Способ создания пористого покрытия на металлическом электропроводящем носителе


 


Владельцы патента RU 2499332:

Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов "Прометей" ФГУП "ЦНИИ КМ "ПРОМЕТЕЙ" (RU)

Изобретение относится к способам создания пористых материалов для альтернативных источников энергии и может быть использовано в производстве химических водоактивируемых источников тока, систем очистки и опреснения воды, комплексов промышленной экологии. Техническим результатом изобретения является получение высокоэффективного пористого материала на металлическом носителе с высокой удельной поверхностью и пористостью. Технический результат достигается за счет того, что в способе создания пористого материала на металлическом электропроводящем носителе с целью увеличения удельной поверхности и пористости формируют каталитически активный слой на металлическом носителе при помощи высокоэнергетических процессов газофазного переноса, а именно путем микроплазменного или холодного газодинамического напыления композиционной порошковой смеси, состоящей из металлического порошка-основы и порообразователя, при этом полученное покрытие в результате напыления подвергают термообработке при температуре разложения порообразователя на твердофазную и парогазовую составляющие, в результате чего газообразный компонент удаляется через покрытие, образуя сквозные поры, а твердофазный компонент осаждается на стенках пор, существенно увеличивая интегральную удельную поверхность покрытия. 7 з.п. ф-лы, 3 табл.

 

Изобретение относится к прецизионной металлургии, в частности к проблеме получения пористых материалов для альтернативных источников энергии, и может быть использовано в производстве химических водоактивируемых источников тока, систем очистки и опреснения воды, комплексов промышленной экологии.

Высокое качество работы указанных устройств обеспечивается механически прочными, высокоэффективными каталитическими и мембранными материалами на основе объемно-пористых композиций.

Известны способы создания пористых скелетных электродных материалов путем приготовления шихты или суспензии, содержащих дополнительно порообразователь, и нанесения на перфорированную или гладкую пластину с последующей термообработкой и удалением порообразователя [1, 2].

Недостатком этих методов является недостаточно высокие прочностные характеристики получаемых покрытий при их относительно высокой пористости и, вследствие этого, большой процент разрушения покрытий во время изготовления указанных изделий.

Наиболее перспективными, обладающими более высокими прочностными характеристиками, являются пористые материалы на металлических электропроводящих носителях [3, 4].

Известен способ получения катодных материалов на металлических электропроводящих носителях путем напыления порошковой композиции плазменным методом [3].

Наиболее близким к заявляемому объекту и взятым за прототип является способ изготовления электрода [4], включающий нанесение функционально-градиентного покрытия, состоящего из меди или другого электропроводящего материала и каталитически активной компоненты, на металлическую подложку методом «холодного» газодинамического напыления с использованием трех автономно работающих дозаторов и последующее химическое травление в растворе азотной кислоты.

Экспериментальные работы, проведенные в области создания пористых материалов на металлических носителях, показали, что известный способ имеет следующие недостатки.

1. Недостаточно высокая каталитическая активность покрытия вследствие невысокой пористости и низкая доступность активных центров в зоне реакции.

2. Недостаточно высокая удельная поверхность пористого покрытия (не превышает 13 м2/г), не соответствующая требованиям создания современных сиcтем на базе объемно-пористых структур (до 30-40 м2/г). Увеличение пористости при проведении травления в поверхностных слоях материала и отсутствие достаточного объема транспортных пор, обеспечивающих стабильное повышение эксплуатационных характеристик.

Техническим результатом изобретения является создание высокоэффективного пористого материала на металлическом носителе, отличающегося более высокой пористостью и удельной поверхностью покрытия.

Технический результат достигается за счет того, что в способе создания пористого материала на металлическом электропроводящем носителе, с целью увеличения удельной поверхности и пористости покрытия, получение каталитически активного покрытия на металлическом носителе осуществляют с помощью высокоэнергетических процессов газофазного переноса, а именно методом микроплазменного или холодного газодинамического напыления композиционной порошковой смеси, состоящей из металлического порошка-основы и 5-15 масс.% порообразователя с размером частиц 50-100 мкм. После чего покрытие подвергается термообработке до температуры разложения порообразователя на твердофазную и парогазовую составляющие, при этом газообразный компонент, удаляясь из покрытия, образует сквозные поры, а твердофазный компонент осаждается на стенках пор, существенно увеличивая интегральную удельную поверхность покрытия.

В качестве металлического порошка-основы могут быть использованы порошки чистых металлов (например, никель, алюминий, медь), их сплавов, интерметаллических соединений и квазикристаллов.

