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.