ГЕЛЬ-ПОЛИМЕРНЫЙ ЭЛЕКТРОЛИТ ДЛЯ ЛИТИЕВЫХ ИСТОЧНИКОВ ТОКА Российский патент 2016 года по МПК H01M6/18 H01M10/52 H01M10/561 

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при производстве литиевых первичных и вторичных источников тока, а также в суперконденсаторах. Гель-полимерный электролит состоит из полимерной матрицы и пластификатора, включающего в себя апротонный диполярный растворитель и соль лития.

Известны гель-полимерные электролиты, используемые в литиевых источниках тока, состоящие из смеси полимеров с растворителем и перхлоратом натрия, причем в качестве полимеров используются смеси полиэфиров и краун-эфиров, полиэтиленгликольакрилата и винилиденфторида. Для этих композиций удельная электрическая проводимость лежит в интервале 10^-3 - 5*10^-3 См/см при 20°C. Недостатком их является наличие несвязанного полимером растворителя, который пассивирует литиевые электроды в процессе работы, в результате чего работоспособность источника тока резко снижается [1, 2].

Наиболее близким по технической сущности и достигаемым результатам является гель-полимерный электролит, который содержит полимерную матрицу на основе полисульфона, неорганическую ионогенную соль лития и органический растворитель, в качестве которого используют смесь пропиленкарбоната с тетрагидрофураном, взятых в соотношении (об.%) 1:1-1:4, при следующем массовом соотношении компонентов, мас.ч.:

полисульфон - 100,

неорганическая ионогенная соль лития - 5-27,

органический растворитель - 80-140.

Для него удельная электрическая проводимость достигает 10^-2 См/см, что не уступает соответствующим значениям для жидких электролитов, используемых в настоящее время в литиевых источниках тока [3]. Однако было обнаружено ухудшение свойств пленок полисульфона и гельполимерных электролитов на его основе при изменении влажности окружающего воздуха. Так, чем выше влажность окружающей среды, тем более низкой проводимостью характеризовались гель-полимерные электролиты. Такое поведение может быть связано с кооптированным взаимодействием соли и полимерной матрицы. Кроме того, проводимость гель-полимерного электролита во времени снижалась.

Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в повышении удельной электрической проводимости гельполимерного электролита и обеспечении его химической и электрохимической стабильности. Технический результат, заключающийся в увеличении гомогенности электролита и повышении коэффициента диффузии лития, достигается тем, что в известном гель-полимерном электролите, содержащем полимерную матрицу, органический растворитель и неорганическую ионогенную соль лития, согласно изобретению в качестве полимерной матрицы используется сополимер полисульфона и перфтордифенилолпропана средней молекулярной массы (0.5-1.0)·10⁵ при следующем массовом соотношении компонентов, мас.ч.:

Сополимер полисульфона и перфтордифенилолпропана - 100,

Неорганическая ионогенная соль лития - 6-28,

Органический растворитель - 80-140.

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

Обоснование выбранных интервалов компонентов:

- уменьшение количества соли менее нижнего предела приводит к неравномерности распределения ее по полимерной матрице и соответственно к ухудшению проводящих свойств; увеличение количества соли лития более верхнего предела приводит к ухудшению электропроводности за счет выпадения кристаллов соли в осадок.

- уменьшение количества растворителя приводит к получению жесткого геля, что снижает его электропроводность, а увеличение количества растворителя приводит к ухудшению механических свойств гельполимерного электролита.

Гель-полимерный электролит готовится следующим образом.

Порошок сополимер полисульфона и перфтордифенилолпропана растворяют в диметилацетониде, тщательно перемешивают, выливают в изложницу с тефлоновым покрытием и выдерживают в сушильном шкафу при t=110±5°C до получения пленки толщиной 10÷50 мкм. Затем пленка полимера пропитывается раствором соли лития в смеси пропиленкарбоната и тетрагидрофурана в закрытом бюксе в боксе, заполненном аргоном, в течение 18-20 часов.

В таблице приведены примеры конкретных составов и свойств заявленных гель-полимерных электролитов.

Удельная электрическая проводимость прототипа ниже на 10-15%. Гель-полимерный электролит прошел успешные испытания в аккумуляторе на основе системы литий - литий-железо фосфат (типоразмер 2025) и первичном элементе системы Li-CF_X (типоразмер 2016). На протяжении 200 циклов заряда-разряда аккумулятора и 220 часах разряда первичного элемента током 0.5 мА сохранялись стабильные электрохимические параметры как гель-полимерного электролита, так и источников тока в целом.

Преимущества предлагаемого гель-полимерного электролита заключаются в его высокой удельной электрической проводимости, электрохимической стабильности и химической инертности, чем он выгодно отличается от известных.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Патент РФ №2356131, опубл. 20.05.2009.

2. Патент РФ №2424252, опубл. 20.07.2011.

3. Патент РФ №2190903, опубл. 10.10.2002 г. Бюл. №28.

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при производстве литиевых первичных и вторичных источников тока, а также суперконденсаторов. Повышение удельной электрической проводимости гель-полимерного электролита, обеспечение его химической и электрохимической стабильности, а также увеличение гомогенности электролита и повышение коэффициента диффузии лития является техническим результатом изобретения. Гель-полимерный электролит содержит полимерную матрицу, органический растворитель и неорганическую ионогенную соль лития, при этом в качестве полимерной матрицы берут сополимер полисульфона и перфтордифенилолпропана средней молекулярной массы (0.5-1.0)·10⁵ при следующем массовом соотношении компонентов электролита, мас. ч.: сополимер полисульфона и перфтордифенилолпропана - 100, неорганическая ионогенная соль лития - 6-28, органический растворитель - 80-140. 1 табл.

Гель-полимерный электролит, состоящий из полимерной матрицы, органического растворителя и неорганической ионогенной соли лития, отличающийся тем, что в качестве полимерной матрицы используется сополимер полисульфона и перфтордифенилолпропана средней молекулярной массы (0.5-1.0)·10⁵ при следующем массовом соотношении компонентов, мас.ч.:
сополимер полисульфона и перфтордифенилолпропана 100 неорганическая ионогенная соль лития 6-28 органический растворитель 80-140