Актуальность темы.

Интенсивное развитие современной техники предъявляет к химическим источникам тока все более жесткие требования - это стабильно высокие удельные характеристики, продолжительный срок службы, простота эксплуатации и приемлемая цена. Всем этим требованиям наиболее полно соответствуют никель-кадмиевые аккумуляторы (НКА), способные обеспечивать автономное электропитание в течение максимально возможного промежутка времени. Основные исследования ведутся в двух направлениях: создание принципиально новых и совершенствование существующих технологий изготовления электрохимических систем.

К настоящему времени известно много различных типов НКА, отличающихся друг от друга способом изготовления электродных основ. В этом плане одними из наиболее перспективных являются источники тока с волокновыми электродами.06-ладая высокой энергоемкостью и повышенным ресурсом (до 5000 циклов при 60% глубине разряда), аккумуляторы с такими электродами не требуют особого ухода, безотказны и работоспособны практически в любых климатических условиях. Высокая пористость волокновых основ (85-95%) позволяет уменьшить, при равной емкости, объем аккумулятора примерно на 20%, а массу примерно на 25% по сравнению с традиционными аккумуляторами, где используются электроды с ламельными или спеченными пластинами. Один кубический сантиметр объема электрода с волокновой основой содержит 300 метров проводящего волокна, что обеспечивает хороший токосъем и позволяет отказаться от добавки графита - основного источника карбонатов в щелочном электролите. По данным фирмы «Норреске» расходы на замену электролита, связанные с его карбонизацией, за 15 лет эксплуатации батареи могут в 19 раз превысить стоимость самой батареи. Использование волокновых основ позволяет значительно сократить потребление металлического никеля на изготовление оксидноникелевых электродов (ОНЭ).

Кроме того, существенно снижается потребление воды и электроэнергии. Применение пастированной технологии заполнения волокновых электродов активной массой дает возможность уменьшить концентрацию соединений никеля в промышленных стоках.

Вместе с тем, следует отметить, что отечественные макеты НКА с электродами на волокновой основе в виде нетканого полотна из ион обменных щелочестойких волокон, покрытых слоем химически осажденного никеля с последующим наращиванием слоя до требуемой толщины путем электрохимического выделения, при относительно низкой стоимости, имеют недостаточно высокую удельную емкость 29.5 А-ч/кг, коэффициент использования активного материала 80.6% и ресурс 600 циклов. Электрохимические и физико-механические свойства таких электродов практически не изучены. Это затрудняет работу по оптимизации конструкции НКА с волокновыми ОНЭ, состава активной массы положительных электродов и других технологических параметров, с целью повышения электрических и ресурсных характеристик НКА. Таким образом, изучение электрохимических и физико-механических закономерностей формирования оксидноникелевых электродов на волокновои полимерной основе является актуальным.

Цель данной работы - установление взаимосвязи между электрохимическими характеристиками оксидноникелевых электродов на волокновой основе и фазовыми превращениями в них при активировании различными добавками и разработка эффективного способа введения добавок в активную массу для повышения удельных характеристик НКА с волокновыми электродами.

Задачи исследования:

Изучить влияние добавок Со (II) и Zn (II) и способа их введения на электрические характеристики ОНЭ с волокновой основой.

Изучить фазовые преобразования в ОНЭ с волокновой основой при введении добавок 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 изготовления ОНЭ с ОВС.

Изготовить и испытать макеты полупромышленных и промышленных образцов 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 конкурентоспособности НКА с волокновыми ОНЭ.

На защиту выносятся: - результаты исследований взаимосвязи между физико-механическими и электрическими характеристиками металловолокновых 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. У

Научная новизна. Изучены электрохимические характеристики волокновых ОНЭ во взаимосвязи с их физико-механическими свойствами при различных режимах' изготовления, эксплуатации и процессов циклирования электродов. Обоснован принцип выбора активирующих добавок и способ их введения в состав волокнового ОНЭ. Изучен механизм активирующего действия добавок кобальта (II) и цинка'(II) в активную массу волокновых электродов. Дано теоретическое обоснование улучшения электрохимических характеристик электродов, изготовленных по «пастовой» технологии, в соответствии с моделью работы композитного электрода

Практическая ценность работы. Результаты исследований и опытно-промышленных испытаний являются основой новой более прогрессивной технологии производства никель-кадмиевых аккумуляторов с ОНЭ на волокновой основе, позволяющей значительно уменьшить расход никеля на изготовление электродов и существенно снизить вредные выбросы в воздушную среду и промышленные стоки. Кроме того, продолжительный срок службы делает аккумуляторы, изготовленные по предлагаемой технологии, конкурентоспособными на мировом рынке.

Развитые в работе представления о механизме активации ОНЭ различными соединениями позволили сбалансировать состав активной массы волокновых ОНЭ и обеспечить стабильно высокие удельные характеристики НКА на протяжении 1100 циклов (испытания на ресурс долговечности продолжаются). Новое поколение практически безотходных отечественных НКА с удельной энергией до 56 Вт-ч/кг; удельной мощностью до 600 Вт/кг и сроком службы не менее 10 лет, при наработке 1100 циклов, по классификации Международной Электротехнической Комиссии (МЭК) может быть отнесено к источникам тока стартерного назначения типа Н. Изготовлены и прошли успешные испытания НКА нескольких типов размеров для авиационного и железнодорожного транспорта. Создан и пущен в эксплуатацию комплекс технологического оборудования для изготовления волокновых ОНЭ.

Апробация работы. Материалы работы докладывались на юбилейной научно-технической конференции «Современные электрохимические технологии»; на Международной научно-технической конференции «100 лет Российскому автомобилю» (Москва); на Всероссийской конференции молодых ученых «Современные проблемы теоретической и экспериментальной химии», доклад отмечен дипломом первой степени); на XVI Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (г. Санкт-Петербург); а также на межкафедральном научном семинаре.