На правах рукописи
Сербиновскнй Михаил Юрьевич
НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЯ
ГРАНУЛИРОВАНИЯ АКТИВНЫХ МАСС И ФОРМОВАНИЯ
ПОЛОЖИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОДОВ ЛИТИЕВЫХ
ИСТОЧНИКОВ ТОКА
«Электрохимия»
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
доктора технических наук
Новочеркасск – 2002
Работа выполнена в Южно-Российском государственном техническом университете (Новочеркасском политехническом институте) и Государственном унитарном предприятии Особое конструкторско-технологическое бюро «Орион».
Научный консультант: доктор технических наук, профессор Кукоз Ф.И.
Официальные оппоненты: доктор химических наук, профессор Кедринский И.М. -А., доктор технических наук, профессор Гасанов Б.Г., доктор химических наук, профессор Попова С.С.
Актуальность работы. Литиевые источники тока (ЛИТ) за последние 30 лет прошли путь от поисковых исследований, разработки и выпуска первых образцов, до серийного производства широкой номенклатуры источников тока. Уникальные эксплуатационные характеристики и, в первую очередь высокие удельные энергетические, позволили ЛИТ в короткий срок завоевать значительную часть рынка автономных источников электропитания. Если начало эксплуатации этих источников тока было связано с военной и космической техникой, то сейчас они широко используются в бытовой и промышленной радиотехнике и электронике, вычислительной технике, медицинской аппаратуре и т.д. Развитие передовых отраслей техники стимулирует разработку именно ЛИТ, т.к часто оказывается, что только эти источники позволяют создать компактные изделия, работающие длительное время в широком диапазоне температур. Важным условием дальнейшего расширения рынка является дешевизна ЛИТ и стабильность их характеристик. Это напрямую связано с пригодностью к серийному и массовому производству внедряемых технологий, эффективностью используемых технологических процессов и оборудования. Между тем работы в области эффективных технологий и создания специального технологического оборудования для серийного производства ЛИТ существенно отстают от достижений в разработке самих источников. Основные научные достижения последних лет в области ЛИТ связаны с разработкой новых электрохимических систем, электродных материалов и электролитов. В меньшей степени внимание ученых привлекает совершенствование ЛИТ, освоенных промышленностью. Еще меньше научно-исследовательских работ посвящено технологиям и оборудованию производства ЛИТ, хотя высокий уровень именно этих двух составляющих позволяет обеспечить стабильно высокое качество выпускаемой продукции и высокую эффективность производства.
Повышение эффективности стало чрезвычайно важной и актуальной проблемой производства ЛИТ. Решение этой проблемы связано с разработкой высокоэффективных технологий и высокопроизводительного оборудования, позволяющих выпускать изделия с заданными свойствами, высокого качества и надежности. Прогресс в этом направлении сдерживается явно недостаточным объемом исследований процессов, используемых в промышленной технологии ЛИТ. Не исследовано влияние режимов технологических процессов на качество электродов и свойства активных масс. Фактически отсутствуют работы, в которых рассмотрена связь параметров процесса формования электродов и их электрических характеристик. Самостоятельной проблемой является то, что не изучены закономерности влияния параметров технологического оборудования на эксплуатационные характеристики электродов. Исследования практически не затрагивают вопросы синтеза специального технологического оборудования с учетом влияния его параметров на эксплуатационные характеристики электродов. В полной мере эти утверждения относятся к производству положительных электродов, хотя в большинстве случаев именно характеристики положительных электродов определяют удельные электрические характеристики ЛИТ. Технологические процессы изготовления катодов сложны, трудоемки и энергоемки, поэтому от их интенсивности, эффективности и экологических показателей во многом зависят показатели всего производства ЛИТ. Несмотря на это, развитию теории процессов производства положительных электродов ЛИТ не уделяется должного внимания.
Обобщая вышеизложенное, можно утверждать, что актуально развитие теории процессов изготовления положительных электродов ЛИТ, исследование и разработка эффективных промышленных технологий и создание специального технологического оборудования для производства положительных электродов ЛИТ.
