початок розділу Виробничі, аматорські радіоаматорські Авіамодельний, ракетомодельного Корисні, цікаві	хитрощі майстру електроніка фізика технології винаходи	таємниці космосу таємниці Землі таємниці Океану хитрощі Карта розділу
Використання матеріалів сайту дозволяється за умови посилання (для сайтів - гіперпосилання)

ВИНАХІД
Патент Російської Федерації RU2214024

АКУМУЛЯТОРИ НИКЕЛЬ-Гідриди МЕТАЛУ, МАЮТЬ ПОТУЖНІ ЕЛЕКТРОДИ І З'ЄДНАННЯ ЕЛЕКТРОДІВ З найнижчими ОПОРОМ

Ім'я винахідника: Річман Бенджамін (US); ВЕНКАТЕСАН Срінівасан (US); ОВШІНСКІЙ Стенфорд Р. (US); ФЕТСЕНКО Майкл А. (US)
Ім'я патентовласника: ОВОНІК Беттері КОМПАНІ, ІНК. (US)
Патентний повірений: Кузнецов Юрій Дмитрович
Адреса для листування: 129010, Москва, вул. Б. Спаська, 25, стор.3, ТОВ "Юридична фірма Городиський і Партнери", пат.пов. Ю.Д.Кузнецову, рег.№ 595
Дата початку дії патенту: 1998.01.29

Запропоновано акумулятори нікель-гідрид металу і електроди, здатні забезпечити збільшені вихідну потужність і швидкості перезарядки акумуляторів. Позитивні і негативні електроди можуть бути сформовані шляхом впрессованія порошкоподібних гідридів металів в якості активних матеріалів в пористі металеві основи. Пористі металеві основи виконуються з міді, нікелю, покритого міддю, або сплаву міді та нікелю. Електродні висновки безпосередньо прикріплюються до пористої металевої основи за допомогою з'єднання, яке виконується шляхом зварювання, пайки м'яким і твердим припоєм або пайки м'яким припоєм.

ОПИС ВИНАХОДИ

Винахід відноситься до акумуляторів нікель-гідрид металу, зокрема, даний винахід відноситься до потужних акумуляторів нікель-гідрид металу, що містить потужні електроди, які використовують високопровідні основи, і з'єднання електродів з контактними виводами, що мають низький опір.

Останнім часом найбільш прогресивні розробки в області автомобільних акумуляторів для приведення в рух транспортних засобів були спрямовані в першу чергу на виконання вимог, які пред'являються для чисто електричних транспортних засобів. Для цієї мети Стенфорд Овшінскій і його групи з розробки акумуляторів в Energy Conversion Denices, Inc. і Ovonic Battery Company зробили великі успіхи в технології акумуляторів нікель-гідрид металу.

Спочатку Овшінскій і його групи звернулися до сплавів гідридів металів, які утворюють негативний електрод. В результаті цих зусиль їм вдалося отримати дуже високі характеристики по оборотного акумулювання водню, що вимагаються для ефективних і економічних застосувань акумуляторів, і створити акумулятори, здатні акумулювати енергію з високою щільністю, ефективної реверсивністю, високою електричною ефективністю, ефективним акумулюванням водню в обсязі без структурних змін або забруднень, з великою довговічністю при циклічній роботі і повторюваної глибокої розрядкою. Покращені характеристики цих сплавів "Ovonic" (Овонік), як вони тепер називаються, отримані в результаті розробки локальної хімічної впорядкованості і, отже, локальної структурної впорядкованості шляхом впровадження обраних елементів-модифікаторів в початкову матрицю. Разупорядоченності сплави гідридів металів мають істотно більш високу щільність каталітично активних центрів і акумулюють центрів в 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 акумулюють центрів можуть створюватися навіть незалежно від каталітично активних центрів. А більш конкретно, ці сплави розроблені для об'ємного акумулювання диссоційованих атомів водню при силах зв'язування в межах діапазону оборотності, що підходить для використання у вторинних додатках акумуляторних батарей.

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 4551400 ( "Патент" 400 ") САПР, Хонг, Фетченко і Венкетсен (Sapru, Hong, Fetcenko, Venkatesan), розкриття якого включено в якості посилання на джерело інформації. Ці матеріали можна зупинити утворюють гідриди, для того щоб акумулювати водень. Всі матеріали, використовувані в Патенті '400, використовують загальну композицію Ti-V-Ni, в якій присутній, щонайменше, Ti, V і Ni, і вони можуть бути модифіковані Cr, Zr і А1. Матеріали з Патенту '400 є багатофазними матеріалами, які можуть містити, але не обмежуватися, одну або кілька фаз з кристалічними структурами типу C ₁₄ і C _15.

