Delist.ru

Новые технологии получения и переработки электродных материалов для никель-кадмиевых аккумуляторов (18.09.2007)

Автор: Волынский Вячеслав Виталиевич

Научная новизна:

- Разработан новый способ получения гидроксида никеля (II) с высокой электрохимической активностью для активной массы никель-кадмиевого аккумулятора путем осаждения гидроксида никеля (II) из раствора соли никеля раствором щелочи с добавкой углекислого натрия. Создана пилотная автоматизированная установка получения гидроксида никеля (II), с помощью которой оптимизированы условия осаждения и изучено влияние избыточной концентрации натриевой щелочи на физико-химические и электрохимические свойства гидроксида никеля (II). Установлено, что обеспечение избытка натриевой щелочи в интервале 1,71-3,3 г/л при осаждении гидроксида никеля (II) исключает присутствие в составе Ni(OH)2 основных солей никеля, не участвующих в токообразующих процессах на оксидноникелевом электроде, и позволяет повысить электрохимические характеристики никель-кадмиевых аккумуляторов типа КL250Р.

- Разработаны алгоритм автоматизированного управления процессом осаждения гидроксида никеля (II) и комплекс технологического оборудования, которые позволили обеспечить физико-химическую однородность условий протекания реакции осаждения гидроксида никеля (II) и проводить отмывку Ni(OH)2 от сульфат-ионов, минуя этап предварительной агломерации кристаллов гидроксида никеля (II) посредством высушивания.

- Разработана технология изготовления оксидноникелевых электродов на металловойлочной основе: оптимизирован процесс химического никелирования основ; определена зависимость эффективности заполнения активной массой порового пространства от толщины никелевого покрытия металловойлочных основ.

- Оптимизирован способ введения соединений кобальта (II) и цинка (II) в активную массу металловойлочного оксидноникелевого электрода. Изучены механизмы активации металловойлочного оксидноникелевого электрода добавками кобальта - «поверхностный» и цинка - «внутриструктурный».

- Исследован процесс дистилляции кадмия из кадмийсодержащих отходов различного типа. На основе сформулированных принципов изготовлена печь ручейкового типа, позволяющая непрерывно вести процесс дистилляции кадмия. Разработана технология получения активной массы из вторичного металлического кадмия для отрицательных электродов никель-кадмиевых аккумуляторов.

- Разработан эффективный способ получения гидроксида никеля (II) для щелочных аккумуляторов из отработанных ламельных оксидноникелевых электродов, согласно которому отделение металлической составляющей от положительной активной массы осуществляют физико-механическим способом без перехода металлических примесей в раствор сульфата никеля. Определены условия деформации ламельных оксидноникелевых электродов и последовательность технологических операций, обеспечивающих качественное отделение металла от активной массы.

Практическая ценность:

- Разработанная и внедренная в производство автоматизированная установка для осаждения гидроксида никеля (II) позволила направленно улучшить физико-механические и электрохимические свойства гидроксида никеля (II), повысить разрядные характеристики никель-кадмиевых аккумуляторов КL250Р. Экономический эффект от внедрения результатов работы составляет 2788,8 тыс. руб. в год (по данным на 6.07.2005 г.).

- За счет повторного использования промывного конденсата значительно снижены энергозатраты при отмывке гидроксида никеля (II) от сульфат-ионов. Экономический эффект от внедрения результатов работы составляет 760 тыс. рублей в год (по данным на 22.01.2003 г.).

- Применение разработанной центрифуги позволило сократить количество Ni2+ в сточных водах предприятия и добиться уменьшения потерь дорогостоящего никельсодержащего сырья. Экономический эффект от внедрения результатов работы составляет 977,8 тыс. рублей в год (по данным на 1.04.2003 г.).

- Улучшены условия труда работающего персонала на участке приготовления активных масс. Путем механизации основных операций уменьшены материальные и трудовые затраты. Экономический эффект от внедрения результатов работы составляет 517,5 тыс. рублей в год (по данным на 15.01.2002 г.).

- Разработаны технологическое оборудование и оснастка для изготовления металловойлочных оксидноникелевых электродов.

- Развитые в работе представления о механизме активации оксидноникелевого электрода соединениями кобальта (II) и цинка (II) позволили оптимизировать состав активной массы металловойлочных оксидноникелевых электродов и повысить эксплуатационные характеристики источников тока. По результатам работ создано новое поколение никель-кадмиевых аккумуляторов для железнодорожного и авиационного транспорта с удельной энергией до 56 Вт·ч/кг и ресурсом до 2000 циклов.

- Изготовлена и внедрена печь ручейкового типа для переработки различных кадмийсодержащих отходов дистилляционным способом, с помощью которой возможно получение вторичного кадмия, соответствующего требованиям ГОСТ 1467-93 (марка Кд0) и пригодного для изготовления активных масс отрицательных электродов никель-кадмиевых аккумуляторов. Производительность печи достигает 100 кг металлического кадмия в сутки.

- Создан комплекс промышленного оборудования, производственные мощности которого позволяют переработать до 462 тонн ламельных оксидноникелевых электродов в год и обеспечить получение сульфата никеля в количестве до 355 тонн в год, соответствующего требованиям ГОСТ 2665-86.

