ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ ЯЧЕЙКА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УДЕЛЬНОЙ ЕМКОСТИ ЭЛЕКТРОДНОГО МАТЕРИАЛА Российский патент 2024 года по МПК H01M10/525 H01M10/42 H01M50/502 

Изобретение относится к химическим источникам тока, в частности, к определению удельной емкости катодных и анодных материалов литиевых ХИТ и литий-ионных аккумуляторов.

Для проведения испытаний электродных материалов рекомендуется (Кедринский И.А., Яковлев В.Г. Li-ионные аккумуляторы. - Красноярск, «Платина», 2002 г.) ячейка, изготовленная из сепарационного материала ПОРП путем спайки на электроприборе контактной сварки по разомкнутым сторонам свернутого в 4 слоя вытянутого прямоугольника из сепаратора. В результате образуются два кармана, разделенные двойным слоем сепаратора. Электродную пару собирают в сухом боксе, размещая в одном кармане исследуемый электрод, а в другом - литиевый противоэлектрод. Собранный пакет помещают либо в сосуд подходящего объема со свободным объемом электролита, либо в сосуд щелеобразной формы, выдерживают для пропитки не менее 2 суток, подключают к испытательному стенду и проводят заряд и/или разряд ячейки. Полученное значение емкости делят на массу активного материала в электроде и получают значение удельной емкости на единицу массы исследуемого материала.

Недостатком данной конструкции является недостаточная фиксация материала электрода, поскольку фактически полученная емкость материала зависит от макрокинетических условий работы электрода, равномерности смачивания поверхности электролитом, пропитки пор, их изменения в заряд-разрядных процессах. Недостаточный поджим электродов может существенно снизить значение удельной емкости. Кроме того, литиевый электрод может подвергаться пассивации и перестать удовлетворять требованию стабильности собственного потенциала.

Известна конструкция призматического литий-ионного аккумулятора (RU 190339, принята за прототип) Литий- ионный аккумулятор (у нас-электрохимическая ячейка) содержит двухслойный полимерный корпус, внутри внутреннего слоя которого размещен электродный блок из положительных и отрицательных электродов, на одной стороне корпуса герметично запаяны токовыводы положительных (у нас - исследуемых) и отрицательных (у нас - вспомогательных) электродов, состоящих из токовых коллекторов с нанесенной на них активной массой, между электродами расположен сепаратор, пропитанный электролитом, токовые коллекторы электродов приварены к соответствующим токовыводам, положительный токовывод выполнен из алюминия, отрицательный токовывод выполнен из меди, отрицательный электрод представляет собой медную фольгу с нанесенной на нее анодной активной массой, состоящей из 90,0-96,0% графита, 1,1-9,2% углерода, связующее - остальное, положительный электрод представляет собой алюминиевую фольгу с нанесенной на нее катодной активной массой, состоящей из 90,0-95,0% кобальтата лития, 0,94-3,0% поливинилиденфторида и 2-9,06% углерода, причем в качестве связующего в анодной активной массе использована смесь анионной полимерной дисперсии 4,8-5,3% и натрий карбоксиметилцеллюлозы 1,5-2%, отношение суммы массы углерода в отрицательном электроде и массы кобальтата лития в положительном электроде к массе электролита составляет 3:1, корпус вакуумирован, внутренний слой корпуса снабжен защитными пластырями на его боковых поверхностях, на токовыводы нанесена трехслойная сульфированная каучуковая пленка, электроды выполнены поджатыми с усилием 5-6 МПа в залитом состоянии, в торце внешнего слоя корпуса расположен контроллер заряда-разряда, на котором закреплены токовыводы и токоподводящие провода.

Недостатком прототипа является то, что испытания происходят в двухэлектродной ячейке, в напряжение которой вносят вклад и исследуемый, и вспомогательный электрод, что снижает надежность получаемых данных из-за возможности пассивации и поляризации вспомогательного электрода.

Проблемой конструкций электрохимических ячеек для определения емкости электродного материала является обеспечение надежного измерения собственного потенциала исследуемого электрода при его минимальных массе и площади.

Указанная проблема решается за счет технического результата, заключающегося в независимом определении потенциала исследуемого электрода, равномерного распределения электродного процесса по поверхности и объему исследуемого электрода, исключения влияния изменений макроструктуры исследуемого электрода на его разрядную емкость.

