Реферат: Закономерности процесса формования электродов на основе оксида меди и влияние параметров процесса на эксплуатационные характеристики литиевых источников тока
Публикации . Материалы диссертации опубликованы в 6 работах, том числе, в 2 статьях в центральных журналах. Получен патент на изобретение.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы и приложения. Общий объем диссертации составляет 166 страниц машинописного текста, содержит 52 рисунка и 10 таблиц. Список литературы включает 280 наименований.
Содержание работы
Во введении обоснованы актуальность, сформулированы цель и задачи исследований, научная новизна и практическая значимость полученных результатов, изложены основные положения, выносимые на защиту, описаны структура диссертации, апробация и внедрение результатов работы.
В первой главе проведен анализ состояния разработок ЛИТ, технологии и оборудования для изготовления положительных электродов. Кроме этого проанализированы технологии и оборудование для изготовления лент и листов из металлических и неметаллических порошков, паст и сырой резины в машиностроении, химической и резинотехнической промышленности.
Показано, что в большинстве конструкций ЛИТ используют тонкие электроды в виде лент, пластин и дисков. Тонкие пластины и диски обычно изготавливают вырубкой из электродных лент. Проанализированы составы активных масс положительных электродов. В большинстве случаев активные массы электродов с твердыми деполяризаторами содержат порошок активного материала, токопроводящей добавки (обычно углеродный материал - 8...10%) и связующего (5... 10%). В ЛИТ с твердыми деполяризаторами используют электролиты на основе органических растворителей, поэтому связующие должны обладать высокой стойкостью по отношению к этим электролитам. Поэтому в качестве связующего активных масс положительных электродов в основном используют фторопласты (тефлон, политетрафторэтилен, реже смеси фторированных полимеров). Фторопласт в активную массу вводят в виде суспензий Или порошков. Недостатком масс с фторопластовым связующим является высокая тиксотропность паст и сложность по сравнению с другими массами сохранения физико-механических свойств во время переработки. Отмечено, что положительные ленточные электроды должны иметь заданную плотность, пористость, достаточно высокую электропроводность, кроме этого они должны обладать высокой механической прочностью, гибкостью и эластичностью.
Аналитический обзор технологий изготовления положительных электродов ЛИТ и других химических источников тока, а также технологий ленточных и рулонных материалов показал, что формование прокаткой - наиболее предпочтительный способ изготовления электродных лент толщиной более 0,3 мм. Прокатка высокопроизводительна, позволяет легко регулировать толщину получаемых электродов. Анализ причин брака тонких ленточных электродов позволяет утверждать, что предпочтительным вариантом формования ленточных электродов является прокатка лент активной массы с последующей накаткой их на токоотвод. Кроме этого показано, что использование гранулированной активной массы улучшает условия формования лент, транспортирования и подачи массы в валки, уменьшает потери материалов. Проведен анализ способов гранулирования материалов и оборудования для их реализации. Сделан обзор оборудования для формования электродов.
Результаты анализа состояния производства ЛИТ показывают, что не исследовано влияние параметров технологических процессов и оборудования на эксплуатационные характеристики электродов. Мала эффективность используемых технологий и оборудования. Не оптимизированы режимы процесса формования положительных электродов и параметры технологического оборудования, низка воспроизводимость характеристик электродов. Без решения этих проблем невозможно совершенствовать технологии и оборудование производства ЛИТ. В связи с этим сформулированы цель и задачи диссертационного исследования.
Во второй главе описаны объекты и методы исследования.
Объектами исследования являлись:
1) гранулированная активная масса на основе CuQ, содержащая порошок СиО (85...87%), полученный переработкой оксида меди марки «чда», технический углерод (5... 10%) и фторопластовое связующее (5... 10%); ленты активной массы, сформованные прокаткой, ленточных оксидномедные электроды, макеты литиевых источников тока с оксидномедными электродами;
2) гранулы активной массы, прокатанные из активной массы ленты и ленточные электроды с активным слоем на основе СиО;
3) процесс формования ленточных электродов прокаткой, а также процессы гранулирования и обезвоживания активной массы перед формованием.
Активную массу получали смешением порошков оксида меди (П) и технического углерода (АД-200, ПМЭ-ОВ), затем в смесь добавляли разбавленную суспензию фторопласта марки Ф4Д и перемешивали до получения однородной пасты. Из пасты активной массы получали гранулы размером 5... 15 мм, которые сушили и использовали для формования электродов. Перед формованием лент активной массы гранулы пропитывали органической жидкостью. В качестве пропитывающей жидкости обычно использовали гептан. Кроме того, использовали предельные углеводороды от гептана до тридекана, бензин, керосин и петролейный эфир марок: 40-70 и 70-100.
Формование электродных лент проводили в два этапа: формовали ленты из гранул оксидномедной массы, которые затем накатывали с двух сторон на сетчатый токоотвод.
Исследование процесса сушки гранул и лент активной массы проводили с помощью термогравиметра с механотронным датчиком массы образца. Исследование процессов гранулирования активной массы и формования электродов проводили на лабораторных установках и макетах оборудования, разработанных и изготовленных в лаборатории «Механизация и автоматизация производства химических источников тока» ЮРГТУ (НПИ).
Исследование электрических характеристик электродов проводили в ячейках, макетах источников тока и серийных источниках. При испытаниях электродов использовали гальваностатический режим разряда, реже разряд на постоянное сопротивление. Для определения физико-механических характеристик электродных лент использовали общепринятые методики и стандартизованное оборудование и приспособления.
