СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОДА ХИМИЧЕСКОГО ИСТОЧНИКА ТОКА Советский патент 2006 года по МПК H01M4/12 

Предлагаемое изобретение относится к химическим источникам тока, а именно к способу изготовления электрода химического источника тока на основе интерметаллидов лития, например Li-Si, Li-Si-Al, Li-Si-B и др. Электроды из указанных сплавов применяются в тепловых источниках тока (ТИТ) и источниках тока с апротонными электролитами.

Известны различные способы изготовления электродов из сплавов лития. Наиболее часто применяемыми являются пирометаллургический (1), заключающийся в сплавлении лития с компонентами сплава, размельчении, смешивании с электролитом и прессовании, и метод пропитки (2), заключающийся в вибрационном заполнении пор пористой металлической матрицы, которая в элементе выполняет роль токосъемника, порошком сплава лития, приготовленного пирометаллургическим путем. Недостатками пирометаллургического способа являются, во-первых, его недостаточная технологичность: метод требует специального оборудования (электропечи с инертной средой, мельницы, прессы и т.д.). Во-вторых, весьма токсичные аэрозоли соединений лития даже при соблюдении мер предосторожности попадают в воздушную среду производственного помещения. Недостатком метода пропитки является то, что этим способом нельзя изготовить электрод высокой удельной емкости, так как матрицу нельзя сделать меньше определенных размеров.

Прототипом предлагаемого изобретения является способ, названный авторами термодиффузионным (3). Метод состоит в совместной термообработке в поджатом состоянии лития с другими компонентами сплава при температуре выше температуры плавления лития.

Метод включает следующие операции: изготовление фольги лития, изготовление просечной сетки из алюминия, приготовление пасты из порошка кремния со связующим - метасиликатом натрия, нанесение пасты кремния на сетку из Al, сушка, термообработка сетки с нанесенным слоем кремния, совместное тиснение пакета, состоящего из литиевой фольги, Al просечной сетки и Al сетки с нанесенным на нее кремнием. Затем производится вырубка и завальцовка заготовок электродов в корпусе и термообработка электродов при температуре выше температуры плавления лития. Термодиффузионным способом удается получить электроды с высокими удельными характеристиками. Однако способ включает много операций, некоторые из них, например изготовление Al просечной сетки, нанесение пасты на сетку, тиснение Li с компонентами сплава и т.д., неконтролируемы и не дают возможности получения электродов с воспроизводимыми характеристиками.

С целью упрощения способа, мы предлагаем следующий способ изготовления электрода. Получают компонент интерметаллида из смеси порошка компонента интерметаллида с размерами частиц от 40 до 350 мкм с асбестом путем фильтрации водной суспензии, содержащей компонента 89-97 мас.%, асбеста 11-3 мас.%, на плоскую поверхность и сушат отливку. Затем вырубают из нее заготовки, по размерам равные будущему электроду для совместной термообработки их в поджатом состоянии с литиевой фольгой того же размера.

В качестве волокнистого связующего авторами применен асбест в виде волокон, образующий в воде устойчивую суспензию, что очень существенно, так как оказывается возможным получать отливку с равномерным распределением порошка компонента и асбеста. Соотношение количества лития и компонентов интерметаллида (кремния, алюминия, бора и т.д.) выбирается таким образом, чтобы получить сплав (интерметаллическое соединение) заданного состава.

Преимущества предложенного способа.

1. Простота технологического процесса. Отпадают операции изготовления просечной сетки из Al, составления пакета литий - сетка - компонент интерметаллида, тиснение пакета в рельефных валках. Отливки могут изготавливать вне участка изготовления литиевых электродов и использовать по мере надобности, так как срок хранения высушенных отливок неограничен.

2. Предложенный способ позволяет осуществить безотходное производство, так как отходы, образующиеся после вырубки заготовок, используются при последующем изготовлении суспензии - компонент интерметаллида - асбест - вода. Отходы литиевой фольги после вырубки заготовок плавятся под слоем вазелинового масла, а полученный слиток вновь прокатывается в фольгу.

3. Способ позволяет получать электроды заданного состава по содержанию лития и остальных компонентов (варьируя их соотношение), заданной емкости и толщины (варьируя количество литиевой фольги и отливок "компонент - асбест").

Совокупность отличительных признаков изобретения в литературе не найдена.

Пример 1.

Изготовление электрода из LiSi по предложенному способу из порошка кремния разной дисперсности.

