[go: up one dir, main page]

RU2572951C2 - Способ заряда химического источника тока с водным электролитом - Google Patents

Способ заряда химического источника тока с водным электролитом Download PDF

Info

Publication number
RU2572951C2
RU2572951C2 RU2014121425/02A RU2014121425A RU2572951C2 RU 2572951 C2 RU2572951 C2 RU 2572951C2 RU 2014121425/02 A RU2014121425/02 A RU 2014121425/02A RU 2014121425 A RU2014121425 A RU 2014121425A RU 2572951 C2 RU2572951 C2 RU 2572951C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
electrolyte
electrodes
charging
battery
mechanical vibrations
Prior art date
Application number
RU2014121425/02A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2014121425A (ru
Inventor
Альберт Харисович Гильмутдинов
Михаил Валерьевич Морозов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ) filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ)
Priority to RU2014121425/02A priority Critical patent/RU2572951C2/ru
Publication of RU2014121425A publication Critical patent/RU2014121425A/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2572951C2 publication Critical patent/RU2572951C2/ru

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Landscapes

  • Electrostatic Charge, Transfer And Separation In Electrography (AREA)
  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Abstract

Изобретение относится к способам заряда химических источников тока (ХИТ) и может быть использовано для заряда ХИТ с водным электролитом, в частности для заряда щелочных ХИТ. Способ включает подачу зарядного тока на пористые электроды ХИТ и возбуждение механических колебаний ионов электролита, при этом механические колебания электролита ХИТ возбуждают акустическим воздействием в диапазоне от 1 кГц до 5 МГц, причем акустическое воздействие на электролит осуществляют в поверхностной области электродов, имеющих заданные размеры пор в диапазоне от 0,7 нм до 10 мкм. Изобретение позволяет получить максимальный ток заряда с одновременным обеспечением максимальной емкости ХИТ. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Description

