Элемент термоактивируемого химического источника тока Российский патент 2022 года по МПК H01M6/02 H01M6/36 

Изобретение относится к области электротехники, а именно к термоактивируемым химическим источникам тока (ТХИТ) и может быть использовано в качестве источника электропитания, как для средств управления, так и для активного питания силовых электрических агрегатов.

Из уровня техники известны элементы термоактивируемых химических источников тока, каждый из которых выполнен в виде набора дисков, последовательно соединенных между собой (R. Guidotti, P. Masset. Thermally activated («thermal») battery technology Part I: An overview//J. of Power Sources, 161(2006) 1443-1449) [1]. Конструкция такого элемента содержит последовательно расположенные катодный токосъем, катодный диск, содержащий активный компонент с добавлением электроно – и ионопроводящих материалов, диск из электролитной смеси, анодный диск и анодный токосъем. Такая конструкция технологична, но из-за балластного содержания в ней электрон- и ионопроводящих материалов удельные электрические характеристики элемента ТХИТ имеют низкие значения.

Наиболее близким к заявляемому является элемент химического источника тока, известный из RU 2105392, опубл.20.02.1998 [2]. Данный элемент содержит анодный полуэлемент, выполненный из пористой металлической пластины, размещенной на поверхности анода, обращенной к катоду. Пористая металлическая пластина выполнена из пористой никелевой фольги толщиной 20 - 250 мкм, пористостью 30 - 60% и размером пор 1 - 40 мкм. Никель стоек при рабочих условиях литиевого ХИТ и широко используется в технологии производства. Пластина, расположенная на рабочей поверхности анода, препятствует образованию и росту литиевых дендритов и одновременно выполняет роль токоотвода. Металлический литий размещенный в порах и/или на поверхности анодного полуэлемента, увеличивает прочность сцепления активного компонента с токоотводом, что уменьшает внутреннее сопротивление и повышает разрядные характеристики. Инертный катодный полуэлемент также выполнен из пористой металлической пластины, в порах и/или на поверхности которой помещен активный компонент катода – тионилхлорид в растворе электролита. Предполагается, что катодный полуэлемент, обладающий высокой пористостью и развитой поверхностью, пропитанный раствором активного компонента в электролите, будет обеспечивать высокие разрядные токи.

Таким образом, известный элемент химического источника тока содержит катодный и анодный полуэлементы, помещенные в поры металлической пластины, приваренной к токосъемам. Тионилхлорид, используемый в известном элементе в качестве активного компонента, в процессе электрохимической реакции не образует электронопроводящего компонента, поэтому для работы известного элемента требуется не менее 30% электронопроводящего и не менее 20% – ионопроводящего компонентов по отношению к общей массе катодного полуэлемента. Балластные электронопроводящий и ионопроводящий компоненты снижают массу активного компонента катода, размещаемого в порах металлических пластин, что является причиной незначительной удельной электрической емкости известного элемента ТХИТ.

Задача изобретения заключается в разработке конструкции элемента термоактивируемого химического источника с повышенной удельной электрической емкостью.

Для этого предложен элемент термоактивируемого химического источника тока, который, как и прототип, содержит катодный полуэлемент с галогенидсодержащим активным компонентом, помещенный во внутрь металлического материала, литийсодержащий анодный полуэлемент, а также электролит. Новый элемент отличается тем, что диск катодного полуэлемента с активным компонентом из галогенидов, оксидов переходных металлов или их смесей помещен в металлическую сетчатую обечайку.

Сущность предложенного решения заключается в том, что в процессе разряда, без использования электроно – и ионопроводящих материалов, компоненты катодного полуэлемента, помещенного в металлическую сетчатую обечайку, восстанавливаются до электропроводящего металла в виде губчатой структуры, которая растет в направлении невосстановленного катодного материала. Электропроводная обечайка в этом решении выполняет функцию токосъемника. При этом внутреннее сопротивление элемента ТХИТ изменяется незначительно в процессе разряда и определяется сопротивлением электролитной смеси. Исключение из катодного полуэлемента балластных электрон – и ионопроводящих материалов, а также снижение его внутреннего сопротивления, позволяет повысить удельную электрическую емкость и удельные электрические характеристики элемента термоактивируемого химического источника тока.

