Введение к работе
Актуальность темы. Интенсивное развитие современной техники предъявляет к шическим источникам тока все более жесткие требования - это стабильно высокие цельные характеристики, продолжительный срок службы, простота эксплуатации и эиемлемая цена. Всем этим требованиям наиболее полно соответствуют никель-щмиевые аккумуляторы (НКА), способные обеспечивать автономное электропита-ие в течение максимально возможного промежутка времени. Основные исследова-[ія ведутся в двух направлениях: создание принципиально новых и совершенствова-ие существующих технологий изготовления электрохимических систем.
К настоящему времени известно много различных типов НКА, отличающихся руг от друга способом изготовления электродных основ. В этом плане одними из аиболее перспективных являются источники тока й волокновыми электродами. 06-адая высокой энергоемкостью и повышенным ресурсом (до 5000 циклов'тіри 60 % пубине разряда), аккумуляторы с такими электродами не требуют особого'ухода, езотказны и работоспособны практически в любых климатических условиях. Высо-ая пористость волокновых основ (85-95 %) позволяет уменьшить, при равной емко-ти, объем аккумулятора примерно на 20 %, а массу примерно на 25 % посравненшо традиционными аккумуляторами, где используются электроды с ламельными или печенными пластинами. Один кубический сантиметр объема электрода с волокновой сновой содержит 300 метров проводящего волокна, что обеспечивает хороший токо-ъем и позволяет отказаться от добавки графита - основного источника карбонатов в щелочном электролите. По данным фирмы «Норреске» расходы на замену злектроли-а, связанные с его карбонизацией, за 15 лет эксплуатации батареи могут в 19 раз ревыснть стоимость самой батареи. Использование волокновых основ позволяет начительно сократить потребление металлического ігикеля на изготовление оксид-юникелевых электродов (ОНЭ). Кроме того существенно снижается потребление водо- и электроэнергии. Применение пастировашюй технологии заполнения волокновых лекгродов активной массой дает возможность уменьшить концентрацию соединений шкеля в промышленных стоках. Вместе с тем, следует отметить, что отечественные іакетьі НКА с электродами на волокновой основе в виде нетканцго полотна из ионо-ібменньїх щелочестойких волокон, покрытых слоем химически осажденного никеля с юследующим наращиванием слоя до требуемой толщины путем электрохимического
4 выделения, при относительно низкой стоимости, имеют недостаточно высоку удельную емкость 29.5 А-ч/кг, коэффициент использования активного материала 80 .,: % и ресурс 600 циклов. Электрохимические и физико-механические свойства такі электродов практически не изучены. Это затрудняет работу по оптимизации коне рукции НКА с волокновыми ОНЭ, состава активной массы положительных электр дов и других технологических параметров, с целью повышения электрических и р сурсных характеристик НКА. Таким образом, изучение электрохимических и физик механических закономерностей формирования оксидноникелевых электродов на в локновой полимерной основе является актуальным.
Цель данной работы - установление взаимосвязи между электрохимически характеристиками оксидноникелевых электродов на волокновой основе и фазовыл превращениями в них при активировании различными добавками и разработка э< фективного способа введения добавок в активігую массу для повышения удельнь характеристик НКА с волокновыми электродами. Задачи исследования:
Изучить влияние добавок Со (II) и Zn (II) и способа их введения на электрическ)
характеристики ОНЭ с волокновой основой.
Изучить фазовые преобразования в ОНЭ с волокновой основой при введении д
бавок кобальта (II) и цинка (II). Изучить механизм совместного действия добавок Со (II) и Zn(II).
Разработать способ активации ОНЭ с волокновой основой.
Провести оптимизацию и уточнить ряд технологических параметров изготовлен ОНЭ с ОВС.
Изготовить и испытать макеты полупромышленных и промышленных образц ОНЭ с волокновой основой.
Провести развернутые испытания макетов аккумуляторов с волокновыми ОНЭ.
Проработать экологические аспекты производства ОНЭ с волокновой основой.
