Способ изготовления гелевого электролита на основе поливинилового спирта Российский патент 2024 года по МПК H01M10/22 

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при изготовлении химических источников тока.

Техническим результатом является возможность создания устойчивого гелевого электролита для химических источников тока на основе серной кислоты и поливинилового спирта, как связующего вещества для активных масс электродов, а также прекурсоров для изготовления мембран различной ионногенной природы, использующихся как сепараторы в тех же химических источниках тока.

Для изготовления используется порошковый поливиниловый спирт (далее по тексту ЛВС) и серная кислота. Оба соединения имеют следующие характеристики: ПВС имеет молекулярную массу 5000 - 1000000, содержит 0,4-20% по массе ацетатных групп и концентрацией 14%, так как известно, из данных по проводимости ПВС, что оптимальным по электропроводности соотношением ПВС в воде является содержание 14% по массе ПВС (см. таблица 1 «Свойства прядильных растворов»). [1]. Серная кислота имеет оптимальную концентрацию, близкую к оптимальной электропроводности раствора и сниженную для избегания окислительной деструкции концентрированных растворов серной кислоты, до 44-45% по массе (см. Рис. 1. «Зависимости удельной электропроводности от концентрации электролитов») [2], что соответствует 8 моль/л или плотности электролита 1,44 г/см³ [3].

Известен способ изготовления загущенного электролита в патенте RU 2442248 С1 (Герметизированный свинцовый аккумулятор) [4], в котором для увеличения емкости аккумулятора предлагается «…в качестве добавки загустителя сернокислого электролита используется поливиниловый спирт с молекулярной массой 5000÷1000000, содержанием ацетатных групп 0.4÷20% и концентрацией 0.1÷10 массовых процентов.» Далее обладатели указанного патента утверждают, что возможно внесение используемого ПВС без его предварительной обработки и «…при этом поливиниловый спирт либо добавляется в аккумулятор до заливки электролита, либо непосредственно в сернокислый электролит перед заливкой», что на самом деле невозможно по причине того, что непосредственная добавка ПВС в виде порошка перед заливкой, приводит к неконтролируемому набуханию, закупориванию капилляров, пор активных масс электродов и невозможности процессу гелеобразования, а использование водного раствора ПВС приводит к снижению электропроводности сернокислого электролита.

Одним из свойств поливинилового спирта, проявляющегося при его приготовлении, является его высокотемпературная предварительная обработка при 80-90 градусов в течение 4 часов на кипящей водяной бане, что позволяет только тогда эффективно растворить его в водных и других типах растворителей [5]. Непосредственный же нагрев порошка ПВС в растворе 45% серной кислоты приводит к его деградации и обугливанию. По этой причине возникает необходимость в предварительной подготовке раствора ПВС, постадийном контроле его процесса изготовления.

В указанном патенте отсутствует описание как правильно приготовить загущенный электролит со стабильными характеристиками.

Сущность заявляемого способа изготовления гелевого электролита на основе поливинилового спирта состоит в двухстадийном процессе приготовления стабильного загущенного электролита.

Он включает в себя: 1. Приготовление отдельных прекурсоров - ПВС и серной кислоты заданной концентрации: 28% по массе водного раствора ПВС и 90% водного раствора серной кислоты. После приготовления прекурсоров необходимо охлаждение их растворов до комнатной температуры. Раствор серной кислоты может быть приготовлен, в том числе, обычным упариванием имеющегося менее концентрированного раствора серной кислоты. 2. Осторожное смешивание растворов в соотношении 1:1 путем внесения 90% раствора серной кислоты частями в 28% раствора ПВС на ледяной бане для отвода тепла (процесс растворения экзотермический) при постоянном перемешивании смеси. Полученный раствор должен быть охлажден до комнатной температуры и выдержан до заливки в течение суток с постоянным контролем растворимости ПВС-гранул. При этом не допускается потемнение раствора, что обеспечивается соблюдением пропорцией и вышеизложенными требованиями. Допускается небольшое пожелтение полученной смеси. Полученный загущенный электролит имеет консистенцию киселя и достаточно стабилен при хранении. Раствор имеет характерный слабый уксусный запах за счет небольшого содержания ацетатных групп (0,4-20%). Полученный загущенный раствор хранится без каких-либо изменений более 3 лет, сохраняя свои свойства.

Апробация полученного гелевого электролита проводилась при изготовлении экспериментальных химических источников тока с разными типами электрохимических систем. В том числе, проводилась его модификация путем добавления отвердителей различного типа. Так, для формирования катионитной проводимости сепараторов использовалась борная кислота и ее соли бораты, формирующие на поверхности и в объеме мембраны отрицательно заряженные ионогенные группы. Для анионитной проводимости были использованы соединения, содержащие аминогруппу, такие как полиэтиленполиамин, аминоспирты, органические амины, формирующие на поверхности или в объеме мембраны положительно заряженные ионогенные группы.

Таким образом, найденный способ изготовления гелевого электролита на основе поливинилового спирта является новым более эффективным и оптимизированным, контролируемым процессом получения известного, дешевого и экологичного типа загустителя сернокислотного электролита.

Список использованных источников информации.

1. Рыклин Д.Б., Ясинская Н.Н., Демидова М.А., Азарченко В.М., Скобова Н.В. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СВОЙСТВ РАСТВОРОВ ПОЛИВИНИЛОВОГО СПИРТА НА СТРУКТУРУ ЭЛЕКТРОФОРМОВАННЫХ МАТЕРИАЛОВ // Вестник ВГТУ. 2020. №2 (39).

2. Сватовская Н.А., Колесников И.М., Винокуров В.А. Электрохимия растворов электролитов. Часть I. Электропроводность: Учебное пособие. - М.: Издательский центр РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина, 2017. - 66 с.

3. Мищенко К.П., Равдель А.А. «Краткий справочник физико-химических величин». Л.: Химия, 1974 г. - 200 с.

4. Патент RU 2442248 С1 Российская Федерация, МПК Н01М 10/22. Герметизированный свинцовый аккумулятор/ Лушина М.В.; заявитель и патентообладатель ЗАО «Электротяга». - №2010132381/07; заявл. 08.02.2010; опубл. 10.02.2012. Бюл. №4. - 4 с.

5. ГОСТ 10779-78. Спирт поливиниловый. Технические условия. М.: ИПК Издательство стандартов, 1995 г.

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при изготовлении химических источников тока. Техническим результатом является возможность создания устойчивого гелевого электролита для химических источников тока на основе серной кислоты и поливинилового спирта (ПВС) как связующего вещества для активных масс электродов, а также прекурсоров для изготовления мембран различной ионногенной природы, использующихся как сепараторы в тех же химических источниках тока. Сущность способа изготовления гелевого электролита на основе поливинилового спирта состоит в двухстадийном процессе приготовления стабильного электролита. В ходе его изготовления не происходит значительной деструкции составляющих его компонентов, осуществляется постадийный контроль качества производимого продукта. Способ включает в себя приготовление отдельных прекурсоров - ПВС 28% по массе водного раствора и серной кислоты 90% водного раствора и смешивание данных растворов в соотношении 1:1 путем внесения 90% раствора серной кислоты частями в 28% раствора ПВС на ледяной бане для отвода тепла. 1 ил., 1 табл.

Способ изготовления гелевого электролита на основе поливинилового спирта (ПВС), включающий в себя двухстадийный процесс приготовления отдельных водных растворов ПВС 28% по массе водного раствора и серной кислоты 90% водного раствора и смешивание данных растворов в соотношении 1:1 путем внесения 90% раствора серной кислоты частями в 28% раствор ПВС на ледяной бане для отвода тепла.