ХИМИЧЕСКИЙ ИСТОЧНИК ТОКА Российский патент 1998 года по МПК H01M6/14 H01M10/40 

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

Перезаряжаемые литиевые ХИТ, использующие анод из металлического литья, страдают одним существенным недостатком, связанным с плохой циклируемостью лития и образованием дендритов, приводящих к закорачиванию ХИТ и выходу его из строя, сопровождаемому перегревом и взрывом [1].

Для решения указанной проблемы принимаются различные меры, такие как выбор более стойких сепараторных материалов, изменение конструкции сепаратора и введение добавок в электролит, ограничивающих рост дендритов [2].

Известен литиевый ХИТ, содержащий анод из металлического лития или литиевого сплава, сепаратор, неводный электролит, тионилхлорид в качестве катодного окислителя и инертный катодный токовый коллектор. Для повышения ресурса ХИТ на поверхность анода наносят пассивирующую пленку из полимера низшего акрилового эфира циано-акриловой кислоты. Указанная пленка защищает поверхность анода и контактирует с сепаратором [3].

Недостатком указанного ХИТ является ограниченный ресурс, связанный с закорачиванием электродов из-за деструкции сепаратора и прорастания дендритов через сепаратор.

Из известных литиевых ХИТ наиболее близким по совокупности существенных признаков является ХИТ, содержащий металлический литиевый анод с токовым коллектором, сепаратор, неводный раствор электролита, тионилхлорид в качестве катодного окислителя, угольный токовый коллектор и пористую металлическую пластину, расположенную между электродами. Указанная пластина предназначена для защиты литиевого ХИТ от взрыва при перемене полярности. Литиевые дендриты, образующиеся в ХИТе, закорачивают анод и пористую пластину, шунтируя при этом обратный ток [4].

Недостаток этого литиевого ХИТ связан с тем, что введение пористой пластины на катодную сторону не исключает образования дендритов лития, а используют их для защиты ХИТ от перемены полярности. При циклировании ХИТ образующиеся дендриты вызывают закорачивание электродов и выход его из строя.

Задачей изобретения является создание перезаряжаемого литиевого ХИТ, обладающего повышенным ресурсом и безопасностью в эксплуатации.

Указанный технический результат достигается тем, что в литиевом ХИТ, содержащем металлический литиевый анод с токовым коллектором, сепаратор, катод с токовым коллектором и неводный электролит, по крайней мере один из токовых коллекторов выполнен из пористой металлической пластины.

Целесообразно анодный токовый коллектор выполнить из пористой металлической пластины и разместить его на поверхности анода, обращенной к катоду. Пластина, расположенная на рабочей поверхности анода, препятствует образованию и росту литиевых дендритов и одновременно выполняет роль токоотвода.

Целесообразно металлический литий разместить в порах и/или на поверхности анодного токового коллектора. Размещение лития в порах и/или на поверхности анода увеличивает прочность сцепления активного материала с токоотводом, что уменьшает внутреннее сопротивление и повышает разрядные характеристики. Кроме того, указанное размещение лития на токовом коллекторе повышает его активную поверхность, что также повышает разрядные характеристики.

Целесообразно катодный токовый коллектор выполнить из пористой металлической пластины. Использование металлической фольги снижает сопротивление коллектора и повышает разрядные характеристики. Использование одинаковых коллекторов на обоих электродах упрощает технологию производства ХИТ и снижает его стоимость. Металлические токоотводы конструктивны и технологичны в производстве.

Целесообразно активное вещество катода разместить в порах и/или на поверхности катодного коллектора. Пористые токовые коллекторы при высокой пористости имеют сильно развитую поверхность. Катоды с такими коллекторами обладают большой активной поверхностью, значительной емкостью за счет высокой пористости и хорошим сцеплением активной массы с токовым коллектором.

При использовании жидкого активного катодного вещества, например тионилхлорида, целесообразно его разместить в растворе электролита. При этом катодный токовый коллектор будет играть роль инертного катода. Катод, обладающий высокой пористостью и развитой поверхностью, пропитанный раствором активного вещества в электролите, будет обеспечивать высокие разрядные токи.