Изобретение относится к способам заряда химических источников тока (ХИТ) и может быть использовано для заряда ХИТ с водным электролитом. Изобретение предназначено для применения преимущественно в процессе заряда щелочных ХИТ, а именно газонепроницаемых щелочных никелевых химических источников тока, может быть использовано в любых иных видах ХИТ не на основе никеля.
Наиболее близкими аналогами, совпадающими с заявленным техническим решением как по способу заряда ХИТ, так и по назначению в аккумуляторной промышленности, являются следующие.
Способ заряда и восстановления аккумулятора путем возбуждения механических ультразвуковых колебаний электродов, погруженных в раствор электролита (SU 922923, опубликованное 23.10.1992, H01M 10/42).
Сущность этого способа заряда аккумулятора заключается в следующем: возбуждаются механические ультразвуковые колебания электродов, погруженных в раствор электролита. Колебания электродов интенсифицируют электрохимические процессы в поверхностной области пористых электродов аккумулятора, что приводит к восстановлению его номинального напряжения. Одновременно достигается дегазация аккумулятора, снижается его разогрев и также производится очистка электродов. При этом указанный способ характеризуется тем, что улучшается перемешивание электролита преимущественно в поверхностной области электродов [1].
Характерными недостатками указанного способа является то, что колебания электролита происходят не во всей межэлектродной области, а только в поверхностной области электрода, что ограничивает возможности способа по повышению максимального тока заряда аккумулятора. Кроме того, следует отметить, что при таком способе не возникают стоячие ультразвуковые волны в поверхностной области электрода и межэлектродной области аккумулятора.
В изобретении по патенту RU 2226019, опубликованному 20.03.2004, H01M 10/44, H02J 7/00, был разработан способ заряда и восстановления аккумулятора, более эффективный по сравнению с известными аналогами, с целью их применения для заряда и восстановления никель-кадмиевых (Ni-Cd) и никель-металл-гидридных (Ni-MH) и свинцовых аккумуляторов.
Сущность изобретения по патенту RU 2226019 выражается в следующем: способ заряда и восстановления аккумулятора заключается в подаче на заряжаемый аккумулятор зарядного тока и возбуждении в аккумуляторе механических колебаний и характеризуется тем, что заряд производят асимметричным импульсным током с чередованием зарядного и разрядного импульсов, а возбуждение в аккумуляторе механических колебаний осуществляют за счет формирования зарядного импульса в виде серии импульсов высокой частоты [2].
Аналогом заявленного способа по совпадению общих признаков заявляемого способа является изобретение по патенту RU 2226019 [2], выбранному в качестве прототипа.
Характерным недостатком указанного способа является то, что такой способ не позволяет получить максимальный ток заряда и одновременно обеспечить максимальную емкость аккумулятора.
Предлагаемое изобретение решает проблему заряда аккумулятора с максимальным током и одновременным обеспечением максимальной емкости аккумулятора. В основу настоящего изобретения положено решение задачи возбуждения механических колебаний как ионов, так и нейтральных частиц электролита как целого акустическим воздействием.
Решением технической задачи в способе заряда химического источника тока с водным электролитом, заключающемся в подаче зарядного тока на пористые электроды ХИТ и возбуждении механических колебаний ионов электролита, достигается тем, что механические колебания электролита ХИТ возбуждают акустическим воздействием в диапазоне от 1 кГц до 5 МГц.
Акустическое воздействие на электролит осуществляют в поверхностной области электродов, имеющих заданные размеры пор, находящиеся в диапазоне от 0,7 нм до 10 мкм.
Акустическое воздействие на электролит осуществляют в поверхностной области электродов и межэлектродной области ХИТ в виде стоячих волн с ультразвуковой частотой и пучностью в поверхностной области электродов.
Пористые электроды имеют открытые поры с размерами от 0,7 нм в суперконденсаторах [3] до 10 мкм для ламельных электродов [4] в зависимости от типа электрода.
Воздействие на электролит осуществляют с частотой акустических колебаний в диапазоне от 1 кГц до 5 МГц в зависимости от геометрических размеров аккумулятора в виде стоячих волн с ультразвуковой частотой и пучностью в поверхностной области электродов, при этом мощность акустического воздействия задают не более порога кавитации в электролите.
Сущность заявленного способа заключается в следующем.
Способ заряда химического источника тока с водным электролитом заключается в подаче зарядного тока на пористые электроды химического источника тока и одновременном возбуждении механических колебаний электролита химического источника тока акустическим воздействием.
Основным преимуществом заявленного способа заряда являются его высокие возможности по подводу и отводу ионов к поверхности пористых электродов, что достигается благодаря акустическим воздействиям на электролит мощностью не более порога кавитации в электролите, обеспечивающим механические колебания электролита как целого в поверхностной и межэлектродной областях пористого электрода.
Кроме этого, заявленное решение имеет ряд признаков, характеризующих изобретение в конкретных формах его воплощения, а именно: частоту колебаний электролита выбирают в диапазоне от 1 кГц до 5 МГц в зависимости от геометрических размеров аккумулятора в виде стоячих волн с ультразвуковой частотой и пучностью в поверхностной области электродов с учетом собственных механических колебаний как ионов, так и нейтральных частиц электролита как целого. Также механические колебания электролита производят в поверхностной области пористых электродов с размерами пор от 0,7 нм до 10 мкм.
Заявленное техническое решение поясняется следующим графическим материалом, представленным на фиг. 1, 2.
На фиг. 1 представлена кривая заряда ХИТ по предлагаемому способу, в результате чего емкость аккумулятора и ток заряда возрастают по сравнению с прототипом. На фиг. 2 представлено полученное методом СЭМ (сканирующая электронная микроскопия) изображение поверхности среза оксидно-никелевого электрода химического источника тока, с активным веществом электрода, созданным с использованием методики химической пропитки. ХИТ с этим электродом (фиг. 2) заряжался по предлагаемому способу.
Рассмотрим пример конкретной реализации заявленного способа заряда химического источника тока с водным электролитом.
