СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОДА ТЕПЛОВОГО ХИМИЧЕСКОГО ИСТОЧНИКА ТОКА Российский патент 2012 года по МПК H01M4/08 H01M6/36 

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано в производстве тепловых химических источников тока.

Известен способ изготовления электрода (US 4011372 A кл. 429-218 24.03.1977) для теплового химического источника тока, включающий изготовление литиевой фольги, просечной сетки из алюминия, приготовление пасты из порошка кремния со связующим - метасиликатом натрия, нанесение пасты кремния на сетку из алюминия, сушку, теромообработку сетки с нанесенным слоем кремния, совместное тиснение пакета, состоящего из литиевой фольги, алюминиевой просечной сетки с нанесенным на нее кремнием. После вырубки и завальцовки заготовки электрода в корпусе производится теромообработка электрода при температуре выше температуры плавления лития.

Недостатками известного способа является большое количество операций, которые не поддаются контролю, и поэтому электроды обладают низкой надежностью работы.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемым результатам является способ изготовления электрода теплового химического источника тока (Пат. Ru №2153736 С2, кл. Н01М 4/12 17.08.1988) путем укладки в корпус из малоуглеродистой стали литиевой фольги, отливки из композиционного материала, содержащего кремний, завальцовки корпуса, опрессовки заготовки электрода и его теромообработки в поджатом состоянии в печи при температуре (350±50)°C. При термообработке в печи за счет экзотермической реакции при температуре свыше температуры плавления лития образуется интерметаллическое соединение лития с кремнием, являющееся активной частью электрода.

Недостатками известного способа является низкое качество получаемого электрода, а емкость не достигает расчетных значений. Это объясняется тем, что теромообработка электрода осуществляется в приспособлении без фиксации величины давления поджатия. В результате не обеспечивается идентичность электродов по прочности и пористости, определяющей, в свою очередь, удельную поверхность активной части и, как следствие, низкий коэффициент полезного использования (КПИ) емкости электрода. При извлечении из приспособления на поверхности электрода могут образовываться трещины и частичные осыпания активной массы из-за слабого ее сцепления с внутренней поверхностью корпуса электрода. Это приводит к значительному браку изготовления электродов, а также не позволяет обеспечить надежную электрическую цепь при работе электрода в составе электрохимического элемента.

Целью изобретения является повышение КПИ активной составляющей электрода, снижение брака при его изготовлении.

С этой целью предлагается способ изготовления электрода теплового химического источника тока путем укладки в корпус из малоуглеродистой стали литиевой фольги, отливки из композиционного материала, содержащего кремний, завальцовки корпуса, опрессовки заготовки электрода и его теромообработки в поджатом состоянии в печи при температуре (350±50)°C, отличающийся тем, что термообработка осуществляется в пакете, набранном из спрессованных заготовок электродов, разделенных молибденовыми или титановыми пластинами толщиной (0,1-0,3) мм при давлении поджатия (10-15) МПа в течение не менее 30 мин.

Предложенный способ изготовления электрода впервые определил основные технологические параметры способа термообработки электрода, позволяющие стабилизировать экзотермическую реакцию сплавообразования лития с композиционным материалом, содержащим кремний.

Выбранные параметры давления поджатия заготовок электродов в совокупности с тонкими разделительными пластинами, инертными к сплавам лития, позволили создать условия для формирования развитой поверхности активной части электрода и тем самым повысить емкость электрода.

При этом достигается надежное сцепление активной массы электрода с внутренней поверхностью корпуса, что позволяет обеспечить надежный электрический контакт при работе электрода в составе электрохимического элемента, а также обеспечить требуемую технологическую прочность электрода, повысить выход годных электродов.

При работе в составе электрохимического элемента расплавленный электролит заполняет поры активной части электрода, увеличивая энергосъем с единицы поверхности. В результате повышается КПИ активной составляющей электрода.

Термообработка заготовки электрода в струбцине совместно с набором других электродов существенно увеличивает производительность изготовления электродов и значительно уменьшает брак.

При давлении поджатия меньше 10 МПа существенно снижается сцепление активного вещества с внутренней поверхностью корпуса электрода. Активная масса электрода приобретает рыхлую структуру, что приводит к ее осыпанию при проведении технологических операций.

