СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ АККУМУЛЯТОРА СИСТЕМЫ Li/LiIAlCl nSO/Cu, C Российский патент 2005 года по МПК H01M10/40 H01M6/14 

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

Наиболее близким по технической сущности является способ изготовления ХИТ с литиевым анодом, катодом из CuCl₂ и электролитом, представляющим собой раствор LiAlCl₄ в жидком SO₂, в который с целью обеспечения стабильности разрядного напряжения вводится 3-15 мас.% LiCl (Заявка №4844993 США, МКИ⁴ Н 01 М 4/58).

Однако данный способ изготовления ХИТ обладает следующими недостатками:

- избыточный лития хлорид не растворяется в электролите (раствор LiAlCl₄ в жидком SO₂), поэтому возникают проблемы при заливке аккумулятора электролитом;

- происходит снижение безопасности эксплуатации ХИТ при циклировании.

Это связано с введением в электролит добавки лития хлорида - при заряде избыток лития восстанавливается на аноде, а на катоде происходит образование молекулярного хлора, который не расходуется на химические реакции с компонентами положительного электрода и, накапливаясь, повышает внутреннее давление в аккумуляторе, что приводит к разгерметизации элементов.

Перед авторами стояла задача повышения безопасности эксплуатации литиевых аккумуляторов при сохранении высоких удельных характеристик путем изготовления аккумулятора с повышенными емкостными характеристиками.

Необходимый технический результат достигается тем, что в известном способе изготовления аккумулятора системы Li/LiAlCl₄·nSO₂/Cu,C с добавкой лития хлорида, заключающемся в сборке, заливке электролитом и герметизации, лития хлорид помещают в процессе сборки в межэлектродное пространство в виде пористой пластины толщиной 0,2-0,5 мм, после герметизации проводят два формировочных цикла, при этом в первом цикле разряжают на 10-20% от С_ном, заряжают на 20-50% С_ном, а во втором цикле разряд осуществляют до напряжения 2 В с последующем зарядом на 100-110% от С_ном.

Сущность изобретения заключается в том, что введение в межэлектродное пространство аккумулятора пористой пластины из лития хлорида в совокупности с проведением формировочных циклов заявляемым режимом приводит к значительному увеличению емкости аккумулятора за счет образования второго активного катодного деполяризатора, т. происходит полное преобразование порошка меди, содержащегося в катодном материале, в меди хлорид (II). Безопасность эксплуатации такого аккумулятора возрастает в несколько раз по сравнению с аккумулятором, изготовленным в соответствии с описанием прототипа, за счет следующих факторов:

- первоначальный разряд емкостью 10-20% от С_ном позволяет восстановить меди хлорид (I), который образуется вследствие электрохимической реакции на границе сажа - медь после заливки ХИТ электролитом, до металлической меди. Это приводит к ускорению процесса формирования положительного электрода аккумулятора;

- при последующем заряде происходит разложение введенной дополнительно соли лития хлорида на литий, который электроосаждается на очищенную поверхность плотным осадком и является электрохимически более активным, и атомарный хлор, который реагирует с частицами меди, образуя меди хлорид (II);

- при введенной пористой пластине из лития хлорида, который расходуется в течение формировочных циклов, в аккумуляторе появляется свободное пространство для постепенного увеличения толщины электродов во время заряда. Мягкий режим формирования активной массы катода с постепенным увеличением зарядной емкости от цикла к циклу позволяет полностью преобразовать медь в меди хлорид (II), не приводя к деформациям внутри аккумулятора.

Целесообразно применять пластину из лития хлорида толщиной не более 0,5 мм из-за снижения удельных характеристик. Нижний предел толщины пластины 0,2 мм обусловлен количеством лития хлорида, которое необходимо для эффективного формирования аккумулятора.

При проведении первого формировочного разряда емкостью менее 10% от С_ном не происходит полного восстановления хлорида меди (I) до металлической меди. Разряд аккумулятора емкостью более 20% от С_ном нецелесообразен, так как происходит забивание пор продуктами разряда сажевого электрода, вследствие чего процесс дальнейшего формирования протекает неэффективно.

Целесообразно первый заряд проводить емкостью 20-50% от С_ном, так как при этом растворение пористой пластины из лития хлорида происходит наиболее равномерно, что, в свою очередь, ведет к образованию плотного осадка из металлического лития на литиевом электроде и способствует переходу металлической меди в меди хлорид по всему объему электрода. Первый заряд емкостью менее 20% от С_ном проводить нецелесообразно, так как переход металлической меди в меди хлорид (II) происходит только на поверхности электрода, вследствие чего дальнейшее формирование происходит неэффективно. Учитывая тот факт, что при заряде происходит образование второго активного вещества, вследствие чего толщина электрода несколько увеличивается, проводить первый заряд емкостью более 50% от С_ном нецелесообразно, так как это может привести к деформациям внутри электродного блока. Второй заряд емкостью менее 100% от С_ном не позволяет полностью растворить пластину из лития хлорида, и при дальнейшем циклировании приводит к снижению характеристик аккумулятора. Так как при перезаряде аккумулятора происходит разложение электролита с выделением хлора, что ведет к снижению безопасности эксплуатации ХИТ, то заряжать более 110% от С_ном нецелесообразно.

