Li/SO АККУМУЛЯТОР Российский патент 2004 года по МПК H01M10/40 H01M6/14 

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при изготовлении Li/SО₂ аккумулятора.

Известно изобретение (Литиевый аккумулятор. Getter electrode and improved electrochemical cell containing the same: Пат. 5006428 США, МКИ⁵ Н 01 М 2/16/Gocbel Franz. Hossain Sohrab; Yardney Technical Product, Inc. - №442033; Заявл. 23.11.89; Опубл. 9.4.91; НКИ 429/101) для предотвращения повреждения аккумулятора с литиевым анодом, из-за роста дендритов при заряде и перезаряде (0,9 М LiAlCL₄ в тионилхлориде) предлагается использовать геттерный электрод, помещаемый между катодом и анодом и изолированный от этих электродов стекловойлочными сепараторами. Геттерный электрод выполнен из стекловойлочной бумаги с тонким слоем смеси угля с графитом и работает как катод с относительно низкой плотностью тока. Достигающие геттерный электрод дендриты растворяются, срок службы литиевого аккумулятора существенно увеличивается и сохраняется его емкость.

Однако исследования показали, что использование, описанного в заявке, геттерного электрода в литиевых аккумуляторах, приводит к их существенному саморазряду и потере аккумуляторами емкости.

Известен литиевый аккумулятор (прототип), в котором поверхность анода обработана электронно-проводящим дисперсным углеродистым покрытием, которое не только способствует образованию стабильно пассивирующего слоя и подавляет возникновение дендритов, но и снижает межфазное сопротивление, поддерживая его на этом уровне в течение всего срока службы аккумулятора. (Дисперсная поверхность электрода в литиевом аккумуляторе. Particulate interface for electrolytic cells and electrolytic process: Пат. 5503946, МКИ Н 04 М 4/62/ Fauteux Denis G., Shi Jic, Gary Richard; Arthur D. Little, Inc. №314878; Заявл. 29.09.1994; Опубл. 2.04.1996; НКИ 429/50).

Однако использование описанного в патенте анода с таким покрытием не приводит к образованию стабильно пассивирующего слоя и не подавляет процесс образования дендритов в той степени, которая бы удовлетворяла требованиям, предъявляемым к литиевым аккумуляторам. Проведенные исследования показали, что покрытие того состава, который приводится в патенте, отличается недолговечностью. Происходило отслаивание углеродного покрытия от поверхности литиевого электрода, а дендриты, образовавшиеся на открывшейся поверхности лития, окончательно разрушили нанесенный слой углеродного материала. Дендриты разрушали сепаратор, происходило короткое замыкание, и макеты аккумуляторов разрушались взрывом.

Перед авторами стояла задача повышения взрывобезопасности Li/SО₂ аккумулятора, увеличения его ресурса, путем образования стабильного пассивирующего слоя и подавления процесса дендритообразования на поверхности литиевого электрода.

Эта задача решена тем, что, на поверхность сепаратора, обращенную к аноду, нанесен разделительный слой толщиной 40-60 мкм, состоящий из графита 90-95 мас.% и коллоидного раствора фторопласта 5-10 мас.%, по сухому остатку.

Сущность изобретения заключается в том, что дендриты, образующиеся на поверхности литиевого электрода, оказываются накоротко замкнутыми на разделительный слой, который нанесен на поверхность сепаратора, обращенную к литиевому электроду. В результате этого взаимодействия на поверхности литиевого электрода образуется стабильный пассивирующий слой, который препятствует процессу дендритообразования. Введенное в состав разделительного слоя связующее (коллоидный раствор фторопласта) прочно удерживает его на поверхности сепаратора и придает ему хорошие пластичные свойства. Толщина 40-60 мкм обусловлена прочностными характеристиками разделительного слоя. При толщине менее 40 мкм, разделительный слой не обладает требуемыми прочностными характеристиками и не выполняет свои функции на весь период работы аккумулятора. Толщина разделительного слоя более 60 мкм нецелесообразна, т.к. это приводит к утолщению блока электродов и не дает положительного эффекта более того, который был получен при толщине разделительного слоя в 60 мкм. При воздействии на разделительный слой дендритов в начальный момент циклирования и увеличения-уменьшения толщины блока электродов (эффект “дыхания”) при последующем циклировании никак не сказываются на разделительном слое, он не трескается и не отслаивается с поверхности сепаратора и выполняет свои функции в течение всего срока службы аккумулятора.

Сущность предлагаемого изобретения подтверждается следующими примерами.

Для изготовления разделительного слоя использовали коллоидный графит марки С-1 и коллоидный раствор фторопласта (водно-спиртовая фторопластовая суспензия) марки Ф4-Д, сепаратор марки БСХИТ. Приготовили раствор графита в водно-спиртовой фторопластовой суспензии в соотношении: графита 90-95 мас.%, и водно-спиртовой фторопластовой суспензии - 5-10 мас.% по сухому остатку. Раствор наносили методом пульверизации на поверхность не отожженного сепаратора до образования слоя толщиной 40-60 мкм. Сепараторы высушивались при температуре 100±5° С, в течение 1 часа, и отжигались при температуре 280-300° С в течение 5-10 минут.

Пример

Для испытаний было собрано 4 серии лабораторных образцов аккумуляторов типоразмера R6 (по 3 штуки в каждой серии) с литиевым и сажевым электродами, двухслойным сепаратором БСХИТ и электролитом Li-AlCl₄·_{nSO2 (n равно от 3 до 9).}

Испытания проводили на автоматическом зарядно-разрядном стенде. Плотность тока заряда и разряда 1 мА/см².

Результаты испытаний макетов аккумуляторов в зависимости от количества графита и толщины разделительного слоя представлены в таблице.

Проведенные испытания показали, что предлагаемый состав и толщина разделительного слоя позволяют обеспечить взрывобезопасность и существенно увеличить ресурс аккумуляторов.

Приведенные примеры состава и толщины разделительного слоя в соответствии с признаками, изложенными в формуле изобретения, а также испытания аккумуляторов, собранных с использованием сепарации с нанесенным на нее разделительным слоем, 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 право 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 нами изобретение не следует явно для специалиста в данной области из известного уровня техники. Считаем, что предлагаемое решение соответствует критерию “изобретательский уровень”.

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

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при изготовлении Li/SO₂ аккумулятора. Техническим результатом изобретения является повышение взрывобезопасности Li/SO₂ аккумулятора, увеличения его ресурса, и подавления процесса дендритообразования на поверхности литиевого электрода. Согласно изобретению на поверхность сепаратора, обращенную к аноду, наносят разделительный слой толщиной 40-60 мкм, который состоит из 90-95 мас.% графита и коллоидного раствора фторопласта - 5-10 мас.%, по сухому остатку. 1 табл.

Li/SO₂ аккумулятор, включающий анод, сепаратор, катод, электролит и разделительный слой из углеродного материала, отличающийся тем, что разделительный слой толщиной 40-60 мкм нанесен на поверхность сепаратора, обращенную к аноду, и состоит из графита - 90-95 мас.% и коллоидного раствора фторопласта 5-10 мас.% по сухому остатку.