При давлении поджатия больше 15 МПа происходит уплотнение активной массы электрода, что уменьшает его пористость и удельную поверхность. В результате уменьшается КПИ заложенной емкости электрода.

Пластины из молибдена или титана, устанавливаемые между электродами, предотвращают контакт активной части электрода с корпусом соседнего электрода и тем самым исключают залипание активной части образовавшегося интерметаллического соединения с корпусом соседнего, что повышает выход годных электродов. Инертные к расплавленному литию тонкие (0,1-0,3) мм прокладки при выбранном давлении подпрессовки формируют пористую структуру поверхности активной части электрода, увеличивая коэффициент полезного использования емкости электрода.

Толщина пластин определяет скорость прохождения реакции образования интерметаллоидного соединения Li₄Si. При плавлении лития происходит экзотермическая реакция образования интерметаллоида. Толщина пластин меньше 0,1 мм увеличивает пик температуры, что ведет к уплотнению активной массы электрода, находящегося в поджатом состоянии, и, как следствие, к снижению пористости электрода. Толщина прокладок больше 0,3 мм приводит к снижению температуры реакции и полноте взаимодействия компонентов активной массы электродов, снижая КПИ активной массы электрода.

Время термообработки 30 мин является минимальным для полного прохождении реакции сплавообразования, обеспечивающей при указанных выше параметрах необходимую структуру активной части электрода.

Конструкция струбцины позволяет надежно зафиксировать создаваемое на электроды давление подпрессовки и обеспечивает одновременно термообработку ~100 электродов.

Таким образом, изобретение позволило в серийном производстве получать идентичные электроды по составу компонентов, по плотности и максимально возможной удельной поверхностью активной части. Одновременно обеспечивается надежное сцепление интерметаллического соединения с внутренней поверхностью корпуса электрода, что улучшает токосъем, а также исключает образование трещин и осыпаний активной части электрода.

Пример конкретного исполнения

В корпус диаметром 35,5 мм, изготовленный из малоуглеродистой стали толщиной 0,05 мм, помещались диск из литиевой фольги диаметром 35 мм толщиной 0,5 мм и отливка из композиционного материала также диаметром 35 мм. После завальцовки корпуса заготовка электрода подвергалась опрессовке на электромагнитном прессе и помещалась в струбцину с набором других заготовок электродов. Между электродами прокладывались молибденовые пластины толщиной 0,2 мм. Пневматическим прессом электроды поджимались давлением 13 МПа и струбцина помещалась в печь, где выдерживалась при температуре (350±50)°C не менее 30 мин.

На полученных электродах изготовлен опытный образец источника тока на электрохимической системе LiSi/KCl-LiCl/FeS₂.

В таблице представлены результаты испытаний источников тока с опытными электродами и электродами по прототипу на нагрузку 23 Ом.

Источник тока τ_вр, с U_max, В τ_р, c Опытный 0,50 34,6 176 Прототип 0,55 34,0 149

В таблице приняты обозначения:

τ_вр - время выхода на рабочий режим;

U_max - максимальное напряжение разряда;

τ_р - продолжительность работы в секундах до напряжения 23,5 В.

Из результатов испытаний следует, что основные характеристики источника тока с электродами, изготовленными в соответствии с предлагаемым изобретением, выше по сравнению с прототипом.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при производстве тепловых химических источников тока. Техническим результатом является увеличение коэффициента полезного использования емкости электрода и снижение брака при его изготовлении. Согласно изобретению термообработка сформованной заготовки электрода, содержащего в своей основе кремний и литий, осуществляется в пакете, набранном из спрессованных заготовок электродов, разделенных молибденовыми или титановыми пластинами толщиной (0,1-0,3) мм при давлении поджатия (10-15) МПа в течение не менее 30 мин. 1 пр., 1 табл.

Способ изготовления электрода теплового химического источника тока путем укладки в корпус из малоуглеродистой стали литиевой фольги, отливки из композиционного материала, содержащего кремний, завальцовки корпуса, опрессовки заготовки электрода и его термообработки в поджатом состоянии при температуре (350±50)°С, отличающийся тем, что термообработка осуществляется в пакете, набранном из спрессованных заготовок электродов, разделенных молибденовыми или титановыми пластинами толщиной (0,1-0,3) мм при давлении поджатия (10-15) МПа в течение не менее 30 мин.