КАТОД ЛИТИЕВОГО ИСТОЧНИКА ТОКА Российский патент 2010 года по МПК H01M4/02 H01M10/52 

Описание патента на изобретение RU2383970C1

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при производстве литиевых источников тока. Катоды литиевых источников тока являются композиционными материалами: они представляют собой смесь активной массы, электропроводной добавки и связующего. Эти катоды являются пористыми материалами, а их поры при работе литиевых источников тока заполняют раствором жидкого электролита. В качестве активной массы катода в настоящее время широко применяются оксиды металлов [1].

Известен катод, используемый в литиевых источниках тока, который представляет собой композицию из диоксида марганца, сажи и фторопласта, взятых в следующем массовом соотношении - 85:10:5. Для этих композиций удельная электрическая емкость лежит в интервале 150-220 мА·ч/г при 20°С, что значительно ниже его теоретического значения [2]. В качестве связующего вещества в этом катоде используют непроводящий фторопласт, который частично экранирует поверхность активных частиц, делая их недоступными для процесса интеркаляции иона лития, тем самым снижая удельную емкость катода.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемым результатам является катод, используемый в литиевых источниках тока, который представляет собой композицию из диоксида марганца, сажи и полипиролла, взятых в следующем массовом соотношении - 85:10:5. Использование в качестве связующего проводящего полимера-полипиролла позволило увеличить емкость до 280 мА·ч/г при 20°С. К недостаткам этого катода следует отнести высокий саморазряд (20% в месяц) из-за деструкции полипиролла, а также коррозионных процессов из-за наличия в порах катода жидкого электролита [3].

Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в повышении емкости и снижении саморазряда катодов литиевых источников тока. Поставленная техническая задача достигается тем, что в известном катоде литиевого источника тока, представляющем собой композицию активной массы, электропроводной добавки и связующего, предлагается в качестве связующего использовать твердополимерный электролит (ТПЭ), состоящий из полимерной матрицы и неорганической ионогенной соли лития.

Кроме того, в качестве полимерной матрицы может быть использован полиарилсульфон средней молекулярной массы (0,2-1,0)·105 при следующем массовом соотношении компонентов, мас.ч:

полиарилсульфон - 100, неорганическая соль лития - не более 30.

При таких значениях средней молекулярной массы полимер обладает хорошими пленкообразующими свойствами, что позволяет получить твердополимерный электролит с хорошими механическими свойствами.

Обоснование выбранных интервалов компонентов: уменьшение количества соли менее нижнего предела приводит к неравномерности распределения ее по полимеру и соответственно к ухудшению проводящих свойств;

увеличение количества соли лития более верхнего предела приводит к разрушению структуры полимера и, как следствие, твердополимерный электролит становится гомогенно неоднородным, что также приводит к снижению проводящих свойств.

Катод изготавливают следующим образом. Порошок диоксида марганца MnO2 перемешивают с сажей в соотношении 85:10 и пропитывают 5 (мас.) % раствором твердополимерного электролита в диметилацетамиде. Твердополимерный электролит состоит из перхлората лития и полиарилсульфона при массовом соотношении компонентов: полиарилсульфон - 100, перхлорат лития - 20. Объем раствора выбирают таким образом, чтобы соотношение MnO2:сажа:ТПЭ составляло 85:10:5. Затем полученную смесь высушивают в сушильном шкафу при температуре 100°С в течение часа в вакууме и напрессовывают на контактную часть токоотвода катода. Прессование осуществляют под давлением 10 МПа.

Процесс сушки готового катода проводят в сушильном шкафу при температуре 100°С в течение двух часов в вакууме.

В таблице приведены примеры конкретных составов и свойств заявленных катодов.

Диоксид марганца, мг LiClO4, мг Полимерная матрица, мг Графит, мг Удельная емкость, мА·ч/г Саморазряд, %/год 1 9,00 0,05 0,45 0,50 287 0,5 2 9,00 0,10 0,40 0,50 294 0,5 3 9,00 0,15 0,35 0,50 285 0,5 4 8,50 0,10 0,90 0,50 304 0,5 5 8,50 0,20 0,80 0,50 310 0,5 6 8,50 0,30 0,70 0,50 298 0,5 7 8,00 0,15 1,35 0,50 288 0,5 8 8,00 0,30 1,20 0,50 293 0,5 9 8,00 0,45 1,05 0,50 290 0,5

Предлагаемый катод имеет преимущество по емкости и саморазряду перед существующими аналогами.

Указанный эффект объясняется тем, что в качестве связующего катода и электролита в его порах используется твердополимерный электролит. Таким образом в данном катоде полностью отсутствует жидкая фаза, т.е он является твердофазным композиционным материалом. При использовании электропроводного ТПЭ в качестве связующего компонента экранирования поверхности частиц активного материала не возникает. Кроме того, равномерность распределения ТПЭ в структуре твердофазного электрода по данным растровой электронной микроскопии выше, чем у электродов-прототипов. Как показали эксперименты, по длительным режимам разряда твердофазных катодов и их разряда после хранения ТПЭ в отличие от жидкого электролита является полностью инертным по отношению к материалам положительного электрода. Вследствие чего саморазряд твердофазного катода значительно меньше, чем катода, поры которого заполнены жидким электролитом.

Источники информации

1. Химические источники тока: Справ. / Под ред. Н.В.Коровина и A.M.Скундина. М.: Изд-во МЭИ, 2003. 799 с.