Указанный технический результат обеспечивается предлагаемой конструкцией электрохимической ячейки для определения удельной емкости электродного материала. Электрохимическая ячейка для определения удельной емкости электродного материала содержит прямоугольный полимерный корпус, внутри которого размещен электродный блок, содержащий исследуемый и два вспомогательных электрода, на одной из сторон корпуса герметично запаяны токовыводы исследуемого и вспомогательных электродов, состоящих из токовых коллекторов с нанесенной на них активной массой, между электродами расположен сепаратор, пропитанный электролитом, токовые коллекторы электродов приварены к соответствующим токовыводам, корпус вакуумирован, на токовыводы электродов нанесена трехслойная сульфированная каучуковая пленка, электроды выполнены поджатыми с усилием 5-6 МПа в залитом состоянии, причем на внешней части полимерного корпуса размещено поджимное устройство, состоящее из верхней и нижней фиксирующих пластин, фиксирующих поджим электродов ячейки с помощью болтов по верхней и нижней вершинам фиксирующих пластин, причем фиксирующие пластины выполнены прямоугольной формы с длиной и шириной, на 10-15 мм большей длины и ширины корпуса, два вспомогательных электрода имеют площадь 5-5,5 см² и теоретическую емкость, превышающую теоретическую емкость исследуемого электрода, а также электродный блок дополнительно содержит электрод сравнения, выполненный в виде серебряной проволоки, расположенный в торце исследуемого электрода и разделенный с ним сепаратором.

Наличие двух вспомогательных электродов обеспечивает равномерное распределение тока по обеим сторонам исследуемого электрода, площадь 5-5,5 см² позволяет избежать влияния неравномерности распределения тока по площади исследуемого электрода. Теоретическая емкость вспомогательных электродов должна превышать теоретическую емкость исследуемого электрода, чтобы избежать побочных процессов разложения электролита на этих электродах при выработке вспомогательным электродом своего ресурса емкости, в то время как на исследуемом электроде этот ресурс может быть не выработан. Такие процессы снижают фактическую емкость исследуемого электрода, делая результаты испытаний ненадежными. В качестве вспомогательных можно использовать, например, литиевые электроды. Введение в ячейку электрода сравнения позволяет устранить искажающее влияние изменения потенциала вспомогательного электрода и получать емкость исследуемого электрода более надежно. Экспериментальными исследованиями, выполненными многими авторами было показано, что использование в качестве электрода сравнения серебряной проволоки обеспечивает большую стабильность скачка потенциала на нем, чем на часто используемом литиевом электроде, что исключает искажения измеренных значений потенциала исследуемого электрода за счет изменения во времени собственного потенциала электрода сравнения. Расположение электрода сравнения в торце исследуемого электрода минимизирует омическое падение потенциала между электродом сравнения и рабочим электродом, что повышает надежность определения емкости. Поджатие электродов необходимо для равномерного микрораспределения тока по поверхности исследуемого электрода, которое может нарушаться, если между электродами и сепаратором возникает зазор. Использование вакуумирования ячейки позволяет исключить образование воздушных пузырей, приводящих к появлению зазора между электродами. Поджатие ячейки фиксирующими пластинами предотвращает образование зазора между электродами в процессе работы, связанное с перераспределением электролита в процессах заряда или разряда. Кроме того поджатие необходимо для удерживания частиц порошкообразного материала, увеличивающих в процессе работы свой объем, что также вносит искажения в определение удельной емкости. Размеры фиксирующих пластин на 10-15 мм большей длины и ширины корпуса предотвращает изгиб фиксирующих пластин при поджиме.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 показана конструкция электродного блока в продольном сечении.

На фиг.2 показан сборочный чертеж электрохимической ячейки на виде спереди.

На фиг.3 показан сборочный чертеж электрохимической ячейки на виде сбоку.

1 - полимерный корпус;

2 - исследуемый электрод;

3 - вспомогательный электрод;

4 - токовывод исследуемого электрода;

5 - токовывод вспомогательного электрода;

6 - токовывод электрода сравнения;

7 - сепаратор, пропитанный электролитом;

8 - электрод сравнения;

9 - верхняя фиксирующая пластина;

10 - нижняя фиксирующая пластина;

11 - фиксирующие болты.

Электрохимическая ячейка для определения удельной емкости электродного материала содержит прямоугольный полимерный корпус 1, внутри которого размещен электродный блок, содержащий исследуемый 2 и два вспомогательных электрода 3, на одной стороне корпуса герметично запаяны токовыводы исследуемого 4 и вспомогательных 5 электродов, состоящих из токовых коллекторов с нанесенной на них активной массой, обеспечивающей механическую прочность и электропроводность электрода, между электродами расположен сепаратор 7, пропитанный электролитом, токовые коллекторы электродов приварены к соответствующим токовыводам, корпус вакуумирован, на токовыводы электродов нанесена трехслойная сульфированная каучуковая пленка, электроды выполнены поджатыми с усилием 5-6 МПа в залитом состоянии, на внешней части полимерного корпуса 1 размещено поджимное устройство, состоящее из верхней 9 и нижней 10, фиксирующих пластин, соединяющихся с помощью с помощью болтов 11 по верхней и нижней вершинам фиксирующих пластин 9 и 10, электродный блок дополнительно содержит электрод сравнения 8, выполненный в виде серебряной проволоки, расположенный в торце исследуемого электрода 2 и разделенный с ним сепаратором 7.

