СЕПАРАТОР ДЛЯ ХИМИЧЕСКОГО ИСТОЧНИКА ТОКА Российский патент 1997 года по МПК H01M2/16 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при производстве химических источников тока (ХИТ).

Сепаратор является одним из основных конструктивных элементов ХИТ, обеспечивающим длительную его работоспособность. Идеальный сепаратор должен оказывать минимальное сопротивление ионному току в электролите и предотвращать замыкание электродов, связанное с возникновением электронной проводимости. Последняя возникает чаще всего из-за прорастания дендритов, образующихся при циклировании ХИТ [1]
Известен сепаратор для серебряно-цинкового аккумулятора, содержащий пористую основу из бумаги, асбеста, полипропилена и других волокнистых материалов и покрытие, выполненное на основе полимерного связующего, пластификатора и наполнителя [1] Сепаратор ингибирует рост дендритов, однако не обеспечивает надежной защиты от закорачивания из-за недостаточной механической прочности основы.

Из известных сепараторов наиболее близким по совокупности существенных признаков является сепаратор для щелочного аккумулятора, содержащий пористую основу, на одну или обе поверхности которой нанесен слой из оксида металла и связующего [3] Указанный сепаратор не обеспечивает надежной защиты аккумулятора от закорачивания прорастающими дендритами из-за малой механической прочности основы.

Задачей изобретения является создание сепаратора, обладающего повышенными механической прочностью и стойкостью к прорастанию дендритами. Применение указанного сепаратора способствует повышению ресурса ХИТ.

Указанный технический результат достигается тем, что в сепараторе, содержащем пористую основу и по крайней мере один поверхностный слой из электроннепроводящего материала, нанесенный на основу, основа выполнена из металла, стойкого при рабочих условиях ХИТ, например, никеля, нержавеющей стали и т. п. для щелочных ХИТ. Выполнение основы из пористого металла обеспечивает механическую прочность сепаратора и предотвращает закорачивание электродов ХИТ дендритами.

Целесообразно основу сепаратора выполнять из пористого никеля толщиной 10-200 мкм, пористостью 10-60% и размером пор 0,1-20 мкм.

Уменьшение толщины основы менее 10 мкм приводит к снижению механической прочности сепаратора, увеличение толщины основы более 200 мкм нецелесообразно, поскольку снижаются удельные электрические характеристики ХИТ из-за увеличения массы и размеров сепаратора.

Уменьшение пористости основы ниже 10% приводит к увеличению внутреннего сопротивления ХИТ с таким сепаратором, что ухудшает его разрядные характеристики. Увеличение пористости более 60% нецелесообразно, поскольку при этом снижается механическая прочность сепаратора.

Размер пор основы определяется дисперсностью порошка, используемого при ее изготовлении. Уменьшение размера пор менее 0,1 мкм нецелесообразно, поскольку это связано с повышением стоимости основы из-за технологической сложности получения ультрадисперсных порошков. Увеличение пор более 20 мкм снижает надежность сепаратора из-за возможности прорастания дендрита через поры.

Целесообразно, чтобы пористость поверхностного слоя сепаратора была не меньше пористости основы, в противном случае поверхностный слой будет являться дополнительным диффузионным сопротивлением для транспорта ионов, что приводит к увеличению внутреннего сопротивления и ухудшению разрядных характеристик ХИТ.

Целесообразно, чтобы поверхность сепаратора, обращенная к аноду и/или к катоду, содержала электроактивный материал, взаимодействующий с материалом анода.

Целесообразно поверхностный слой с одной или обеих сторон сепаратора выполнять из керамики.

Наличие в сепараторе со стороны анода электроактивного материала, взаимодействующего с материалом анода, обеспечивает растворение дендритов, образующихся на поверхности анода при заряде ХИТ. Таким образом, дополнительно к механической, обеспечивается электрохимическая защита электродов от закорачивания.

Наличие в сепараторе со стороны катода электроактивного материала, взаимодействующего с материалом анода, обеспечивает защиту электродов от закорачивания дендритами, растущими со стороны катода при переразряде ХИТ внешним током, что имеет место при использовании ХИТ в составе батареи. При контакте дендритов с электроактивным материалом сепаратора происходит их электрохимическое растворение, что предотвращает закорачивание электрода и способствует увеличению ресурса ХИТ.

Использование сепаратора с электроактивным материалом с обеих сторон целесообразно во вторичных ХИТ, собранных в батарею последовательно. В этом случае будет обеспечено растворение дендритов, растущих со стороны анода при заряде и со стороны катода при переразряде.

Целесообразно электроннепроводящий поверхностный слой сепаратора выполнять из керамики, например, путем плазменного напыления оксидов, таких как кремния, титана, алюминия и т.п. Поверхностный слой из керамики легко нанести на поверхность пористой основы из металла известными технологическими методами. Слой из керамики имеет хорошую адгезию к поверхности основы, обладает достаточной механической прочностью при малой толщине и может иметь высокую пористость, которая определяется дисперсностью наносимого материала.

Проведенный анализ уровня техники показал, что заявленная совокупность существенных признаков, изложенная в формуле изобретения, неизвестна. Это позволяет сделать вывод о ее соответствии критерию "новизна".

