Токоотвод для электрода свинцово-кислотного аккумулятора

Изобретение относится к электротехнической промышленности, в частности к производству свинцово-кислотных аккумуляторных батарей. Токоотвод для электрода свинцово-кислотного аккумулятора представляет собой решетчатую сетку из горизонтальных и вертикальных жилок постоянного сечения, расположенных внутри рамки постоянного сечения. В верхней части рамки находится ушко, служащее для соединения электродов в электродный блок, количество вертикальных жилок в 1,6-2,4 раза больше количества горизонтальных жилок. Распределение горизонтальных жилок характеризуется уплотнением в сторону нижней части решетчатой сетки, причем расположение некоторых горизонтальных жилок в нижней части сетки соответствует расположению нижней части рамки для токоотводов меньших типоразмеров, а ширина этих горизонтальных жилок не меньше ширины нижней части рамки соответствующих токоотводов, в узлах сопряжения горизонтальных жилок с вертикальными имеются скругления радиусом 0,40-2,00 мм. Технический результат: повышение производительности изготовления токоотвода, его электрических свойств и равномерности распределения тока и потенциала по высоте электрода, а также снижение себестоимости токоотвода, повышение надежности и коррозионной стойкости электрода при условии сохранения его высокой удельной энергии, что приводит к снижению себестоимости свинцово-кислотных аккумуляторов и повышению их надежности при сохранении высокой удельной энергии. 2 ил.

 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к производству свинцово-кислотных аккумуляторов и аккумуляторных батарей, и может найти использование при их изготовлении.

В аккумуляторах токоотвод выполняет две важнейшие функции: токосъемника и несущей основы для активной массы электрода. С одной стороны, материал токоотвода непосредственно не участвует в зарядно-разрядных процессах, происходящих в активной массе и электролите, поэтому уменьшение массы токоотвода ведет к увеличению удельной энергии аккумулятора и аккумуляторной батареи. С другой стороны, массу токоотвода нельзя неограниченно уменьшать, поскольку токоотвод должен обеспечивать достаточную механическую прочность электродов при изготовлении и эксплуатации, подвод и отвод электрического тока с минимальными омическими потерями, а также надежное удержание активной массы на протяжении всего срока службы аккумуляторной батареи в условиях действия факторов, постепенно разрушающих электроды. Таким образом, токоотвод создает техническое противоречие между требованием высокой удельной энергии и требованием высокой надежности электродов аккумуляторных батарей. Особенно это актуально для положительных токоотводов, поскольку электропроводность активной массы положительных электродов (диоксида свинца) значительно меньше электропроводности активной массы отрицательных (губчатого свинца), а также потому, что положительные электроды в большей степени подвержены разрушению, чем отрицательные. В частности, положительные токоотводы разрушаются от коррозии в условиях неизбежного перезаряда и повышенных рабочих температур.

Другим техническим противоречием, которое приходится преодолевать, является противоречие между требованием низкой себестоимости токоотводов и требованиями по качеству, например высокой удельной энергии или повышенной надежности.

В патентной литературе предложено множество конструкций токоотводов, предназначенных для применения в свинцово-кислотных аккумуляторах. Для разрешения технического противоречия между требованием высокой надежности, стойкости электрода к коррозии и требованием высокой удельной энергии такие конструкции предполагают наличие рамки и жилок переменного сечения и сложного узора решетчатого поля (сетки), например [Ягнятинский В.М., Лужин В.К., Львова В.И. Распределение падения напряжения и плотности тока по поверхности электрода свинцового аккумулятора. / Исследования в области электрических аккумуляторов. Сборник научн. трудов. Л.: Энергоатомиздат, 1988. - С.15-23; Патент №5582936 США, МПК⁶ Н01М 4/74, 1996 г.; Патент №2127930 РФ, МПК⁶ H01M 4/72, 10/12, 1999 г.]. Это позволяет достичь определенных преимуществ в технических характеристиках электродов, однако и приводит к недостаткам. К недостаткам таких токоотводов относится сложность в изготовлении соответствующих литейных форм, если токоотводы получают способом гравитационного литья в кокили, или сложность устройств механической обработки исходной свинцовой ленты, если токоотводы изготавливают путем отливки свинцовой ленты с последующей механической обработкой: просечкой или штамповкой. Другим недостатком является увеличение производственного брака вследствие трудностей при заполнении таких литейных форм жидким расплавом, особенно это относится к свинцово-кальциевым сплавам, обладающим пониженными литейными свойствами. К недостаткам относится и низкая производительность труда из-за необходимости менять литейную форму или устройство механической обработки исходной свинцовой ленты при переналадке литейного производства на выпуск токоотводов других типоразмеров, что приводит к повышению себестоимости токоотводов.