Поликристаллический кремний размалывали в шаровой мельнице и просеивали через сита: 1) 0040; 2) 035. В первом случае из порошка с размером частиц меньше 40 мкм не удалось изготовить равномерную отливку, так как в воде он образовывал взвешенные частицы, которые оседали сверху асбеста.

При изготовлении отливки компонента интерметаллида из частиц кремния размером больше 350 мкм отливка "осыпается", так как крупные частицы кремния образуют нижний слой.

Хорошие прочные отливки компонента интерметаллида получаются при использовании порошка - смеси разного дисперсного состава между 40 и 350 мкм. Толщина их в зависимости от абсолютных количеств порошкообразного компонента и асбеста составляет от 0,3 до 0,85 мм.

Пример 2.

Изготовление электрода LiAlSi по предложенному способу при разных соотношениях компонента интерметаллида и асбеста в водной суспензии, из которой получается отливка.

Получали компонент интерметаллида (КИ) в виде отливки из водной суспензии, содержащей разные соотношения КИ и асбеста. Для этого приготовлялась водная суспензия из кремний - алюминиевого порошка фракции 40-350 мкм и асбеста. Соотношения КИ и асбеста проверялись КИ - А, мас.%: 98-2; 97-3; 94-6; 89-11; 88-12.

Из отливки после сушки вырубали заготовки диаметром 35 мм. В корпусе диаметром 35,5 мм, изготовленном из ленты малоуглеродистой стали толщиной 0,05 мм, помещались детали: отливка КИ диаметром 35 мм, диск литиевой фольги диаметром 35 мм толщиной 0,29 мм, две отливки КИ диаметром 35 мм. Корпус завальцовывался. Электрод опрессовывался и подвергался термообработке в поджатом состоянии при температуре 350±20°С в течение 20 мин. Изготовленный электрод представлял собой диск диаметром 35 мм толщиной 0,85 мм. Электрические характеристики электродов при разных соотношениях КИ - асбеста в отливке компонента приведены в таблице.

 ПоказателиКонтрольный элементСоотношение КИ - асбест, мас.%, в отливке КИ98-297-394-689-1188-12НРЦ макс, В*2.42^ххх2.512.622.562.50U мак, В2.08 2.322.562.352.26τ_{1.76 В}, с**210 310325315270НРЦ - напряжение разомкнутой цепи;
τ_{1.76 В}, с - продолжительность разряда до конечного напряжения 1.76 В;
^ххх отливка КИ механически непрочна, для использования непригодна.

Из результатов испытаний следует, что характеристики элементов с электродами, изготовленными в соответствии с предлагаемым изобретением, выше по сравнению с контрольными, однако при соотношении КИ - асбест 88-12 мас.% характеристики ухудшаются. Поэтому предлагаем соотношения КИ - асбест, мас.%: КИ 89-97 мас.% и асбест 11-3 мас.%.

Из приведенных примеров следует, что при значительном упрощении способа изготовления электродов (исключение операций пресечения Al сетки, отжига сетки, нанесения на сетку кремниевой пасты, сушки сетки с пастой, тиснения пакета и т.д.). Электроды имеют лучшие по сравнению с прототипом (контрольные элементы) электрические характеристики.

Источники информации

1. Eddie C. Gay, Donald R. и др. Power Sources 6 edited by D.H.Collins, 1977.

2. Патент США №4011372, 3881951.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при изготовлении химических источников тока. Техническим результатом является упрощение процесса. Технический результат достигается тем, что в способе изготовления электрода химического источника тока путем совместной термообработки в поджатом состоянии листов литиевой фольги, которые чередуются со слоями интерметаллида, при температуре, превышающей температуру плавления лития, слой интерметаллида получают смешиванием частиц интерметаллида с размерами от 40 до 350 мкм в количестве 89-97 мас.% с асбестом в количестве 3-11 мас.%, подготовкой водной суспензии смеси с последующей фильтрацией на плоскую поверхность и высушиванием отливки. 1 табл.

Способ изготовления электрода химического источника тока путем совместной термообработки в поджатом состоянии листов литиевой фольги, чередующихся со слоями интерметаллида, при температуре, превышающей температуру плавления лития, отличающийся тем, что, с целью упрощения процесса, слой интерметаллида получают смешиванием частиц интерметаллида с размерами от 40 до 350 мкм в количестве 89-97 мас.% с асбестом в количестве 3-11 мас.%, подготовкой водной суспензии смеси с последующей фильтрацией на плоскую поверхность и высушиванием отливки.