2. Lithium Batteries: Science and Technology / Nazri G.A., Pistoia G., eds. Boston. Kluwer Academic, 2004. 375 р.

3. Gemeay A.H., Nishiyama, Kuwabata S., Yoneyama H. // J. Electrochem. Soc. - 1995. - V.142, N12. - P.4190-4195.

Похожие патенты RU2383970C1

название год авторы номер документа
ТВЕРДОПОЛИМЕРНЫЙ ЭЛЕКТРОЛИТ 2021
  • Смирнов Константин Сергеевич
  • Пуцылов Иван Александрович
  • Огурцова Дарья Сергеевна
  • Савостьянов Антон Николаевич
  • Смирнова Елена Анатольевна
RU2760559C1
ТВЕРДОПОЛИМЕРНЫЙ ЭЛЕКТРОЛИТ ДЛЯ ЛИТИЕВЫХ ИСТОЧНИКОВ ТОКА 2001
  • Смирнов С.Е.
  • Моргунов Д.А.
  • Чеботарев В.П.
RU2190902C1
ГЕЛЬ-ПОЛИМЕРНЫЙ ЭЛЕКТРОЛИТ ДЛЯ ЛИТИЕВЫХ ИСТОЧНИКОВ ТОКА 2015
  • Смирнов Сергей Евгеньевич
  • Пуцылов Иван Александрович
  • Смирнов Сергей Сергеевич
RU2594763C1
ГЕЛЬПОЛИМЕРНЫЙ ЭЛЕКТРОЛИТ ДЛЯ ЛИТИЕВЫХ ИСТОЧНИКОВ ТОКА 2016
  • Смирнов Сергей Евгеньевич
  • Егоров Алексей Михайлович
  • Смирнов Константин Сергеевич
  • Негородов Михаил Викторович
  • Швагорев Анатолий Васильевич
RU2614040C1
КОМПОЗИЦИОННАЯ СМЕСЬ ДЛЯ ЭЛЕКТРОЛИТА ЛИТИЕВОГО ИСТОЧНИКА ТОКА 2010
  • Попова Светлана Степановна
  • Барышева Светлана Владимировна
  • Денисов Алексей Владимирович
  • Бычкова Алина Александровна
RU2423758C1
ГЕЛЬПОЛИМЕРНЫЙ ЭЛЕКТРОЛИТ 2021
  • Смирнов Сергей Евгеньевич
  • Егоров Алексей Михайлович
  • Огородников Александр Александрович
  • Огурцова Дарья Сергеевна
  • Смирнова Елена Анатольевна
RU2762828C1
ТВЕРДЫЙ ПОЛИМЕРНЫЙ ЭЛЕКТРОЛИТ ДЛЯ ЛИТИЕВЫХ ИСТОЧНИКОВ ТОКА 2012
  • Шаплов Александр Сергеевич
  • Лозинская Елена Иосифовна
  • Понкратов Денис Олегович
  • Выгодский Яков Семёнович
  • Власов Петр Сергеевич
  • Видал Фредерик
  • Арманд Мишель
  • Сюрсен Кристин
RU2503098C1
ГЕЛЬПОЛИМЕРНЫЙ ЭЛЕКТРОЛИТ ДЛЯ ЛИТИЕВЫХ ИСТОЧНИКОВ ТОКА 2001
  • Смирнов С.Е.
  • Комков В.А.
  • Чеботарев В.П.
RU2190903C1
ПЕРВИЧНЫЙ ХИМИЧЕСКИЙ ИСТОЧНИК ТОКА 2014
  • Смольков Сергей Владимирович
  • Ничволодин Алексей Геннадиевич
  • Родионов Вячеслав Викторович
  • Зубцова Клавдия Сергеевна
  • Лякин Игорь Владимирович
RU2583453C2
КОМПОЗИЦИОННАЯ СМЕСЬ ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ПЛЕНОЧНОГО ТВЕРДОГО ПОЛИМЕРНОГО ЭЛЕКТРОЛИТА 1993
  • Попова С.С.
  • Денисова Г.П.
  • Ярцева Н.М.
  • Крупина Т.И.
  • Макарова Н.И.
RU2075799C1

Реферат патента 2010 года КАТОД ЛИТИЕВОГО ИСТОЧНИКА ТОКА

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при производстве литиевых источников тока. Согласно изобретению в катоде литиевого источника тока, представляющем собой композицию активной массы, электропроводной добавки и связующего, в качестве связующего используют твердополимерный электролит (ТПЭ), состоящий из полимерной матрицы и неорганической ионогенной соли лития. Техническим результатом изобретения является повышение емкости и снижение саморазряда катодов литиевых источников тока. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

Формула изобретения RU 2 383 970 C1

1. Катод литиевого источника тока, представляющий собой композицию активной массы, электропроводной добавки и связующего, отличающийся тем, что в качестве связующего используют твердополимерный электролит, состоящий из полимерной матрицы и неорганической ионогенной соли лития.

2. Катод литиевого источника тока по п.1, отличающийся тем, что в качестве полимерной матрицы используют полиарилсульфон средней молекулярной массы (0,2-1,0)·105 при следующем массовом соотношении компонентов, мас.ч.:
полиарилсульфон 100, неорганическая соль лития не более 30.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2010 года RU2383970C1

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КАТОДА ЛИТИЕВОГО ИСТОЧНИКА ТОКА 2000
  • Жорин В.А.
  • Смирнов С.Е.
  • Огородников А.А.
  • Кичеев Л.А.
  • Смородин Б.А.
RU2168802C1
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ АКТИВНОЙ МАССЫ КАТОДА ЛИТИЕВОГО АККУМУЛЯТОРА 2002
  • Смирнов С.Е.
  • Жорин В.А.
  • Огородников А.А.
RU2230399C2
WO 03083968 А1, 09.10.2003
JP 2008117543 А, 22.05.2008.

RU 2 383 970 C1

Авторы

Смирнов Сергей Евгеньевич

Смирнов Сергей Сергеевич

Пуцылов Иван Александрович

Даты

2010-03-10Публикация

2009-03-23Подача