Інші сплави Ti-V-Zr-Ni і використовуються для негативних електродів з оборотним акумулюванням водню. Одне з сімейств таких матеріалів описано в патенті США 4728586 ( "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 Ti, V, Zr, Ni і п'ятий компонент, Cr. У Патенті '586 згадується можливість використання добавок і модифікаторів крім компонентів сплаву, Ti, V, Zr, Ni і Cr, і в загальному вигляді обговорюються конкретні добавки і модифікатори, кількості і взаємодії цих модифікаторів і конкретні вигоди, які можна від них очікувати.

На противагу сплавів "Овонік", описаним вище, впорядковані сплави зазвичай розглядалися як "впорядковані" 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 в міру збільшення числа і кількості елементних модифікаторів), їх робочі характеристики стали значно поліпшуватися. Це пов'язано з тим, що їх електричні та хімічні властивості змінюються в залежності від того, наскільки значне розупорядкування внесено модифікаторами. Такий розвиток сплавів, від спеціального класу "упорядкованих" матеріалів до сучасних багатокомпонентних, багатофазних "розупорядкованих" сплавів, показано в наступних патентах: (i) Патент США 3874928; (Ii) Патент США 4214043; (Iii) Патент США 4107395; (Iv) Патент США 4107405; (V) Патент США 4112199; (Vi) Патент США 4125688; (Vii) Патент США 4214043; (Viii) Патент США 4216274; (Ix) Патент США 4487817; (Х) Патент США 4605603; (Xii) Патент США 4696873 та (xiii) Патент США 4699856. (Ці джерела інформації детально обговорюються в Патенті США 5096667, і це обговорення спеціально включено в якості посилання на джерело інформації).

Просто стверджувалося, що у всіх сплавах метал-гідрид, у міру збільшення ступеня модифікації, роль спочатку упорядкованого базового сплаву є роллю з меншим значенням у порівнянні з властивостями і розупорядкуванням, властивими конкретним модифікаторам. Крім того, аналіз наявних в даний час на ринку і створених різними виробниками багатокомпонентних сплавів вказує, що ці сплави модифіковані за допомогою ключового лінією, встановленої для систем зі сплавом Овонік. Таким чином, як стверджувалося вище, все сильно модифіковані сплави є разупорядоченності матеріалами, що характеризуються наявністю безлічі компонент і безлічі фаз, тобто сплавами Овонік.

Овшінскій і його групи потім звернули увагу на позитивний електрод акумуляторів. Сьогодні позитивні електроди являють собою звичайно електроди з нікелевої пастою, які складаються з частинок гідроксиду нікелю, що контактують з електропровідного сіткою або основою, переважно має високу площу поверхні. Існує кілька варіантів таких електродів, включаючи так звані пластично пов'язані нікелеві електроди, які використовують графіт як мікропроводніка, а й включаючи так звані піно-металеві електроди, які використовують піну нікелю з високою пористістю в якості основи, заповненої сферичними частинками гідроксиду нікелю і кобальтовими добавками , що збільшують провідність. Пастірованние електроди типу піна-метал вже почали проникати на споживчий ринок завдяки їх низькій вартості і більш високої щільності енергії в порівнянні зі спеченими нікелевими електродами.

Зазвичай вважається, що реакція, яка відбувається на електроді нікелевого акумулятора, являє собою одноелектродная процес, що включає окислення гідроксиду двовалентного нікелю в оксігідроксід тривалентного нікелю при зарядці і потім розрядку оксігідроксіда тривалентного нікелю до гідроксиду двовалентного нікелю, як показано нижче в рівнянні 2.

Деякі отримані останнім часом свідчення вказують на те, що в окисно-відновної реакції гідроксиду нікелю бере участь чотиривалентний нікель. Це не нова концепція. Насправді, про існування чотирьохвалентного нікелю вперше зробив припущення Томас Едісон в деяких його ранніх патентах на акумуляторні батареї. Однак повне використання чотирьохвалентного нікелю ніколи не досліджувався.

На практиці зазвичай не спостерігається здатність електрода переносити більшу кількість електронів, ніж один, що відповідає теоретичної здатності переносити один електрон. Одна з причин цього полягає в неповному використанні активного матеріалу через електронної ізоляції окисленого матеріалу. Оскільки відновлений матеріал гідроксиду нікелю має високий електричний опір, відновлення гідроксиду нікелю поблизу струмоприймача призводить до утворення менш провідної поверхні, яка заважає подальшому відновленню окисленого активного матеріалу, який знаходиться далі.

