наступні 5,25 дюймів висота, 3,38 дюймів ширина і 0145 реакції дюймів глибина У рядку 1 Таблиці 1 основа позиNi(OH)2 + ОН~ NiOOH тивних електродів і основа негативних електродів + Н2О + є формуються з нікелю (основа позитивних електПозитивний електрод із гідроксидом нікелю родів формується зі спіненого нікелю, а основа описаний у Патентах США №5,344,728 і негативних електродів формується з металевої №5,348,822 (які описують стабілізовані розупоряднікелевої сітки) У цьому випадку питома потужковані матеріали позитивного електрода), в патенність при 50% ГР (глибина розрядки) приблизно ті США №5,569,563 і в патенті США №5,567,549, 214Вт/кг, а питома потужність при 80% ГР приблирозкриття яких включено в якості посилання зно 176Вт/кг Провідність позитивного електрода може бути У рядку 2 таблиці 1 основа позитивних електзбільшена шляхом збільшення провідності порисродів формується зі спіненого нікелю, але основа тої металевої основи електрода Пориста металенегативних електродів тепер формується з мідної ва основа позитивного електрода включає, але не металевої сітки У цьому випадку питома потужобмежує, сітку, решітку, фольгу, піну, "циновку", ність при 50% ГР приблизно 338Вт/кг, а питома пластинку, пористий метал Переважно пориста потужність при 80% ГР приблизно 270Вт/кг металева основа являє собою спінений матеріал Питома вихідна потужність Ni-МГ акумулятора Розкритий у даному описі позитивний електрод може бути також збільшена шляхом регулювання містить пористу металеву основу, яка виконана з висоти, ширини і глибини позитивних і негативних МІДІ, нікелю, покритого міддю, або сплаву мідьелектродів Співвідношення висоти до ширини нікель Виконання основи з одного або декількох електродів (тобто висота, розділена на ширину) цих матеріалів збільшує провідність позитивних визначається в даному описі як "аспектне співвіделектродів акумулятора Це зменшує величину ношення" електродів Аспектне співвідношення потужності, що розтрачується без користі по припозитивних і негативних електродів може регулючині внутрішньої дисипації потужності, і внаслідок ватися для збільшення питомої потужності Більш цього збільшує вихідну потужність Ni-МГ акумулятого, електроди можуть бути виконані більш тонтора кими для того, щоб вмістити декілька електродних пар у кожен акумулятор, завдяки чому зменшуєтьДля захисту пористої металевої основи позися ЩІЛЬНІСТЬ струму, що протікає через кожен елетивного електрода від агресивного середовища в ктрод акумуляторі пориста металева основа може бути покрита електропровідним матеріалом і, крім того, Приклад 2 стійким до корозії в середовищі акумулятора ПеУ таблиці 2 вказана питома потужність приреважно, пориста металева основа може бути позматичного Ni-МГ акумулятора, що використовує крита нікелем основу позитивних електродів із піни нікелю, а осПозитивні електроди, розкриті в даному описі, нову негативних електродів із мідної металевої можуть застосовуватися для всіх Ni-МГ акумулясітки Крім цього, аспектне співвідношення позититорів, включаючи, але не обмежуючи, призматичні вних і негативних електродів було змінене в порівNi-МГ акумулятори і циліндричні - "рулет із вареннянні з прикладом 1 для збільшення питомої вихі 45484 15 дної потужності акумулятора Таблиця 2 Основа електрода Позитивного 1) Піна Ni Питома потужність (Вт/кг) Негативного 50% 80% Металева сітка із Си 505 350 Ємність елемента 62 ампер-година Розміри позитивних електродів 3,1"ВхЗ,5"Ш х 0.028Г Розміри негативних електродів 2,9"В х 3,3"Ш х 0.013Г У прикладі 2 аспектні співвідношення (висота, розділена на ширину) позитивного і негативного електродів була змінена для збільшення питомої потужності акумулятора Позитивні електроди мали розміри приблизно 3,1 дюймів висота, 3,5 дюймів ширина, а негативні електроди мали розміри приблизно 2,9 дюймів висота, 3,3 дюймів ширина Аспектні співвідношення позитивних і негативних електродів з приклада 2 приблизно 89 і приблизно 88, ВІДПОВІДНО І навпроти, аспектні співвідношення позитивних і негативних електродів з приклада 1 приблизно 1,57 і приблизно 1,55, ВІДПОВІДНО Аспектні співвідношення в прикладі 2 ближче