ПУГОВИЧНЫЙ ЛИТИЕВЫЙ ЭЛЕМЕНТ С НОМИНАЛЬНЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ 1,5 В Российский патент 1996 года по МПК H01M6/02 H01M6/16 

Изобретение относится к электротехнической промышленности, в частности, к производству пуговичных литиевых элементов с номинальным напряжением 1,5 B.

Известен пуговичный 1,5 В литиевый элемент с катодной массой на основе CuO, в котором для поглощения разбухания катода при разряде и уменьшения роста элемента используется Ni-губка, размещаемая между крышкой и анодным диском, а таблетка катодной массы размещена в обойме опорно-удерживающего кольца [1] Недостатком такого элемента является сравнительно низкая емкость из-за относительно малого количества лития в анодном пространстве, часть которого занята инертной никелевой губкой, а также относительно низкий коэффициент использования активного материала катода при высоких нагрузках и рост внутреннего сопротивления элемента в конце разряда.

Известен пуговичный 1,5 В литиевый элемент, в котором катодная таблетка на основе Bi₁₂PbO₁₉ или FeS, или FeS₂, или смеси FeS₂ и CuO помещена в опорно-удерживающее кольцо, а для уменьшения роста элемента из-за разбухания катодной массы используется волокно-поглотитель, размещаемый в анодном пространстве между диском лития и сепаратором [2-4] Поглотитель одновременно служит емкостью для электролита. Недостатком этого элемента является относительно низкая емкость из-за малого количества лития в анодном пространстве, часть которого занята поглотителем, а также относительно высокое внутреннее сопротивление из-за экранирования электродов поглотителем, низкий коэффициент использования активного вещества катода при высоких нагрузках, повышение внутреннего сопротивления элемента к концу разряда из-за уплотнения катода и высыхания сепаратора, длительное время выхода на верхний допустимый предел рабочего напряжения (1,5 В ±20% т.е. 1,8 В) и существенный рост элемента. Элемент габарита 1121 системы Li-FeS при емкости 46 мА·ч разбухает к концу разряда более чем на 0,3 мм [3] элемент Li-FeS₂ габарита 1130 при емкости 60 мА· ч разбухает на 0,35 мм [4] что недопустимо в прецизионных устройствах, таких как электронные наручные часы.

В качестве прототипа заявляемого изобретения выбран пуговичный 1,5 В литиевый элемент, содержащий корпус, таблетку катодной массы, помещенную в перфорированную чашку, которая омывается свободным электролитом, герметизирующую прокладку, литиевый анод, крышку, сепаратор и электролитоудерживающий войлок-поглотитель, который размещен между сепаратором и анодом. Перфорированная чашка одновременно выполняет функцию опорного кольца для герметизирующей прокладки [5] В этом элементе по сравнению с предыдущими аналогами снижается вероятность высыхания сепаратора к концу разряда и уменьшается время выхода на верхний предел рабочего напряжения (1,8 В) из-за относительно малой площади поверхности катода, обращенной к аноду. Недостатками элемента являются относительно низкая емкость из-за размещения в анодном и катодном пространствах инертных материалов (войлока-поглотителя и перфорированной чашки соответственно), низкий коэффициент использования активного материала катода из-за самоуплотнения катода внутри катодной чашки и уменьшения рабочей поверхности, относительно высокое внутреннее сопротивления из-за экранирования электродов войлоком-поглотителем.

Изобретение направлено на повышение емкости пуговичного 1,5 В литиевого элемента, повышение коэффициента использования активного материала катода, уменьшение внутреннего сопротивления элемента и устранение повышения внутреннего сопротивления к концу разряда.

Заявляемый пуговичный 1,5 В литиевый элемент, содержащий корпус, таблетку катодной массы на токоотводе корпуса, свободный органический электролит, сепаратор, герметизирующую прокладку, анод из лития или его сплавов, крышку и опорное кольцо, отличается тем, что таблетка катодной массы боковой поверхностью находится в непосредственном контакте со свободным электролитом, а отношение объема свободного электролита к объему таблетки катодной массы составляет от 0,3 до 0,8.

Таблетка катодной массы изготовлена на основе соединений, выбранных из группы CuO, Bi₂O₃, PbO, Pb₃O₄, CuS, FeS₂, FeS или их механических смесей, твердых растворов и их химических соединений друг с другом.

На чертеже представлено схематичное изображение предлагаемого электролита, где 1 крышка, 2 корпус, 3 прокладка, 4 катодная таблетка, 5 опорное кольцо, 6 анод, 7 свободный электролит, 8 сепаратор, 9 токоотводное кольцо.

В предлагаемом элементе нет экранирования электродов, а катод при разряде элемента разбухает в основном по диаметру, а не по высоте. Это по сравнению с прототипом уменьшает рост элемента при одновременно более высокой емкости, устраняет рост внутреннего сопротивления к концу разpяда, так как площадь поверхности катода возрастает, возрастает также коэффициент использования активного материала катода. Разрядная кривая такого элемента более пологая, т.е. повышается стабильность разрядного напряжения.

