Способ уменьшения коэффициента теплового разгона в никель-кадмиевом аккумуляторе переменным асимметричным током

Изобретение относится к области электротехники и касается вопроса безопасной работы никель-кадмиевых аккумуляторов в составе различных электротехнический и электронных систем. Согласно изобретению в процессе технического обслуживания дополнительно выполняется режим циклирования аккумулятора, при котором заряд аккумулятора проводился прямоугольным асимметричным током при соотношении амплитуд разрядного и зарядного токов, равном 5, и соотношении длительностей разрядного и зарядного импульсов, равном 0,1, при этом среднее значение переменного асимметричного тока заряда равно току заряда согласно инструкции по эксплуатации батареи, следовательно, амплитуда зарядного импульса будет в 2,2 раза больше среднего тока, длительность зарядного импульса 50 мс, длительность разрядного импульса 5 мс, процесс заряда прекращался при сообщении количества электричества в соответствии с инструкцией по эксплуатации данного аккумулятора, при этом разряд выполнялся постоянным током до тех пор, пока коэффициент теплового разгона становился меньше 10%. Уменьшение вероятности теплового разгона в никель-кадмиевом аккумуляторе, продление срока его службы, а также повышение безопасности работы является техническим результатом изобретения. 2 пр.

 

Изобретение относится электротехнике и касается вопроса безопасной работы никель-кадмиевого аккумулятора в составе различных электротехнических и электронных систем.

Известен способ [патент РФ №2043678, МПК Н01М 10/48, Н01М 10/26, 1995] контроля теплового разгона в аккумуляторе во время его эксплуатации в буферном режиме. В рамках данного способа температура аккумулятора во время эксплуатации постоянно контролируется с помощью прикрепленных термодатчиков. В случае повышения температуры выше 70-80°C аккумулятор отключается.

Однако данный способ только предотвращает наступление теплового разгона, но не уменьшает возможность появления этого явления при дальнейшей эксплуатации аккумулятора.

В качестве прототипа выбран способ [патент РФ №231095, МПК Н01М 10/34, H01M 10/48, 2005] анализа предрасположенности никель-кадмиевого аккумулятора к тепловому разгону, заключающийся в проведении циклирования аккумулятора до снижения коэффициента теплового разгона менее 10%. Способ включает контроль внутреннего сопротивления аккумулятора и вычисление коэффициента теплового разгона η=(ρ₀-ρ)⋅100%, где ρ₀ - внутреннее омическое сопротивление данного аккумулятора в начале его эксплуатации, ρ - внутреннее омическое сопротивление аккумулятора на момент проверки. В случае η>20% дендриты достаточно сильно развиты в аккумуляторе, отчего аккумулятор предрасположен к тепловому разгону и его снимают с дальнейшей эксплуатации.

Недостаток данного способа заключается в том, что он просто отбраковывает аккумулятор и не позволяет уменьшить возможность появления теплового разгона и использовать аккумулятор в дальнейшем.

Задачей изобретения является разработка способа уменьшения коэффициента теплового разгона в никель-кадмиевом аккумуляторе переменным асимметричным током.

Поставленная задача решалась благодаря тому, что в известном способе цитирования аккумулятора до снижения коэффициента теплового разгона менее 10% режим заряда был заменен на режим, при котором заряд аккумулятора проводят прямоугольным асимметричным током при соотношении амплитуд разрядного и зарядного токов, равном 5, и при соотношении длительностей разрядного и зарядного импульсов, равном 0,1, разряд выполняют постоянным током, при этом среднее значение переменного асимметричного тока заряда равно току заряда аккумулятора, при этом амплитуда зарядного импульса в 2,2 раза больше среднего тока, длительность зарядного импульса составляет 50 мс, а длительность разрядного импульса - 5 мс, после чего процесс заряда прекращают при сообщении необходимого количества электричества аккумулятору.

Сущность предложенного способа заключается в следующем.

Одной из причин возникновения теплового разгона в никель-кадмиевом аккумуляторе является прорастание дендритов через сепаратор. Это приводит к резкому уменьшению расстояния между электродами и, следовательно, к резкому увеличению плотности тока заряда и повышению температуры в этом месте, что приведет к тепловому разгону [Galushkin N.E., Yazvinskaya N.N., Galushkin D.N. The mechanism of thermal runaway in alkaline batteries // Journal of The electrochemical society. - 2015. - V. 162. - P. А749-А753].

Таким образом, чем более развиты дендриты внутри аккумулятора, тем более низкое внутреннее омическое сопротивление у этого аккумулятора и тем более он предрасположен к тепловому разгону.

Дендриты образуются на кадмиевом электроде в процессе заряда аккумулятора постоянным током. В этом случае растворенные в электролите ионы кадмия осаждаются в основном на поверхности кадмиевого электрода и образуют дендриты, так как на поверхности электрода ток заряда наиболее большой, а вглубь пористого электрода ток убывает экспоненциально [Галушкин Н.Е., Кудрявцев Ю.Д. Исследование глубины проникновения электрохимического процесса в пористых электродах // Электрохимия. - 1994. - Т. 30, №3. - С. 382-387].

Использование переменного асимметричного тока при заряде аккумулятора позволяет получить любое распределение количества прошедшего электричества по глубине пористых электродов [Кукоз Ф.И, Кудрявцев Ю.Д., Галушкин Н.Е. Распределение количества прошедшего электричества в пористом электроде при поляризации переменным асимметричным током // Электрохимия. - 1989. - Т. 35, - №7. - С. 759-765].

