Аккумуляторная батарея Российский патент 2024 года по МПК H01M4/13 

Техническое решение относится к источникам питания, а именно к аккумуляторным батареям, используемым в транспортных средствах, ноутбуках, мобильных телефонах, повербанках и др. устройствах где используется внутренний источник питания.

Известен патент РФ №2801185 от 03.08.2021, где описан нанопористый углеродный катод, применяемый в батареях. состоящий из углеродных аэрогелевых материалов, имеющих: пористую структуру, содержащую волокнистую морфологию с по существу однородным распределением пор по размерам, где поры вмещают образование частиц пероксида лития. Данное устройство улучшает рабочие характеристики электрода, при этом на саму аккумуляторную батарею акцент не делается.

Наиболее близким техническим решением является патент РФ №2698706 от 29.08.2019. В данном патенте раскрыта перезаряжаемая батарея, включающая два электрода (анод и катод), разделенные проводящим слоем и залитые гелем-электролитом.

Недостатком данного решения является недостаточная скорость заряда данной батареи.

Предлагаемое техническое решение позволяет:

- повысить скорость заряда аккумуляторной батареи,

- повысить емкость аккумуляторной батареи,

- повысить долговечность и срок службы,

- уменьшить габариты аккумуляторной батареи

- возможность работы при низких температурах.

Технический результат - повышение долговечности и скорости заряда аккумуляторной батареи, при работе при низких температурах.

Технический результат достигается тем, чтоаккумуляторная батарея включает корпус, в котором установлены анод и катод, разделенные изолятором и залитые гелем-электролитом. При этом в качестве анода используется алюминиевая пористая пластина, поверхность которой покрыта борофеном. В качестве катода используется медная пористая пластина, поверхность которой также покрыта борофеном. Кроме того внутреннее пространство пористых пластин заполнено углеродным аэрогелем, а в качестве геля-электролита используется хлорид 1-этил-3-метилимидазолия или 1-бутил-3-метилимидазолиум гексафосфат или 1-этил-3-метилимидазолиум хлорид.

Также предпочтительно в состав геля-электролита добавлять бромат лития (LiBrO3).

Сущность заявленного решения поясняется фигурами 1-2, где

на фиг. 1 показана конструкция предлагаемого аккумулятора,

на фиг. 2 показана пористая структура анода/катода.

На фигурах позициями обозначены следующие позиции.

1 - анод,

2 - катод,

3 - изолятор,

4 - гель электролит,

5 - блок зарядки.

Заявляемый аккумулятор см. фиг. 1 изготавливают следующим образом.

Берется алюминиевая пористая пластина из алюминия высокой чистоты, обрабатывается до толщины 0,5-1 мм и покрывается слоем барофена - получаем анод (1), где покрытие осуществляется химическим осаждением бора из паровой фазы (возможно также на данный момент применение графеновой пасты).

Берется медная пористая пластина из меди высокой чистоты, обрабатывается также до толщины 0,5-1 мм и покрывается слоем борофена - получаем катод (2), где покрытие осуществляется химическим осаждением бора из паровой фазы (возможно также на данный момент применение графеновой пасты).

Далее углеродный аэрогель размещают в полостях пластин путем применения способа прессования.

Затем между пластинами анода и катода устанавливают изолятор (3), толщиной 0,5-1 мм - и пористая пластина, выполненная из вспененного графена или графита изостатического прессования.

Далее анод (1) и катод (2), разделенные изолятором (3), устанавливают в центральной части корпуса, с образованием кольцевой полости, образованной стенками корпуса и конструкцией анода и катода, разделенных изолятором, припаивают к ним электрические выводы для подключения к блоку зарядки 5 и в полость заливают гель электролит (4) - хлорид 1-этил-3-метилимидазолия или 1-бутил-3-метилимидазолиум гексафосфат или 1-этил-3-метилимидазолиум хлорид, например, производимые фирмами Alfa Aesar или AcrosOrganics.

Корпус герметизируют и получают готовый аккумулятор.

Ионную жидкость, внутри гелевой основы, можно адаптировать к электропроводящей поверхности, с которой она будет находится в контакте. Гелевая основа - состав геля-электролита, имеющего основание из нескольких типов жидкости. Электропроводность электролита является важным параметром при разработке технологических режимов электровосстановления алюминия при создании аккумуляторных батарей.