Определение удельной емкости с помощью электрохимической ячейки происходит следующим образом. Исследуемый электрод 2 готовится нанесением активной массы на токовый коллектор в виде фольги. В состав активной массы входит электродный материал (графит, кобальтат лития и другие), электропроводящая добавка технического углерода и связующее (например, PVDF или CMC, SBR и другие). К исследуемому 2 и вспомогательному 3 электродам приваривают токовыводы 4 и 5 и собирают электродный блок, помещая между электродами 2 и 4 сепаратор 7. Исследуемый электрод 2 перед проведением испытаний взвешивают. Взвешивают также токовый коллектор без нанесенной массы площади, равной площади вспомогательного электрода 3. К торцу исследуемого электрода 2, закрытого сепаратором 7, располагают электрод сравнения 8, что снижает омическое падение потенциала между электродом сравнения 8 и исследуемым электродом 2 и повышает надежность определения потенциала исследуемого электрода 2. Собранный электродный блок помещают в прямоугольный полимерный корпус 1, запаянный с трех сторон. В полимерный корпус 1 с электродным блоком заливают требуемое количество электролита и запаивают с одновременным вакуумированием оставшуюся сторону таким образом, чтобы трехслойная сульфированная каучуковая пленка попадала в шов. Тем самым обеспечивается равномерность распределения электролита по объему и площади сепаратора 7. Запаянный корпус 1 с электролитом и электродным блоком укладывают на нижнюю фиксирующую пластину 9, накрывают сверху верхней фиксирующей пластиной 10 и затягивают фиксирующие болты 11. Это предотвращает образование зазора между электродами в процессе работы, связанное с перераспределением электролита в процессах заряда или разряда. Кроме того поджатие необходимо для удерживания частиц порошкообразных материалов, увеличивающих в процессе работы свой объем. Токовыводы 4, 5 и 6 подключают к соответствующим разъемам устройства для проведения испытаний, например, потенциостата и запускают программу испытаний. Измерение потенциала исследуемого электрода 2 относительно электрода сравнения 8 исключает искажения, связанные с изменением потенциала вспомогательного электрода 3, чем обеспечивается более точная фиксация потенциала исследуемого электрода, что обеспечивает более надежное определение его емкости. Удельная емкость материала исследуемого электрода рассчитывается по формуле:

где q - удельная емкость, Q - емкость электрода по результатам испытаний, m₁ - масса исследуемого электрода, m₂ - масса токового коллектора, w - содержание материала исследуемого электрода в активной массе.

Таким образом, предлагаемая электрохимическая ячейка для определения удельной емкости электродного материала обеспечивает достижение заявленного технического результата.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к химическим источникам тока, в частности к электрохимической ячейке для определения удельной емкости электродного материала для литий-ионных аккумуляторов. Повышение точности определения емкостных характеристик исследуемого электродного материала, за счет независимого определения потенциала исследуемого электрода, является техническим результатом, который обеспечивается тем, что корпус ячейки вакуумирован, исследуемый и два вспомогательных электрода содержат токовые коллекторы, приваренные к соответствующим изолированным трехслойной сульфированной каучуковой пленкой токовыводам, электроды выполнены поджатыми с усилием 5-6 МПа в залитом состоянии, причем на внешней части полимерного корпуса размещено поджимное устройство, состоящее из верхней и нижней фиксирующих пластин, два вспомогательных электрода имеют площадь 5-5,5 см², которая превышает теоретическую емкость площади исследуемого электрода, при этом электрод сравнения, выполненный в виде серебряной проволоки, расположен в торце исследуемого электрода и разделен с ним сепаратором, что исключает влияние изменений макроструктуры исследуемого электрода на емкостные характеристики. Предложенная конструкция ячейки обеспечивает равномерное распределение электродного процесса по поверхности и объему исследуемого электрода, а также исключение влияния изменений макроструктуры исследуемого электрода на его разрядную емкость. 3 ил., 1 пр.

Электрохимическая ячейка для определения удельной емкости электродного материала, содержащая прямоугольный полимерный корпус, внутри которого размещен электродный блок, содержащий исследуемый и два вспомогательных электрода, на одной стороне корпуса герметично запаяны токовыводы исследуемого и вспомогательных электродов, состоящих из токовых коллекторов с нанесенной на них активной массой, между электродами расположен сепаратор, пропитанный электролитом, токовые коллекторы электродов приварены к соответствующим токовыводам, корпус вакуумирован, на токовыводы электродов нанесена трехслойная сульфированная каучуковая пленка, электроды выполнены поджатыми с усилием 5-6 МПа в залитом состоянии, отличающаяся тем, что на внешней части полимерного корпуса размещено поджимное устройство, состоящее из верхней и нижней фиксирующих пластин, фиксирующих поджим электродов ячейки с помощью болтов по верхней и нижней вершинам фиксирующих пластин, причем фиксирующие пластины выполнены прямоугольной формы с длиной и шириной, на 10-15 мм большей длины и ширины корпуса, два вспомогательных электрода имеют площадь 5-5,5 см² и теоретическую емкость, превышающую теоретическую емкость исследуемого электрода, а также электродный блок дополнительно содержит электрод сравнения, выполненный в виде серебряной проволоки, расположенный в торце исследуемого электрода и разделенный с ним сепаратором.