Закономерности процесса формования электродов на основе оксида меди и влияние параметров процесса на эксплуатационные характеристики литиевых источников тока
17 Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Закономерности процесса формования электродов на основе оксида меди и влияние параметров процесса на эксплуатационные характеристики литиевых источников тока Новочеркасск - 2008 Общая характеристика работы Актуальность работы Литиевые источники тока (ЛИТ) относят к новым, нетрадиционным химическим источникам тока. Однако за последние 25-30 лет они прошли путь от поисковых исследований до серийного производства широкой номенклатуры источников тока. Уникальные эксплуатационные характеристики ЛИТ позволили им завоевать значительную часть рынка автономных источников электропитания, которая стабильно увеличивается с каждым годом по мере развития военной и космической техники, бытовой и промышленной радиотехники и электроники, вычислительной техники, мобильной медицинской аппаратуры и т.д. Сдерживает дальнейшее расширение рынка ЛИТ их относительная дороговизна, что напрямую связано с низкой эффективностью технологических процессов и оборудования, а в ряде случаев с невысокой стабильностью характеристик элементов и аккумуляторов. Решение этих проблем невозможно без всестороннего исследования процессов, используемых в промышленной технологии ЛИТ, выбора наиболее эффективных технологических процессов, оптимизации параметров этих процессов и параметров применяемого оборудования, разработки алгоритмов управления технологическими процессами с целью достижения высокого качества источников тока и снижения производственных потерь. Несмотря на несомненную актуальность проведения научно-исследовательских и технологических работ в этих направлениях, ученые и разработчики уделяют недостаточно внимания исследованию промышленных технологий производства ЛИТ, влияния режимов технологических процессов на качество источников тока в целом и электродов в частности. Так, практически отсутствуют работы, посвященные выявлению связей параметров процесса формования электродов и их электрических характеристик. Не изучены закономерности влияния параметров технологического оборудования на эксплуатационные характеристики электродов. Известно, что характеристики положительных электродов ЛИТ в большинстве случаев определяют удельные электрические характеристики источников в целом. Технологические процессы изготовления этих электродов сложны, трудоемки и энергоемки, поэтому от их эффективности во многом зависит эффективность всего производства ЛИТ и стоимость выпускаемых источников. Несмотря на это, технологии положительных электродов ЛИТ не уделяется должного внимания. Литиевые источники тока с катодами на основе оксида меди (П) -- элементы одной из наиболее исследованных электрохимических систем с литиевым анодом. Эти элементы доведены до производства и выпускаются серийно. Однако эффективность производства оксидномедных катодов и степень исследованности технологических процессов, в частности процесса формования ленточных электродов, невысока. Обобщая вышеизложенное, можно утверждать, что актуальным является исследование закономерностей процесса формования электродов на основе СuО и влияния параметров этого процесса на эксплуатационные характеристики литиевых источников тока. Целью работы являлось совершенствование и оптимизация технологии изготовления ленточных оксидномедных электродов литиевых источников тока, пригодной для промышленного использования, обеспечивающей высокую производительность, снижение технологических потерь и повышение воспроизводимости технико-эксплуатационных характеристик электродов, за счет учета закономерностей влияния на эксплуатационные характеристики электродов параметров процессов гранулирования активной массы и формования ленточных электродов и параметров используемого оборудования, Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач: - исследование электрических и физико-механических свойств сформованных оксидномедных ленточных электродов, установление закономерных связей параметров технологических процессов и оборудования с характеристиками электродов и показателями эффективности процессов; - исследование закономерностей процесса формования оксидномедных электродов, а также исследование влияния размеров гранул оксидномедной активной массы и режимов их обезвоживания на процесс формования электродов и их эксплуатационные характеристики; - разработка математического описания процесса формования ленточных оксидномедных электродов, алгоритмов оптимизации и управления этим процессом; - определение оптимальных параметров процесса формования и используемых для формования гранул и режимов их обезвоживания, а также параметров технологического оборудования, обеспечивающих требуемые электрические и физико-механические характеристики электродов - разработка эффективных технических решений, позволяющих реализовать оптимизированные технологии гранулирования оксидномедных масс и формования ленточных оксидномедных электродов. Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем: - установлены закономерности влияния параметров процесса сушки-гранулирования и процесса формования на характеристики оксидномедных электродов, а также закономерности процессов сопутствующих формованию: опережения, отставания, уширения, усадки и сушки лент на основе оксида меди (П); - разработана математическое описание и алгоритм управления процессом непрерывного формования ленточных оксидномедных электродов ЛИТ с учётом опережения лент активной массы; - разработан алгоритм, позволяющий определить, рассчитать и оптимизировать параметры процесса формования электродов и соответствующего технологического оборудования, а также математический аппарат для расчета параметров процесса формования по заданным характеристикам электродов; - получен новый экспериментальный материал о физико-механических и технологических свойствах оксидномедных активных масс и электродных лент, непосредственно влияющих на процесс изготовления электродов и параметры технологического оборудования, а также о физико-механических свойствах прокатанных лент активной массы в зависимости от параметров процесса прокатки. Практическая ценность заключается в том, что - предложена механизированная технология сушки-гранулирования оксидно-медной активной массы и непрерывного формования ленточных электродов, даны рекомендации по выбору оптимальных параметров этих процессов и параметров используемого оборудования; - предложены алгоритмы управления процессом и расчёта оптимальных параметров процесса формования электродов и параметров технологического оборудования, математический аппарат для расчета параметров процесса формования по заданным характеристикам электродов; - разработаны технические решения, позволяющие реализовать оптимизированные технологии, в том числе, разработана конструкция, признанная изобретением, и создан макетный образец гранулятора оксидномедной массы, обеспечивающего стабильное получение гранул оптимального размера; - повышены эксплуатационные характеристики оксидномедных электродов и их стабильность. Алгоритм оптимизации процесса формования и математический аппарат для расчета технологических параметров апробированы в условиях серийного производства. На защиту выносятся: - закономерности влияния параметров процессов сушки-гранулирования, формования и параметров технологического оборудования на электрические и физико-механические характеристики оксидномедных электродов; - математическое описание процесса непрерывного формования оксидномедных электродных лент, алгоритмы управления процессом и расчёта оптимальных параметров процесса формования электродов и параметров технологического оборудования, математический аппарат для расчета параметров процесса формования по заданным характеристикам электродов; - оптимизированная технология сушки-гранулирования оксидномедных масс и формования ленточных электродов; рекомендованные оптимальные размеры гранул, параметры процессов сушки-гранулирования, формования и параметры технологического оборудования; - разработанные технические решения, позволяющие реализовать оптимизированные технологии. Апробация и внедрение работы. Материалы диссертации доложены на трех международных научных конференциях, на заседаниях технических советов НЛП «Квант» г. Москва, ОАО «Литий-элемент» г. Саратов, Хозрасчетного научно-производственного центра «Интеграл» и ОКТБ «Орион» г. Новочеркасск. Технологические рекомендации, разработанные алгоритмы и математический аппарат для технологических расчетов внедрены в НЛП «Квант», НПЦ «Интеграл» и ОАО «Литий-элемент». 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.
Страницы: 1, 2
| 