В состав геля-электролита предлагаемого аккумулятора входят:

хлорид 1-этил-3-метилимидазолия 98%, Alfa Aesar

1-бутил-3- метилимидазолиум гексафосфат 98%, Acros Organics

1-этил-3-метилимидазолиум хлорид 97%, Acros Organics (AlCl₃-EMIC, Aluminiumchloride-1Ethyl-3-methylimidazoliumchloride, EMIMClAlCl₃ - (C₆H₁₁ClN₂)₂×(AlCl₃)₃)

Применение одного из типов вышеуказанных жидкостей с основой геля дает преймущество в использовании жидкости аккумулятора при низких температурах, уменьшает образование оксидных пленок на поверхности анода/катода. Гелевая основа - тип материала, дающего преимущества в использовании жидкости из списка выше.

Металлический алюминиевый анод обладает рекордной объемной емкостью 8,04 А*ч*см³ (в четыре раза выше, чем у лития), что на порядок превышает объемную емкость графитовых анодов, используемых в обычных литий ионных аккумуляторах. Помимо этого, алюминий имеет высокие значения гравиметрической емкости, которая составляет 2,98 А*ч*г^-1.

Изменения в составе электролита незначительны даже при многократных циклах заряда-разряд предлагаемого аккумулятора. Это эффективно сказывается на долговечности срока аккумулятора. Также процесс заряда аккумулятора происходит в несколько раз быстрее, т.к. жидкий электролит имеет лучшее взаимодействие с анодом.

Предлагаемый аккумулятор с применением алюминия в несколько раз дешевле существующих на данный момент аккумуляторов, например, применяемых в электроавтомобилях.

Применение пористого материала пластин анода и катода, см. фиг. 2, имеющих поры, соединенные между, увеличивает скорость заряда аккумулятора в несколько раз (скорость заряда аккумулятора уменьшается до нескольких минут) и в разы уменьшает габариты аккумулятора.

Пористость материала дает преимущества в электрохимических процессах, проходящих в аккумуляторе.

Защита анода/катода от окислительных процессов достигается применением борофенового покрытияанода/катода. Изменение процессов окисления и восстановления анода/катода происходит на порядок быстрее при использовании такого материала. Разница потенциалов между анодом и катодом преимущественно в диапазоне от 2,5 до 4 Вольт.

Также возможно применение бромата лития (LiBrO3) в качестве добавки к гелевой основе.

Ключевой особенностью является использование пористости материалов анода и катода с применением углеродного аэрогеля в полостном пространстве путем применения способа прессования.

Схема аккумулятора с применением по сути ионистора (суперконденсатора), показанная на фиг. 1, дает преимущество в долговечности использования, увеличения срока службы.

Предлагаемый аккумулятор см. фиг. 1, с применением вышеуказанных материалов нами был протестирован и показал высокую эффективность и полное соотношение с вышеописанными показателями зарядки, плотности энергии и емкости (напряжение = от 2,5 В-4 В, плотность энергии = 200-300 Wh/кг)

Изобретение относится к источникам питания, а именно к аккумуляторным батареям, используемым в транспортных средствах, ноутбуках, мобильных телефонах, повербанках и др. устройствах, где используется внутренний источник питания. Аккумуляторная батарея включает корпус, в котором установлены анод и катод, разделенные изолятором и залитые гелем-электролитом. При этом в качестве анода используется алюминиевая пористая пластина, поверхность которой покрыта борофеном, а в качестве катода используется медная пористая пластина, поверхность которой покрыта борофеном. Кроме того, внутреннее пространство пористых пластин заполнено углеродным аэрогелем, а в качестве геля-электролита используется хлорид 1-этил-3-метилимидазолия, или 1-бутил-3-метилимидазолиум гексафосфат, или 1-этил-3-метилимидазолиум хлорид. Технический результат - повышение долговечности и скорости заряда аккумуляторной батареи при работе при низких температурах. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Аккумуляторная батарея, включающая корпус, в котором установлены анод и катод, разделенные изолятором и залитые гелем-электролитом, отличающаяся тем, что в качестве анода используется алюминиевая пористая пластина, поверхность которой покрыта борофеном, а в качестве катода используется медная пористая пластина, поверхность которой покрыта борофеном, при этом внутреннее пространство пористых пластин заполнено углеродным аэрогелем, а в качестве геля-электролита используется хлорид 1-этил-3-метилимидазолия, или 1-бутил-3-метилимидазолиум гексафосфат, или 1-этил-3-метилимидазолиум хлорид.

2. Аккумуляторная батарея по п. 1, отличающаяся тем, что в состав геля-электролита добавляется бромат лития (LiВrО₃).

3. Аккумуляторная батарея по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве изолятора между пластинами применяется пористая графеновая пластина или из графита изостатического прессования.