ХИМИЧЕСКИЙ ИСТОЧНИК ТОКА Российский патент 1995 года по МПК H01M2/02 H01M10/40 

Изобретение относится к электротехнической промышленности, а именно к химическим источникам тока с литиевым анодом и апротонным электролитом.

Известны плоские литиевые элементы, корпус которых выполнен из двух отформованных из тонкого металла тарельчатых деталей, склеиваемых между собой по периметру термопластичным клеем. Каждая деталь несет либо положительный, либо отрицательный электрод, припрессованный к ее внутренней поверхности. Между положительным и отрицательным электродами располагается сепаратор, пропитанный электролитом. Детали корпуса одновременно являются токоотводами (1).

В такой конструкции возможна только односторонняя работа каждого из электродов, что и является ее недостатком.

Известен химический источник тока и кожух для него, применяющийся для эксплуатации в атмосферной среде, который изготовляют с гибкими электродными пластинами, между которыми зажаты содержащие электролит сепараторы. Электроды и сепараторы скреплены электроизоляционными зажимами. Каждый из электродов имеет вытянутый металлический полюсный вывод. Корпус представляет собой полимерную деталь, имеющую наружные швы, некоторые из которых выполнены поверх вытянутых металлических полюсных выводов, частично выступающих из корпуса. Этот источник тока может быть выполнен из вспененного полимерного материала или гибкого листового полимера с наполнителем из изоляционного материала (2). Упомянутый элемент наиболее близок по техническому решению к предлагаемому химическому источнику тока и может быть принят за прототип. Известно, что полимерные материалы, например, полиэтилен, проницаемы для паров воды, а чем тоньше материал, тем меньше его сопротивление диффузии. Отсюда следует, что описанный выше источник тока имеет существенный недостаток, вращающийся в ограничении срока сохраняемости. Для источников тока, в которых использованы электрохимические системы, содержащие литий, взаимодействующий с парами воды, и гигроскопичные электролиты, в состав которых входят органические растворители, такой недостаток превращается в принципиальное ограничение.

Задача изобретения увеличения срока и повышения надежности путем предотвращения диффузии паров воды извне и паров электролита изнутри источника тока при сохранении возможности двусторонней работы по крайней мере одного из электродов.

Это достигается тем, что в источнике тока применен наряду с полимерными материалами еще и гибкий металл, например, алюминиевая фольга. Корпус источника тока снабжен дополнительным металлическим слоем, токоотводы выполнены из металлической ткани с толщиной нити 0,05-0,20 мм, токовывод предварительно пропитан расплавленным или растворенным полимерным материалом на протяжении больше ширины шва, который выполнен шириной не менее 1,00 мм, а исходная суммарная толщина полимерного материала в месте прохода токовывода больше толщины токоотвода, анод выполнен из лития, а в качестве электролита взят апротонный электролит.

Металлический слой, даже при толщине 10-20 мкм, является непроницаемым для диффузии паров воды и растворителей. Наличие такого слоя в гибком корпусе источника тока обеспечивает его сохранность в течение длительного времени. При незначительной толщине металлического слоя целесообразно применять его в сочетании с полимерными материалами, которые в этом случае обеспечивают необходимую прочность корпуса, а также изоляцию металлического слоя корпуса от электродов и токоотводов. Наиболее целесообразно применять многослойные пленки, например, материал ЛФПЭ ТУ6-19-051-571-85, в котором один из слоев выполнен из металла.

Полимерные материалы, как правило, имеют слабую адгезию к металлам, в связи с чем желательно создать наибольшую поверхность соприкосновения полимера с металлом токоотвода, не увеличивая при этом ширину соединительного шва. Это достигается применением в качестве токоотвода полосок плотной металлической ткани или сетки. Экспериментально установлено, что например, для сварки полиэтилена толщиной 0,01-0,2 мм, герметичность шва в месте выхода токоотводов обеспечивается при следующих условиях: диаметр металлической нити ткани 0,1-0,05 мм, толщина по ткани 0,1-0,2 мм, ширина шва не менее 2 мм, суммарная толщина полимерного материала в месте сварки, по крайней мере, вдвое превышает толщину ткани. Применение металлического слоя в оболочке элемента (батареи) приводит к вероятности замыкания одного или обоих токоотводов на этот слой, так как при образовании скрепляющего шва (сварке, склейке), материал полимерного слоя затекает в поры выполненного из металлической ткани токоотвода.

