СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОТРИЦАТЕЛЬНОГО ЭЛЕКТРОДА ДЛЯ ЛИТИЕВОГО ИСТОЧНИКА ТОКА Российский патент 2000 года по МПК H01M4/30 H01M4/40 H01M6/14 

Изобретение относится к химическим источникам тока и может быть использовано при производстве как первичных, так и вторичных источников тока с литиевым электродом.

Известные технологические операции по изготовлению литиевого электрода включают в себя в качестве одной из обязательных операций нанесение на токоотвод литиевой фольги.

Надежность электрического контакта лития с токоотводом является условием реализации основных электрических характеристик химического источника тока. В этом случае особое значение приобретают прочность сцепления лития с материалом токоотвода и величина переходного сопротивления на границе литий - токоотвод, которое зависит от материала токоотвода, состояния его поверхности, а также от состояния поверхности самого лития. Токоотводы могут изготавливаться из инертных по отношению к литию и электролиту металлов (медь, никель, титан, нержавеющая сталь) или с нанесением на эти материалы тонких пленок металлов, способных образовывать литиевый сплав (серебро, золото, ртуть, магний, алюминий). В случае использования инертных подложек необходимо создавать большие давления прессования для обеспечения надежного контакта токоотвода с литиевой фольгой. Так, например, для никеля давление прессования составляет 25 мПа, а для стали 08КП - 35 мПа (Шмыдько И.И., Погодаев В. П., Глухих В.Н., Горб Г.А. "Влияние способов контакта лития с токоотводом на повышение работоспособности литиевого источника тока" в Сб. тезисов докладов I Всесоюзного совещания "Литиевые источники тока", стр. 15-16. Новочеркасск. 1990 г. ). Но даже в этом случае при длительном хранении источника тока или под действием механических нагрузок (вибрации) этот контакт может нарушиться из-за присутствия на литии пассивирующей пленки, что может привести к выходу из строя источника тока. В конструкции цилиндрического элемента системы диоксид серы-литий со спиральными электродами литиевый электрод изготовлен в виде прямоугольной ленты, на одном из концов которой приварена полоска медной фольги (Кедринский И.А., Дмитренко В.Е., Грудянов И.И. "Литиевые источники тока". М. "Энергоатомиздат", 1992 г., стр. 118). Однако такой способ изготовления небезопасен, так как расплавленный литий даже в сухой атмосфере способен воспламеняться.

В качестве аналога заявляемому изобретению выбрана заявка Японии N 52-31328, 57-АО, МКИ H 01 M 4/70, опубл. 09.03.77. В этом изобретении приводится элемент с анодом из легкого металла и катодом из галогенидов или оксидов металла. На внутренней поверхности токоотводящих пластин или служащих токоотводом крышек корпусов элемента формируют выступы и впадины типа иголок, погружаемые в активную массу, что улучшает характеристики элемента.

Недостатком указанного аналога является усложнение технологии изготовления из-за необходимости использования дополнительных технологических операций и специального оборудования для получения упомянутых выше выступов и впадин.

Прототипом заявляемому техническому решению выбран патент США N 4080489, МКИ H 01 М 4/02, опубл. 21.03.1978 г. "Устройство для улучшения контакта между литием и анодным коллектором тока". В этом патенте предлагается изготавливать аноды литиевых источников тока впрессовыванием лития в сетку из стали, никеля, титана или меди, покрытую тонким слоем металла, образующего сплав с литием при комнатной температуре. Этим достигаются хорошая адгезия и электрический контакт во время разряда, когда обычные литиевые аноды покрываются пассивной пленкой, приводящей к ухудшению контакта с токоотводом. Металлом покрытия могут быть ртуть, серебро, алюминий, кадмий, магний, цинк, свинец, олово и золото. Покрытие может быть нанесено гальванически, вакуумным напылением или другим способом. Толщина покрытия должна быть минимальна, чтобы только обеспечить контакт токоотвода с литием, но не загрязнять литий менее электроотрицательными металлами. Такая конструкция позволяет существенно уменьшить сопротивление границы раздела между литием и анодным коллектором тока (токоотводом).

Недостатком прототипа является неизбежное усложнение процесса изготовления токоотвода вследствие использования дорогостоящих (например: золото, серебро, платина) или высокотоксичных (например: свинец, кадмий, ртуть) металлов, применения вакуумного напыления или электрохимической обработки, а также включения в технологический процесс комплектующих средств по обеспечению и контролю экологической чистоты.

Задача заявляемого изобретения заключается в устранении недостатков прототипа. Способ изготовления отрицательного электрода литиевого источника тока путем прессования активного материала электрода на металлическую сетку токоотвода включает следующие технологические приемы.