Овшінскій і його групи розробили матеріали для позитивного електрода, які продемонстрували надійний перенесення більш ніж одного електрона на один атом нікелю. Такі матеріали розкриті у Патенті США 5344728 та 5348822 (які описують стабілізовані разупорядоченності матеріали позитивних електродів) і Патенті США 5569563, виданому 29 жовтня 1996 р і Патенті США 5567549, виданому 22 жовтня 1996 р

В результаті цих досліджень в області активних матеріалів негативних і позитивних електродів Овонік акумулятор нікель-гідрид металу (Ni-ГМ) досяг передовий стадії розвитку для ЕТ (електричних транспортних засобів). Групи Овшінского змогли створити акумуляторні батареї для електричних транспортних засобів, які здатні забезпечити пересування електричного транспортного засобу на більш ніж 350 миль на одній зарядці (Tour d'Sol 1996). Овонік акумулятор Ni-ГМ продемонстрував чудову щільність енергії (до приблизно 90 Вт / кг), довговічність при циклічній роботі (понад 1000 циклів при 80% ГР (глибина розрядки)), стійкість до експлуатації з порушенням норм і здатність швидко заряджатися (до 60% за 15 хв). Крім того, Овонік акумулятор продемонстрував більш високу щільність потужності, ніж акумулятори, створені з якоїсь іншої технології, при перевірці та оцінці характеристик для їх використання в якості джерела акумульованої енергії для ЕТ (електричних транспортних засобів).

Незважаючи на те, що Овшінскій 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 1996 р, зробила припущення, що гібридні електричні транспортні засоби (МЕТ) зможуть в наступному десятилітті зайняти лідируюче положення в досягненні мети трикратної економії автомобільного палива. Для реалізації цієї мети потрібні легкі, компактні, потужні акумуляторні батареї.

Використання системи з гібридним приводом передбачає значні переваги в економії палива і забезпечення наднизьких викидів. Паливні двигуни досягають максимальної ефективності, коли вони працюють при постійному числі обертів на хвилину (об / хв). Тому пікова ефективність палива може бути досягнута при використанні паливного двигуна з постійним числом оборотів в хвилину, для того щоб забезпечити енергією потужну систему акумулювання енергії, яка видає пікову потужність для прискорення, а й забирає назад кінетичну енергію при використанні регенеративного гальмування.

Аналогічно, виходячи з можливості використовувати невеликий двигун, що працює з максимальною ефективністю і пов'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 МЕТ 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, який виробляє імпульсну потужність, потрібно виняткова довговічність при циклічній роботі з низькою глибиною розрядки.

Важливо зрозуміти, що для такої системи акумулювання енергії висуваються інші вимоги в порівнянні з системами для чисто електричних транспортних засобів. Дальність - це критичний чинник для практичних ЕТ, робить критичним оціночним параметром щільність енергії. Потужність і довговічність при циклічній роботі безумовно важливі, але для ЕТ вони стають вторинними в порівнянні з щільністю енергії.

І навпаки, в системах з імпульсною потужністю для МЕТ переважна значення має щільність потужності. Виняткова довговічність при циклічній роботі з низькою глибиною розрядки і більш критична, ніж більш звичайна довговічність при циклічній роботі при 80% ГР, що вимагається в системах для ЕТ. Щільність енергії важлива для того, щоб зменшити вагу акумуляторної батареї і обсяг, але внаслідок більш меншого розміру акумулятора ця характеристика є менш критичною, ніж щільність потужності. Можливість швидкої перезарядки - це і суттєвий фактор для забезпечення ефективного регенеративного гальмування, а ефективність зарядки і розрядки - це критичний чинник для підтримки акумулятора в зарядженому стані за відсутності зовнішньої зарядки.

Можна очікувати, що через таких фундаментальних відмінностей у вимогах, пропонованих до систем для ЕТ, і у вимогах до систем для МЕТ, акумулятори, які в даний час оптимізовані для використання в системах з ЕТ, що не будуть придатними для МЕТ, 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 МЕТ.

Таким чином, існує потреба в акумуляторах високої потужності, які мають робочу характеристику по пікової потужності, що вимагається для МЕТ, а, крім того, мають вже продемонстрованими робочими характеристиками Овонік акумуляторів Ni-ГМ і випробуваною можливістю їх промислового виготовлення.

В основу винаходу покладено завдання створення акумуляторів нікель-гідрид металу й електродів для них, які здатні виробляти підвищену вихідну потужність, і що володіють підвищеними швидкостями перезарядки.

Ця та інші завдання вирішуються за допомогою акумулятора нікель-гідрид металу, що включає, щонайменше, один негативний електрод, який має пористу металеву основу і електродний висновок, прикріплений до електрода, удосконалення полягає в тому, що пориста металева основа утворена з міді, нікелю, покритого міддю, або сплаву міді та нікелю, а електродний висновок безпосередньо прикріплений до пористої металевої основи за допомогою з'єднання, що володіє низьким електричним опором. З'єднання з низьким електричним опором виконується шляхом зварювання, пайки м'яким і твердим припоєм або пайки легкоплавким припоєм.