В качестве порообразователей могут быть использованы органические и неорганические вещества, разлагающиеся при нагревании до температуры разложения с выделением газообразной (СО2, NН3, N2, Н2О и др.) составляющей. При этом предпочтительны гидрооксиды, карбонаты, ацетаты и др. соединения активных элементов каталитического материала, разложение которых не сопровождается образованием агрессивных газов, отравляющих материал. Могут также использоваться вещества, полностью разлагающиеся или возгоняющиеся в процессе термообработки (160-300°C).

Высокоскоростное микроплазменное и холодное газодинамическое напыление порошковой композиции на металлический носитель позволяет максимально сохранить структуру и форму частиц порошковой композиции при нанесении пористого покрытия, что обеспечивает:

- переход значительной части порообразователя в покрытие в исходном химическом состоянии;

- последующее образование развитой поверхности с открытыми порами при термообработке за счет разложения порообразователя с выделением паро-газовых составляющих и оседания твердофазных продуктов реакции на стенках пор;

- диффузию в неравновесных условиях твердофазных компонентов в материал металлического носителя и высокую прочностью сцепления с подложкой пористого каталитически активного слоя толщиной 50-150 мкм.

Напыляемый материал для микроплазменного и холодного газодинамического напыления выбирается на основе эксплуатационных требований к покрытию с учетом последующей обработки по развитию пористости.

В напыляемой порошковой композиции содержание порообразователя составляет 5-15%. При содержании менее 5 масс.% наблюдается низкая пористость и, вследствие этого, низкая каталитическая активность слоя. При содержании более 15 масс.% наблюдается образование хрупких структур, не отвечающих эксплуатационным свойствам покрытия по механической прочности, снижается коэффициент использования порошка.

В предлагаемом способе подача порошковой композиции осуществляется с помощью двух и более автономно работающих устройств, что позволяет подавать порошки в различные температурные зоны воздушного потока и создавать пористые градиентно-функциональные покрытия.

Пример 1. Предлагаемый способ опробован на специализированном участке ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей» при получении объемно-пористого материала с использованием холодного газодинамического напыления.

В лабораторных условиях была приготовлена порошковая композиция на основе порошков никеля, карбоната никеля и карбамида (порообразователи) дисперсностью менее 100 мкм трех составов, представленных в таблице 1. На опытной экспериментальной установке сверхзвукового холодного газодинамического напыления типа «Димет 403» проведено напыление порошковой композиции на образцы металлического носителя с использованием одного дозатора. Размер образцов 100×100 мм, материал - медная лента толщиной 200 мкм.

При проведении предварительных испытаний температура гетерофазного потока находилась в пределах 80-120°С, скорость напыления 1,8 Маха. Напыление производят на расстоянии 40-70 мм от металлического носителя слоем 50-150 мкм.

Исследование кинетики показали, что карбамид (NH2CONH2) является нестабильным соединением и при нагревании возгоняется при температуре более 160°С.

Донесение остаточного количества порообразователя до металлического носителя при микроплазменном напылении являлось основным условием достижения поставленной задачи.

Таблица 1
Состав порошковой композиции для холодного газодинамического напыления
Содержание компонентов порошковой композиции, масс.%
Ni NiСО3 NH2CONH2
1 95,0 14,0 1,0
2 90,0 12,5 2,5
3 85,0 10,0 5,0

После этого образцы подвергались вакуумной термической обработке при температуре 300°С и остаточном давлении 10-3 Па в течение часа.

Удельную поверхность полученного пористого материала определяли методом БЭТ по тепловой десорбции азота.

Результаты испытаний приведены в таблице 3.

Пример 2. Предлагаемый способ опробован на специализированном участке ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей» при получении объемно-пористого материала с использованием микроплазменного напыления.

В лабораторных условиях была приготовлена порошковая композиция трех составов, представленных в таблице 2. На опытной экспериментальной установке микроплазменного напыления проведено напыление порошковой композиции, содержащей порошки никель-алюминиевого сплава марки ПМ-НЮ50 и карбоната никеля дисперсностью менее 100 мкм, на образцы металлического носителя. Размер образцов 100×100 мм, материал - медь M1, толщина 150 мкм.

Таблица 2
Состав порошковой композиции для микроплазменного напыления
Содержание компонентов порошковой композиции, масс.%
Ni-Al-сплав NiCO3×mNi(OH)2×nH2O
1 95,0 5,0
2 90,0 10,0
3 85,0 15,0

Процесс микроплазменного напыления объемно-пористого покрытия проводят с использованием двух дозаторов, при этом порошок никель-алюминиевого сплава марки ПМ-НЮ50 подают в канал плазматрона на начальном участке образования плазменной струи, а материал порообразователя вводят за срезом плазматрона на расстоянии от 15 до 30 мм. Расход порошка никель-алюминиевого сплава марки ПМ-НЮ50 составляет 50 г/ч. Расход порошка порообразователя составляет 100 г/ч. Скорость сканирования пятном напыления поверхности металлического носителя составляет 50 мм/сек.

