ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Наименование инновационного проекта

Технология производства свинцово-кислотных аккумуляторов

Рекомендуемая область пременения

Возможно применение во всех отраслях производства и в быту, где невозможно использовать стационарные источники тока.

Назначение, цели и задачи проекта

Развитие электроники, информатики, средств коммуникации и транспорта требует  разработки мощных мобильных и компактных источников энергии.

Цели проекта – разработать технологию производства свинцово-кислотных аккумуляторов, которые обладают следующими свойствами:

Отсутствие в технологическом процессе изготовления положительного и отрицательного электрода операций, связанных с использованием свинцового порошка, являющегося одним из основных источников загрязнения окружающей среды и наиболее дорогостоящим продуктом, использующемся при изготовлении аккумуляторов;

Низкий удельный расход свинца;

Высокие удельные энергетические характеристики;

Простота технологии, позволяющей легко автоматизировать весь технологический процесс.

Низкая себестоимость производства аккумуляторов;

Краткое описание заменяемого процесса или решаемой проблемы

Свинцово-кислотные аккумуляторы, являются очень распространёнными вторичными источниками тока. Они обладают относительно высокими электрическими характеристиками на единицу веса и объёма.

Положительными качествами свинцово-кислотных аккумуляторов по сравнению со щелочными, являются высокие допустимые разрядные токи и низкий саморазряд. Это определило их широкое применение на транспорте, в качестве стартерных, тяговых и буферных аккумуляторов, в связи и энергоснабжении, в качестве аварийного и буферного источника тока.

Основными составными частями кислотных АКБ являются положительные и отрицательные пластины (электроды), соединённые перемычками в полублоки и блоки, сепараторы, моноблоки (банки), крышки и электролит.

Батареи обычно собирают в пластмассовом сосуде - моноблоке. Пластина каждой полярности состоит из активной массы и решетки ,которая служит токоотводом и удерживает активную массу.

Краткое описание предлагаемого технологического процесса

Технология производства свинцово-кислотных аккумуляторов  различного назначения: тяговых, стационарных, стартерных, а также малогабаритных герметизированных аккумуляторов. Особенность этой технологии заключается в полнм отсутствии операций, связанных с приготовлением и использованием свинцового порошка при изготовлении как положительного, так и отрицательного электрода. Активный материал на электродах образуется путем окисления поверхностного слоя  основы электрода. Во время образования активного материала на него оказывается давление. Это позволяет поучать электроды с толщиной активного материла 3 мм и более. До разработки данной технологии такие параметры были нереальными.

Найдено техническое решение, которое позволяет решить самую важную проблему, возникающую при производстве свинцово-кислотных аккумуляторов: ликвидировать загрязнение окружающей среды, как на самом предприятии, так и на территории к нему прилегающей.

Предлагаемая технология изготовления электродов позволяет кардинально изменить технологическую схему производства свинцово-кислотных аккумуляторов и за счет этого упростить и удешевить производство.

Научная новизна предлагаемых в проекте решений состоит в  том, что проанализировав конструктивные особенностей различных модификаций современного по­верхностного электрода разработчики пришили к выводу, что наиболее существенные его недостатки обусловлены наличием значительных внутренних напряжений в активной массе электрода, формируемой анодной обработкой свинцовой основы. Возникающие в процессе электрохимического образования активной массы внутренние напряжения затрудняют получение достаточного толстого слоя массы, электрически и механиче­ски тесно связанного с токоотводящей основой поверхностного электрода. Обычно толщина слоя активной массы составляет 0,3-0,5 мм. Значительная часть актив­ного вещества (PbO₂) отслаивается. Скорость коррозии основы положительного электрода в процессе эксплуатации СКА заметно зависит от экранирующего влияния и, следовательно, от толщины покрывающего ее слоя активной массы. Этот эф­фект проявляется в известных поверхностных электродах, имеющих тонкий слой массы. В связи с этим необходимый ресурс СКА с поверхностным положительным электродом достигается увеличением исходной толщины свинцовой основы (до 10-12 мм). Указанное условие также необходимо для исключения деформации (короб­ления) основы в процессе формирования и эксплуатации СКА.

Разработчики нашли возможность улучшения характеристик положительного элек­трода СКА при компенсации сил внутреннего напряжения, возникающих в активной массе в процессе электрохимического формирования. При этом была существенно изменена конструкция и технология изготовления поверхностного электрода. Поставленная цель была достигнута за счет того, что электрохимическое формиро­вание стали проводить под давлением, направленным перпендикулярно к поверхно­сти образующейся активной массы. Проведение электрохимического формирования активной массы под давлением, компенсирующим действия сил внутреннего напря­жения исключило отрыв слоя активной массы от токоведущей основы и его разру­шение даже при значительной толщине слоя, а также снизило омическое сопротив­ление на границе раздела активного вещества с токоотводом.