Емкость элемента и его рост в процессе разряда зависят от природы активного материала катода. По величине разбухания на единицу начального объема катодные материалы располагаются в следующем порядке: FeS₂ (162%), FeS, CuO (78% ), CuS, Bi₂O₃, Bi₂Рb₂O₅ (53%), Pb₃O₄, PbO. Чем больше разбухание активного катодного материала, тем выше должно быть оптимальное отношение объема свободного электролита к объему катодной таблетки.

Сущность изобретения демонстрируется следующими примерами.

П р и м е р 1. Собирают серию элементов системы Li-CuO габарита 921 (диаметр 9,5 мм, высота 2,05_-02 мм) с отношением объема свободного электролита к объему катодной таблетки, равным 0,5. Разряд проводят на нагрузку 30 кОм с периодическим подключением параллельной нагрузки 1 кОм в течение 1 с. Емкость до конечного напряжения 1,2 В 43 мА·ч, коэффициент полезного использования CuO 92% время выхода на напряжение 1,8 В 3,5 мин; внутреннее сопротивление в начале разряда 260 Ом, в конце 110 Ом; максимальный рост за предел габаритных размеров 0,06 мм.

Элементы, собранные по прототипу, в тех же условиях имели характеристики: емкость 38 мА·ч; коэффициент полезного использования CuO 88% время выхода на 1,8 В 2,8 мин; внутреннее сопротивление в начале разряда 380 Ом, в конце 470 Ом; максимальный рост за предел габаритных размеров 0,13 мм.

П р и м е р 2. Собирают серию элементов системы Li-CuO габарита 1142 (диаметр 11,56 мм, высота 4,2_-0,48 мм) аналогично примеру 1. Разряд проводят на нагрузку 15 кОм с подключением нагрузки 1 кОм в течение 1 с. Емкость элементов 187 мА·ч; коэффициент полезного использования 90% время выхода на напряжение 1,8 В 9 мин; внутреннее сопротивление в начале разряда 190 Ом, в конце 100 Ом; рост элементов за предел габаритных размеров не наблюдался.

П р и м е р 3. Собирают серию элементов системы Li-(Bi₂O₃)_0,445· (PbO)_0,555 габарита 1121 (диаметр 11,56 мм, высота 2,1_-0,2 мм) с отношением объема свободного электролита к объему катодной таблетки, равным 0,3. Разряд проводят аналогично примеру 1. Емкость элементов до конечного напряжения 1,35 В 60 мА· ч; коэффициент полезного использования активного вещества катода 90% время выхода на напряжение 1,8 В 0,5 мин; внутреннее сопротивление в начале разряда 350 Ом, в конце 110 Ом; рост элементов за предел габаритных размеров 0,10 мм.

П р и м е р 4. Собирают серию элементов системы Li-FeS₂ габарита 1142 с отношением объема свободного электролита к объему катодной таблетки, равным 0,8. Разряд проводят аналогично примеру 2. Емкость элементов 140 мА· ч; коэффициент полезного использования 93% время выхода на напряжение 1,8 В 0,1 мин; внутреннее сопротивление в начале разряда 170 Ом, в конце 100 Ом; рост элементов 0,08 мм.

В случае, когда отношение свободного объема электролита к объему катодной таблетки больше 0,8, уменьшается емкость элемента, а его внутреннее сопротивление в начале разряда становится высоким, что демонстрируется следующим примером.

П р и м е р 5. Аналогичен примеру 1, но отношение свободного объема электролита к объему катодной таблетки равно 0,9. Емкость элементов 37 мА·ч; коэффициент полезного использования катода 96% время выхода на напряжение 1,8 В 1,5 мин; внутреннее сопротивление в начале разряда 350 Ом, в конце 100 Ом; рост элементов отсутствует.

В случае, когда отношение свободного объема электролита к объему катодной таблетки меньше 0,3, уменьшается коэффициент полезного использования, возрастает время выхода на напряжение 1,8 В и увеличивается рост элементов при разряде, что демонстрируется следующим примером.

П р и м е р 6. Аналогичен примеру 1, но отношение объема свободного электролита к объему катодной таблетки равно 0,2. Емкость элементов 51 мА·ч; коэффициент полезного использования 87% время выхода на напряжение 1,8 В 7,5 мин; внутреннее сопротивление в начале разряда 260 Ом, в конце 150 Ом; рост элементов за предел габаритных размеров 0,25 мм.

Использование: пуговичные литиевые элементы бытового назначения. Сущность изобретения: литиевый элемент содержит корпус, таблетку катодной массы на токоотводе корпуса, сепаратор, герметизирующую прокладку, анод из лития или его сплавов, опорное кольцо, установленное с зазором относительно боковой поверхности катодной таблетки, свободный электролит, размещенный в указанном зазоре, и крышку. Объем свободного электролита составляет 0,3 - 0,8 от объема таблеток катодной массы. 1 ил.

Пуговичный литиевый элемент с номинальным напряжением 1,5 В, содержащий корпус, таблетку катодной массы на токоотводе корпуса, свободный органический электролит, сепаратор, герметизирующую прокладку, анод из лития или его сплавов, крышку и опорное кольцо, отличающийся тем, что опорное кольцо установлено с зазором относительно боковой поверхности катодной таблетки, в указанном зазоре размещен свободный электролит, объем свободного электролита составляет 0,3 0,8 объема таблетки катодной массы.