ЭЛИКТРОЛИТНАЯ СМЕСЬ ДЛЯ ТЕПЛОВОГО ХИМИЧЕСКОГО ИСТОЧНИКА ТОКА Российский патент 2017 года по МПК H01M6/36 

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

Электролитная смесь или электролит является ионопроводящей средой электрохимического элемента и обеспечивает тактико-технические характеристики источника тока. В отличие от других гальванических элементов электролитная смесь для теплового химического источника тока в нормальных условиях не должна проводить электрический ток, а при нагревании, оставаясь в твердом состоянии, приобретать чисто ионную проводимость электрического тока, высокое напряжение электролитического разложения, низкую температуру плавления.

Известен электролит для химического источника тока [SU Авторское свидетельство №641860, кл. H1M 6/18 от 20.11.1999 г.], в котором использован твердый раствор ортосиликатов и ортофосфатов щелочных металлов. Этот электролит обладает достаточной термической устойчивостью, что позволяет использовать источник тока с данным электролитом для работы при высоких температурах. Однако такой источник тока обладает низкой разрядной емкостью и энергией, обусловленной высоким удельным электросопротивлением электролита. При использовании подобного электролита для теплового химического источника тока возникают технические проблемы поддержания высокой температуры, необходимой для работы в автономном режиме.

Известна электролитная смесь для теплового химического источника тока на основе эвтектики хлоридов лития и калия и загустителя порошка окиси алюминия Al₂O₃ [SU Авторское свидетельство №1840266, кл. H1M 6/36 от 27.08.2008 г.].

Эвтектическая смесь LiCl-KCl имеет достаточно высокую ионную проводимость при температуре ее плавления 352°C. Введение в нее загустителя в виде порошков оксида алюминия препятствует вытеканию электролита при перегрузках, уменьшает деформацию электролитной таблетки, допускает большие токи на нагрузку в течение длительного времени, уменьшает коррозионную активность и испарение электролита, позволяет снизить подвижность жидкой фазы эвтектики и расширить рабочий интервал температур электролитной смеси. Однако за счет связывания жидкой фазы эвтектики LiCl-KCl частицами инертного порошка оксида алюминия ионная проводимость смеси уменьшается.

Внесение в эвтектику LiCl-KCl порошков оксидов таких металлов, как магний, кремний, торий, бор, тантал, так и оксидных соединений - алюминатов лития и магния, бентонита, каолина и т.п. также не позволяет получить композиции с минимальным омическим сопротивлением при достаточной механической прочности электролитной таблетки.

Целью настоящего технического решения является получение электролитной смеси, обладающей высокой ионной проводимостью и механической прочностью изготавливаемой из нее электролитной таблетки в широком интервале рабочих температур.

С этой целью предлагается электролитная смесь для теплового химического источника тока на основе эвтектики хлоридов лития и калия и загустителя, отличающаяся тем, что в качестве последнего взяты материалы на основе ортосиликат-ортофосфата лития при следующем соотношении компонентов, масс. %:

Эвтектика LiCl-KCl 10-40 Ортосиликат-ортофосфат лития 60-90

Введение в эвтектическую смесь хлоридов лития и калия ионнопроводящего загустителя, которым является материал на основе ортосиликат-ортофосфатов лития (твердый электролит), позволяет в сравнении с непроводящими загустителями существенно увеличить ионную проводимость и расширить интервал рабочих температур при сохранении высокой механической прочности электролитной таблетки. Высокая ионная проводимость предлагаемой электролитной смеси обеспечивается как структурой, дисперсностью и адсорбционной особенностью поверхностно-активного слоя загустителя, так и за счет переноса ионов лития по жидкой и твердой фазам.

Важной особенностью предлагаемого загустителя Li₄SiO₄-Li₃PO₄ на основе кристаллической решетки Li₃PO₄ является его термодинамическая стабильность и химическая стойкость к электродным материалам, в частности к широко используемому в тепловых источниках тока в качестве анодного материала высокоактивному металлическому литию, реагирующему с большинством применяемых загустителей.

Соотношение твердой и жидкой фаз обеспечивает надежное заполнение пространства между частицами твердого электролита жидкостью (при рабочих температурах).

Минимальное количество загустителя в электролитной смеси составляет 60 масс. %. Дальнейшее уменьшение этого количества приводит к значительной подвижности жидкой фазы эвтектики LiCl-KCl, что значительно сокращает диапазон рабочих температур электрохимического элемента и снижает механическую прочность электролитной таблетки, изготавливаемой из этой смеси. Деформация таблетки приводит к потере работоспособности источника тока.

Возможность внесения загустителя до 90 масс. % позволяет существенно повысить верхний предел рабочей температуры электролитной смеси и тем самым увеличить продолжительность работы источника тока. Однако увеличение загустителя свыше 90 масс.% из-за недостаточности количества эвтектики LiCl-KCl ведет к прерыванию ионопроводящих мостиков по жидкой фазе (при работе элемента), что ухудшает электроконтакты между частицами загустителя. В результате ионная проводимость электролитной смеси значительно уменьшается, ухудшаются электрические характеристики источника тока, возникают технологические трудности обеспечения механической прочности электролитной таблетки.

Оценка предложенного технического эффекта производилась путем испытаний электрохимических элементов диаметром 35 мм с анодами из композита Li-B толщиной 0,6 мм и катодами на основе FeS₂ массой 2,3 г.

Масса электролитных таблеток, изготовленных из заявленной смеси, и электролитных таблеток по прототипу составляла 1,3 г.

Разряды электрохимических элементов проводились в электронагревателе постоянными токами 3 и 5 А при температуре плюс 600°C.

Данные испытаний представлены в таблице 1.

Как видно из результатов испытаний, электролит, изготовленный из предложенной электролитной смеси, при прочих равных условиях испытаний имеет более высокое максимальное напряжение разряда и более продолжительное время работы до фиксированного напряжения, чем электролит по прототипу. Такой эффект достигается за счет высокой ионной проводимости и механической стойкости к воздействию высоких температур предложенной электролитной смеси.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при производстве тепловых химических источников тока. Повышение ионной проводимости электролитной смеси для теплового химического источника тока, а также уменьшение деформации электролитной таблетки и ее коррозионной активности, что позволяет увеличить продолжительность работы источника тока, является техническим результатом изобретения. Электролитная смесь содержит, масс %: эвтектику LiCl-KCl - 10-40, ортосиликат-ортофосфат лития - 60-90. 1 табл.

Электролитная смесь для теплового химического источника тока на основе эвтектики хлоридов лития и калия и загустителя, отличающаяся тем, что в качестве последнего взяты материалы на основе ортосиликат-ортофосфата лития при следующем соотношении компонентов, масс. %:

Эвтектика LiCl-KCl 10-40 Ортосиликат-ортофосфат лития 60-90