После этого образцы подвергались вакуумной термической обработке при температуре 300°С и остаточном давлении 10-3 Па в течение часа.

Удельную поверхность полученного пористого материала определяли методом БЭТ по тепловой десорбции азота.

Результаты испытаний приведены в таблице 3.

Примечание: в таблице приведены усредненные значения по трем образцам на точку.

Испытания показали, что пористый материал, полученный указанным способом, имеет среднюю удельную поверхность в диапазоне от 25 до 39 м2/г.

Исследование характера образовавшихся пор показывает, что в результате введения порообразователя покрытие обладает мультидисперсной пористой структурой со средним размером пор 12 нм. В покрытии доля микропор составляет 9%, мезопор - 58%, а макропор - 33%. наличие значительного количества мезо- и макропор существенно повышает каталитическую эффективность объемно-пористого покрытия.

Как следует из таблицы 3 и проведенных исследований, полученный пористый каталитический материал на металлическом носителе обладает более высокой пористостью и удельной поверхностью покрытия по сравнению с известным, что обеспечивает более эффективное протекание химических процессов получения энергии.

Технико-экономическая эффективность предлагаемого изобретения выражается в повышении эффективности работы химических водоактивируемых источников тока, систем очистки и опреснения воды, комплексов промышленной экологии, повышении их механической прочности и долговечности, снижении себестоимости экологических мероприятий.

Литература

1. Патент России №235136 С2, МПК В22F 3/12, Н01М 4/80. Дорофеев Ю.Г., Сергеенко С.Н., Коломиец Р.В. «Способ изготовления порошковых материалов для электродов химических источников тока».

2. Патент России №2080694 С1, МПК Н01М 4/80, Н01М 10/28. Аршинов А.Н., Гудимов Н.Л., Ковалев А.Н., Шубин П.Ю. «Способ изготовления пористой основы безламельных электродов щелочных аккумуляторов».

3. Патент РФ №2110619, МПК С25В 11/04. ЗАО «Техно-ТМ». «Электрод для электрохимических процессов и способ его получения».

4. Патент России №2402839 С1, МПК Н01М 4/04, С25В 11/04. Яковлева Н.В., Тараканова Т.А., Фармаковский Б.В., Улин И.В., Шолкин С.Е., Юрков М.А. «Способ изготовления электрода».

1. Способ получения пористого покрытия на металлическом электропроводящем носителе, включающий нанесение порошковой композиции с помощью высокоэнергетических процессов газофазного переноса, отличающийся тем, что на металлический носитель предварительно наносят композиционную порошковую смесь, состоящую из металлического порошка-основы и порообразователя с регламентированной дисперсностью частиц, после чего покрытие подвергают термической обработке при температуре 160-300°C до разложения порообразователя на твердую и парогазовую составляющие, при этом газообразный компонент, удаляясь, создает сквозные поры в покрытии.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при создании пористого покрытия используют частицы порообразователя с размером от 50 до 100 мкм.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что содержание порообразователя в порошковой композиции берут в пределах от 5 до 15 мас.%.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что при создании пористого покрытия в качестве основного слоя наносят порошки чистых металлов (например никель, алюминий, медь), их сплавов, интерметаллических соединений (системы никель-алюминий) и квазикристаллов.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве порообразователя используют частицы органических и неорганических веществ, которые при температуре 160-300°C разлагаются с образованием твердой и парогазовой составляющих.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что основной металлический и порообразующий слои наносят методом микроплазменного напыления.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что основной металлический и порообразующий слои наносят методом сверхзвукового холодного газодинамического напыления.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что термическую обработку производят в вакууме при остаточном давлении 10-3 Па.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к электроду и способу его производства. Электрод включает в себя проводящий токоотвод, имеющий слой смолы и слой активного материала, сформированный на токоотводе.

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано в производстве литиевых источников тока. .

Изобретение относится к изготовлению анодов из сплавов на основе алюминия для химических источников тока. .

Изобретение относится к химической технологии и используется для получения катодных материалов со структурой оливина для литиевой автономной энергетики (гибридного транспорта, электромобилей, буферных систем хранения энергии и т.д.).

Изобретение относится к области дезинфецирующих композиций, а именно к высокостабильному кислотному водному раствору, способу и устройству его получения. .