- Подтвержденный общий экономический эффект от внедрения результатов работы на ОАО «Завод АИТ» составил 4370 тыс. рублей в год.

Получено 6 актов о внедрении и использовании результатов работы в ОАО «Завод АИТ». Новизна технических решений и авторский приоритет подтверждены 5 патентами на изобретения.

На защиту выносятся следующие основные положения:

- Пилотная установка получения гидроксида никеля (II). Алгоритм управляющих воздействий на технологические параметры процесса получения гидроксида никеля (II). Реактор для осаждения гидроксида никеля (II), обеспечивающий условия физико-химической однородности протекания процессов кристаллообразования.

- Физико-химические и электрохимические свойства гидроксида никеля (II). Оптимизация избытка натриевой щелочи для формирования гидроксида никеля (II) с заданными свойствами.

- Технология изготовления металловойлочных оксидноникелевых электродов. Результаты исследований электрохимических характеристик металловойлочных оксидноникелевых электродов при различных режимах эксплуатации и циклирования электродов. Макетные образцы оборудования и технологической оснастки для производства металловойлочных оксидноникелевых электродов.

- Способ активации металловойлочных оксидноникелевых электродов соединениями кобальта (II) и цинка (II).

- Новое поколение никель-кадмиевых аккумуляторов с повышенными эксплуатационными характеристиками для авиационного и железнодорожного транспорта с удельными характеристиками до 56 Вт?ч/кг.

- Технология переработки кадмийсодержащих отходов дистилляционным способом. Промышленный образец печи ручейкового типа для дистилляции кадмия.

- Технология и комплекс оборудования для гидрометаллургической переработки ламельных оксидноникелевых электродов.

-Технология получения активных масс из вторичного сырья для электродов никель-кадмиевых аккумуляторов с высокими электрохимическими характеристиками.

Обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций. Развитые научные положения и выводы, приведенные в диссертационной работе, являются результатом исследований, выполненных с применением различного современного научно-исследовательского оборудования и взаимодополняющих методов на экспериментальной базе кафедры физической химии Саратовского государственного университета, ОАО «Завод АИТ» (г. Саратов), ФГУП НПП «Алмаз» (г. Саратов). Выводы основаны на полученных экспериментальных данных, рекомендации многократно апробированы и внедрены в действующем производстве ОАО «Завод АИТ».

Апробация работы. Материалы работы докладывались на: Юбилейной научно-технической конференции «Современные электрохимические технологии» (Саратов, 1996); Международной научно-технической конференции «100 лет Российскому автомобилю» (Москва, 1996); Всероссийской конференции молодых ученых «Современные проблемы теоретической и экспериментальной химии» (Саратов, 1997); Международной конференции «Композит-98» (Саратов, 1998); XVI Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Санкт-Петербург, 1998); Всероссийском электротехническом конгрессе «ВЭЛК-99» (Москва, 1999); 14 и 16 Интернациональных конгрессах по химии и химическим технологиям «CHISA-2000», «CHISA-2004» (Прага, 2000, 2004); на научно-технической конференции «Системы и источники вторичного электропитания и элементная база для них» (Москва, 2004); научно-технической конференции «Актуальные проблемы электрохимической технологии» (Саратов, 2005); V Всероссийской конференции молодых ученых «Современные проблемы теоретической и экспериментальной химии» (Саратов, 2005); VI Международной конференции «Фундаментальные проблемы электрохимической энергетики» (Саратов, 2005); Интернациональном симпозиуме «EURO-ECO» (Ганновер, 2006).

Публикации. По теме диссертационного исследования опубликовано 40 работ, в том числе 16 статей в реферируемых журналах, 4 патента и 1 заявка на получение патента.

Личный вклад автора. Личный вклад автора в работы, выполненные в соавторстве, заключается в обосновании и постановке задач исследования, участии во всех этапах экспериментальных и опытно-конструкторских разработок, статистической обработке и интерпретации результатов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованной литературы и 8 приложений. Общий объем диссертации 333 страницы, содержит 75 рисунков и 72 таблицы. Список литературы включает 334 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности темы, сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна и практическая значимость работы.

Глава 1. Способы получения гидроксида никеля его структурные

и электрохимические свойства

, Cl- от гидроксида никеля (II). Определено наиболее перспективное направление по созданию технологии получения Ni(OH)2, без первой сушки.

Изучение кристаллической структуры и фазовых превращений гидроксидов никеля при заряде и разряде оксидноникелевого электрода (ОНЭ) показало, что электрохимические характеристики ОНЭ во многом определяются структурой кристаллической решетки гидроксида никеля и его фазовым составом. В свою очередь, фазовый состав активной массы зависит от условий протекания окислительно-восстановительных реакций и от условий синтеза Ni(OH)2.

Для оценки влияния строения кристаллической решетки исходного Ni(OH)2 на протекание окислительно-восстановительных процессов приведены основные этапы развития и построения физической модели протонного массопереноса в ОНЭ.

В главе рассматриваются проблемы эффективности процессов электрохимического окисления-восстановления оксидноникелевого электрода, которые решают путем введения активирующих добавок. На примере добавок соединений Сo и Zn проанализированы наиболее вероятные механизмы их воздействия на работу ОНЭ.

загрузка...