Эффективность предлагаемого технического решения подтверждается приведенным ниже примером.

Пример. Для испытаний было собрано 6 серий лабораторных образцов типоразмера R6 (по 3 шт. в каждой серии) ХИТ с литиевым и медно-сажевым электродами, двухслойным сепаратором и электролитом LiAlCl₄·nSO₂.

Серия №1 изготовлена в соответствии с описанием прототипа.

Серии №2-4 изготовлены в соответствии с описанием заявляемого технического решения.

Серия №5 изготовлена без введения пластины из лития хлорида, формировочные циклы проведены в соответствии с описанием формулы изобретения.

Серия №6 изготовлена с введением пластины из лития хлорида, но без проведения формировочных циклов.

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

Результаты испытаний макетов приведены в таблице 1.

Таблица 1№Толщина
пластины
из LiCl, ммОтличительные признакиQуд,
 
А·ч/м³Количество цикловЗаявляемый эффектПримечание1.1-Изготовлено в соответствии с прототипом25015нетКЗ во время 15 заряда1.2-22018нетВзрыв во время 18 заряда1.3-20013нетВзрыв во время 13 заряда2.10,20Изготовлено в соответствии с заявляемым техническим решением55068естьЦиклирование прекращали при снижении емкости до 50%2.20,2052063есть2.20,2053065есть3.10,3556071есть-″-
Оптимальный вариант3.20,3557078есть3.30,3556873есть4.10,5054063естьЦиклирование прекращали при снижении емкости до 50%4.20,5054565есть4.30,5053770есть5.1-Изготовлены без введения пластины LiCl31015нетВзрыв во время 15 заряда5.2-31520нетКЗ во время 20 заряда5.3-31219нетКЗ во время 19 заряда6.10,35Без проведения формировочных циклов2758нетКЗ во время 8 заряда6.20,3527012нетКЗ во время 12 заряда6.30,352729нетВзрыв во время 9 заряда

Для исследования влияния режима формирования были собраны макеты с пластиной из лития хлорида толщиной 0,35 мм. Результаты испытаний представлены в таблице 2.

Таблица 2№Режим формированияQуд,
А·ч/м³Количество цикловЗаявляемый эффектПримечаниеразряд1 заряд2 заряд1.1В соответствии с прототипом18010нетКЗ во время 10 заряда1.2В соответствии с прототипом21014нетВзрыв во время 14 заряда1.3В соответствии с прототипом20016нетВзрыв во время 16 заряда2.10,100,2151068естьЦиклирование прекращали при снижении емкости до 50%2.20,100,2152063есть2.20,100,2153065есть3.10,150,351,0556071есть-″-
Оптимальный вариант3.20,150,351,0557078есть3.30,150,351,0556873есть4.10,200,51,154063естьЦиклирование прекращали при снижении емкости до 50%4.20,200,51,154565есть4.30,200,51,153770есть

Из данных таблиц 1 и 2 следует, что положительный эффект увеличения удельных характеристик и повышения безопасности эксплуатации достигается только при соблюдении совокупности существенных признаков, описанных в изобретении: введения в межэлектродное пространство пластины из лития хлорида толщиной 0,2-0,5 мм и проведения формировочных циклов.

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». Проведенный анализ уровня техники дает основание 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 «изобретательный уровень».

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

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при производстве литиевых аккумуляторов. Техническим результатом изобретения является повышение безопасности эксплуатации литиевых аккумуляторов при сохранении высоких удельных характеристик. Согласно изобретению в процессе сборки аккумулятора в межэлектродное пространство помещают пористую пластину из лития хлорида толщиной 0,2-0,5 мм, а формирование ведут следующим режимом: первый цикл - разряжают на 10-20% от С_ном; заряжают на 20-50% С_ном; второй цикл - разряд ведут до напряжения 2 В, заряжают на 100-110% от С_ном. 2 табл.

Способ изготовления аккумулятора системы Li/LiAlCl₄·nSO₂/Cu,C с добавкой лития хлорида, заключающийся в сборке, заливке электролитом, герметизации, отличающийся тем, что лития хлорид помещают в процессе сборки в межэлектродное пространство в виде пористой пластины толщиной 0,2-0,5 мм, после герметизации проводят два формировочных цикла, при этом в первом цикле разряжают на 10-20% от С_ном, заряжают на 20-50% от С_ном, а во втором цикле разряд осуществляют до напряжения 2В, с последующим зарядом на 100-110% от С_ном.