ЛИТИЕВЫЙ АККУМУЛЯТОР Российский патент 2003 года по МПК H01M10/40 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при производстве литиевых аккумуляторов.

Литиевые аккумуляторы обладают существенным недостатком - короткие замыкания. Они приводят к выходу аккумуляторов из строя и сопровождаются перегревом и взрывами. Возникновение коротких замыканий обусловлено активным дендритообразованием на литиевом электроде (Багоцкий B.C., Скундин А.М. Химические источники тока. М.: Энергоиздат, 1981, с. 240-241).

Для решения указанной проблемы принимаются различные меры предосторожности, такие как: выбор более стойких сепарационных материалов; введение в электролит добавок, ограничивающих рост дендритов (SU, патен 343480, кл. Н 01 М 10/40, 1972); обработка поверхности литиевого электрода с получением электронопроводящих покрытий, которые препятствуют образованию дендритов (US, патент 6037750, Н 01 М 10/44, 1996).

Известен литиевый ХИТ (US, патент 4743520, кл. Н 01 М 2/14, 1988), содержащий литиевый анод, катод, электролит и двухслойный пористый сепаратор. Для предотвращения отказа аккумулятора при повышении величины разрядного тока между сепараторами устанавливается ограничитель тока, выполненный в виде перегородки из изоляционного материала с отверстиями, составляющими 1-60% площади.

Недостатком такого ХИТ является низкая удельная мощность из-за дополнительного конструктивного элемента с высоким сопротивлением.

Также известен литиевый ХИТ (ЕР, заявка 0129880, кл. Н 01 М, 1985), содержащий литиевый анод, многослойный сепаратор, электролит, катод и пористую металлическую пластину, предотвращающую взрыв аккумулятора при перемене полярности за счет шунтирования обратного тока литиевыми дендритами, образующими мостики между литиевым электродом и пластиной.

Тем не менее, введение пористой пластины не исключает полностью образования дендритов и закорачивания ХИТ. Недостатком также является снижение удельных характеристик ХИТ за счет вводимой пористой пластины.

Наиболее близким по технической сущности является литиевый ХИТ (RU, патент 2105393, кл. Н 01 М 6/14, 2/14, 1996), содержащий литиевый анод, многослойный сепаратор, электролит, катод и металлическую мембрану. Мембраной является пористая никелевая фольга толщиной 20-250 мкм, пористостью 10-60%, размером пор 1-50 мкм, которая имеет электрический контакт с анодом.

Это изобретение не исключает возможность коротких замыканий, приводящих к взрыву, так как никелевая мембрана имеет контакт с литиевым электродом, при заряде литий будет осаждаться в первую очередь на ней, из-за чего уменьшается расстояние между катодом и поверхностью дендритов.

Задачей изобретения является повышение безопасности эксплуатации литиевых аккумуляторов при сохранении высоких удельных характеристик путем прекращения заряда в момент регистрации прорастания дендрита через сепаратор.

Указанный технический результат достигается тем, что литиевый аккумулятор, содержащий литиевый анод, двухслойный сепаратор, электролит, катод и металлическую мембрану, расположенную между сепараторами, имеет дополнительный гермовывод на корпусе, соединенный с никелевой мембраной, выполненной в виде сетки с размером ячеек (80-120)х((80-120) мкм.

Сущность изобретения заключается в том, что дендриты с поверхности литиевого электрода прорастают между волокнами сепаратора и касаются поверхности металлической мембраны, изменяя ее потенциал в отрицательную сторону. Наличие гермовывода на корпусе, подсоединенного к мембране, делает возможным внешнее воздействие на дендрит (например, его автоматическое пережигание большим током или растворение при разряде). Изменение потенциала мембраны можно фиксировать как вручную (высокоомным вольтметром), так и с помощью автоматических зарядно-разрядных стендов. Режим цитирования может быть заложен в зарядное устройство.

Целесообразно металлическую мембрану выполнять в виде никелевой сетки толщиной 10-50 мкм, степенью открытия 40-70%, размером ячеек (80-120)х(80-120) мкм. Никель стоек в агрессивной среде электролита при рабочих условиях литиевых аккумуляторов и широко используется в технологии. Нижний предел толщины мембраны - 10 мкм обусловлен механической прочностью сетки. Применение толщины мембраны более 50 мкм нецелесообразно из-за снижения удельных характеристик. Нижний предел размеров ячеек сетки 80х80 мкм и степень открытия 40% выбраны так, чтобы не повышать внутреннее сопротивление аккумулятора, размер ячеек, превышающий 120х120 мкм, и степень открытия более 70% не гарантируют эффективной регистрации прорастания дендритов, вследствие этого понижается безопасность использования ХИТ.