В качестве токоотвода изготовляемого электрода используют тонкую сетку из металла, инертного по отношению к литию и электролиту, применяемому в данном элементе. В токоотводе перед прессованием на поверхности металлической сетки токоотвода выполняют игольчатую перфорацию, заусенцы которой направлены в сторону активного материала. Далее, на полученный таким образом токоотвод со стороны заусенцев напрессовывают активный материал (литий). В процессе прессования под действием пластических деформаций образуется соединение типа заклепки из активного (рабочего) материала электрода, армированное заусенцами. Таким образом нарушается целостность защитной пленки, покрывающей поверхность лития, что приводит к улучшению электрического и механического контактов. Улучшение (уменьшение) сопротивления границы раздела литий - токоотвод (в качестве токоотвода использовалась никелевая сетка) для такого электрода составило 8-10% по отношению к электроду с токоотводом из никелевой сетки, не имеющей игольчатой перфорации. Качество механического контакта границы литий - токоотвод было таково, что при попытке механического разделения методом растяжения происходил разрыв по литию при сохранении контакта литий - токоотвод. Усилия прессования выбирались таким образом, чтобы при его нижнем значении возникающие напряжения превышали предел пропорциональности для лития. Верхний предел усилий прессования и размер формируемых отверстий выбирались исходя из механических прочностных свойств сетки, обеспечивающих отсутствие разрушения токоотвода. Вследствие широкого разброса удельных сопротивлений материалов, применяемых для изготовления токоотводов, основным параметром в выборе отношения площади перфорационных окон на сетке токоотвода к площади самого токоотвода также являлись механические прочностные свойства сетки. Минимальное значение отношения площадей устанавливались опытным путем, исходя из сохранения характеристик химического источника тока в процессе испытаний, эксплуатации и хранения в течение заданного времени. Таким образом, были установлено, что отношение площади перфорационных окон к площади токоотвода менее 30 процентов не приводит к заметному улучшению электрического контакта. Отношение же более 60 процентов отрицательно сказывается на прочностных свойствах для широкого диапазона используемых сеток. Из этого следует, что оптимальный процент открытия (соотношение площадей) лежит в диапазоне 30-60. Что касается площади перфорационного окна, то для формирования на поверхности сетки заусенцев она должна быть больше площади ячейки используемой сетки, вместе с тем для предотвращения выхода заусенцев на рабочую поверхность литиевого электрода их максимальная высота не должна превышать толщины прессуемого лития.

Описанная выше последовательность технологических операций упрощает по сравнению с прототипом процесс изготовления отрицательных электродов литиевого источника тока. Кроме того, отказ от использования в технологии дорогостоящих и высокотоксичных металлов для покрытия инертных сеток повышает технико-экономические характеристики, вместе с тем обеспечивая экологическую чистоту.

Пример осуществления изобретения.

Тех. процесс включал в себя стадию нарезки литиевой фольги толщиной 1000 мкм на пластины размером 15 на 30 мм, далее в сухой атмосфере (содержание влаги не более 100 ppm) производились обезжиривание пластин и их зачистка от защитной пленки. Никелевая сетка нарезалась на куски, по размерам соответствующие пластинам лития, но имеющие токоотводящий лепесток, и обезжировалась ацетоном, затем на ее поверхности выполнялась перфорация в виде 80 отверстий (симметрично по 5 в каждом ряду). На последней стадии подготовленные литиевые пластины и никелевые токоотводы прессовались. Для проверки качества соединения в электроде, описанном выше, проводились испытания:
- проверка вибропрочности соединения в электроде заключалась в том, что электрод подвергался вибрации в диапазоне частит от 25 до 50 Гц при ускорении 19,6 м/с² в трех взаимно перпендикулярных направлениях в течение 30 мин в каждом направлении,
- проверка ударной прочности электрода приводилась путем воздействия ударных нагрузок при ускорении 147 м/с² в одном направлении при общем числе ударов 10 тыс.

В результате было установлено, что электрод сохраняет свои эксплуатационные качества в широком диапазоне внешних нагрузок.

Настоящий способ изготовления отрицательного электрода пригоден для электродов, использующих в качестве активного вещества анода и другие щелочные металлы, например калий или натрий.

Изобретение относится к химическим источникам тока и может быть использовано при производстве как первичных, так и вторичных источников тока с литиевым электродом. Согласно изобретению способы изготовления отрицательного электрода для литиевого источника тока путем прессования активного материала электрода на металлическую сетку токоотвода заключается в том, что перед прессованием на поверхности металлической сетки токоотвода выполняют игольчатую перфорацию, заусенцы которой направлены в сторону активного материала, при этом отношение площади перфорационных окон к площади токоотвода (процент открытия) выбирают в пределах 30 - 60%, площадь перфорационного окна принимают большей площади ячейки сетки, при этом максимальная высота заусенцев не должна превышать толщины прессуемого активного материала. Техническим результатом изобретения является упрощение процесса изготовления отрицательных электродов литиевого источника тока.

Способ изготовления отрицательного электрода для литиевого источника тока путем прессования активного материала электрода на металлическую сетку токоотвода, отличающийся тем, что перед прессованием на поверхности металлической сетки токоотвода выполняют игольчатую перфорацию, заусенцы которой направлены в сторону активного материала, при этом соотношение площади перфорационных окон к площади токоотвода (процент открытия) выбирают в пределах 30 - 60%, площадь перфорационного окна принимают большей площади ячейки сетки, при этом максимальная высота заусенцев не должна превышать толщины прессуемого активного материала.