Способ изготовления электродов химического источника тока Российский патент 2019 года по МПК H01M6/14 

Изобретение относится к созданию конструкции химического источника тока (ХИТ) с катодом, изготовленным по тонкопленочной технологии. Авторы решали задачу повышения мощности и пожаровзрывобезопасности снижая тепловыделение в ХИТ за счет уменьшения электрического сопротивления электродных материалов. Поставленная техническая задача решается за счет снижения электрического сопротивления контакта токосборник - химически активный слой и более чем на порядок снижения электрического сопротивления химически активного слоя за счет изготовления электродных материалов по тонкопленочной технологии. Увеличение мощности ХИТ обеспечивает конструкция электродных материалов, которая позволяет развивать рабочую поверхность электродов. В результате уменьшения внутреннего сопротивления ХИТ повышается его пожаробезопасность.

Известны конструкции рулонных литиевых источников тока, электрическое соединение электродных блоков которых с выводами ХИТ осуществляют токовыводы электродных пластин, выходящие из торцов рулона, токосборник, с которым соединяют токовыводы, и гермовывод, проходящий сквозь крышку источника тока. Токовыводы часто выполняют в виде узких металлических полосок, расположенных по концам пластин или по всей их длине через определенные интервалы (Пат. 6376121 (США), МПК⁷ H01M 6/10. Spirally wound lithium secondary cell having a plurality of current collector tabs and method of manufacture / Inomata Hideyki, Nakanishi Naoya, Nogami Mitsuzo, Yonezu Ikuo, Nishio Koji; Sanyo Electric Co., Ltd. - №09/485172; Заявл. 28.09.1998; Опубл. 23.04.2002; Приор. 30.09.1997, №9-266171 (Япония); НПК 429/94). В качестве токовыводов используют также и края ленточных пластин, выступающие по торцам рулонного блока (Пат. 4322484 (США), МКИ H01M 6/10, НКИ 429/94. Spiral wound electrochemical cell having high capacity / Sugalski Raymond K.; General Electric Co. - №187743; Заявл. 16.09.80; Опубл. 30.03.82). Токосборники располагают над рулонным блоком электродов под крышкой или под электродным блоком у дна корпуса ХИТ, или токосборником одного из электродов является внутренняя поверхность корпуса или крышки источника тока. Токосборники соединяют с выводами ХИТ, одним из которых может быть корпус или крышка источника тока, а другой гермовывод, проходящий сквозь крышку источника тока, электрически изолированный от нее.

Наиболее близким по технической сути является патент №2335828 (Пат. 2335828 (Россия), МПК H01M 6/14, H01M 10/40. Литиевый химический источник тока с рулонной электродной сборкой. - Заявка №2007113240/09, заявл. 09.04.2007; Опубл. 10.10.2008, бюл. №28). Изобретение касается цилиндрических ХИТ, которые изготавливают свертыванием в рулон электродов противоположной полярности, содержащих по несколько ленточных электродных пластин, разделенных сепараторами. Однако такой способ формирования конструкция ХИТ, имеет определенные недостатки, ограничивающие мощность источников тока и способствующие возникновению внутренних возгораний.

В патентуемом способе изготовления тонкопленочного электрода ХИТ предложены решения, снижающие выделение тепла при работе и опасного нагрева при разряде и перезаряде в течении заданного времени и емкости.

Поставленная цель в способе изготовления электродов ХИТ достигается тем, что положительный и отрицательный электроды изготавливают в виде углеродной матрицы из рулонного материала, имеющего высокую пористость. Пористые матрицы положительного и отрицательный электродов заполняют химически активным материалом с толщиной слоя от 20 нм до 2 мкм, который равномерно распределяют по поверхности углеродной матрицы. Токосборник положительного и отрицательного электродов изготавливают в виде слоя металла толщиной от 2 до 10 мкм, который наносят по вакуумной тонкопленочной технологии на пористую углеродную матрицу. При этом используют планарный электрод с кольцевой зоной распыления. При напылении применяют магнетронный источник, представляющий собой токопроводящую пластину из любого проводящего материала, которая является катодом - мишенью, анод выполняют в виде полой металлической трубки с водяным охлаждением, положительный и отрицательный электроды подсоединяют к источнику постоянного тока высокого напряжения, в качестве рабочего материала для первичной металлизации используют титан (Ti), для финишной металлизации применяют нитрид титана (Ti), нанесение слоя активного материала выполняют методом намазывания жидкой пасты на металлизированный электродный материал, вакуумной пропиткой или с помощью вакуумного принтера. Токоотвод положительного и отрицательного электродов выполняют в виде ленточной титановой фольги, которую покрывают нитридом титана часть которой используют для герметичного вывода наружу корпуса ХИТ, а большую часть крепят к токосборнику с помощью ультразвуковой или точечной сварки.

В патентуемом способе в качестве пористой матрицы используют рулонный материал (фиг. 1), имеющий высокую пористость, например, ткань типа Бусофит, из которого выкраиваются заготовки электродов ХИТ (фиг. 2). Слой металла, который наносится на углеволокно типа Бусофит повышает электрическую проводимость электродного материала, что ведет также к снижению тепловыделения. На фигуре 3 показаны заготовка электрода до и после обработки металлом. На фиг. 4 показана структура материала заготовки до нанесения слоя металла, а на фиг. 5 - после напыления. Применение планарного электрода с кольцевой зоной распыления при нанесении пленки токосборника ионно-плазменным способом с помощью магнетронной распылительной системы обеспечивает равномерное нанесение покрытия на большие площади.

