ОБЪЕДИНЕННАЯ ЭЛЕКТРОДНО-СЕПАРАТОРНАЯ СТРУКТУРА ДЛЯ ХИМИЧЕСКОГО ИСТОЧНИКА ТОКА Российский патент 2000 года по МПК H01M2/16 H01M6/14 

Изобретение относится к электротехническому производству и может быть использовано для изготовления электродов для химических источников тока (ХИТ).

Известна объединенная электродно-сепараторная структура (патент США N 4283469, публ. 1981 г., 11 августа, том 1009, N 2, МКИ H 01 M 6/14, НКИ 429 - 196), которая содержит металлическую подложку с большим числом деталей, образующих промежутки между ними. Указанные детали поддерживают запрессованный в них и в промежутках между ними слой из отдельных полужестких пористых конгломератов, которые образуют сеть каналов, пронизывающих полученную структуру. В результате чего указанная структура оказывается проницаемой для раствора электролита. Поверх слоя угольных конгломератов расположено связанное с ним пористое сепарационное покрытие из электрически непроводящего материала. Материал этого покрытия обладает химической стабильностью по отношению к анодному электроду, металлической подложке, угольному конгломерату и раствору электролита. Указанное покрытие проницаемо для раствора электролита, состоит из материала, такого как окись алюминия, силикат магния, окись циркония, тальк, молекулярные сита и их сочетания. Недостатки электродов, изготовленных по такой технологии, состоят в сложности изготовления, в невозможности изготовить гибкие тонкие электроды для рулонных ХИТ, а также в нестойкости такого сепарационного покрытия к прорастанию дендритов при работе во вторичных ХИТ, что ведет к ухудшению эксплуатационных характеристик.

Известен способ изготовления сепараторов из полистирола и химический источник тока с таким сепаратором (патент США N 4315062, публ. 1982 г., 9 февраля, том 1015, N 2, МКИ H 01 M 2/16, НКИ 429 - 196). По этому способу раствор полистирола наносят непосредственно на подвергаемую воздействию поверхность катода, после чего растворитель удаляют и получают на поверхности катода тонкое сплошное сепарационное покрытие.

Сепарационное покрытие электродов, полученных по данному способу, обладает недостаточной химической стойкостью для использования в ХИТ с электролитами на основе хлористого тионила или двуокиси серы, а также такое тонкое сепарационное покрытие не стойко к прорастанию дендритов во вторичные ХИТ, что ведет к ухудшению эксплуатационных характеристик.

Перед авторами стояла задача повышения эксплуатационных характеристик ХИТ, путем создания объединенной электронно-сепараторной структуры, отличающийся высокими эксплуатационными характеристиками, и с возможно более тонким, гибким и технологичным сепарационным покрытием. Стойким в таких агрессивных электролитах, как растворы хлористого тионила и двуокиси серы, химически инертным к щелочным металлам различным конструкционным и функциональным материалам - составляющим ХИТ. И вместе с тем проницаемым для электролита, и устойчивым к прорастанию дендритов при работе во вторичных ХИТ.

Эта задача решена путем нанесения на электрод сепарационного покрытия с последующими совместной сушкой при ≈ 100^oC и спеканием при 280 - 310^oC в течение 5 - 15 минут. При этом сепарационное покрытие состоит из микросфер стеклянных полых марки МСО А9 ТУ 6-11-367-75 в количестве 40 - 60% и 40 - 60% (в пересчете на фторопласт) фторопластовой суспензии Ф4-Д ТУ 6-05-1246-81.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором дан поперечный разрез электродно-сепараторной структуры. Предлагаемое сепарационное покрытие 1 наносят на готовый, но не спеченный электрод, состоящий из коллектора тока 2 и электродной массы 3.