Наиболее близким техническим решением, взятым в качестве прототипа, является токоотвод для электрода свинцово-кислотного аккумулятора, представляющий собой решетчатую сетку из вертикальных и горизонтальных жилок постоянного сечения, расположенных внутри рамки постоянного сечения, причем распределение жилок решетчатой сетки равномерное, а количество вертикальных жилок меньше количества горизонтальных жилок; в верхней части рамки находится ушко, служащее для соединения электродов в электродный блок [Стартерные аккумуляторные батареи: Устройство, эксплуатация и ремонт / М.А.Дасоян, Н.И.Курзуков, О.С.Тютрюмов, В.М.Ягнятинский. - М.: Транспорт, 1991. - С.25-27].

К основным преимуществам токоотвода-прототипа относятся простота изготовления и малый процент производственного (технологического) брака. К недостаткам относится высокая себестоимость вследствие низкой производительности труда из-за регулярной переналадки литейного производства на выпуск токоотводов других типоразмеров. Другим недостатком такого токоотвода является нерациональное расположение жилок и неоптимальное соотношение количества вертикальных и горизонтальных жилок, что приводит к повышенным омическим потерям и повышенному падению напряжения, особенно при стартерных разрядах. Повышенные омические потери в токоотводе приводят к увеличению неоднородности распределения тока и потенциала по высоте электрода. А это, в свою очередь, создает условия для уменьшения коэффициента использования активной массы (особенно в нижней части электродов), ускорению коррозионных процессов. Низкой коррозионной стойкости токоотвода способствует и высокая кривизна поверхности (наличие углов) в узлах сопряжения горизонтальных жилок с вертикальными, где суммируются такие неблагоприятные факторы, как наибольшая неравномерность распределения электрического тока и потенциала, а также повышенная концентрация механических напряжений и дефектов структуры свинцового сплава. Все вместе это сокращает долговечность электродов. А добиться повышения долговечности в этих условиях можно лишь путем увеличения сечения жилок и рамок токоотвода, что неизбежно приведет к увеличению массы и уменьшению удельной энергии электродов.

В основу изобретения поставлена задача повышения надежности и коррозионной стойкости электрода при условии сохранения его высокой удельной энергии за счет повышения электрических свойств токоотвода, увеличения равномерности распределения тока и потенциала по высоте электрода, а также задача снижения себестоимости токоотвода за счет повышения производительности его изготовления.

Поставленная задача решается тем, что в токоотводе для электрода свинцово-кислотного аккумулятора, представляющем собой решетчатую сетку из горизонтальных и вертикальных жилок постоянного сечения, расположенных внутри рамки постоянного сечения, в верхней части которой находится ушко, служащее для соединения электродов в электродный блок, согласно изобретению количество вертикальных жилок в 1,6-2,4 раза больше количества горизонтальных жилок, распределение горизонтальных жилок характеризуется уплотнением в сторону нижней части решетчатой сетки, причем расположение некоторых горизонтальных жилок в нижней части сетки соответствует расположению нижней части рамки для токоотводов меньших типоразмеров, а ширина этих горизонтальных жилок не меньше ширины нижней части рамки соответствующих токоотводов, в узлах сопряжения горизонтальных жилок с вертикальными имеются скругления радиусом 0,40-2,00 мм.

