Способ получения пористого металлического материала, пористый металлический материал и электрод для электрохимического устройства накопления и сохранения заряда

 

Изобретение относится к получению пористых металлов, используемых в различных областях техники, в частности в электротехнике. Согласно изобретению пористый металлический материал получают путем формирования основы, состоящей из никеля и модификатора с последующим удалением модификатора обработкой газообразным галогеном. Пористый металлический материал, полученный в соответствии с изобретением, представляет собой металлическую пористую основу, содержащую микропоры, общим объемом, превышающим 30% объема материала. Электрод для устройства накопления и сохранения заряда может быть выполнен полностью или частично из заявляемого материала. Техническим результатом изобретения является получение пористых металлических материалов с большей удельной поверхностью. 3 с. и 7 з.п.ф-лы.

Изобретение относится к области получения пористых металлов, используемых в различных областях техники, в частности в электротехнике.

В настоящее время во многих областях науки и техники используются устройства, принцип действия которых основан на осуществлении электрохимических реакций на поверхности металлов. Так, например, широко применяются различные устройства накопления заряда, такие как аккумуляторы, батареи, конденсаторы, топливные элементы. В этих устройствах осуществляется перенос заряда за счет окислительно-восстановительных реакций на поверхности электродов, одним из которых является металл или металлический сплав. При этом высокая пористость и большая удельная поверхность металла существенно улучшают технические параметры создаваемых устройств.

Известен способ получения электрода для электрохимических устройств накопления заряда, описанный в пат. США N 5429895. Способ заключается в изготовлении традиционными методами металлургии сплава, содержащего в качестве основы никель, молибден, хром или их смесь и по крайней мере один модификатор, выбранный из группы, включающей Co, Fe, Al, Ti, Zr, Nb, V, W. По сравнению с чистым металлическим никелем такой материал имеет более активную в электрохимических процессах поверхность за счет отсутствия на ней пассивирующей пленки оксида никеля. Кроме того, в растворе электролита происходит частичное вытравливание компонентов сплава, что обеспечивает увеличение площади поверхности электрода и, как следствие, повышение его электрохимической емкости.

Недостатками известного способа являются: - сложность и многокомпонентность исходных составов; - вытравливание модификаторов в растворе трудноконтролируемо; оно может происходить и во время работы электрохимической ячейки, что изменяет ее параметры; выделяемые при этом компоненты могут загрязнять электролит и тем самым ухудшать параметры устройств; - самое главное, что известный материал требует длительной активации путем многократного циклирования (зарядка - разрядка) его непосредственно в электрохимической ячейке для повышения его характеристик. Именно в этот период происходит вытравливание модификатора.

Задачей изобретения является получение пористых металлических материалов с более высокоразвитой поверхностью в устройствах без дополнительной длительной активации циклированием.

Поставленная задача решается за счет того, что пористый металлический материал получают путем формирования основы, состоящей из никеля и модификатора с последующим удалением последнего обработкой газообразным галогеном.

Отличительной особенностью заявляемого способа является использование для формирования основы, состоящей из никеля и модификаторов, образующих газообразные соединения с галогеном.

В качестве модификатора используют по крайней мере один из элементов III, IV, V или VI групп Периодической системы Менделеева. Такое сочетание обеспечивает полное удаление модификатора при обработке газообразным галогеном, которую осуществляют при нагревании до температуры, превышающей температуру образования газообразного соединения модификатора с галогеном.

Для полного удаления газообразных галогенидов целесообразно завершить стадию удаления модификатора выдержкой в восстановительной или инертной среде, например, в среде водорода или при вакуумировании при нагревании.

В качестве основы можно использовать материалы, полученные известными способами, - это может быть образец из сплава никеля с модификатором, фольга из сплава никеля с модификатором, фольга с покрытием из сплава с модификатором и т.д.

Заявляемый способ обеспечивает получение пористого металлического материала, содержащего микропоры. Объем микропористости превышает 30% объема всего материала.

Материал, полученный заявляемым способом, пригоден для изготовления изделий широкого спектра применения, в частности, электроды для устройств накопления и сохранения заряда. Указанный электрод может быть выполнен полностью в виде пористого металлического тела с микропористостью объемом, превышающим 30% объема электрода, вариант электрода представляет собой изделие, где только часть его выполнена с микропорами, при этом объем микропористости превышает 30% объема указанной части электрода.