Для изготовления сепарационного покрытия (результаты экспериментов представлены в таблице) в металлической не широкой емкости приготавливается композиция, состоящая из 25 - 15% фторопластовой суспензии Ф4-Д ТУ 6-05-1246-81 (в пересчете на фторопласт), 15% микросфер стеклянных полых марки МСО А9 ТУ 6-11-367-75 (или иного химически стойкого наполнителя), 60 - 70% воды дистиллированной
Смесь гомогенизируют сначала при помощи механической мешалки, а затем в ультразвуковом диспергаторе УЗДН-2Т.

После чего массу выкладывают толщиной около 10 мм на поддон, и сушат в сушильном шкафу при температуре около 100^oC, до полного удаления влаги.

Затем композицию охлаждают до комнатной температуры, смачивают гептаном и при механическом воздействии доводят до пластилиноподобной консистенции.

Полученную массу формуют на механических волнах в ленты толщиной 50 - 200 мкм, и шириной несколько большей, чем ширина электрода. Пакет, состоящий из сухого и обрезанного в размер, но не спеченного электрода, проложенного между двумя лентами сепарационного покрытия, также прокатывается на механических валках до необходимой толщины.

После чего электродно-сепарационный пакет сушат при ≈ 100^oC, обрезают в размер, и спекают в сушильном шкафу при 280 - 310^oC, в течение 5 - 15 мин.

После охлаждения электродно-сепараторная структура готова к использованию.

В НКТБ ХИТ изготовлены элементы системы Li-SO₂ в габарите МЭК R6 с катодом, изготовленным по технологии электродно-сепараторной структуры размером 90 x 30 мм, состоящим из электродной массы на основе сажи П400 и фторопластовой суспензии Ф4-Д на никелевом коллекторе тока и покрытые сепарационным покрытием толщиной 70 мкм, приготовленным из 50% микросфер стеклянных полых марки МСО А9, 50% фторопласта Ф4-Д. Эти аккумуляторы при высоких эксплуатационных характеристиках, проработали не менее 120 зарядно-разрядных циклов, без межэлектродного короткого замыкания (что говорит о стойкости покрытия к росту дендритов), тогда как использование стандартной для этих целей сепарации БСХИТ, приводило к короткому замыканию уже на 70 - 80 зарядно-разрядных циклах, а катоды изготовленные по технологии патентов аналогов, были вообще не работоспособны.

Эти результаты дают основание заявлять, что разработанная технология позволяет получить электродно-сепараторную структуру с тонким (до 50 - 70 мкм), гибким (сворачивается в рулон габарита R6), химически стойким (не разрушается в жидком SO₂) сепарационным покрытием, имеющую высокие эксплуатационные характеристики. Кроме того, позволяет упростить технологию сборки ХИТ за счет исключения отдельного сепарационного материала.

На основании вышеизложенного и по результатам проведенного патентно-информационного поиска считаем, что разработанная в НКТБ ХИТ электродно-сепараторная структура отвечает требованиям "новизна", "изобретательский уровень", "промышленная применимость" и может быть защищено патентом Российской Федерации.

Изобретение относится к электротехническому производству и может быть использовано при производстве электродов для химических источников тока (ХИТ). Техническим результатом изобретения является повышение эксплуатационных характеристик ХИТ путем создания объединенной электродно-сепараторной структуры с высокими эксплуатационными характеристиками. Согласно изобретению объединенная электродно-сепараторная структура для ХИТ содержит электрод с сепарационным покрытием из композиции на основе фторпластикового связующего Ф4-D 40 - 60%. Композицию наносят на электрод путем прокатки в сеялках с последующей сушкой при 100^oC и спеканием при 280 - 310^oC. 1 ил., 1 табл.

Объединенная электродно-сепараторная структура для химического источника тока, содержащая электрод с сепарационным покрытием, отличающаяся тем, что сепарационное покрытие представляет собой композицию на основе фторопластового связующего Ф4-Д - 40 - 60% и стеклянных микросфер марки МСО А9 - 40 - 60%, нанесенную на электрод путем прокатки в валках с последующей сушкой при 100^oС и спеканием при 280 - 310^oС.