Раскроем сущность заявленного технического решения. За счет того, что количество вертикальных жилок в 1,6-2,4 раза больше количества горизонтальных жилок, достигается увеличение равномерности распределения тока и потенциала по высоте электрода, увеличение токосъема. Кроме того, такое соотношение жилок приводит к увеличению механических свойств токоотвода, снижению деформационного роста положительных электродов в период эксплуатации, увеличению срока службы аккумуляторной батареи. Если соотношение числа вертикальных жилок к числу горизонтальных менее 1,6, то исчезает полезный эффект; если указанное соотношение более 2,4, то возникает перерасход материала, ведущий к снижению удельной энергии электрода. Наличие учащения (уплотнения распределения) горизонтальных жилок в сторону нижней части решетчатой сетки токоотвода позволяет снизить омические потери при токосъеме в нижней части электрода. Это достигается за счет более равномерного токосъема по всей поверхности электрода, а также за счет увеличения равномерности распределения тока и потенциала по высоте электрода. Все вместе это приводит к повышению коэффициента использования активной массы, увеличению мощности аккумуляторной батареи при емкостных и стартерных разрядах, препятствует процессу оплывания активной массы в нижней части электрода при эксплуатации аккумуляторной батареи. Достигнутое равномерное распределение тока и потенциала по высоте электрода приводит к снижению скорости коррозии. Повышению коррозионной стойкости токоотвода способствует и наличие скруглений радиусом 0,40-2,00 мм в узлах сопряжения горизонтальных жилок с вертикальными на всей территории решетчатого поля (сетки). Если радиус скруглений менее 0,40 мм, то большая кривизна поверхности металла способствует увеличению скорости коррозии за счет локальной неравномерности распределения электрического тока и потенциала в узлах решетчатой сетки, повышенной концентрации механических напряжений и дефектов структуры свинцового сплава. При радиусе скруглений более 2,00 мм заметного увеличения полезного эффекта не наблюдается, зато начинает увеличиваться расход материала, что влечет снижение удельной энергии электрода. В отличие от прототипа, где распределение жилок решетчатой сетки никак не привязано к размерам токоотводов меньших типов, что вынуждает применять большое количество оснастки для изготовления токоотводов разных типоразмеров (для каждого типоразмера - своя оснастка), в заявляемом токоотводе расположение некоторых горизонтальных жилок в нижней части сетки соответствует расположению нижней части рамки для токоотводов меньших типоразмеров. Преимущество заявляемой геометрии токоотводов состоит в том, что она позволяет изготавливать токоотводы меньших типоразмеров на одном комплекте оснастки: на одном устройстве механической обработки свинцовой ленты, изменяя только ширину этой исходной ленты; или на одной литейной форме или литейном барабане, удаляя лишнюю часть токоотвода путем разрезки вдоль указанных горизонтальных жилок. Это приводит к уменьшению себестоимости токоотвода, увеличению производительности за счет уменьшения времени на переналадку литейного производства при переходе с одного типоразмера на другой. А для того, чтобы нижняя рамка токоотвода меньшего типоразмера получилась качественной, ширина соответствующих горизонтальных жилок должна быть не меньше ширины указанной нижней части рамки меньших токоотводов. При изготовлении токоотводов меньших типоразмеров путем штамповки (или просечки) из исходной ленты нижняя часть рамки такого токоотвода естественно получается на краю исходной свинцовой ленты в результате операции штамповки (просечки), причем штамповочное устройство (устройство просечки) задает внутренний край рамки, а внешний край рамки задается естественным образом самой исходной лентой. При изготовлении токоотводов путем литья в кокили или непрерывного литья на барабане нижняя часть рамки токоотвода меньшего типа получается в результате разрезки одной из горизонтальных жилок, причем разрезка формирует внешний край рамки.

По имеющимся у авторов сведениям, предложенные существенные признаки, характеризующие суть изобретения, не известны в данном разделе техники. Предложенное техническое решение может быть использовано на предприятиях по изготовлению свинцово-кислотных аккумуляторов и аккумуляторных батарей, особенно в производстве герметизированных (с рекомбинацией газов) аккумуляторных батарей, в которых используются низколегированные свинцовые сплавы и современные технологии непрерывного изготовления токоотводов.

На фиг.1 приведен общий вид единичного токоотвода с указанием его основных размеров, а также размеров токоотводов меньших типоразмеров. На фиг.2 приведен фрагмент решетчатой сетки и боковой части рамки токоотвода с указанием размеров ячеек и толщины горизонтальных и вертикальных жилок.

