СЕПАРАТОР ДЛЯ ХИМИЧЕСКОГО ИСТОЧНИКА ТОКА И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК H01M2/16 

Изобретение касается изготовления химических источников тока (ХИТ), преимущественно с литиевым анодом, в частности изготовления сепараторов.

Сепаратор служит для предотвращения внутреннего замыкания электродов ХИТ, но он должен свободно пропускать электролит и положительные ионы. В то же время расстояние между электродами должно быть сведено к минимуму к толщине сепаратора. Во вторичных ХИТ сепаратор также должен препятствовать образованию дендридов, во время циклирования при обратном движении ионов анода. Дендриды вырастают тем лучше, чем больше размер пор сепаратора и в конечно счете замыкают электроды ХИТа, что сокращает срок службы источника. Для литиевых ХИТ имеет большое значение остаточное содержание влаги.

Таким образом, сепаратор должен обладать рядом физических и химических характеристик, которые зависят от используемых материалов, способов изготовления и от микроструктуры сепаратора.

В настоящее время широко используются полимерные сепараторы, имеющие высокую прочность, химическую устойчивость, малую толщину. Однако они разрушаются уже при 150-200^оС и достаточно сложны в изготовлении, что накладывает технологические и экономические ограничения на процесс производства источников тока, в частности, для безводных источников, для которых бывает важна операция сушки.

Этих недостатков не имеют сепараторы с минеральными наполнителями. Известны сепараторы с силикатными наполнителями стекловолокном, силикатом циркония.

Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, является сепаратор, в котором в качестве силикатного наполнителя используется природный материал-диатомовая земля, окаменелые остатки морских водорослей. В нем в качестве силикатного наполнителя используется природный материал диатомовая земля, окаменелые остатки морских водорослей, имеющая большую удельную поверхность, развитую структуру и следующие свойства: цвет белый, примеси до 3% удельную поверхность 160 м²/г, остаточную влажность до 1 мас.

Для получения прочной эластичной ленты сепаратора в его состав вводят полимерные волокна (полиэфир, полиэстер). Может входить до 20 мас. стекловолокно для повышения пропитываемости. Приготавливают сепаратор путем раскладки сепараторной массы в лист и ее сушки. Сепараторная масса получается смешением компонентов в водной среде в виде эмульсии. Для связки добавляют сополимер акрилата. Получают сепаратор следующего состава, мас. диатомовая земля 40-75, поливолокно 7-35 и связка 7-20, со следующими свойствами: пористость более 70% средний размер пор 5-30 мкм, пропитываемость 5 с, термическая стойкость до 170^оС.

Данный сепаратор имеет низкую стоимость, малое сопротивление и высокую стойкость к агрессивным средам.

Однако подобный природный материал содержит ряд примесей, состав и количество которых может вызвать, например, в литиевых ХИТ разложение электролита.

Использование операций очистки усложняет и удорожает наполнитель, снижает его другие характеристики. Важно иметь остаточное влагосодержание электролита не более 0,1 мас. Для этого нужно использовать материалы, мало сорбирующие влагу, или иметь возможность эффективно просушивать сепаратор, т.е. сепаратор должен быть термостойким.

Сепаратор по прототипу имеет поры до десятков микрон, сквозь него легко прорастают дендридные перемычки. Все это ограничивает применение данного сепаратора и не всегда позволяет до конца использовать возможность электрохимических систем.

Целью изобретения является устранение данных недостатков (предложить сепаратор дешевый и эффективный с повышенными эксплуатационными свойствами).

Цель достигается тем, что в качестве минерального наполнителя используется аэросил, а в качестве связки, придающей сепаратору необходимую термическую устойчивость, эластичность и прочность, берут политетрафторэтилен с глицерином. Используемые материалы определяют и способ изготовления сепаратора. Аэросил в СССР выпускается серийно с 1961 года, стоимость 2 руб/кг. Получают его гидролитическим разложением четыреххлористого кремния в пламени водорода с образованием сферических частиц, группирующихся в цепочки, которые образуют хлопьевидные агрегаты. Аэросил имеет следующие свойства: цвет- белый, примеси 0,13% удельную поверхность 300 м²/г, остаточную влажность 0,2 мас.

При увлажнении он хорошо впитывает воду, которая уделяется при 25-150^оС, оставшаяся, химически сорбированная вода полностью удаляется до 800^оС, но при сушке сепаратора при 200-340^оС снижается до приемлемого уровня. Исходя из состава сепаратора, видно, что его влажность будет определяться влажностью аэросила. При взаимодействии с водой образуются между молекулами водородные мостики, повышающие силы сцепления частиц аэросила.