Ця та інші завдання задовольняються за допомогою негативного електрода, призначеного для використання в акумуляторі нікель-гідрид металу, при цьому негативний електрод включає пористу металеву основу, а негативний електрод прикріплений до електродному висновку, а вдосконалення полягає в тому, що пориста металева основа виконана з міді , нікелю, покритого міддю, або сплаву міді та нікелю, а електродний висновок безпосередньо прикріплений до основи за допомогою з'єднання, що володіє низьким електричним опором.

Фіг. 1 представляє електрод для призматичного акумулятора Ni-ГМ, прикріплений до електродному висновку.

фіг. 2 являє області корозії, імунної та пасивності міді при 25 ^o С.

фіг.3 являє питому потужність (Вт / кг) для акумуляторів Ni-ГМ типу С-елемента у вигляді функції від можливої ​​глибини розрядки в процентах.

Завдання цього винаходу полягає в збільшенні вихідної потужності акумулятора, що перезаряджається нікель-гідрид металу (Ni-ГМ). Зазвичай вихідна потужність може бути збільшена шляхом зменшення внутрішнього опору акумулятора. Зниження внутрішнього опору зменшує втрати, пов'язані з диссипацией потужності в акумуляторі, внаслідок чого збільшується потужність, яка може використовуватися для приведення в рух зовнішніх навантажень. Внутрішній опір акумулятора нікель-гідрид металу може бути зменшено шляхом збільшення провідності елементів акумулятора, а і з'єднань між елементами.

Зазвичай акумулятор Ni-ГМ включає, щонайменше, один негативний електрод і, щонайменше, один позитивний електрод. Електродний висновок може бути прикріплений до кожного негативного і позитивного електродів для забезпечення електричного з'єднання електрода з відповідним вихідним контактом акумулятора Ni-ГМ (тобто негативний електрод з негативним вихідним контактом, а позитивний електрод з позитивним вихідним контактом). На фіг. 1 показаний варіант електрода 1, прикріпленого до електродному висновку 2 для призматичного акумулятора Ni-ГМ. Електрод 1, показаний на фіг. 1, являє собою або негативний, або позитивний електрод акумулятора Ni-ГМ. Зазвичай електродний висновок 2 може бути виконаний з будь-якого електропровідного матеріалу, який є стійким до корозії в умовах середовища акумулятора. Переважно електродний висновок виконується з нікелю або міді, покритої нікелем.

В акумуляторах Ni-ГМ використовується негативний електрод, який має активний матеріал, який здатний забезпечити оборотне електрохімічне акумулювання водню. Негативний електрод і включає пористу металеву основу, в якій розміщується активний матеріал. Негативний електрод може бути виконаний шляхом впрессованія активного матеріалу (в порошкоподібному вигляді) в пористу металеву основу. Для збільшення зчеплення порошкоподібного активного матеріалу з пористою металевою основою анод може і піддаватися спікання.

При подачі на акумулятор Ni-ГМ електричної напруги активний матеріал негативного електрода заряджається внаслідок електрохімічного поглинання водню і електрохімічного утворення іонів гідроксилу. На негативному електроді протікає наступна електрохімічна реакція:



Реакції, що протікають на негативному електроді, є оборотними. При розрядці акумульований водень виділяється з утворенням молекули води і при цьому виділяється електрон.

Активний матеріал негативного електрода являє собою матеріал, який акумулює водень. Матеріал, який акумулює водень, може бути вибраний з активних матеріалів Ti-V-Zr-Ni таких, які описані в Патенті США 4551400 ( "Патент" 400 "), розкриття якого включено в якості посилання на джерело інформації. Як обговорювалося вище, матеріали, що використовуються в Патенті '400, використовують загальну композицію Ti-V-Ni, в якій присутні, щонайменше, Ti, V і Ni, щонайменше, з одним або декількома елементами з Cr, Zr і А1 . Матеріали з Патенту '400 є багатофазними матеріалами, які можуть містити, але не обмежуватися, одну або кілька фаз з кристалічними структурами типу С ₁₄ і C _15.

Існують інші сплави Ti-V-Zr-Ni, які і можуть використовуватися для матеріалу негативного електрода, який акумулює водень. Одне з сімейств таких матеріалів описано в патенті США 4728586 ( "Патент" 586 "), розкриття якого включено в якості посилання на джерело інформації. У Патенті '586 описаний спеціальний підклас цих сплавів Ti-V-Ni-Zr, що містить Ti, V, Zr, Ni і п'ятий компонент Сr. У Патенті '586 згадується можливість використання добавок і модифікаторів крім компонентів сплаву, Ti, V, Zr, Ni і Сr, 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 акумулятора Ni-ГМ можуть і вибиратися з розупорядкованих сплавів гідридів металів, які детально описані в Патенті США 5277999 ( "Патент" 999 ") Овшінского 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 вище, негативний електрод може бути виконаний шляхом впрессованія активного матеріалу, який акумулює водень, в пористу металеву основу. Зазвичай пориста металева основа являє собою, але не обмежується, сітку, грати, "рогожу", фольгу, піну, пластинку і пористий метал. Переважно пориста металева основа, яка використовується для негативного електрода, являє собою сітку, грати, пористий метал. Даний винахід описує негативний електрод для акумулятора Ni-ГМ, що містить пористу металеву основу, яка виконана з міді, нікелю, покритого міддю, або сплаву міді та нікелю. В даному описі під "міддю" розуміється чиста мідь або сплав міді, а під "нікель" розуміється чистий нікель або сплав нікелю.

