ХИМИЧЕСКИЙ ИСТОЧНИК ТОКА Российский патент 2000 года по МПК H01M6/04 H01M6/14 

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

Известен ХИТ, содержащий корпус, положительный электрод и систему "отрицательный электрод - электролит - активный компонент положительного электрода", причем компонентами системы являются соответственно литиевый электрод - водный электролит - оксигалоидный анион, содержащий хлор или бром в степени окисления +5 (хлорат или бромат). (И.А. Кедринский и др. "Литиевые источники тока". - М., 1992, с. 196). Недостатком указанного ХИТ является низкая сохраняемость и низкая электрическая емкость.

Из известных ХИТ по совокупности существенных признаков наиболее близким является ХИТ "Cell with sodium hipochlorite or chlorite and anodes of magnesium or aluminium" (J. of Electrochem. Soc., Vol. 143 N 10, 1996). ХИТ содержит корпус, положительный электрод и систему "отрицательный электрод - электролит - активный компонент положительного электрода", причем компонентами системы являются соответственно металлический отрицательный электрод - водный электролит - оксигалоидный анион, содержащий хлор в степени окисления +1 или +3 (гипохлорит или хлорит). Недостатком указанного ХИТ является низкая электрическая емкость.

Задачей изобретения является создание ХИТ, имеющего высокую электрическую емкость.

Указанный технический результат достигается тем, что в ХИТ, содержащем корпус, отрицательный электрод и систему "отрицательный электрод - электролит - активный компонент положительного электрода в виде оксигалоидного аниона" используются системы из следующих компонентов:
1. Литий, интеркалат лития или литийсодержащий сплав - неводный электролит - оксигалоидный анион, содержащий хлор в степени окисления +5, или бром в степени окисления +5 или +7, или йод в степени окисления +5 или +7, или их смесь.

2. Металл II - VIII группы - водный электролит - оксигалоидный анион, содержащий хлор в степени окисления +5, или бром в степени окисления +5 или +7, или йод в степени окисления +5 или +7, или их смесь.

Указанные оксигалоидные анионы восстанавливаются при разрядке ХИТ на положительном электроде с высоким электрохимическим эквивалентом, чем и достигается высокая разрядная емкость, например:
реакция при разряде - электрохим.эквивалент
IO₄ ^-+4H₂O+8e=I^-+8OH^- - 0,25 мг
6Li+IO₃ ⁺+6e=I^-+3Li₂O - 0,30 мг
ClO₃ ^-+6H⁺+6e=Cl^-+3H₂O - 0,14 мг
Электрохимический эквивалент вычислен по формуле A/nF, где:
A - масса моля оксигалоидного аниона;
n - число электронов;
F - число Фарадея.

Целесообразно, чтобы положительный электрод заявляемого ХИТ содержал материал из группы углерод, сталь, никель, хром, титан, серебро, металл платиновой группы, их смесь или сплав.

Целесообразно, чтобы положительный электрод имел удельную поверхность выше 0,1 м²/г.

Целесообразно, чтобы заявляемый ХИТ с водным электролитом содержал катионоообменную мембрану в качестве сепаратора.

Целесообразно, чтобы в качестве оксигалоидных анионов использовались анионы из ряда: хлорат, бромат, йодат, пербромат, перйодат (конкретные ионные формы в указанных степенях окисления).

Целесообразно, чтобы оксигалоидный анион, выбранный из перечисленного ряда, входил в состав малорастворимого соединения.

Целесообразно, чтобы ХИТ содержал активный компонент положительного электрода в количестве выше предельно растворимого в электролите.

Целесообразно, чтобы в качестве отрицательного электрода в водном растворе использовался металл из ряда: цинк, магний, алюминий, железо.

Для подтверждения реализуемости были собраны макеты ХИТ в соответствии с заявленным изобретением и измерена их разрядная емкость.

Пример 1. В качестве отрицательного электрода ХИТ использовали магниевый стакан, в качестве положительного - углеродную активированную ткань с удельной поверхностью 1200 м²/г. Электролит: 1M водный раствор MgBr₂, насыщенный в пространстве положительного электрода броматом калия. (Активный компонент положительного электрода - бромат. ) Бромат калия введен дополнительно в твердой фазе в количестве 2 г/см³. Сепаратор - пористый полипропилен, положительный токоподвод: парафинированный графит. Отрицательный электрод являлся также корпусом ХИТ. Элемент использовался в качестве первичного. Ток разряда 1 мА. Емкость составила 0,9 А•час на 1 г бромата калия.