Изобретение относится к технологии изготовления электрода для химических источников тока и может быть использовано в электротехническом производстве и судостроении.

Изобретение относится к электродам для применения в электрохимической ячейке или батарее, например биполярной свинцово-кислотной аккумуляторной батарее. .

Изобретение относится к отрицательному электроду для аккумуляторных батарей с неводным электролитом. .

Настоящее изобретение предусматривает способ тонкодисперсного осаждения порошка металлического лития или тонкой литиевой фольги на подложку, избегая применения растворителя. Способ включает осаждение порошка металлического лития или тонкой литиевой фольги на носитель, приведение носителя в контакт с подложкой, имеющей более высокое сродство к порошку металлического лития по сравнению со сродством носителя к порошку металлического лития, подвергание подложки, находящейся в контакте с носителем, воздействию условий, достаточных для переноса осажденных на носителе порошка металлического лития или литиевой фольги на подложку, и разделение носителя и подложки так, чтобы сохранить порошок металлического лития или фольгу металлического лития осажденными на подложке. Предотвращение снижения исходной зарядной емкости литиевой батареи является техническим результатом предложенного изобретения. 5 н. и 7 з.п. ф-лы, 2 ил., 9 пр., 1 табл.

Изобретение относится к технологии формования изделий из твердых сыпучих материалов и термопластичной связки. Способ включает подачу массы активатора порциями, величина которой достаточна для формования отдельного активатора. Уплотнение и формование порции массы вокруг центрального электрода в виде цилиндра вибрационным воздействием в неэластичной электропроводной оболочке. Уплотнение и формование производят вначале в вертикальной формообразующей трубе и затем в продолжении ее в оболочке постоянно образуемой намоткой электропроводной бумаги на формообразующую трубу и стягиваемой с нее перемещением сформованного цилиндра активатора. Сформованный активатор в оболочке охлаждают до затвердения только поверхностного слоя массы, затем анодный заземлитель выдерживают в вертикальном положении до полного затвердения активатора, вне устройства. Устройство для осуществления способа включает узел смешения и разогрева массы активатора, узел подачи ее в формообразующую трубу порцией, узел уплотнения и формования массы, орбитальный механизм намотки оболочки, холодильник, систему контроля и поддержания постоянства скорости перемещения формуемого активатора. Технический результат, достигаемый при использовании способа по изобретению, заключается в увеличении эффективности и производительности процесса формования массы активатора, повышении качества активатора, упрощении конструкции устройства и уменьшении трудоемкости процесса формования. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.
Заявляемое изобретение относится к области электрической техники, в частности к способам создания электропроводящих слоев, применяемых в широких областях техники, в том числе в электронике или электротехнике, и может быть использовано для создания проводящих соединений в микросхемах. Способ формирования электропроводящих слоев на основе углеродных нанотрубок включает нанесение на подложку суспензии, содержащей углеродные нанотрубки и раствор карбоксиметилцеллюлозы в воде при следующем соотношении компонентов, мас.%: карбоксиметилцеллюлоза 1-10 и углеродные нанотрубки 1-10, сушку при температуре от 20 до 150°С, пиролиз при температуре выше 250°С. Технический результат заключается в повышении электропроводности формируемых слоев. 3 з.п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к устройству для изготовления аккумуляторных электродов. Устройство включает в себя: штамп (3) для резки переднего конца, который обрезает материал (100) электрода в форме полоски в форму электрода; манипулятор (2), который захватывает материал (100) электрода и транспортирует материал (100) электрода в положение вырезания штампа (3) для резки переднего конца; первый присасывающий транспортер (5), расположенный выше по ходу относительно штампа (3) для резки переднего конца в направлении транспортировки и имеющий опорную поверхность для поддержки материала (100) электрода в ходе вырезания посредством штампа (3) для резки переднего конца. Манипулятор (2) включает в себя два захватных приспособления (23, 25), первый присасывающий транспортер (5) расположен между захватными приспособлениями (23, 25) Манипулятор (2) переносит материал (100) электрода в положение вырезания в таком положении, что материал (100) электрода не соприкасается со штампом (3) и первым присасывающим транспортером (5). Техническим результатом является предотвращение трения материала электрода о другие элементы. 2 н. и 27 з.п. ф-лы, 10 ил.