Целесообразно пористую металлическую пластину выполнить из пористой никелевой фольги толщиной 20 - 250 мкм, пористостью 30 - 60% и размером пор 1 - 40 мкм. Применение никеля оправдано тем, сто он стоек при рабочих условиях литиевого ХИТ и широко используется в технологии производства. Нижний предел толщины фольги 20 мкм определяется требуемыми металлической прочностью и электропроводностью. Применение фольги толщиной более 250 мкм нецелесообразно, поскольку дальнейшее увеличение толщины снижает удельные электрические характеристики, но не дает увеличения ресурса.

Диапазон пористости металлической фольги и размера пор определяются внутренним электрическим сопротивлением ХИТ и надежностью защиты от закорачивания электродов.

Минимальные размеры пор и пористостью никелевой фольги определяются допустимой величиной внутреннего сопротивления ХИТ. При пористости менее 30% и размере пор менее 1 мкм фольги будет экранировать литиевый электрод, затрудняя протекание тока. Кроме того, при таких параметрах фольги она будет содержать мало активного электродного вещества, что ограничивает емкостные характеристики ХИТ.

Фольга пористостью более 60% и размером пор более 40 мкм обладает недостаточной механической прочностью. Кроме того, через поры более 40 мкм могут прорасти дендриты.

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

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

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

Пример практической реализации.

Был изготовлен лабораторный литиевый химический источник тока с анодом из литиевой фольги, напрессованной на тыльную сторону токоотвода из пористой никелевой фольги толщиной 70 мкм, пористостью 40% и размером пор 15 мкм, сепаратором из стекловолокна, катодным токоотводом из пористой никелевой фольги с вышеуказанными параметрами и неводным электролитом в виде раствора LiAlCl₄ в пропиленкарбонате. Активное катодное вещество, тионилхлорид, содержалось в электролите.

Указанный элемент был поставлен на циклирование. Заряд и разряд проводился при плотности тока 1 мА/см². При глубине разряда 30% элемент испытывался в течение более 50 циклов. Снижение электрических характеристик и изменения внутреннего сопротивления не зафиксировано. Эффективность циклирования по току достигала 99%. Результаты лабораторных испытаний показали, что элемент имеет стабильные характеристики. Отрицательного влияния используемой пористости фольги на характеристики не выявлено.

Таким образом, представленные данные подтверждают возможность практической реализации заявленного технического результата. На основании изложенного можно сделать заключение, что заявленное изобретение соответствует критерию "Промышленная применимость".

Использование: химические источники тока с литьевым анодом. Сущность изобретения: химический источник тока содержит литиевый анод, сепаратор, катод и неводный электролит. Токовые коллекторы электродов выполнены из пористой металлической фольги, например никелевой, и могут иметь толщину 20 - 250 мкм, пористость 30 - 60% и размер пор 1 - 40 мкм. Активное вещество электродов размещено в порах и/или на поверхности соответствующих токовых коллекторов. Катодное активное вещество может размещаться также в электролите. Это обеспечивает повышенный ресурс и безопасность в эксплуатации. 7 з.п. ф-лы.

1. Химический источник тока, содержащий литиевый анод с токовым коллектором, сепаратор, катод с токовым коллектором и неводный электролит, отличающийся тем, что по крайней мере один из токовых коллекторов выполнен из пористой металлической фольги. 2. Источник по п.1, отличающийся тем, что анодный коллектор выполнен из пористой металлической фольги и расположен на поверхности анода, обращенной к катоду. 3. Источник по пп.1 и 2, отличающийся тем, что металлический литий размещен в порах и/или на поверхности анодного токового коллектора. 4. Источник по п.1, отличающийся тем, что катодный коллектор выполнен из пористой металлической фольги. 5. Источник по пп.1 и 4, отличающийся тем, что активное вещество катода размещено в порах и/или на поверхности катодного токового коллектора. 6. Источник по п.1, отличающийся тем, что активное вещество катода размещено в электролите. 7. Источник по п.1, отличающийся тем, что анодный и катодный коллекторы выполнены из пористой металлической фольги. 8. Источник по п. 1, отличающийся тем, что фольга выполнена из никеля толщиной 20 250 мкм, пористостью 30 60% и размером пор 1 40 мкм.