Фіг. 2 ілюструє області корозії, імунної та пасивності міді при 25 ^o 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 й щодо еталона Нg / НgО (вертикальна вісь, позначена "Нg / НgО"). В даному описі все величини напруги дані щодо еталона Нg / НgО, а то й обумовлено інше. Використання міді в елементах з лужним електролітом раніше виключалося через розчинності міді в електроліті КОН. Фиг.2 ілюструє, що при певних робочих умовах (т. Е. РН і напрузі) мідь буде піддаватися дії корозії. Фиг.2 і ілюструє, що при відповідних величинах рН та напрузі мідь проявляє імунітет до корозії. При відповідних робочих умовах мідна основа, яка перебуває в контакті з активним матеріалом з гідриду металу, катодно захищена у всьому діапазоні робочих параметрів для елемента Ni-ГМ.

Під час нормального чергування зарядки і розрядки акумулятора Ni-ГМ анод з гидридом металу знаходиться під електричним потенціалом приблизно -0,85 В, а рН на негативному електроді з гидридом 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 негативне), ніж напруга розчинення міді приблизно на -0,4 В (для рН приблизно 14). Отже, під час нормального чергування зарядки і розрядки акумулятора Ni-ГМ анод з гидридом металу, який використовує мідну основу, володіє імунними до корозії.

Під час розрядки акумулятора Ni-ГМ глибшою, ніж нормальна, позитивний електрод стає електродом, що виділяють водень, внаслідок чого відновлення нікелю замінюється на електроліз води з утворенням газоподібного водню і іонів гідроксиду. Оскільки акумулятор Ni-ГМ виконується зі стехиометрическим надлишком гідриду металу в якості активного матеріалу, потенціал негативного електрода зберігається близьким до -0,8 В. Крім того, водень, що виділився на позитивних пластинах, окислюється на негативному електроді з гидридом металу, додатково стабілізуючи потенціал негативного електрода на величині приблизно -0,8 В. При низьких токах надмірна розрядка може відбуватися необмежено без розрядки негативних пластин з гидридом металу, необхідної для збільшення потенціалу негативного електрода до величини, що вимагається для розчинення міді. При високих токах водень виділяється швидше, ніж він рекомбинирует, і є сумарна розрядка негативних пластин з гидридом металу. Однак розрядка значно менша, ніж потрібно для підняття потенціалу негативного електрода до рівня, при якому відбувається розчинення міді. Навіть коли негативний і позитивний електроди коротко замкнуті, стехиометрический надлишок гідриду металу забезпечує збереження негативного електрода з гидридом металу під потенціалом приблизно -0,8 В, і він все ще захищений від розчинення міді. Отже, мідь в основі негативного електрода з гидридом металу захищена при всіх умовах за винятком тих, коли анод з гидридом металу буде неминуче необоротно руйнуватися через власного окислення.

Як показано, при робочих параметрах негативного електрода з гидридом металу матеріал мідної основи захищений від корозії. Однак для збільшення надійності акумулятора і додаткового захисту негативного електрода від агресивного хімічного середовища в акумуляторі пориста металева основа, виконана з вищезазначених матеріалів, міді, нікелю, покритого міддю, або сплаву міді та нікелю, може бути ще додатково покрита матеріалом, який електропровідний і, крім того, є стійким до корозії в середовищі акумулятора. Прикладом матеріалу, який може бути використаний для покриття пористої металевої основи, є, але їм не обмежується, нікель.

Використання міді для виконання пористої металевої основи негативного електрода має кілька важливих переваг. Мідь - чудовий електричний провідник. Отже, її використання в якості матеріалу основи зменшує опір негативного електрода. Це зменшує величину заряду акумулятора яка втрачається через внутрішню диссипации потужності, і внаслідок цього забезпечується збільшення вихідної потужності акумулятора Ni-ГМ.

Крім того, мідь - м'який метал. М'якість дуже важлива через розширення і стиснення негативних електродів під час чергування зарядки і розрядки акумулятора Ni-ГМ. Підвищена пластичність основи сприяє запобіганню руйнування електрода в результаті розширення і стиснення, що призводить до підвищення надійності акумулятора.