В нашем примере размеры А, В и С показывают высоту заявляемого токоотвода и токоотводов двух меньших типоразмеров, которые применяются в аккумуляторном производстве согласно действующей нормативной документации. Указанные размеры равны: А=135±0,1 мм, В=118±0,1 мм, С=103±0,1 мм; ширина токоотвода, одинаковая для исходного и всех меньших типоразмеров, W=144±0,1 мм. Размеры, связанные с расположением ушка в верхней части рамки, равны: D=3,0-39,0 мм, Е=14,0-16,0 мм. Представленный на фиг.1 токоотвод имеет лишь две горизонтальных жилки в нижней части сетки, соответствующие расположению нижней части рамки для токоотводов двух меньших типоразмеров. Однако заявляемое техническое решение не ограничивается только этим частным случаем, а позволяет изготавливать токоотводы с любым количеством типоразмеров, в пределах разумного. Для этого должно быть соответственно изменено количество указанных горизонтальных жилок. Ряд размеров а_i демонстрирует уплотнение распределения горизонтальных жилок в сторону нижней части решетчатой сетки токоотвода; указанные размеры соответствуют длинам ячеек решетчатой сетки и равны: a₁=14±0,05 мм, а₂=13±0,05 мм, а₃=12,5±0,05 мм, a₄=12±0,05 мм, а₅=11,5±0,05 мм, a₆=11±0,05 мм, а₇=9,5±0,05 мм, a₈=9±0,05 мм, а₉=6±0,05 мм, а₁₀=6±0,05 мм, а₁₁=7±0,05 мм, a₁₂=7±0,05 мм, при этом незначительное отклонение размеров а₁₁ и a₁₂ от общей тенденции к уплотнению в данном примере обусловлено заданным фиксированным расположением одной горизонтальной жилки (между а₁₀ и а₁₁), соответствующей нижней части рамки меньшего токоотвода, и практически не влияет на электрические свойства заявляемого токоотвода. Размер b задает ширину ячейки решетчатой сетки и равен b=4,9±0,05 мм. Необходимо отметить, что таким образом линейные размеры ячеек решетчатой сетки, т.е. размеры пустых зон ячеек, ограничены в определенных пределах: 5,95-14,05 мм по длине и не менее 4,85 мм по ширине. При размерах больших, чем 14,05 мм, происходит повышенное выпадение пасты, а затем и выпадение активной массы из ячеек. Это уменьшает долговечность электродов и стойкость к вибрациям и ударам. При размерах меньших, чем 4,85 мм, может происходить непромазывание ячеек пастой, что также снижает долговечность и удельную энергию электродов. Размеры d₁ и d₂ показывают ширину вертикальных жилок, причем d₁=0,83±0,05 мм, d₂=1,9±0,05 мм. В нашем примере каждая 4-ая вертикальная жилка имеет ширину d₂, т.е. уширена. Наличие уширенных "силовых" жилок способствует повышению жесткости конструкции токоотвода, успешному применению низколегированных свинцовых сплавов с очень малым количеством легирующих примесей. Размеры d₃ и d₄ демонстрируют ширину горизонтальных жилок: d₃=1±0,05 мм, d₄=2±0,05 мм, причем в нашем примере d₄ - ширина тех самых горизонтальных жилок в нижней части сетки, которые соответствуют расположению нижней части рамки для токоотводов меньших типоразмеров.

Заявляемый токоотвод может быть изготовлен несколькими способами: во-первых, непрерывными технологиями, включающими отливку исходной свинцовой ленты с последующей ее механической обработкой - штамповкой ячеек или их просечкой; во-вторых, непрерывными технологиями, включающими отливку решетчатой ленты с последующей ее прокаткой и упрочнением; в-третьих, путем гравитационного литья в кокили. Преимуществом обладают современные технологии непрерывного изготовления токоотводов, поскольку они обеспечивают максимальную производительность труда. Опишем в общих чертах один из таких способов. Вначале отливают полосу необходимой ширины (как правило, равной высоте сдвоенного токоотвода) из заданного свинцового сплава, после чего полосу подвергают прокатке при определенных условиях (в определенном температурном интервале вблизи точки рекристаллизации, при определенной степени деформации) с целью упрочнения сплава и получения свинцовой ленты необходимой толщины. При этом, как правило, ширина полученной ленты равна ширине первоначальной полосы, а длина больше за счет уменьшения толщины. Затем ленту из свинцового сплава подвергают штамповке с целью получения ячеек (решетчатой сетки). После указанной операции токоотводы представляют собой цельную непрерывную ленту соединенных друг с другом сдвоенных токоотводов. Разделение токоотводов на единичные происходит уже в составе электродов после операции намазки пастой и сушки. По окончании технологического процесса изготовления электродов на выходе получаются единичные электродные пластины, токоотвод которых и является объектом изобретения. Электродные пластины, полученные на базе токоотвода предложенной конструкции, участвуют в сборке аккумуляторов, аккумуляторных батарей и электрохимическом формировании.

Полученные таким образом аккумуляторные батареи были подвергнуты лабораторным испытаниям. Испытания аккумуляторных батарей с заявляемыми электродными токоотводами показали соответствие их требованиям ГОСТ 959 и EN 50342, 30%-ый прирост по стартерным характеристикам, а также увеличение долговечности в 2 раза.

Токоотвод для электрода свинцово-кислотного аккумулятора, представляющий собой решетчатую сетку из горизонтальных и вертикальных жилок постоянного сечения, расположенных внутри рамки постоянного сечения, в верхней части которой находится ушко, служащее для соединения электродов в электродный блок, отличающийся тем, что количество вертикальных жилок в 1,6-2,4 раза больше количества горизонтальных жилок, распределение горизонтальных жилок характеризуется уплотнением в сторону нижней части решетчатой сетки, причем расположение некоторых горизонтальных жилок в нижней части сетки соответствует расположению нижней части рамки для токоотводов меньших типоразмеров, а ширина этих горизонтальных жилок не меньше ширины нижней части рамки соответствующих токоотводов, в узлах сопряжения горизонтальных жилок с вертикальными имеются скругления радиусом 0,40-2,00 мм.