Никель-кадмиевый щелочной аккумулятор формируют из опущенных в щелочной электролит оксидно-никелевого и кадмиевого электродов, между которыми помещают магнитострикционный излучатель ультразвуковых колебаний. Как правило, способ заряда аккумулятора осуществляют при площади каждого из электродов, равной 1 см2 [5, стр. 214]. Заряд аккумулятора осуществляют с использованием многофункциональной системы потенциостат-гальваностат PGSTAT 302 N (MetrohmAutolab) с диапазоном изменения потенциала от 0,3 до 1,4 В и зарядным током плотностью 0,5 мА/см2. Для возбуждения ультразвуковых колебаний используют ультразвуковой диспергатор УЗДН-2Т на рабочей частоте 22 кГц. Частоту выбирают 22 кГц, так что четверть длины волны соответствует 1,7 см. Излучатель закрепляют на расстоянии 1,7 см как от оксидно-никелевого электрода, так и от кадмиевого электрода. Удельную акустическую мощность преобразователя выбирают порядка 0,1 Вт/см2, поскольку известно, что разрушение электродов при воздействии УЗ может происходить при кавитации при мощности 0,3 Вт/см2 [6]. В результате при заряде аккумулятора возбуждают механические колебания электролита на частоте 22 кГц. При этом величина зарядного тока увеличивается до 3 раз при акустическом воздействии на электролит, следовательно, емкость аккумулятора также возрастает, поскольку линейно связана с током заряда [1, стр. 22]. При акустическом воздействии за счет роста средней плотности тока заряда достигают уменьшения времени заряда макета до 50%. Оксидно-никелевый электрод получают по методике химической пропитки с уменьшенным размером пор электрода до 10-100 нм.
Заявленные результаты были реализованы в условиях лабораторной установки в Институте радиоэлектроники и телекоммуникаций в Казанском национальном исследовательском техническом университете им. А.Н. Туполева, таким образом, можно сделать вывод о его соответствии критерию «промышленная применимость», предъявляемому к изобретениям.
Как правило, в ХИТ используют пористые электроды для ускорения электрохимических реакций (или, что эквивалентно, для снижения электродной поляризации). Поры могут быть извилистыми и неизвилистыми. Пористые электроды изготавливают либо из дисперсных материалов (порошки, волокна), либо путем соответствующей обработки гладких (массивных) электродов.
Положительный электрод на основе гидроксидов никеля, называемый оксидно-никелевым или просто никелевым электродом, применяется в химических источниках тока нескольких систем. Следует отметить отличительные особенности никель-кадмиевого (НК) щелочного аккумулятора. В первую очередь, НК-аккумулятор отличается низким значением саморазряда (5-10% от удельной емкости в месяц), поэтому он незаменим в системах с длительным хранением батарей в заряженном состоянии. Это прежде всего батареи, расположенные в труднодоступных местах, не требующие постоянного ухода. Низкое значение саморазряда обусловливает меньший объем газовыделения как при хранении батарей, так и при их заряде. Поэтому снижаются требования по вентиляции аккумуляторных помещений.
Никель-кадмиевые батареи имеют более широкий диапазон температуры эксплуатации, а именно: от -50 до +60°C, что делает их незаменимыми для применения как в районах с холодным климатом, так и в тропиках.
Потребность в таких ХИТ в настоящее время высокая, поскольку диапазон по мощности применяемых устройств очень широк, что позволяет применять их в качестве пусковых и стартерных ХИТ транспортных средств. Функционального различия пусковых и стартерных ХИТ нет, оба типа предназначены для пуска двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Но стартерные батареи совмещают две функции: пуск ДВС и обеспечение энергетических потребностей внутренних потребителей автомобиля (свет, мультимедиа и пр.), а пусковые предназначены именно для эффективного пуска.
Удельная энергия, скорость разряда аккумуляторов со спеченными электродами выше, они работоспособны при низких температурах, но дороже, характеризуются эффектом «памяти» и способностью к тепловому разгону. Волоконные, металловойлочные и пенополимерные электроды характеризуются высокой удельной емкостью и высоким ресурсом [4]. С точки зрения физико-химических процессов, ток заряда аккумуляторов ограничивается минимальным размером пор и глубиной, на которой происходит перенос ионов электролита.
Сущность заявленного технического решения заключается в том, что оно основано на улучшении диффузионных характеристик ионов в электролите во всей области химического источника тока. В качестве причин, способных влиять на ход процесса диффузии в звуковом поле, можно выделить следующие вторичные эффекты, имеющие место в озвучиваемой среде: кавитацию, нагрев среды и акустические макро- и микропотоки. В результате ультразвуковой кавитации и нагрева среды в акустическом поле возможно увеличение кинетической энергии диффундирующих молекул и, следовательно, ускорение процесса диффузии. Акустические течения и особенно микропотоки, возникающие на границе раздела фаз, в состоянии вызвать ускорение переноса масс вещества в ультразвуковом поле вблизи твердой поверхности [7].
Следствием такого решения является увеличение максимального тока заряда химического источника тока при обеспечении его максимальной емкости, которое превосходит известные в мире показатели. Это понятно из того, что интенсивность контакта ионов с поверхностью электродов возрастает. Это позволяет существенно повысить максимальный ток заряда до 20 раз.
Источники информации
1. А.с. СССР №922923: МПК Н01М 10/42; опубл. 23.10.1992.
2. Способ заряда и восстановления аккумулятора: Патент на изобретение №2226019 РФ: МПК H01M 10/44, H02J 7/00/ С.В. Сарапов, А.Ю. Федоров. - Заявл. 28.03.2002; опубл. 20.03.2004.
3. P. Simon, Y. Gogotsi. Materials for electrochemical capacitors / Naturematerials. - 2008. -Vol. 7. - P. 845-854.
4. Химические источники тока: Справочник. Под редакцией Н.В. Коровина и A.M. Скундина // М.: Издательство МЭИ, 2003. 740 с.
5. Морозов, М.В. Никелевые микро- и нанопроволочные массивы как базовый материал для анодов литий-ионных аккумуляторов / М.В. Морозов, А.Х. Гильмутдинов // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева. - 2012. - №4, вып. 2. - С. 213-218.
6. Основы взаимодействия ультразвука с биологическими объектами / Б.В. Акопян, Ю.А. Ершов // М.: МГТУ им. Баумана, 2005. 224 с.
7. М.Е. Архангельский. Воздействие акустических колебаний на процесс диффузии. УФН. 1967. Т. 2, вып. 2, с. 181-206.