Толщина активного слоя составляет не менее 3 мм. Аккумуляторы, собранные с подобными электродами, имеют высокие удельные электрические характеристики Низкую себестоимость производства.

Выла проведена НИОКР по изучению возможности и эффективности электрохимического  формирования поверхностного электрода свинцового аккумулятора под давлением, направленным перпендикулярно к поверхности образующейся массы. Основа исследуемых электродов была выполнена из свинца (CI) в виде плоского листа и круглого стержня с исходной рабочей площадью 24 кв. см. Давление на образующуюся массу осуществлялось с помощью упруго растягивающегося пористого панциря из устойчивого к коррозии материала, в который помеща­лась формируемая основа электрода. Величина давления, оказываемого на слой об­разующейся массы, находилась в пределах 0,18-0,5 МПа.

Формирование проводили в сернокислом электролите. Зарядно-разрядное циклирование осуществляли в растворе серной кислоты (ХЧ) плотностью 1,28 г/см3 при t 20-22° С.

Удельные электрические характеристики рассчитывали на основании результатов измерений, выполненных на 5 цикле при разряде током 20-часового режима до ко­нечного потенциала положительного электрода 1,95 В относительно кадмиевого электрода сравнения. Заряд электродов проводили током равным 0,1 емкости 10-часового режима разряда ДО постоянства электродного потенциала. Длительное циклирование электродов осуществлялось по методике  в аккумуляторах, емкость которых лимитировалась положительным электродом.

В таблице 1 представлены некоторые технические характеристики положительных электродов СКА, полученных по описанной методике (под давлением). Для сравне­ния в таблице приведены ориентировочные данные для некоторых промышленных электродов (поверхностного и намазного типа).

Сак следует из таблицы, положительные электроды, полученные по новой       технологии, по основным параметрам заметно превосходят известные поверхностные электроды типа Планте и не уступают электродам намазного типа.

Высокие удельные емкостные характеристики электродов обусловлены несколькими факторами.

Как известно, емкость электродов СКА зависит от состава и структуры активной массы. Результаты рентгеносгруктурного анализа активной массы электрода после 5 и 300 зарядно-разрядных циклов приведены в таблице 2.  Там же показана удельная поверхность и пористость активной массы, полученные, соответственно, методом тепловой десорбции аргона и весовым методом.

Приведенные данные свидетельствуют о том, что активная масса положительных электродов представляет собой -PbO₂ - наиболее энергоемкую модификацию диок­сида свинца. Об эффективности массы свидетельствует сравнительно высокий коэффициент использования. При средней толщине 2,6 мм он составляет при 20-часовом режиме 56%, 5-часовом - 49%, 1-часовом - 37%, 5-минутном разряде -

Возможность получить достаточно толстый слой активной массы на относительно тонкой основе позволяет также существенно повысить удельные энергетические характеристики электрода с сохранением необходимого ресурса. Отношение веса активной массы к общему весу электрода достигает 70%, что заметно превосходит [аналогичный показатель для намазных электродов.

Была изучена возможность изготовления по беспорошковой технологии отрица­тельного электрода. С этой целью электрод, полученный по описанной выше технологии (толщина слоя активной массы 2,4-2,6 мм), формировался в качестве отрица­тельного электрода до потенциала -0,2 В относительно кадмиевого электрода сравнения. Для стабилизации емкости в массу вводили расширители. По удельным электрическим характеристикам отрицательный электрод не уступал положительному. Величина разрядной емкости за 300 циклов изменялась незначительно. Полный реcypc электрода пока не установлен. Срок службы экспериментальных образцов уже превышает 10 лет.

Таким образом, по способу получения активного материала электрод, изготавливаемый по разработанной технологии, является поверхностным электродом  или «электродом Планте». Но в отличие от «электрода Планте», изготавливаемого по существующим промышленным технологиям, новая технология позволяет получать электроды с толщиной слоя активного материала 3 мм и более, причем как у положительного, так и у отрицательного электрода. Эти электроды способны работать в условиях длительного цитирования. Одним из вариантов конструктивного исполнения электродов являются стержневые панцирные электроды.

Главной особенностью технологии, позволяющей получать слой активного материала большой толщины, является то, что во время образования активного материала на него оказывается давление, например, со стороны панцирной ткани, прижимаю­щее активный материал к основе электрода. Величина давления зависит от конструкции электрода, условий его эксплуатации и других факторов. Давление позволяет исключить образование трещин и отслоений активного материала от основы электрода при большой толщине слоя активного материала.

По основным техническим характеристикам  аккумулятор не уступает мировому техническому уровню.

Технико-экономическое обоснование применения инновационной технологии

Расчет затрат, необходимых для начала выпуска аккумуляторов «СКАТ»

Планируемое получение прибыли при годовом производстве 100 000 штук аккумулятора «СКАТ» составит около 4 680 тыс. руб. Окупаемость 1 год.