Изобретение относится к технике изготовления электродных пластин. Технический результат - повышение эффективности изготовления аккумуляторных элементов. Электродная пластина (K) транспортируется к зазору пары укладочных барабанов с помощью транспортировочной секции. Синхронно с транспортировкой электродной пластины (K) барабаны подают пару разделителей (S), образующих предварительно определенную форму, причем разделители (S) приклеиваются к соответствующим периферийным поверхностям пары барабанов. При подаче электродной пластины (K) вперед полностью горизонтально разделители (S) последовательно укладываются на обеих поверхностях электродной пластины (K) синхронно с вращениями барабанов и свариваются оба краевых фрагмента разделителей (S). 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 27 ил.

Изобретение относится к активному материалу положительного электрода литий-воздушного аккумулятора в виде нитевидных кристаллов состава KxMnO2 (x=0,1-0,15) длиной от 0,1 мкм до 2 мм и диаметром от 20 до 30 нм для обратимого восстановления кислорода на положительном электроде. А также относится к способу его получения, включающему растворение в воде перманганата калия и персульфата калия и перемешивание смеси при pH среды от 2 до 4 в течение 2-12 часов, при температуре 95°C с последующей фильтрацией, промывкой продукта и высушиванием при 60°C. Использование указанного материала позволяет достигать высокой удельной электрохимической емкости. 2 н.п. ф-лы, 5 ил., 1 табл., 2 пр.

Изобретение относится к изготовлению аккумуляторных электродных элементов (пленочного полотна электродного материала или электродной пленки). Технический результат - повышение надежности переноса электродного элемента (конец полотна электродного материала или электрода) в целевое положение. Устройство переноса включает в себя носитель для удерживания при изгибе и затем переноса электродного элемента. Носитель выполнен с возможностью удерживать электродный элемент в положении, которое не вызывает контакта с компонентами для другого процесса ниже по ходу вдоль направления переноса. Поскольку электродный элемент изогнут, его жесткость вдоль направления переноса усиливается и поэтому предотвращается провисание. Помимо этого, положение удерживания носителем является таким положением, которое не вызывает контакта с компонентами для другого процесса ниже по ходу вдоль направления переноса. 3 н. и 8 з.п. ф-лы, 12 ил.

Изобретение относится к литий-несущему фосфату железа в форме микрометрических смешанных агрегатов нанометрических частиц, к электроду и элементу, образованным из них, к способу их производства, который характеризуется стадией наноразмола, на которой посредством микроковки образуются микрометрические смешанные агрегаты нанометрических частиц. Также изобретение относится к электродам и Li-ионному электрохимическому элементу. Использование настоящего изобретения позволяет производить электродные материалы, с которыми можно достигнуть практической плотности энергии больше чем 140 Вт ч/кг в литий-ионном элементе, из которого могут быть сформированы толстые электроды в промышленном масштабе. 6 н. и 20 з.п. ф-лы, 7 ил., 1 табл., 6 пр.

Заявленное изобретение относится к устройству и способу изготовления аккумуляторной батареи, а именно к устройству, укладывающему электроды стопкой, и способу укладывания электродов стопкой. Предложенное устройство (110) поочередно укладывает стопкой пакетный положительный электрод (20) и отрицательный электрод (30), чтобы сформировать вырабатывающий энергию элемент. Устройство снабжено детектором (200) для обнаружения положения положительного электрода (24) в качестве первого электрода относительно пакетного электрода, который имеет разделитель (40)в форме оболочки, в которой предоставлен положительный электрод, и укладывающий стопкой узел (112), и (122) для укладывания стопкой положительного электрода (24) в качестве первого электрода на отрицательный электрод (30) в качестве второго электрода. Подающий положительный электрод стол (120) выполнен с возможностью корректировки положения электрода (20) на плоскости. Повышение точности расположения отрицательного и положительного электрода относительно разделителя (40) является техническим результатом изобретения. 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 25 ил.

Изобретение относится к машине для получения полюсных пластин путем лазерной резки полосы. Машина содержит станину, узел лазерной резки, манипулятор для резки, предназначенный для приведения в движение узла лазерной резки, систему управления и, по меньшей мере, один узел подачи полосы. Узел подачи полосы содержит манипулятор для захвата, средство подачи полосы на заданную длину и средство для высвобождения полосы. Манипулятор для резки и манипулятор для захвата установлены на станине. Средство для подачи полосы на заданную длину расположено между манипулятором для захвата и средством для высвобождения полосы. Система управления соединена с манипулятором для резки, манипулятором для захвата и средством для подачи полосы на заданную длину. Изобретение обеспечивает изготовление пластин для литий-ионных аккумуляторов и суперконденсаторов лазерной технологией, которая позволяет предотвратить деформирование полюсных пластин и образование заусенец и соответственно обеспечивает высокое качество изготовления полюсных пластин. 9 з.п. ф-лы, 5 ил.
Наверх