до "одиниці", ніж у прикладі 1 У прикладі 2 позитивні і негативні електроди також були виконані більш тонкими, щоб ввести декілька пар електродів в акумулятор, завдяки чому зменшується ЩІЛЬНІСТЬ струму, що протікає через кожен електрод У Прикладі 2 позитивні електроди мають глибину приблизно 0,028 дюймів, а негативні електроди мають глибину приблизно 0,013 дюймів Ni-МГ акумулятори, що використовують позитивні і негативні електроди, які мають аспектні співвідношення, аналогічні аспектним співвідношенням із приклада 2, але які використовують нікель для обох електродів, позитивних і негативних, мають питому потужність приблизно 300Вт/кг при 50% ГР і приблизно 225Вт/кг при 80% ГР Приклад З Як згадувалося вище, матеріали для основи, розкриті в даному описі, також можуть використовуватися для негативних і позитивних електродів циліндричних -"рулет з варенням", Ni-МГ акумуляторів А конкретно, у наведеній нижче таблиці З питома вихідна потужність Ni-МГ акумулятора типу С-елемента збільшується, якщо для негативного електрода в якості матеріалу основи використовується мідь Кожний рядок у таблиці 3 показує питому потужність при 20% ГР і 80% ГР Для кожного рядка основа позитивного електрода складається з піни нікелю У рядках 1 і 2 струмоприймальний вивід прикріплений до негативного електрода У рядку 1 16 основа негативного електрода складається з пористого металевого нікелю, а у рядку 2 основа негативного електрода складається з пористої металевої МІДІ таблиця 3 показує, що використання МІДІ в якості матеріалу основи збільшує питому потужність акумулятора У рядках 3 і 4 струмоприймальний вивід приварений до негативного електрода У рядку 3 основа негативного електрода складається з пористого металевого нікелю, а в рядку 4 основа негативного електрода складається з пористої металевої МІДІ І знову таблиця 3 показує, що використання МІДІ в якості матеріалу основи збільшує питому потужність акумулятора Таблиця З Основа електЕлектродний Питома потужрода ВИВІД ність (Вт/кг) Негативного* З'єднання 20% 50% 1) пористий меприкріплений 98 88 тал Ni 2) пористий меприкріплений 127 113 тал Си 3) пористий меприварений 100 86 тал Ni 4) пористий меприварений 145 134 тал Си * Основа ПОЗИТИВНОГО електрода для всіх рядків піна нікелю Загалом дані, представлені в таблиці 3, показують, що для Ni-МГ акумулятора типу С-елемента використання МІДІ В ЯКОСТІ ОСНОВИ матеріалу для негативних електродів збільшує вихідну питому потужність акумулятора незалежно від того, прикріплені електродні виводи до електродів або безпосередньо приварені до основи Дані також показують, що загалом питома потужність акумулятора збільшується, якщо електродні виводи безпосередньо приварюються до електродів, а не прикріплюються до електродів Дані, представлені в таблиці 3, показані в графічному вигляді на фіг 3 Фіг 3 показує вихідну питому потужність Ni-МГ акумуляторів типу Селемента (чотири випадки, наведених у прикладі 3) у вигляді функції від глибини розрядки в % (вказані дані відповідають точкам 0%, 20%, 50% і 80% ГР) Незважаючи на те, що винахід був описаний у відношенні кращих варіантів і способів його здійснення, зрозуміло, що винахід не обмежується цими кращими варіантами і способами його здійснення Навпроти, мається на увазі, що винахід включає всі альтернативні, модифіковані і еквівалентні варіанти, що можуть підпадати під сутність і об'єм винаходу, як воно визначено в формулі винаходу 18 45484 17 ФІГ. 1 ET M EM 22 2 і t 0 1 2 3 4 5 8 1 1 " ' 1 Г 1 Ї 1 t 7 ET Hg/HgO П 9 10 11 IE 13 14 IE tE l""""l 1 '1 ї T'" і • •і t t a IB 14 12 • 1 корозія Ofl пасивність Є6 O(! 02 0 корозія ' 02 04 OA імуннісіь -05 -D7 10 08 ! • г 12 • 13 1 4 1С 1Ji -0.9 1 І є 2 1 Є і 2 3 4 5 Е 7 й 9 10 1! 12 13 14 IS 16 0 15 _ 17 Фіг. 2 ПИТОМА ПОТУЖНІСТЬ (Вт/кгї 180 170 ISO 150 140 130 120 110 100 90 , приварена Си --Ч. прикріплена Cu приварений Ni прикріплений Ni і 20 і 50 ГЛИБИНА РОЗРЯДКИ % Фіг. З ДП «Український інститут промислової власності» (Укрпатент) вул Сім і Хохлових 15 м Київ 04119 Україна (044)456-20- 90 ТОВ Міжнародний науковий комітет вул Артема 77 м Київ 04050 Україна (044)216-32-71