Технические характеристики аккумулятора «СКАТ» в сравнении с  характеристиками аккумулятора «АССИ Pb/R» типоразмера D (R20)  фирмы  VARTA и  свинцового аккумулятора «Cyclon-D» типоразмера D (R20)  фирмы  GatesEnergyProducts, США

Как следует из таблицы, по основным техническим характеристикам «СКАТ» не только не уступает зарубежным аналогам. Но и по важнейшим из них – удельная энергия и удельный расход свинца – даже превосходить их.

Технология позволила снизить себестоимость аккумулятора на 50 %.

Технико-экономические показатели трудо-энерго-природосбережения нового процесса

Высокие удельные энергетические характеристики (32 Вт х/ кг) при низкой закладке свинца - 16,8 г/Вт х ч.o       Низкая себестоимость производства аккумуляторов (снижение себестоимости аккумуляторов на  50% по сравнению с зарубежными аналогами)

Экологическая безопасность

Возможность 100% автоматизации процесса

Новые потребительские свойства продукции

Снижение себестоимости на 50 % по сравнению с зарубежными аналогами.

Качественные характеристики, предъявляемые к сырью и материалам

Продукция соответствует государственным стандартам.

Стадия и уровень разработки

Были изготовлены приспособления и оборудование для обеспечения технологических операций по изготовлению и сборке аккумулятора. Была изготовлена технологическая оснастка. Были закуплены комплектующие и материалы и подготовлено производство зарядных устройств на ФГУП «Курский завод «Маяк». Выпущена опытная партия герметизированного аккумулятора «СКАТ» типоразмер D (R20)

Предлагаемые инвестиции

5,8 млн. руб.
Для осуществления производства аккумуляторов «СКАТ» необходимо:
1. Восстановить конструкторскую и технологическую документацию. Изготовить и испытать опытные образцы. Помещение для лаборатории. срок 3-4 месяца. Стоимость 3000 тыс. руб.
2. Разработка, изготовление и покупка производственного оборудования. Сырья и материалов. Размещение заказов. Срок 6-8 месяцев. Стоимость 2500 тыс. руб.
3. Монтаж оборудования. Изготовление и выпуск первой партии в 1000 штук аккумуляторов «СКАТ». Срок 1-2 мес. Стоимость 300 тыс. руб.

Рынки сбыта

Существует два типа рынка для данной технологии:
Рынок производителей и рынок конечных потребителей продукции.
Мониторинг мирового рынка аккумуляторов.
В 2004 г. мировой рынок аккумуляторных батарей оценивался в 27 млрд. долларов США, при этом 80% от этого рынка составляли свинцово-кислотные аккумуляторные батареи, что составляет около 21,6 млрд. долларов. По оценкам экспертов, в 2010 году рынок вырастет до 45 млрд. долларов США, при этом доля свинцово-кислотных аккумуляторных батарей в абсолютном значении составить около 24 млрд. долларов.
Дальнейший рост рынка аккумуляторов будет связан с активным распространением приборов.
Учитывая ценовые преимущества разработанной продукции (цена аккумуляторов «СКАТ» в 2 раза ниже цены аккумулятора «АССИ Pb/R (VARTA)» и «Cyclon-D» Gates Energy Products) и ее функциональные преимущества, можно прогнозировать экспорт продукции как в страны СНГ, так и в так называемые страны дальнего зарубежья.
Наиболее привлекательными рынками для аккумуляторов «СКАТ» являются Китай и Азиатско- Тихоокеанский регион, что обусловлено бурным развитием промышленности, в частности, электроники, в этих странах.
Российский рынок.
По данным экспертов, занимающихся проблемами изготовления и реализации первичных элементов (батареек) типоразмера R20 (373), потребность в них составляет 3 млрд. штук в год. Учитывая, что один аккумулятор «СКАТ» функционально заменяет 200-250 первичных элементов аналогичного типоразмера из-за возможности многократного заряда-разряда аккумулятора, годовая потребность аккумулятора «СКАТ» в России может составить не менее 12 млн. шт.
Ввиду появления на рынке новых изделий, ориентированных исключительно на автономное питание, предполагается повышенный спрос на аккумуляторы.

Возможность и эффективность импортозамещения

Такая возможность есть. Технические характеристики аккумулятора «СКАТ» в сравнении с характеристиками аккумулятора «АССИ Pb/R» типоразмера D (R20) фирмы VARTA и свинцового аккумулятора «Cyclon-D» типоразмера D (R20) фирмы Gates Energy Products, США приведены в разделе Технико-экономическое обоснование.

Возможность выхода на мировой рынок

Срок окупаемости (в месяцах)

12

Дата поступления материала

16.11.2006