Пример 2. Первичный элемент. Отрицательный электрод литиевый, положительный: таблетка из спрессованной смеси AgIO₃, сажи (15%) и полиэтилен (15%), электролит: обезвоженный γ-бутиролактон + 0,5 M LiI, сепаратор из пористого полипропилена, корпус из стали Х18Н10Т. Элемент разряжали током 20 мкА/см². Емкость составила 0,4 А•час на 1 г положительного электрода.

Пример 3. Отрицательный электрод: цинковый стакан ⊘13,6х45 мм с нанесенной пастой из Zn и ZnO₂ с карбоксиметилцеллюлозой в концентрированной КОН. Положительный электрод: свернутая в цилиндр активированная углеродная ткань с удельной поверхностью 1200 м²/г и нанесенной дисперсной платиной (10 мг). Активный компонент положительного электрода - йодат калия в виде насыщенного раствора и твердой фазы в количестве 2,5 г/см³. Электролит: водный 8 М КОН. При циклировании током 10 мА в режиме аккумулятора (10 циклов) разрядная емкость составила 0,6 А•час на 1 г КIO₃.

Пример 4. Первичный элемент. Отрицательный электрод выполнен аналогично примеру 3. Положительный электрод: спираль 9х35 мм из ⊘×l = 1х250 мм нихромовой проволоки. Электролит - водный 8 М КОН. Активный компонент положительного электрода: КIO₄ в количестве 2 г/см³, т.е. частично в виде твердой фазы. Сепаратор - целлофан. При разряде током 1 мА емкость составила 0,9 А•час на 1 г перйодата калия.

Из примеров следует, что ХИТ с предложенными системами "отрицательный электрод - электролит - активный компонент положительного электрода в виде оксигалоидного электрода" имеют высокую разрядную емкость.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при производстве химических источников тока. Техническим результатом изобретения является повышение электрической емкости. Согласно изобретению химический источник тока содержит корпус, положительный электрод и систему "отрицательный электрод - электролит - активный компонент положительного электрода в виде оксигалоидного аниона". В качестве отрицательного электрода используют литий, литийсодержащий сплав, интеркалат лития или металл II - VIII групп, в качестве электролита - неводный или водный электролит, а в качестве оксигалоидного аниона - хлор в степени окисления +5 или бром в степени окисления +5 или +7, или йод в степени окисления +5 или +7, или их смесь. 2 с. и 10 з.п. ф-лы.

1. Химический источник тока, содержащий корпус, положительный электрод и систему отрицательный электрод - электролит - активный компонент положительного электрода в виде оксигалоидного аниона, отличающийся тем, что в качестве составных частей указанной системы используют литий, литийсодержащий сплав или интеркалат лития - неводный электролит - оксигалоидный анион, содержащий хлор в степени окисления +5, или бром в степени окисления +5 или +7, или йод в степени окисления +5 или +7, или их смесь. 2. Химический источник тока по п.1, отличающийся тем, что в качестве оксигалоидного аниона взят анион из ряда хлорат, бромат, йодат, пербромат, перйодат. 3. Химический источник тока по п.1, отличающийся тем, что положительный электрод содержит углерод и/или металл, выбранный из группы: сталь, никель, хром, титан, серебро, металл платиновой группы, их смесь или сплавы. 4. Химический источник тока по п.1, отличающийся тем, что положительный электрод имеет удельную поверхность выше 0,1 м²/г. 5. Химический источник тока по п.1, отличающийся тем, что оксигалоидный анион взят в количестве, превышающем предельно растворимое количество в электролите. 6. Химический источник тока, содержащий корпус, положительный электрод и систему отрицательный электрод - электролит - активный компонент положительного электрода в виде оксигалоидного аниона, отличающийся тем, что в качестве составных частей указанной системы используют металл II-VIII групп - водный электролит - оксигалоидный анион, содержащий хлор в степени окисления +5, или бром в степени окисления + 5 или +7, или йод в степени окисления +5 или +7, или их смесь. 7. Химический источник тока по п.6, отличающийся тем, что в качестве отрицательного электрода взят металл из ряда: цинк, магний, железо, алюминий. 8. Химический источник тока по п.6, отличающийся тем, что он дополнительно содержит катионообменную мембрану в качестве сепаратора. 9. Химический источник тока по п.6, отличающийся тем, что в качестве оксигалоидного аниона взят анион из ряда: хлорат, бромат, йодат, пербромат, перйодат. 10. Химический источник тока по п.6, отличающийся тем, что положительный электрод содержит углерод и/или металл, выбранный из группы: сталь, никель, хром, титан, серебро, металл платиновой группы, их смесь или сплавы. 11. Химический источник тока по п.6, отличающийся тем, что положительный электрод имеет удельную поверхность выше 0,1 м²/г. 12. Химический источник тока по п.6, отличающийся тем, что оксигалоидный анион взят в количестве, превышающем предельно растворимое количество в электролите.