С целью повышения надежности изоляции элемента (батареи) его токоотвода предварительно пропитывается расплавленным (растворенным) полимером, из которого выполняется шов, на протяжении не менее ширины будущего шва. Пропитанный полимером участок токоотвода при герметизации совмещается со швом.

На фиг. 1 показано устройство элемента в гибком корпусе (гибкой оболочке); на фиг. 2 источник тока в виде батареи из трех элементов в общем корпусе; на фиг.3 конструкция токоотвода и взаимное расположение токоотвода и шва при герметизации источника тока.

Устройство содержит токоотвод катода 1, выполненный из металлической ткани (сетки); наружный полимерный слой 2 гибкой оболочки (корпуса); металлический слой 3 гибкой оболочки; внутренний слой гибкой оболочки из полиэтилена 4; анод 5, выполненный из металлического лития; сепаратор 6, пропитанный электролитом; катод 7, выполненный из диоксида марганца или другого окислителя и пропитанный электролитом; токоотвод анода 8, выполненный из металлической ткани (сетки); межэлементные соединения 9, токоотводы батареи 10, выполненные из металлической ткани (сетки); зону 11, пропитанную полимерным материалом; оболочку 12; шов 13 из полимерного материала.

П р и м е р 1. Элемент с габаритами 30 х 40 х 1,5 мм имеет емкость 0,1 А.ч, номинальное напряжение 3 В, сохраняемость 3 года. Состоит из одного оксидмарганцевого электрода, обернутого в сепаратор и пропитанного электролитом, и одного литиевого электрода. Каждый электрод имеет токоотвод в виде полоски ткани из нержавеющей стали. Элемент имеет внутреннюю полиэтиленовую оболочку и наружную оболочку из трехслойного материала. Трехслойный материал представляет собой последовательно склеенные полиэтиленовую пленку, алюминиевую фольгу и лавсановую пленку (фиг.3).

П р и м е р 2. Батарея из трех последовательно соединенных элементов электрохимической системы литий-диоксид марганца, номинальное напряжение 9 В, емкость 1,2 А˙ч, сохраняемость 3 года. Каждый элемент имеет полиэтиленовую оболочку, все три элемента помещены в трехслойную оболочку, средний слой которой выполнен из алюминиевой фольги (фиг.2), внутренний из полиэтиленовой пленки, а внешний из лавсановой пленки, склеенных между собой. Срок сохраняемости литиевых элементов непосредственно зависит от герметичности элементов.

В таблице приведены данные о зависимости герметичности элементов от параметров материала токоотвода.

Таким образом, применение предлагаемого технического решения позволяет осуществить тонкий эластичный (гибкий) элемент, а также различные комбинации элементов в виде батарей и обеспечить сохранность не менее трех лет.

Использование: химические источники тока с литиевым анодом и апротонным электролитом. Сущность изобретения: электроды и сепаратор помещены в гибкий многослойный корпус, слои которого выполнены из полимерной пленки, металлической ткани и изоляционного материала. Токоотводы электродов выполнены из металлической ткани толщиной 0,05 - 0,2 мм, выведены наружу через соединительный шов корпуса, имеющий толщину не менее 0,1 мм, и пропитаны расплавом или раствором полимерного материала на протяжении больше ширины шва. Суммарная толщина полимерного материала в месте прохода токоотвода больше толщины токоотвода. Это повышает срок сохранности и надежность за счет предотвращения диффузии паров и электролита. 2 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

1. ХИМИЧЕСКИЙ ИСТОЧНИК ТОКА, содержащий гибкий многослойный корпус из полимерной пленки и изоляционного материала, анод, катод, сепаратор, жидкий электролит и металлические токоотводы, проходящие сквозь соединительный шов корпуса, отличающийся тем, что корпус снабжен дополнительным металлическим слоем, токоотводы выполнены из металлической ткани и пропитаны расплавом или раствором полимерного материала на протяжении больше ширины шва, анод выполнен из лития, а в качестве электролита взят аптронный электролит. 2. Источник тока по п.1, отличающийся тем, что металлическая ткань токоотвода имеет толщину 0,05 0,2 мм. 3. Источник тока по п.1, отличающийся тем, что соединительный шов корпуса имеет ширину не менее 0,1 мм, а суммарная толщина полимерного материала в месте прохода токоотвода больше толщины токоотвода.