Введение к работе
Актуальность работы. Никель-кадмиевый аккумулятор (НКА) – один из самых надежных типов источников тока, поэтому рынок промышленных щелочных аккумуляторов большой емкости для тепловозов, вагонов, авиации, систем автономного энергообеспечения и других ответственных областей применений остается практически монопольным для НКА разного конструктивного исполнения.
Среди существующих конструкций электродов, например, таких как ламельная, металлокерамическая, прессованная – наиболее перспективной является прессованная конструкция ввиду её технологичности, экологичности, малой энергозатратности и высоких удельных характеристик получаемого изделия. Однако прессованные электроды применяются преимущественно в малогабаритных аккумуляторах, поэтому разработка технологии изготовления кадмиевого электрода прессованного типа, работоспособного в условиях свободной сборки электродного блока для аккумуляторов большой емкости остаётся актуальной.
При эксплуатации источника тока ухудшение электрических характеристик кадмиевого электрода в конечном итоге приведёт к ограничению срока службы и выходу из строя никель-кадмиевых батарей. Уменьшение ёмкости кадмиевого электрода при длительном циклировании может быть связано с массопереносом активного вещества в теле электрода. Одной из причин возникновения такого массопереноса является как неравномерность распределения тока по поверхности и глубине электрода, так и возникающие градиенты концентраций компонентов электролита. Данные о распределении тока по поверхности электродов в литературе встречаются довольно часто, в тоже время сведения о распределении тока по толщине электродов практически отсутствуют. Сведения о вертикальном и горизонтальном массопереносе активного вещества в литературе отсутствуют, поэтому оценить вклад каждого из видов массопереноса на стабильность емкостных характеристик кадмиевых электродов затруднительно.
Разработка новых типов НК-аккумуляторов весьма длительна и трудоёмка. Значительно упростить и ускорить процесс конструирования можно с помощью создания математических моделей процессов, происходящих в пористом кадмиевом электроде. Однако модели, описывающие связь процессов в межэлектродном пространстве и в пористых электродах, отсутствуют.
Таким образом, разработка технологии изготовления прессованных кадмиевых электродов и исследование факторов, влияющих на срок их службы, а также моделирование разрядных процессов является актуальной научной и практической задачей.
Целью работы является:
- разработка и реализация математических моделей разряда пористого кадмиевого электрода, позволяющих учитывать концентрационные, структурные и фазовые изменения по высоте и толщине электрода, а также прогнозировать влияние различных факторов на удельные емкостные характеристики электрода;
- исследование факторов, влияющих на срок службы кадмиевых электродов;
- разработка технологии изготовления безламельного прессованного высокоёмкого кадмиевого электрода прессованного типа с длительным сроком службы для тяговых никель-кадмиевых аккумуляторов.
Научная новизна работы
- Разработана адекватная математическая модель разряда пористого кадмиевого электрода, позволяющая оценить работоспособность электродов больших габаритов при различных условиях разряда.
- Впервые оценено влияние конвективных потоков электролита в межэлектродном пространстве НК-аккумулятора на электрические характеристики кадмиевого электрода.
- Впервые показано, что для обеспечения механической прочности необходимо создать в объёме активной массы наряду с системой макропор, систему микропор.
- Исследовано влияние улучшающих добавок, вводимых в активную массу кадмиевого электрода, на процесс окисления кадмия в щёлочи и свойства образующихся плёнок продуктов разряда.
Практическая значимость работы
- Разработанная модель разряда пористого кадмиевого электрода позволяет предсказать поведение данного электрода любых габаритов при различных режимах эксплуатации аккумулятора.
- Разработана технология изготовления безламельного кадмиевого электрода для тяговых НК-аккумуляторов, позволяющая обеспечить высокую механическую прочность и повышенные емкостные характеристики в процессе длительной эксплуатации.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
- математическая модель процесса разряда пористого кадмиевого электрода учитывающая концентрационные изменения в межэлектродном пространстве;
- создание безламельных кадмиевых электродов;
- влияние добавок на процесс окисления кадмия в ограниченном объёме щелочного электролита;
- экспериментальное распределение токов по высоте электрода при заряде и разряде.
- наличие массопереноса как по высоте, так и по толщине кадмиевых электродов.
- влияние геометрических размеров, состава активной массы на емкостные характеристики кадмиевого электрода.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научных конференциях: 15-ая Нижегородская сессия молодых ученых. Технические науки (Нижний Новгород, 2010); 15-ая Нижегородская сессия молодых учёных. Естественные науки (Нижний Новгород, 2010); IX Международная молодёжная научно-техническая конференция «Будущее технической науки» (Нижний Новгород, 2010); X Международная молодёжная научно-техническая конференция «Будущее технической науки» (Нижний Новгород, 2011); XI Международная молодёжная научно-техническая конференция «Будущее технической науки» (Нижний Новгород, 2012).
Публикации. По данным диссертационной работы опубликовано 7 работ, из которых 2 статьи входят в перечень рецензируемых научных журналов; 5 тезисов докладов на международных (3) и региональных (2) конференциях.
Структура и объем диссертации. Работа изложена на 140 страницах машинописного текста и состоит из введения, трёх глав, выводов, списка цитируемых источников, включающего 173 наименования и приложений. Диссертация иллюстрирована 17 таблицами и 37 рисунками.