Целью работы является:
разработка теоретических основ процессов гранулирования активных масс и формования ленточных положительных электродов ЛИТ, создание на этой базе технологий и специального технологического оборудования, обеспечивающих высокое качество и воспроизводимость характеристик электродов при высокой эффективности их производства.
Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:
исследование процессов сушки-гранулирования активных масс и формования положительных электродов ЛИТ, исследование электрических и физико-механических свойств гранулированных масс и сформованных электродов, установление закономерных связей параметров процессов и технологического оборудования с характеристиками электродов и показателями эффективности процессов;
разработка теории процессов сушки-гранулирования активных масс и формования ленточных электродов, в том числе, математического описания процесса формования электродов, формулирование принципов: а) построения совмещенного процесса сушки-гранулирования активных масс, б) выбора схем формования электродов, в) разработки технологического оборудования;
создание эффективных технологий гранулирования активных масс и формования ленточных электродов, разработка новых способов гранулирования и формования, а также способов управления этими процессами; определение оптимальных параметров процессов сушки-гранулирования и формования, а также параметров технологического оборудования, обеспечивающих требуемые электрические и физико-механические характеристики электродов;
создание специального технологического оборудования для сушки и гранулирования активных масс и формования электродов, обеспечивающего высокие стабильные характеристики электродов, высокую производительность, малые потери активных масс и технологические затраты, а также улучшающего экологические показатели производства.
Научная новизна диссертационной работы включает следующее:
1. Разработаны теоретические основы совмещенного процесса сушки и гранулирования активных масс, установлены качественные и количественные закономерные связи параметров этих процессов с электрическими характеристиками электродов, физико-механическими свойствами активных масс и электродных лент, на основании которых:
- разработан новый способ сушки-гранулирования, основанный на использовании для формования гранул усадки масс и склонности к образованию трещин во время сушки;
сформулированы принципы построения процесса сушки-гранулирования и выбора оптимальных комбинаций гранулирующих и сушильных устройств, условий и режимов процесса сушки и гранулирования;
предложен метод интенсификации процесса обезвоживания, заключающийся в последовательном использовании разных способов обезвоживания, определены условия перехода от одного способа обезвоживания к другому, связанные с влажностью массы и прочностью гранул.
2. Разработана теория формования ленточных электродов химических источников тока:
установлены закономерности влияния параметров процесса формования и технологического оборудования на электрические и физико-механические характеристики электродных лент;
определены условия устойчивости процесса формования ленточных электродов;
разработано математическое описание процесса непрерывного формования ленточных электродов из активных масс, пропитанных органической жидкостью, водных и водно-спиртовых паст, предложен и математически описан новый способ управления процессом формования электродных лент, предусматривающий компенсацию опережения и отставания лент с учетом усадки лент;
предложен алгоритм оптимизации параметров процесса формования ленточных электродов и соответствующего технологического оборудования, математический аппарат для технологических и конструкторских расчетов;
определены границы применимости процесса экструдирования в технологии положительных электродов ЛИТ, доказано, что принудительная подача массы в формующие валки позволяет повысить плотность электродов на основе твердых деполяризаторов и, соответственно, их удельную емкость, а также снять ограничение по скорости формования лент (критерий co/D), тем самым повысить производительность оборудования.
3. Сформулированы принципы разработки специального технологического оборудования для сушки и гранулирования активных масс и формования ленточных электродов, которые легли в основу оригинальных технологических установок, установлены интервалы параметров оборудования, обеспечивающих устойчивое получение гранул заданных размеров и формование электродов с высокими эксплуатационными характеристиками; даны рекомендации по выбору рациональных схем и оптимальных параметров этих установок.
Практическая ценность заключается в том, что разработаны непрерывные механизированные технологии сушки-гранулирования активных масс и формования угольных, диоксидно - марганцевых и оксидно - медных электродов с высокими эксплуатационными характеристиками, характеризующиеся высокой производительностью, стабильностью и низкими потерями электродных материалов;
существенно снижены дисперсии удельной емкости, толщины и плотности электродов;
разработаны рекомендации по выбору вариантов технологии сушки- гранулирования активных масс и формования электродных лент, состава и параметров соответствующего оборудования, получены уравнения для расчета параметров этих процессов по заданным характеристикам электродов;