В случае использования предложенного режима заряда аккумулятора ионы кадмия будут осаждаться только в глубине пористого электрода, а на поверхности электрода дендриты будут или растворяться, или окисляться в процессе заряда. Это позволит в результате длительного циклирования полностью избавиться от дендритов и, следовательно, устранить основную причину теплового разгона [Galushkin N.E., Yazvinskaya N.N., Galushkin D.N. Study of thermal runaway electrochemical reactions in alkaline batteries // Journal of the electrochemical society. - 2015. - V. 162. - P. А2044-А2050].

Ниже приведены примеры осуществления предлагаемого способа.

Пример 1. Предлагаемый способ уменьшения коэффициента теплового разгона проверялся на аккумуляторе НКБН-25-У3. Данный аккумулятор после семи лет эксплуатации был снят, вследствие большого тока саморазряда. На момент исследования он имел коэффициент теплового разгона η=24%. Для уменьшения коэффициента теплового разгона данный аккумулятор заряжался в соответствии с предложенным режимом заряда переменным асимметричным током со следующими параметрами: амплитуда зарядного импульса 11 А, амплитуда разрядного импульса 55 А, длительность зарядного импульса 50 мс, длительность разрядного импульса 5 мс. На каждом цикле заряда аккумулятору сообщалось 40 А⋅ч в соответствии с инструкцией по эксплуатации данного аккумулятора, т.е. в 1,6 раза больше, чем его номинальная емкость. Разряд выполнялся согласно руководству по технической эксплуатации аккумулятора НКБН-25-У3 током 10 А до напряжения на клеммах аккумулятора 1 В.

После сорока циклов заряда-разряда коэффициент теплового разгона у данного аккумулятора стал равным η=10%, что резко сокращает возможность возникновения теплового разгона в данном аккумуляторе.

Пример 2. Предлагаемый способ уменьшения коэффициента теплового разгона проверялся на аккумуляторе НКГК-33СА. Данный аккумулятор после шести лет эксплуатации имел коэффициент теплового разгона η=21%. Для уменьшения коэффициента теплового разгона данный аккумулятор заряжался в соответствии с предложенным режимом заряда переменным асимметричным током со следующими параметрами: амплитуда зарядного импульса 7,26 А, амплитуда разрядного импульса 36,3 А, длительность зарядного импульса 50 мс, длительность разрядного импульса 5 мс. На каждом цикле заряда аккумулятору сообщалось 49,5 А⋅ч в соответствии с инструкцией по эксплуатации данного аккумулятора. Разряд выполнялся согласно руководству по технической эксплуатации аккумулятора НКГК-33СА током 6 А до напряжения на клеммах аккумулятора 1 В.

После пятидесяти циклов заряда-разряда коэффициент теплового разгона у данного аккумулятора стал равным η=7%, что резко сокращает возможность возникновения теплового разгона в данном аккумуляторе.

Предлагаемый способ уменьшения коэффициента теплового разгона в никель-кадмиевом аккумуляторе переменным асимметричным током по сравнению с существующими способами имеет следующие преимущества.

1. Это первый предложенный способ уменьшения коэффициента теплового разгона в никель-кадмиевом аккумуляторе в соответствии с недавно экспериментально установленным истинным механизмом теплового разгона [Galushkin N.E., Yazvinskaya N.N., Galushkin D.N. Study of thermal runaway electrochemical reactions in alkaline batteries // Journal of the electrochemical society. - 2015. - V. 162. - P. А2044-А2050].

2. Способ позволяет устранять дендриты и короткозамкнутые элементы не только их пережиганием большими токами, но и их растворением и перемещением внутрь пористого электрода и окислением при заряде.

Таким образом, данное изобретение позволяет уменьшить коэффициент теплового разгона аккумулятора в 2-3 раза.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Патент РФ №2043678, МПК Н01М 10/48, Н01М 10/26, 1995.

2. Патент РФ №231095, МПК Н01М 10/34, Н01М 10/48, 2005.

3. Galushkin N.E., Yazvinskaya N.N., Galushkin D.N. The mechanism of thermal runaway in alkaline batteries // J. Electrochem. Soc., 2015, Vol. 162, Is. 4, P. A749-A753.

4. Галушкин H.E., Кудрявцев Ю.Д. Исследование глубины проникновения электрохимического процесса в пористых электродах // Электрохимия. - 1994. - Т. 30, №3. - С. 382-387.

5. Кукоз Ф.И., Кудрявцев Ю.Д., Галушкин Н.Е. Распределение количества прошедшего электричества в пористом электроде при поляризации переменным асимметричным током // Электрохимия. - 1989. - Т. 35, №7. - С. 759-765.

6. Galushkin N.E., Yazvinskaya N.N., Galushkin D.N. Study of thermal runaway electrochemical reactions in alkaline batteries // J. Electrochem. Soc., 2015, Vol. 162, Is. 10, P. A2044-A2050.

Способ уменьшения коэффициента теплового разгона в никель-кадмиевом аккумуляторе переменным асимметричным током, заключающийся в проведении циклирования аккумулятора до снижения коэффициента теплового разгона менее 10%, отличающийся тем, что заряд аккумулятора проводят прямоугольным асимметричным током при соотношении амплитуд разрядного и зарядного токов, равном 5, и при соотношении длительностей разрядного и зарядного импульсов, равном 0,1, разряд выполняют постоянным током, при этом среднее значение переменного асимметричного тока заряда равно току заряда аккумулятора, при этом амплитуда зарядного импульса в 2,2 раза больше среднего тока, длительность зарядного импульса составляет 50 мс, а длительность разрядного импульса - 5 мс, после чего процесс заряда прекращают при сообщении необходимого количества электричества аккумулятору.