Конструкция герметичных аккумуляторов

Основные принципы герметизации аккумулятора.

Источником давления, способного разрушить полностью загерметизированный аккумулятор, являются кислород и водород, выделяющиеся на электродах в качестве побочных продуктов при заряде или перезаряде. Чтобы превратить давление в безопасный фактор либо не допустить его рост, требуется реализовать одно из следующих условий:

1. снабдить аккумулятор прочным корпусом, способным выдержать предполагаемое давление, что приводит к утяжелению конструкции, снижению удельных характеристик и допустимо для образцов малых размеров

2. исключить приборными методами опасное повышение давления прекращением заряда - реализуется в специальных случаях применением зарядно-разрядных автоматизированных устройств

3. создать условия для реализации замкнутых газовых циклов. Единственным универсальным способом оказывается реализация замкнутого кислородного цикла при одновременном исключении выделения водорода. Расчет на водородный цикл необоснован, поскольку скорость ионизации Н₂ на оксидноникелевом электроде значительно ниже скорости ионизации О₂ на кадмиевом электроде.

4. снабдить аккумулятор предохранительным клапаном (такой аккумулятор называют герметизированным, см. разд. 7.6).

На практике одновременно прибегают к некоторому упрочнению корпуса, рассчитанному на определенное избыточное давление, которое не исключается при эксплуатации аккумулятора. Оно даже желательно, так как ускоряет процесс ионизации кислорода. Применение предохранительного клапана допустимо для аккумуляторов некоторых типов, работающих в составе батареи, так как исключает опасные последствия переполюсовки (переразряда), также вызывающей газовыделение.

В конструкции герметичного аккумулятора должно быть предусмотрено:

- плотная сборка электродов с сепаратором, легко проницаемым для кислорода;

-  матричный электролит, допускающий открытие части пор кадмиевого электрода для реализации условия трехфазной границы (см. гл. 6);

- избыточное количество разряженной отрицательной активной массы;

- достаточно прочный корпус.

Прямоугольные (призматические) аккумуляторы обычно имеют металлокерамические электроды, но достаточно часто отрицательный электрод является вальцованным или прессованным. Стальной тонкостенный корпус упрочнен ребрами жесткости — гофрами. Согласно ГОСТ 24958 — 81 выпускают аккумуляторы серии НКГ (никель - кадмиевый герметичный) емкостью от 0,4 до 16 А∙ч, работоспособные в интервале температуры окружающей среды от –20 до +45 °С, причем емкость аккумулятора при –20°С составляет не меньше 0,3С_ном. Типичные разрядные характеристики таких аккумуляторов даны на рис. 9.3 и 9.4.

Средняя наработка при циклировании может достигать 1000 циклов, при этом признаком отказа считается емкость ниже 0,6С_ном.

В дисковых аккумуляторах применяют прессованные электроды, заключенные в ламели из никелевой сетки, и реже — металлокерамические (спеченные). Так устроены дисковые аккумуляторы серии Д (ГОСТ 11258 — 79) от Д-0,025 до Д-0,55 номинальной емкостью от 0,025 до 0,55 А∙ч. Их конструкция в принципе не отличается от конструкции герметичных дисковых источников тока других систем, хотя некоторые характерные особенности имеются (например, наличие между крышкой и отрицательным электродом газового пространства, образуемого плоской контактной пружиной). Аккумуляторы серии Д рассчитаны на длительный (I_ном = 0,1С_ном) или средний (I_ном = 0,2С_ном) режим разряда при температуре окружающей среды от –20 до 45 °С. Срок службы таких аккумуляторов составляет не менее двух лет.

Цилиндрические аккумуляторы имеют чаще всего спеченные (фольговые) электроды, туго скрученные спирально. Благодаря наличию тонких электродов с предельно развитой рабочей поверхностью аккумуляторы этого типа в наибольшей степени приспособлены к работе в экстремальных условиях эксплуатации, лучше других выдерживают короткие режимы разряда и форсированные режимы заряда.

В последнее десятилетие был налажен промышленный выпуск цилиндрических аккумуляторов рулонной конструкции со спеченным положительным и вальцованным отрицательным электродами. Эти аккумуляторы емкостью от 0,15 до 4,0 А∙ч имеют размеры, соответствующие стандартному ряду цилиндрических источников тока многоцелевого назначения, утвержденному МЭК (см. табл. 4.1).

Они рассчитаны на разряд в широком диапазоне токовой нагрузки и температуры, снабжены шариковыми или иными клапанами многократного действия, исключающими опасное повышение давления при нарушении режима эксплуатации.

Герметичные никель-кадмиевые аккумуляторы обладают высокими эксплуатационными характеристиками, включая многолетний срок службы, многие из них отличаются достаточно высокой удельной мощностью. Их удельная энергия в среднем не превышает 20 — 25 Вт∙ч/кг и для лучших образцов достигает 40 Вт∙ч/кг.

Фактором, ограничивающим распространение никель-кадмиевых аккумуляторов, остается их высокая стоимость. Тем не менее их широко используют для питания радиоаппаратуры, медицинской аппаратуры, в светотехнике, в качестве аварийных и буферных источников питания.