Токоотвод положительного и отрицательного электродов выполняют в виде ленточной титановой фольги, покрытой нитридом титана, часть которой выходит наружу электрода, а большую часть крепят к токосборнику электрода с помощью ультразвуковой или точечной сварки (фиг. 6).

Результаты эксперимента по влиянию материала контактов на их электрическое сопротивление представлены в таблице 1.

Из таблицы видно, что минимальное сопротивление имеют токосборные элементы на основе напыленного металла (напыленный Ti 2÷10 мкм. - 0,5÷1 Ом). Поэтому, для снижения внутреннего сопротивления электродного материала использовали технологию металлизации «Бусофита».

Приведенные иллюстративный пример изготовления электродов химических источников тока и проведенные исследования параметров полученных образцов в соответствии с признаками, изложенными в формуле изобретения, а также сравнительные испытания электродов в изготовленных источниках тока подтверждают возможность практической реализации заявленного изобретения с достижением указанного технического результата. На основании изложенного можно сделать заключение о соответствии заявляемого изобретения критерию - «промышленная применимость».

Таким образом, проведенный анализ уровня техники дает нам право утверждать, что заявленная нами совокупность существенных признаков, изложенных в формуле изобретения, неизвестна, что отвечает критерию - «новизна».

Изучение технических решений с целью выявления существенных признаков нашего изобретения, совпадающих с признаком прототипа, показало, что заявленное нами изобретение не следует явно для специалиста в данной области из известного уровня техники. Считаем, что предлагаемое решение соответствует критерию «изобретательский уровень».

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

Изобретение относится к созданию конструкции химического источника тока (ХИТ) с катодом, изготовленным по тонкопленочной технологии. Техническим результатом является повышение мощности и пожаровзрывобезопасности, снижение тепловыделения в ХИТ за счет уменьшения электрического сопротивления электродных материалов. Согласно изобретению, в способе изготовления химического источника тока с тонкопленочным электродным катодом, в котором положительный и отрицательный электроды изготавливают в виде углеродной матрицы из рулонного материала, имеющего высокую пористость, пористые матрицы положительного и отрицательный электродов заполняют химически активным материалом с толщиной слоя от 20 нм до 2 мкм, который равномерно распределяют по поверхности углеродной матрицы, токосборник положительного и отрицательного электродов изготавливают в виде слоя металла толщиной от 2 до 10 мкм, который наносят по вакуумной тонкопленочной технологии на пористую углеродную матрицу, при этом используют планарный электрод с кольцевой зоной распыления, при напылении применяют магнетронный источник, представляющий собой токопроводящую пластину из любого проводящего материала, которая является катодом-мишенью, анод выполняют в виде полой металлической трубки с водяным охлаждением, катод и анод подсоединяют к источнику постоянного тока высокого напряжения, в качестве рабочего материала для первичной металлизации используют титан (Ti), для финишной металлизации применяют нитрид титана (Ti), нанесение слоя активного материала выполняют методом намазывания жидкой пасты на металлизированный электродный материал, вакуумной пропиткой или с помощью вакуумного принтера, токоотвод положительного и отрицательного электродов выполняют в виде ленточной титановой фольги, которую покрывают нитридом титана, часть которой используют для герметичного вывода наружу корпуса ХИТ, а большую часть крепят к токосборнику с помощью ультразвуковой или точечной сварки. 6 ил., 1 табл.

Способ изготовления химического источника тока с тонкопленочным электродным катодом, в котором положительный и отрицательный электроды изготавливают в виде углеродной матрицы из рулонного материала, имеющего высокую пористость, пористые матрицы положительного и отрицательный электродов заполняют химически активным материалом с толщиной слоя от 20 нм до 2 мкм, который равномерно распределяют по поверхности углеродной матрицы, токосборник положительного и отрицательного электродов изготавливают в виде слоя металла толщиной от 2 до 10 мкм, который наносят по вакуумной тонкопленочной технологии на пористую углеродную матрицу, при этом используют планарный электрод с кольцевой зоной распыления, при напылении применяют магнетронный источник, представляющий собой токопроводящую пластину из любого проводящего материала, которая является катодом-мишенью, анод выполняют в виде полой металлической трубки с водяным охлаждением, катод и анод подсоединяют к источнику постоянного тока высокого напряжения, в качестве рабочего материала для первичной металлизации используют титан (Ti), для финишной металлизации применяют нитрид титана (Ti), нанесение слоя активного материала выполняют методом намазывания жидкой пасты на металлизированный электродный материал, вакуумной пропиткой или с помощью вакуумного принтера, токоотвод положительного и отрицательного электродов выполняют в виде ленточной титановой фольги, которую покрывают нитридом титана, часть которой используют для герметичного вывода наружу корпуса ХИТ, а большую часть крепят к токосборнику с помощью ультразвуковой или точечной сварки.