Claims (2)

1. Способ заряда химического источника тока с водным электролитом, включающий подачу зарядного тока на пористые электроды химического источника тока и возбуждение механических колебаний ионов электролита, отличающийся тем, что механические колебания электролита химического источника тока возбуждают акустическим воздействием в диапазоне от 1 кГц до 5 МГц, причем акустическое воздействие на электролит осуществляют в поверхностной области электродов, имеющих заданные размеры пор, находящиеся в диапазоне от 0,7 нм до 10 мкм.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что акустическое воздействие на электролит осуществляют в поверхностной области электродов и межэлектродной области химического источника тока в виде стоячих волн с ультразвуковой частотой и пучностью в поверхностной области электродов.
RU2014121425/02A 2014-05-27 2014-05-27 Способ заряда химического источника тока с водным электролитом RU2572951C2 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014121425/02A RU2572951C2 (ru) 2014-05-27 2014-05-27 Способ заряда химического источника тока с водным электролитом

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014121425/02A RU2572951C2 (ru) 2014-05-27 2014-05-27 Способ заряда химического источника тока с водным электролитом

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2014121425A RU2014121425A (ru) 2015-12-10
RU2572951C2 true RU2572951C2 (ru) 2016-01-20

Family

ID=54843037

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2014121425/02A RU2572951C2 (ru) 2014-05-27 2014-05-27 Способ заряда химического источника тока с водным электролитом

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2572951C2 (ru)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2226019C2 (ru) * 2002-03-28 2004-03-20 Сарапов Станислав Викторович Способ заряда и восстановления аккумулятора
WO2008048013A1 (en) * 2006-10-16 2008-04-24 Lg Chem, Ltd. Battery module of compact joint structure
WO2010037796A2 (de) * 2008-09-30 2010-04-08 Magna Steyr Fahrzeugtechnik Ag & Co Kg Energiespeichereinheit

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2226019C2 (ru) * 2002-03-28 2004-03-20 Сарапов Станислав Викторович Способ заряда и восстановления аккумулятора
WO2008048013A1 (en) * 2006-10-16 2008-04-24 Lg Chem, Ltd. Battery module of compact joint structure
WO2010037796A2 (de) * 2008-09-30 2010-04-08 Magna Steyr Fahrzeugtechnik Ag & Co Kg Energiespeichereinheit

Also Published As

Publication number Publication date
RU2014121425A (ru) 2015-12-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Klavetter et al. A high-rate germanium-particle slurry cast Li-ion anode with high Coulombic efficiency and long cycle life
JP2018056573A (ja) セパレータの製造方法
JP6797438B2 (ja) バッテリーの充電方法およびバッテリーの充電装置
CN107996008B (zh) 利用振动的制造电池单元用的气阱去除装置
CN110492107A (zh) 一种制备锂电池多孔铜箔集电体的方法
CN112335119B (zh) 用于制造电池单体以通过振动增强电极润湿的设备以及使用该设备的电池单体的制造方法
US20200136198A1 (en) Method and device for increasing battery life and prevention of premature battery failure
KR20170019332A (ko) 링 형상의 파우치형 전지셀
KR20170027387A (ko) 함침의 향상을 위해 진동을 이용하는 전지셀 제조용 전해액 함침 장치
RU2226019C2 (ru) Способ заряда и восстановления аккумулятора
JP6610681B2 (ja) 金属ベース負極を有するリチウムイオン電池のための高電流処理
JP2017139107A (ja) リチウム二次電池の初充電方法
RU2572951C2 (ru) Способ заряда химического источника тока с водным электролитом
CN109952669B (zh) 锂二次电池的制造方法
TWI472084B (zh) 具有優異產率及安全性之二次電池
US10374203B2 (en) Heat-diffusible separation film and secondary cell comprising the same
Ghufron et al. Charging time influence on dynamic lead acid battery capacity with H2SO4 electrolyte
CN110506344A (zh) 制造具有减小的表面粗糙度的圆柱形电池壳体的方法
WO2022191721A1 (en) Methods and system of acoustically assisted battery operation
CN107078278B (zh) 锂离子电池
KR20180076981A (ko) 구조화된 표면 세퍼레이터를 갖는 리튬/금속 셀
Ruck et al. Enhancing the rate capability of highly densified Li-Ion battery cathodes by selective laser ablation
JPWO2014156053A1 (ja) 非水電解質二次電池用負極及び非水電解質二次電池
JP2005251422A (ja) 電池
JP2023044442A (ja) 鉛蓄電池用セパレータおよびそれを含む鉛蓄電池

Legal Events

Date Code Title Description
PD4A Correction of name of patent owner
QB4A Licence on use of patent

Free format text: LICENCE

Effective date: 20161017

MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20180528