Підвищена пластичність основи і дозволяє основі більш надійно утримувати активний матеріал, який акумулює водень, який спресований на поверхні основи. Це зменшує потребу в термообробці негативних електродів після того, як активний матеріал був спресований на основі, завдяки чому спрощується процес виготовлення електрода і зменшується його вартість.

Провідність негативного електрода може бути і збільшена шляхом збільшення провідності активного матеріалу негативного електрода. Провідність активного матеріалу може бути збільшена шляхом включення міді в матеріал гідриду металу. Це може бути зроблено багатьма різними способами. Один із способів - це змішування мідного порошку з гидридом металу під час приготування активного матеріалу. Інший спосіб - це висновок частинок гідриду металу в оболонку з міді за допомогою процесу хімічного міднення. Крім збільшення провідності додавання міді дозволить знизити температуру термообробки, коли активний матеріал спікається в мідній основі і в зменшенні електричного опору між кожним позитивним електродом і відповідним електродним висновком.

Провідність негативного електрода може і бути збільшена шляхом покриття міддю негативного електрода після того, як активний матеріал у вигляді гідриду металу був спресований (і можливо підданий спікання) на поверхні основи. Покриття міддю може виконуватися через шаблон або без шаблону. Крім збільшення провідності електрода мідне покриття служить додатковим засобом, що гарантує, що активний метал залишиться "приклеєним" до основи.

Негативний електрод, описаний в даному описі, може застосовуватися у всіх акумуляторах Ni-ГМ, включаючи, але не обмежуючись, призматичні акумулятори Ni-ГМ і циліндричні, "рулет з варенням", акумулятори Ni-ГМ.

Як обговорювалося вище, електродний висновок може бути прикріплений до кожного негативного електроду і кожному позитивного електрода акумулятора Ni-ГМ для забезпечення електричного з'єднання між кожним електродом і відповідним вихідним контактом акумулятора. Інший спосіб збільшення питомої вихідної потужності акумулятора Ni-ГМ полягає в зменшенні електричного опору з'єднання між кожним негативним електродом і відповідним електродним висновком.

Кожен електродний висновок може бути прикріплений безпосередньо до пористої металевої основі відповідного електрода так, щоб утворювати з'єднання, що має низький електричний опір. Таке з'єднання в даному описі називається "з'єднання з низьким електричним опором". З'єднання з низьким електричним опором визначається в даному описі як з'єднання між двома або більше матеріалами (такими як метали), в якому два або більше матеріалів з'єднані один з одним за рахунок процесу сплаву або змочування. Приклади, в яких два металу з'єднуються за рахунок сплаву, - це зварювання і пайка твердим припоєм. Приклад, в якому два метали з'єднуються за рахунок процесу змочування, це пайка легкоплавким припоєм. Отже, з'єднання з низьким опором може бути виконано за допомогою таких методів, які включають, але не обмежуються, зварювання, пайку твердим припоєм або пайку легкоплавким припоєм. Технологія зварювання включає, але не обмежується, контактне зварювання опором, лазерну зварювання, зварювання електронним пучком і ультразвукову зварювання.

Як обговорювалося вище, пориста металева основа негативного електрода може бути виконана з сітки, решітки, "циновки", фольги, піни, пластини або пористого металу. Переважно пориста металева основа негативного електрода являє собою сітку, грати або пористий метал. Для збільшення питомої потужності акумулятора Ni-ГМ електродний висновок може прикріплятися до сітки, решітці або пористій металу за допомогою з'єднання з низьким електричним опором. Переважно електродний висновок може приварюватися, припаюватися твердим припоєм або припаюватися легкоплавким припоєм до сітки, решітці або пористій металу. Більш переважно, щоб електричний висновок міг приварюватися до сітки, решітці або пористій металу. Як вже обговорювалося, технологія зварювання включає, але не обмежується, контактне зварювання опором, лазерну зварювання, зварювання електронним пучком і ультразвукову зварювання.

Розкрите в даному описі з'єднання з низьким електричним опором може застосовуватися і до позитивних і до негативних електродів акумулятора Ni-ГМ. Крім того, з'єднання з низьким електричним опором може застосовуватися у всіх акумуляторах Ni-ГМ, включаючи, але не обмежуючись, призматичні акумулятори Ni-ГМ і циліндричні акумулятори Ni-ГМ.

Вихідна потужність акумуляторів нікель-гідрид металу і може бути збільшена шляхом збільшення провідності позитивних електродів акумуляторів. Как и в случае с отрицательными электродами, это делается путем соответствующего выбора материалов, из которых изготавливаются элементы электродов.

Положительный электрод аккумулятора никель-гидрид металла может быть выполнен путем впрессования порошкообразного активного материала положительного электрода в пористую металлическую основу. Каждый положительный электрод может иметь токопринимающий вывод, прикрепленный, по меньшей мере, к одной точке на электроде. Токопринимающий вывод может быть приварен к положительному электроду. Технология сварки включает, но не ограничивается, контактную сварку сопротивлением, лазерную сварку, сварку электронным пучком или ультразвуковую сварку.