В третьей главе представлены результаты исследования влияния состава активной массы, параметров процессов гранулирования и формования ленточных электродов на электрические и физико-механические характеристики оксидно-медных электродов.
Показано, что при увеличении содержания связующего в оксидно-медной массе от 5...7 до 13... 15% при невысоком содержании токопроводящей добавки (5...7%) или при пропорциональном снижении от 10... 12% до 5...7% наблюдается повышение удельных емкости и энергии электродов, а также их прочности. Относительно малое содержание токопроводящей добавки не снижает электрические характеристики, т.к. роль токопроводящей добавки играет мелкодисперсная медь, 15...20 мин. В этом случае обеспечиваются высокие электрические и физико-механические характеристики активных масс и электродных лент (рис. 4 и 5) и более чем в 2 раза сокращается суммарная продолжительность сушки гранул. Показано, что наиболее эффективен для гранулирования оксидномедной массы в условиях серийного и мелкосерийного производства дисковый гранулятор с перфорацией в виде ступенчатых отверстий. Оптимизированы форма и размеры.
Оптимальными являются размеры гранул в интервале 5... 15 мм. Удельная емкость и прочность электродов, изготовленных из таких гранул, близки к максимальным (рис.2 и 3, пл. 1 - толщина формуемых лент активной массы). Уменьшение размеров гранул менее 3 мм существенно снижает удельную емкость и прочность электродов. Рекомендовано производить сушку гранулированной оксидномедной массы в два этапа: первый - при температуре 150...160°С, затем, после удаления части влаги, окончательно сушить массу при температуре 130...135°С. Время сушки при 150...160°С не должна превышать активной массы оксидномедных ленточных электродов, разряжаемых током плотностью Менее 1 мА/см2 приводит к существенному росту их удельной (по объему) емкости и прочности, при этом достижение плотности активного слоя 2,8 г/см3 не приводит к появлению максимумов на кривых Q. Дальнейшее увеличение плотности оксидно-медных лент прокаткой малоэффективно, т.к. требует проведения дополнительных обжатий в валках диаметром более 250 мм. Увеличение плотности активного слоя свыше 2,8 г/см3 приводит к существенному снижению коэффициента.
Получены зависимости удельной емкости и прочности электродных лент и плотности активного слоя от параметров процессов гранулирования и формования описываются однотипными зависимостями. Показано, что плотность активной массы может служить критерием оценки емкости и прочности электродных лент. Уравнения регрессии, связывающие плотность и прочность электродов с плотностью их активного слоя хорошо описываются полиномами второго порядка. Установлены условия устойчивости процесса формования оксидномедных электродных лент:
1) температуры процесса: max = 4, (W - температура кипения пропитывающей жидкости);
2) обеспечения достаточного относительного содержания q пропитывающей жидкости в лентах активной массы перед их накаткой на токоотвод.
3) ограничения обжатия е лент при накатке на токоотвод предельными обжатиями: е = 1,2 < е < е = 2,3;
4) ограничения скорости формования электродных лент максимальной скоростью, определяемой критерием CD/D - для гладких валков (щ/PV, = 5,25 (с-м)"~ допустимая деформация растяжения лент.
Разработка механизированной технологии формования ленточных оксидномедных электродов предполагает установление закономерностей процессов активной массы и накатки их на токоотвод, а также сопутствующих им процесс, отставания, уширения, усадки, сушки лент, \их деформационных характеристик, влияния параметров процесса формования 1 параметров оборудования на плотность активной массы, т.к. плотность управляемый в ходе формования, фактор определяющий эксплуатационные характеристики электродов,
В результате исследования опережения, усадки, сушки, расширения и деформационных характеристик оксидномедных лент в процессе формования получены: - уравнения частных зависимостей относительного опережения Sm от толщины 1 и плотности 1 лент и диаметра формующих валков, а также общее критериальное уравнение влияния этих факторов на опережение. Выше приведенные зависимости положены в основу математического аппарата расчета параметров процесса формования оксидномедных электродных лент и алгоритма управления процессом формования. Исходными данными являются: удельная емкость электрода Q, его толщина h (обычно 0,5 < h, < 1,0 мм), толщина сетки-токоотвода h коэффициент открытия сетки К плотность гранул активной массы у, диаметр валков D, длина бочки валков формования и накатки (&2), коэффициент шероховатости валков CSHR, длина ленты I между зазором валков формования и накатки, температура нагревателей ленты в межвалковом пространстве t (t < f max). Вычисляются: эффективная толщина токоотвода плотность активного слоя электродов (рекомендуемые значения: 2,6 < 2,8 г/см3), плотность формуемых лент активной массы.
Разработанное математическое описание использовано для оптимизации параметров процесса формования оксидномедных электродов и параметров прокатного оборудования. Показано, что для достижения плотности = 2,6.. .2,8 г/см3 минимальный диаметр валков формующих устройств должен составлять 150... 160 мм. Достижение большей плотности без введения дополнительных уплотняющих проходов невозможно. С увеличением толщины прокатанных электродных лент область возможного варьирования параметров D и hA расширяется. Предложенный алгоритм позволяет определять значения оптимальных параметров процесса формования электродов, при которых достигается оптимальная плотность активного слоя электродов при минимальном числе проходов, что обеспечивает высокое качество электродов, высокую производительность процесса и малую материалоемкость оборудования, т.к. формование электродных лент производится в 2 прохода.