Дать экономическое обоснование целесообразности производства и конкурент способности НКА с волокновыми ОНЭ.
На защиту выносятся: - результаты исследований взаимосвязи между физико-механическими и электрич
5 скими характеристиками металловолокновьгх электродов;
результаты исследования механизма совместного действия добавок Zn (II) и Со (II), комбинированного способа активации волокнового оксидноникелевого электрода; оптимизированная технология изготовления ОНЭ с волокновой основой; экологические аспекты производства ОНЭ с волокновой основой; результаты испытаний макетов аккумуляторов полупромышленных и промышленных образцов с волокновыми ОНЭ, для железнодорожного и авиационного транспорта; технологический регламент производства НКА с волокновыми ОНЭ.
Научная новизна. Изучены электрохимические характеристики волокновых ОНЭ взаимосвязи с их физико-механическими свойствами при различных режимах из-овления, эксплуатации и процессов циклирования электродов. Обоснован принцип эора активирующих добавок и способ их введения в состав волокнового ОНЭ. /чей механизм активирующего действия добавок кобальта (II) и цинка (И) в актив-о массу волокновых электродов. Дано теоретическое обоснование улучшения ктрохимических характеристик электродов, изготовленных по «пастовой» техно-ии, в соответствии с моделью работы композитного электрода.
Практическая ценность работы. Результаты исследований и опытно-промышлен-с испытаний являются основой новой более прогрессивной технологии производ-а никель-кадмиевых аккумуляторов с ОНЭ на волокновой основе, позволяющей чительно уменьшить расход никеля на изготовление электродов и существенно зить вредные выбросы в воздушную среду и промышленные стоки. Кроме того, дслжительный срок службы делает аккумуляторы, изготовленные по предлагае-i технологии, конкурентоспособными на мировом рынке.
Развитые в работе представления о механизме активации ОНЭ различными со-нениями позволили сбалансировать состав активной массы волокновых ОНЭ и спечить стабильно высокие удельные характеристики НКА на протяжении 1100 лов (испытания на ресурс долговечности продолжаются). Новое поколение прак-ески безуходных отечественных НКА с удельной энергией до 56 Вт-ч/кг; удельной юностью до 600 Вт/кг и сроком службы не менее 10 лет, при наработке 1100 цик-, по классификации Международной Электротехнической Комиссии (МЭК) может ь отнесено к источникам тока стартерного назначения типа Н. Изготовлены и
прошли успешные испытания НКА нескольких типов размеров для авиационного железнодорожного транспорта. Создан и пущен в эксплуатацию комплекс технолоп ческого оборудования для изготовления волокновых ОНЭ.
Апробация работы. Материалы работы докладывались на юбилейной научш технической конференции «Современные электрохимические технологии» (Сарато: ТИ СГТУ, 1996); на Международной научно-технической конференции «100 лет Рої сийскому автомобилю» (Москва, 1996); на Всероссийской конференции молоды ученых «Современные проблемы теоретической и экспериментальной химии» (г. С; ратов, 25-26 июня 1997 г., доклад отмечен дипломом первой 'степени); на XVI Менді леевском съезде по общей и прикладной химии (г. Санкт-Петербург 25-29 мая 19S г.); а также на межкафедральном научном семинаре ТИ СГТУ 1996-1998 г.
Публикации. По результатам диссертации опубликовано 7 печатных работ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введени четырех глав, выводов, списка литературы (150 наименований); изложена на 13 страницах машинописного текста; содержит 19 таблиц, 33 рисунка, 2 приложения.
Работа выполнялась в рамках основных научных направлений СГТУ, проблем
09В.06 «Разработка научных основ технологии электрохимического модифицировг
ния свойств активных материалов электродов функционального назначения», тем
СГТУ-53, СГТУ-140.
и. Краткое содержание работы.
- ВВЕДЕНИЕ
Во введении обосновывается актуальность выбранной темы и формулируются цех
и задачи исследования.