В аккумуляторах Ni-ГМ обычно используется положительный электрод, имеющий гидроксид никеля в качестве активного материала. На положительном электроде протекают следующие реакции:



Положительный электрод с гидроксидом никеля описан в Патентах США 5344728 и 5348822 (которые описывает стабилизированные разупорядоченные материалы положительного электрода) и Патенте США 5569563 и Патенте США 5567549, раскрытие которых включено в качестве ссылки.

Проводимость положительного электрода может быть увеличена путем увеличения проводимости пористой металлической основы электрода. Пористая металлическая основа положительного электрода включает, но не ограничивается, сетку, решетку, фольгу, пену, "циновку", пластинку, пористый металл. Предпочтительно пористая металлическая основа представляет собой вспененный материал. Раскрытый в настоящем описании положительный электрод содержит пористую металлическую основу, которая выполнена из меди, никеля, покрытого медью, или сплава медь-никель. Выполнение основы из одного или нескольких этих материалов увеличивает проводимость положительных электродов аккумулятора. Это уменьшает величину мощности, растрачиваемой без пользы из-за внутренней диссипации мощности, и вследствие этого увеличивает выходную мощность аккумулятора Ni-ГМ.

Для защиты пористой металлической основы положительного электрода от агрессивной среды в аккумуляторе пористая металлическая основа может быть покрыта материалом, который является электропроводящим и, кроме того, стойким к коррозии в среде аккумулятора. Предпочтительно пористая металлическая основа может быть покрыта никелем.

Положительные электроды, раскрытые в настоящем описании, могут применяться для всех аккумуляторов Ni-ГМ, включая, но не ограничиваясь, призматические аккумуляторы Ni-ГМ и цилиндрические, "рулет с вареньем", аккумуляторы Ni-ГМ.

Інший об'єкт винаходу - це акумулятор нікель-гідрид металу, що містить, щонайменше, один негативний електрод, що відноситься до типу, розкритого в даному описі. Акумулятор нікель-гідрид металу включає, але не обмежується, призматичні акумулятори Ni-ГМ і циліндричні, "рулет з варенням", акумулятори Ni-ГМ (тобто АА-елементи, С-елементи і т.д.).

приклад 1

У таблиці 1 показана потужність при 50 і 80% ГР (глибині розрядки) для призматичних акумуляторів Ni-ГМ, які мають позитивні і негативні електроди, що містять розкриті в даному описі матеріали основи.

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 на основі нікелю (основа позитивних електродів формується зі спіненого нікелю, а основа негативних електродів формується з металевої нікелевої сітки). В цьому випадку питома потужність при 50% ГР (глибина розрядки) приблизно 214 Вт / кг, а питома потужність при 80% ГР приблизно 176 Вт / кг.

У рядку 2 таблиці 1 основа позитивних електродів формується зі спіненого нікелю, але основа негативних електродів тепер формується з мідної металевої сітки. В цьому випадку питома потужність при 50% ГР приблизно 338 Вт / кг, а питома потужність при 80% ГР приблизно 270 Вт / кг.

Питома вихідна потужність акумулятора Ni-ГМ може бути і збільшена шляхом регулювання висоти, ширини і глибини позитивних і негативних електродів. Відношення висоти до ширини електродів (тобто висота, поділена на ширину) визначається в даному описі як "аспектне відношення" електродів. Аспектне відношення позитивних і негативних електродів може регулюватися для збільшення питомої потужності. Більш того, електроди можуть бути виконані більш тонкими, для того щоб ввести кілька електродних пар в кожен акумулятор, завдяки чому зменшується щільність струму, що протікає через кожен електрод.

приклад 2

У таблиці 2 показана питома потужність призматичного акумулятора Ni-ГМ, що використовує основу позитивних електродів з піни нікелю, а основу негативних електродів з мідної металевої сітки. Крім цього, аспектне відношення позитивних і негативних електродів було змінено в порівнянні з прикладом 1 для збільшення питомої вихідної потужності акумулятора.

У прикладі 2 аспектні відносини (висота, поділена 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 відносини позитивних і негативних електродів з прикладу 2 приблизно .89 і приблизно .88, відповідно. І навпаки, аспектні відносини позитивних і негативних електродів з прикладу 1 приблизно 1,57 і приблизно 1,55, відповідно. Аспектні відносини в прикладі 2 ближче до "одиниці", ніж в прикладі 1.

У прикладі 2 позитивні і негативні електроди і були виконані більш тонкими, щоб ввести кілька 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. Акумулятори Ni-ГМ, що використовують позитивні і негативні електроди, що мають аспектні відносини, аналогічні аспектним відносинам з прикладу 2, але використовують нікель для обох електродів, позитивних і негативних, мають питому потужність приблизно 300 Вт / кг при 50% ГР і приблизно 225 Вт / кг при 80% ГР.