Новый технический результат, достигаемый изобретением, заключается в повышении удельной электрической емкости элемента и удельных электрических характеристик термоактивируемого химического источника тока.

Изобретение иллюстрируется рисунками, где на фиг.1 изображен элемент термоактивируемого химического источника тока; на фиг.2 представлены разрядные кривые, соответствующие номерам нижеприведенных примеров.

Элемент термоактивируемого химического источника тока содержит металлическую сетчатую обечайку 1, помещенный в нее диск катодного полуэлемента 2 а также диск из электролита 3 и диск анодного полуэлемента 4. Сетчатая обечайка 1 может быть изготовлена из любого металла, например, никеля, кобальта, железа, меди и др, совместимого с активными компонентами элемента ТХИТ.

Для обоснования осуществимости предлагаемого решения проведены сравнительные разряды макетов элементов ТХИТ с общепринятой конструкцией катодного полуэлемента (пример 1) и с предлагаемой конструкцией, катодный диск которой выполнен с различными составами активного вещества (примеры 2-6).

Пример 1. Изготовлен макет элемента ТХИТ с катодным полуэлементом состава NiCl₂–V₂O₃ (30 мас.%) без металлической сетчатой обечайки. Элемент содержит электролитную смесь на основе LiF–LiCl–LiBr (60 мас.%), загущенную γ–LiAlO₂. Анодный полуэлемент представляет собой литий-борный композит с содержанием бора 24 мас.%. В качестве активного компонента катода, макет содержит дихлорид никеля и триоксид ванадия при следующем соотношении компонентов элемента ТХИТ, г:

Дихлорид никеля 2,5 Триоксид ванадия 1, 07 Электролитная смесь 4,0 Литий-борный композит 1,0

Разряд проводили при температуре 550°С плотностью тока 0,4 А/см² в гальваностатическом режиме. Площадь рабочей поверхности катодного, электролитного и анодного дисков составила 4,8 см².

Пример 2. Изготовлен макет элемента ТХИТ с катодным полуэлементом из NiCl₂, помещенным в металлическую сетчатую обечайку. Элемент содержит электролитную смесь на основе LiF–LiCl–LiBr (60 мас.%), загущенную γ–LiAlO₂. Анодный полуэлемент представляет собой литий-борный композит с содержанием бора 24 мас.%.

В качестве активного компонента катода, макет содержит дихлорид никеля при следующем соотношении компонентов элемента ТХИТ, г:

Дихлорид никеля 2,5 Электролитная смесь 4,0 Литий-борный композит 1,0

Разряд проводили при температуре 550°С плотностью тока 0,4 А/см² в гальваностатическом режиме. Площадь рабочей поверхности катодного, электролитного и анодного дисков составила 4.8 см².

Пример 3. Изготовлен макет элемента ТХИТ с катодным полуэлементом состава NiCl₂–V₂O₅ (30 мас.%), помещенным в сетчатую металлическую обечайку. Элемент содержит электролитную смесь на основе LiF–LiCl–LiBr (60 мас.%), загущенную γ–LiAlO₂. Анодный полуэлемент представляет собой литий-борный композит с содержанием бора 24 мас.%.

В качестве активного компонента катода, макет содержит дихлорид никеля и триоксид ванадия при следующем соотношении компонентов элемента ТХИТ, г:

Дихлорид никеля 2,5 Пятиокись ванадия 1, 07 Электролитная смесь 4,0 Литий-борный композит 1,0

Разряд проводили при температуре 550°С плотностью тока 0,4 А/см² в гальваностатическом режиме. Площадь рабочей поверхности катодного, электролитного и анодного дисков составила 4,8 см².