Эффективность предлагаемого технического решения обусловлена тем, что дендриты на литиевом электроде растут неравномерно, наибольший вред причиняют одиночные наиболее крупные дендриты, имеющие относительно большую механическую прочность. Именно они приводят к коротким замыканиям с последующими взрывами. Предлагаемое техническое решение позволяет избирательно уничтожать такие дендриты лития в процессе заряда аккумуляторов.

Пример. Для испытаний было собрано 6 серий лабораторных образцов типоразмера R6 (по 3 штуки в каждой серии) ХИТ с литиевым и сажевым электродами, двухслойным сепаратором и электролитом LiAlCl₄•6SO₂. Серия 1 изготовлена без мембраны. Мембрану в сериях 2-6 располагали между сепараторами. Параметры мембраны, выполненной из никелевой сетки:
- при толщине 10 мкм размеры ячеек 80х80 мкм, степень открытия 40%;
- при толщине 35 мкм размеры ячеек 100х100 мкм, степень открытия 55%;
- при толщине 50 мкм размеры ячеек 120х120 мкм, степень открытия 70%.

В 5 и 6 серии макетов в качестве мембраны использовали пористую никелевую фольгу с размером пор 50 мкм и пористостью 50% при толщине 50 мкм. Результаты испытаний макетов аккумуляторов представлены в таблице.

Испытания проводили на автоматическом заряд-разрядном стенде. Плотность тока заряда и разряда 1 мА/см². При изменении потенциала мембраны в отрицательную сторону заряд автоматически прекращался. При разряде дендриты пережигали током 10•I_{разряда} и продолжали заряд в обычном режиме.

Установлено, что введение контроля потенциала мембраны повышает взрывобезопасность и увеличивает количество циклов аккумулятора до выхода его из строя. Введение металлической мембраны, выполненной в виде никелевой сетки, не приводит к снижению удельных характеристик ХИТ в отличие от макетов, содержащих мембрану, выполненную в виде пористой никелевой фольги. Это происходит вследствие облегчения процесса массопереноса через мембрану и отсутствия возрастания внутреннего сопротивления аккумулятора за счет оптимально подобранного размера ячеек выбранного материала мембраны. Проведенные испытания показали, что размеры ячеек металлической мембраны (80-120)х(80-120) мкм позволяют наиболее эффективно регистрировать прорастание дендритов, предупреждать возникновение коротких замыканий и тем самым увеличить безопасность эксплуатации аккумуляторов. Внешний контроль потенциала мембраны позволяет вовремя остановить заряд и разрушить дендрит внешним воздействием.

Таким образом, приведенные примеры изготовления аккумуляторов в соответствии с признаками, изложенными в формуле изобретения, а также испытания этих аккумуляторов на зарядно-разрядном стенде подтверждают возможность практической реализации заявляемого изобретения с достижением указанного технического результата. На основании изложенного можно сделать заключение о соответствии заявляемого изобретения критерию "промышленная применимость".

Таким образом, проведенный анализ уровня техники дает нам утверждать, что заявляемая нами совокупность существенных признаков, изложенная в формуле изобретения, неизвестна, что отвечает одному из критериев - "новизна".

Изучение технических решений с целью выявления существенных признаков нашего изобретения, совпадающих с признаками прототипа, показало, что заявленное изобретение не следует явно для специалиста в данной области из известного уровня техники. Считаем, что предлагаемое решение соответствует критерию "изобретательный уровень".

На основании вышеизложенного считаем, что предлагаемое техническое решение может быть признано изобретением и защищено патентом Российской Федерации.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к химическим источникам тока с литиевым анодом. Техническим результатом изобретения является повышение безопасности эксплуатации литиевых аккумуляторов при сохранении высоких удельных характеристик. Согласно изобретению в аккумулятор введен дополнительно гермовывод на корпусе, соединенный с никелевой мембраной, выполненной в виде сетки с размером ячеек (80-120)х((80-120) мкм. Наличие гермовывода на корпусе, подсоединенного к мембране, позволяет зарегистрировать изменение потенциала мембраны в момент прорастания дендрита через сепаратор и делает возможным внешнее воздействие на дендриты лития (например, его автоматическое пережигание большим током или растворение при разряде). 1 табл.

Литиевый химический источник тока, содержащий анод из металлического лития, двухслойный сепаратор, катод, электролит, никелевую мембрану, расположенную между сепараторами, гермовывод, расположенный в крышке, отличающийся тем, что он имеет дополнительный гермовывод на корпусе, соединенный с никелевой мембраной, выполненной в виде сетки с размером ячеек (80-120)·(80-120) мкм.