Сущность изобретения состоит в следующем.

Предварительно получаемая основа будущего пористого металлического материала состоит из никеля и модификатора. При этом составляющие основу компоненты выбирают таким образом, что модификатор является более активным при взаимодействии с газообразным компонентом (галогеном). В ходе термической обработки основы в среде галогена протекает химическая реакция образования галогенидов, причем условия этой обработки выбирают таким образом, чтобы скорость реакции модификатора с галогеном была довольно большой, а металл основы в реакцию с галогеном практически не вступал. Используемые модификаторы, образующие галогениды, в ходе процесса удаляются из основы, формируя тем самым пористый металл.

Для осуществления процесса целесообразно использовать не просто сплавы никеля и модификатора, а химические соединения (например, интерметаллиды), которые обеспечивают наиболее равномерное распределение по основе компонентов. Например, NiTi, NiB, NiSi и т.п. Именно это позволяет получать пористые материалы с наибольшей удельной поверхностью.

Для ряда применений целесообразно осуществлять последующую обработку полученного пористого материала в инертной или восстановительной среде для удаления образующихся галогенидов из объема пор и изменения химии поверхности пор получаемого металла.

Следующий пример характеризует сущность предлагаемого изобретения.

Пластину сплава никель-титан толщиной 0,25 мм с соотношением компонентов 55 мас.% Ni и 45 мас.% Ti помещают в кварцевый реактор и обрабатывают хлором при t = 400^oC в течение 30 мин. Полученная пластина имеет после обработки слой пористого никеля на поверхности толщиной 3 мкм и пористостью 40 об.%. Две пластины толщиной 0,5 см² каждая были помещены в 20%-ный раствор гидроокиси калия, и была определена электрическая емкость полученного устройства аккумулирования энергии. Она составила 0,11 Ф при изменении напряжения в диапазоне от 0 до 1В, что соответствует емкости активного слоя 800 Ф/см³.

Таким образом, предложенное техническое решение обеспечивает получение высокопористых металлических материалов с микропористостью более 30 об.%, которые могут найти применение в адсорбционной технике, катализе, электротехнических устройствах. При использовании предлагаемых материалов в качестве электродов электрохимических ячеек достигается высокая удельная энергия ячеек за счет высокоразвитой и доступной для электролита поверхности пор металла. Высокая электропроводность полученного пористого материала обеспечивает высокие токи разряда, т.е. высокую удельную мощность. Такие параметры важны для развития электромобильной техники, электропусковых устройств и т. п.

Формула изобретения

1. Способ получения пористого металлического материала, включающий формирование основы, состоящей из никеля и модификатора, и последующее удаление модификатора, отличающийся тем, что основу формируют с использованием в качестве модификатора по крайней мере одного элемента, образующего газообразное соединение с галогеном, а удаление осуществляют путем обработки основы газообразным галогеном.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве модификатора используют по крайней мере один из элементов из III, IV, V или VI групп Периодической системы Менделеева.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что модификатор удаляют при нагревании основы до температуры, превышающей температуру образования газообразного соединения модификатора с галогеном.

4. Способ по п.1 или 5, отличающийся тем, что после удаления модификатора основу дополнительно обрабатывают в восстановительной или инертной среде.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что основу формируют из сплава никеля с модификатором.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что основу формируют из фольги, изготовленной из сплава никеля с модификатором.

7. Способ по п.1 или 6, отличающийся тем, что основу формируют из фольги, изготовленной из сплава никеля с модификатором с нанесенным на ее поверхности покрытием из сплава никеля с модификатором.

8. Пористый металлический материал, полученный по способу п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит микропоры, объем которых превышает 30% объема материала.

9. Электрод для электрохимического устройства накопления и сохранения заряда, включающий пористый металлический материал по п.8, отличающийся тем, что он содержит микропоры, объем которых превышает 30% объема электрода.

10. Электрод по п.9, отличающийся тем, что часть электрода выполнена с микропористостью, объем которой превышает 30% объема части электрода, содержащей указанные поры.