Пример 4. Изготовлен макет элемента ТХИТ с катодным полуэлементом состава NiF₂– MoO₃ (20 мас.%), помещенным в сетчатую металлическую обечайку. Элемент содержит электролитную смесь на основе LiF–LiCl–LiBr (60 мас.%), загущенную γ–LiAlO₂. Анодный полуэлемент представляет собой литий-борный композит с содержанием бора 24 мас.%.

В качестве активного компонента катода, макет содержит дифторид никеля и оксид молибдена при следующем соотношении компонентов элемента ТХИТ, г:

Дифторид никеля 2,5 Оксид молибдена 0,625 Электролитная смесь 4,0 Литий-борный композит 1,0

Разряд проводили при температуре 550°С плотностью тока 0,4 А/см² в гальваностатическом режиме. Площадь рабочей поверхности катодного, электролитного и анодного дисков составила 4,8 см².

Пример 5. Изготовлен макет элемента ТХИТ с катодным полуэлементом состава NiO, помещенным в сетчатую металлическую обечайку. Элемент содержит электролитную смесь на основе LiF–LiCl–LiBr (60 мас.%), загущенную γ–LiAlO₂. Анодный полуэлемент представляет собой литий-кремний сплав.

В качестве активного компонента катода, макет содержит оксид никеля при следующем соотношении компонентов элемента ТХИТ, г:

Оксид никеля 1,0 Электролитная смесь 4,0 Литий-кремний сплав 2,0

Разряд проводился при температуре 550°С плотностью тока 0,4 А/см² в гальваностатическом режиме. Площадь рабочей поверхности катодного, электролитного и анодного дисков составляла 4,8 см².

Пример 6. Изготовлен макет элемента ТХИТ с катодным полуэлементом состава CoCl₂– WO₃ (20 мас.%), помещенным в сетчатую металлическую обечайку. Элемент содержит электролитную смесь на основе LiF–LiCl–LiBr (60 мас.%), загущенную γ–LiAlO₂. Анодный полуэлемент представляет собой литий-борный композит с содержанием бора 24 мас.%.

В качестве активного компонента катода, макет содержит дифторид никеля и оксид молибдена при следующем соотношении компонентов элемента ТХИТ, г:

Дихлорид кобальта 2,5 Оксид вольфрама 0,625 Электролитная смесь 4,0 Литий-борный композит 1,0

Разряд проводили при температуре 520°С плотностью тока 0,4 А/см² в гальваностатическом режиме. Площадь рабочей поверхности катодного, электролитного и анодного дисков составила 4,8 см².

Как видно из приведенных данных, использование заявленного изобретения повышает разрядное напряжение на элементе ТХИТ при снижении количества катодной массы, что увеличивает удельные электрические и емкостные характеристики элемента ТХИТ.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к термоактивируемым химическим источникам тока (ТХИТ), и может быть использовано в качестве источника электропитания как для средств управления, так и для активного питания силовых электрических агрегатов. Элемент содержит диск катодного полуэлемента с активным компонентом из галогенидов, оксидов переходных металлов или их смесей, помещенный в металлическую сетчатую обечайку, литийсодержащий анодный полуэлемент, а также электролит. Техническим результатом является повышение разрядного напряжения на элементе ТХИТ при снижении количества катодной массы, что увеличивает удельные электрические и емкостные характеристики элемента ТХИТ. 2 ил., 6 пр.

Элемент термоактивируемого химического источника тока, содержащий катодный полуэлемент с галогенидсодержащим активным компонентом, помещенный во внутрь металлического материала, литийсодержащий анодный полуэлемент, а также электролит, выполненные в виде дисков, отличающийся тем, что диск катодного полуэлемента с активным компонентом из галогенидов, оксидов переходных металлов или их смесей помещен в металлическую сетчатую обечайку.