Для проверки соответствия заявленного изобретения критерию "изобретательский уровень" проведен дополнительный поиск известных технических решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения.

Установлено, что заявленное изобретение не следует для специалиста в данной области техники явным образом из известного уровня техники. Следовательно, заявленное изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень".

Пример 1. Сепаратор для щелочного ХИТ изготавливали из пористой никелевой фольги толщиной 40 мкм, пористостью 50% и размером пор 20 мкм, используемой в качестве основы, путем нанесения на одну из поверхностей слоя из смеси оксидов кремния, церия и фторопластового связующего. Оксид церия является электроактивным материалом по отношению к цинку. Дендрит, растущий на цинковом аноде при заряде, при соприкосновении с оксидом церия будет электрохимически растворяться. Смесь наносили методом пульверизации и подвергали термообработке при температуре 320-350^oC для спекания связующего. Сепаратор использовали в макете щелочного никель-цинкового аккумулятора емкостью 4 А/ч. Сепаратор располагали в аккумуляторе поверхностным слоем к аноду. Аккумулятор разряжали током 1 А до конечного напряжения 1,0 В, заряд проводили током 0,4 А в течение 11 ч. Проведено более 50 циклов заряд/разряд. Ухудшения характеристик не обнаружено.

Пример 2. Сепаратор для литиевого ХИТ изготавливали из той же пористой основы. На одну из поверхностей основы наносили 3 мкм слой полианилина, затем напрессовывали пористую полипропиленовую пленку толщиной 25 мкм. Сепаратор использовали в макете ХИТ системы литий/диоксид марганца. В качестве электролита использовался 1 М раствор LiClO₄ в смеси пропиленкарбоната и диметоксиэтана. Сепаратор в ХИТ устанавливался поверхностным слоем к аноду. Полианилин, содержащийся в поверхностном слое со стороны анода, является электроактивным по отношению к литию. Литиевый дендрит, проникший в сепаратор, будет растворяться при соприкосновении с полианалином. ХИТ циклировали при плотности тока 1 мА/см². Проведено более 40 заряд/разрядных циклов. Электрические характеристики отличаются стабильностью, снижения характеристик не обнаружено.

Проведенные испытания показали, что применение заявляемого сепаратора, обладающего повышенной механической прочностью и стойкостью к прорастанию дендритами, в ХИТ позволяет предотвратить замыкание электродов, повысить ресурс и безопасность за счет механической и электрохимической защиты от дендритов. Механическая защита обеспечивается за счет применения основы из пористого металла, обладающей достаточной механической прочностью. Электрохимическая защита обеспечивается введением в поверхностный слой электроактивного по отношению к аноду материала.

Полученные данные подтверждают возможность практической реализации сепаратора с достижением заявляемого технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует критерию "Промышленная применимость".

Литература
1. Багоцкий В.С. Скундин А.М. Химические источники тока. М. Энергоиздат, 1981, с. 113-119.

2. Патент США, 4330602, кл. H 01 2/16, 1982.

3. Заявка Японии, 56-9769, кл. H 01 M 2/16, 1981.

Использование: первичные и вторичные источники тока. Сущность изобретения: сепаратор содержит пористую металлическую основу и по крайней мере один поверхностный слой из электроннепроводящего материала. Поверхностный слой со стороны анода и/или со стороны катода может содержать электроактивный материал, взаимодействующий с материалом анода. Поверхностный слой может быть выполнен из керамики. Основа может быть выполнена из никеля толщиной 10-200 мкм, пористостью 10-60% и размером пор 0,1-20 мкм. Это обеспечивает повышение механической прочности и стойкости к прорастанию дендритами. 9 з. п.ф-лы.

1. Сепаратор для химического источника тока, содержащий пористую основу и по крайней мере один поверхностный слой из электроннепроводящего материала, нанесенный на основу, отличающийся тем, что основа выполнена из металла. 2. Сепаратор по п.1, отличающийся тем, что основа выполнена из никеля. 3. Сепаратор по пп.1 и 2, отличающийся тем, что основа выполнена из пористого никеля пористостью 10 60%
4. Сепаратор по пп.1 3, отличающийся тем, что основа выполнена из пористого никеля с размером пор 0,1 20 мкм. 5. Сепаратор по пп.1 4, отличающийся тем, что основа выполнена из пористого никеля толщиной 10 200 мкм. 6. Сепаратор по п. 1, отличающийся тем, что пористость поверхностного слоя не меньше пористости основы. 7. Сепаратор по п.1, отличающийся тем, что поверхностный слой, обращенный к аноду, содержит электроактивный материал, взаимодействующий с материалом анода. 8. Сепаратор по п.1, отличающийся тем, что поверхностный слой, обращенный к катоду, содержит электроактивный материал, взаимодействующий с материалом анода. 9. Сепаратор по п.1, отличающийся тем, что оба поверхностных слоя содержат электроактивный материал, взаимодействующий с материалом анода. 10. Сепаратор по п.1, отличающийся тем, что поверхностный слой выполнен из керамики.