Приготовление сепараторной массы происходит смещением составных частей, удалением избыточной влаги путем отжатия и последующей прокаткой между валками. При этом создается определенная структура массы, что способствует образованию однородного эластичного и прочного сепараторного листа. Затем влажная прокатанная масса выдерживается при нагревании около 1 ч для образования водородных мостиков. При этом она высыхает и может храниться достаточно долго. Для формирования самого сепаратора лист размачивается водой и прокатывается до нужной толщины с последующей сушкой до остаточной влаги 0,1-0,2% Получают сепаратор со следующими свойствами: пористость 70-80% средний размер пор 0,2-3 мкм, пропитываемость 3 с.

Подробнее технология изготовления сепаратора видна из примеров.

П р и м е р 1. На 30 г кремнеземе берут 7,5 мл коллоидного раствора фторопласта (Ф-УД) и разбавляют дистиллированной водой (200 мл). Кремнезем постепенно при перемешивании подсыпают в эмульсию. Полученную массу пропускают через вальцы постепенно уменьшая зазор до 0,5-0,3 см до плотности 1,25 г/см³. Полученные листы сушат в сушильном шкафу при 100^оС в течение 50 мин.

Перед изготовлением самого сепаратора массу размачивают смесью дистиллированной воды и глицерина в соотношении 1:5 (в течение 40-60 с) и прокатывают через вальцы, уменьшая зазор между валками до 0,1 мм. Полученный лист сушат при 100^оС в течение 50 мин.

П р и м е р 2. 11 г аэросила растворяют в эмульсии, содержащей 25 г тефлона, 18 мл глицерина, 75 мл воды. Технология изготовления массы и сепаратора как в примере 1, только конечный размер прокатанного сепаратора 60 мкм.

Перед сборкой ХИТ сепаратор сушат дополнительно при 200-340^оС.

Полученные сепараторы по примерам 1, 2 были использованы для изготовления ХИТ типа РС-2325 с литиевым анодом, с катодной массой из окиси марганца, с электролитом на основе гамма-бутиролактона и тетрафторбората лития по 10 штук. После хранения (3 месяца) они были испытаны на разряд на 10 кОм и показали емкость 95-105% от номинальной (180 мач). В контрольной группе ХИТ с сепаратором из пропилена емкость после испытаний составила 80-100% Это показывает работоспособность данного сепаратора и даже более высокую сохраняемость источников тока.

Таким образом предложенный сепаратор имеет по отношению к прототипу следующие преимущества. Минеральным наполнителем является аэросил отечественного производства, изготавливающийся в промышленном объеме для изготовления резинотехнической и лакокрасочной продукции. Большая площадь поверхности и малый размер частиц, микроструктурные особенности аэросила позволяют, используя политетрафторэтилен в качестве связки и применяя специальную технологию изготовления, получить эластичный, прочный, однородный, легко пропитываемый лист сепаратора. Отсутствие других добавок (волоконных) упрощает технологию изготовления и позволяет производить более эффективную сушку сепаратора при повышенной температуре до 340^оС.

Мелкие субмикронные поры сепаратора предотвращают прорастание дендридов, что повышает число циклов работы аккумулятора.

Технология изготовления сепаратора достаточно проста и легко автоматизируется.

Экономический эффект от использования данного сепаратора выражается в повышении качества и надежности работы химических источников тока, в повышении сохраняемости, отдаваемой емкости, числа циклов перезаряда без удорожания стоимости изготовления сепаратора.

Использование: производство химических источников тока. Сущность изобретения: готовят суспензию аэросила и политетрафторэтилена в воде, сушат, прокатывают в лист, выдерживают при 100°С в течение 50 мин, затем размачивают, повторно прокатывают до конечной толщины и сушат. В суспензию, либо в размачивающую жидкость может быть введен глицерин. Полученный сепаратор состоит из 30 80 мас. аэросила и 20 70 мас. политетрафторэтилена. Он эластичен, прочен, однороден по составу, легко пропитывается и прост в изготовлении. 2 с. и 1 з. п. ф-лы.

1. Сепаратор для химического источника тока, содержащий силикатный наполнитель и полимерное связующее, отличающийся тем, что в качестве силикатного наполнителя взят аэросил с размером частиц 5 20 мкм и удельной поверхностью 270 330 м²/г, а в качестве полимерного связующего - политетрафторэтилен при следующем соотношении компонентов, мас.

Аэросил 30 80
Политетрафторэтилен Остальное
2. Способ изготовления сепаратора для химического источника тока путем приготовления водной суспензии силикатного наполнителя и связующего, удаления влаги, уплотнения прокаткой между валками и выдержки при повышенной температуре, отличающийся тем, что выдержку после прокатки ведут при 100^oС в течение 50 мин, после чего полученный лист размачивают, прокатывают между валками до конечной толщины и сушат.