приклад 3

Як згадувалося вище, матеріали для основи, розкриті в даному описі, і можуть використовуватися для негативних і позитивних електродів циліндричних, "рулет з варенням", акумуляторів Ni-ГМ. А конкретно, в таблиці 3 питома вихідна потужність акумулятора Ni-ГМ типу С-елемента збільшується, якщо для негативного електрода в якості матеріалу основи використовується мідь. Кожен рядок в 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 токопріемние висновок прикріплений до негативного електроду. У рядку 1 основа негативного електрода складається з пористого металевого нікелю, а в 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 токопріемние висновок приварений до негативного електроду. 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.

У загальному вигляді дані, представлені в таблиці 3, показують, що для акумулятора Ni-ГМ типу С-елемента використання міді в якості основи матеріалу для негативних електродів збільшує вихідну питому потужність акумулятора незалежно від того, прикріплені електродні висновки до електродів або безпосередньо приварені до основи . Дані і показують, що взагалі питома потужність акумулятора збільшується, якщо електродні висновки 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 акумуляторів Ni-ГМ типу С-елемента (чотири випадки, представлених в прикладі 3) у вигляді функції від глибини розрядки в% (показані дані відповідають точкам 0, 20, 50 і 80% ГР).

Незважаючи на те, що винахід був описаний відносно бажаних варіантів і способів його здійснення, зрозуміло, що мається на увазі, що винахід не обмежується цими кращими варіантами і способами його здійснення. Навпаки, мається на увазі, що винахід включає всі альтернативні, модифіковані і еквівалентні варіанти, які можуть підпадати під сутність і обсяг винаходу, як воно визначено у поданій формулі винаходу.

ФОРМУЛА ВИНАХОДУ

1. Лужний нікель-метал гідридний акумулятор, який містить лужний електроліт, щонайменше один позитивний електрод, який має електродний висновок, щонайменше один негативний електрод, який має електродний висновок, причому анод включає пористу металеву основу, яка містить чисту мідь і акумулює водень сплав , впресований в зазначену основу, при цьому електродний висновок приварюється до зазначеної основі зазначеного від'ємного електрода, при цьому зазначений негативний електрод з гидридом металу, який використовує мідну основу, при відповідних величинах рН та напруги проявляє імунітет до корозії.

2. Акумулятор по п.1, в якому пориста металева основа являє собою сітку, пластинку або тягнути метал.

3. Негативний електрод для використання в лужному нікель-метал гидридні акумулятори, що включає пористу металеву основу, яка містить чисту мідь, що акумулює водень сплав, впресований в зазначену основу і електродний висновок, приварений до зазначеної основі.

4. Електрод по п.3, в якому пориста металева основа являє собою сітку, пластинку або тягнути метал.

5. Лужний нікель-метал гідридний акумулятор, який містить лужний електроліт, щонайменше один позитивний електрод, який має електродний висновок, і щонайменше один негативний електрод, який має електродний висновок, при цьому негативний електрод включає пористу металеву основу, яка містить сплав міді і акумулює водень сплав, впресований в зазначену основу, причому електродний висновок приварюється до зазначеної основі зазначеного від'ємного електрода, при цьому зазначений негативний електрод з гидридом металу, який використовує мідну основу, при відповідних величинах рН та напруги проявляє імунітет до корозії.

6. Акумулятор по п.5, в якому пориста металева основа являє собою сітку, пластинку або тягнути метал.

7. Акумулятор по п.5, в якому сплав міді є сплавом мідь-нікель.

8. Негативний електрод для використання в лужному нікель-метал гидридні акумулятори, що включає пористу металеву основу, яка містить сплав міді, який акумулює водень сплав, впресований в зазначену основу, і електродний висновок, приварений до зазначеної основі.

9. Електрод по п.8, в якому пориста металева основа являє собою сітку, пластинку або тягнути метал.

10. Електрод за п.8, в якому сплав міді є сплавом мідь-нікель.

Версія для друку
Дата публікації 25.03.2007гг

НОВІ СТАТТІ ТА ПУБЛІКАЦІЇ
	Технологія виготовлення універсальних муфт для бесварочного, безрезьбовиє, бесфлянцевого з'єднання відрізків труб в трубопроводах високого тиску (мається відео)
	Технологія очищення нафти і нафтопродуктів
	Про можливість переміщення замкнутої механічної системи за рахунок внутрішніх сил
	Світіння рідини в тонких діелектричних каналох
	Взаємозв'язок між квантової і класичної механікою
	Міліметрові хвилі в медицині. Новий погляд. ММВ терапія
	магнітний двигун
	Джерело тепла на базі нососних агрегатів