Литиевый химический источник тока

 

Использование: производство перезаряжаемых литиевых химических источников тока (ХИТ), безопасных в эксплуатации. Сущность изобретения: литиевый ХИТ содержит анод из металлического лития или литийсодержащего сплава, многослойный сепаратор, электролит, катод и пористую никелевую мембрану, размещенную между слоями сепаратора. Никелевая мембрана может быть выполнена из никелевой фольги толщиной 20 - 250 мкм, пористостью 10 - 60% и с размером пор 1 - 50 мкм. По крайней мере одна из сторон фольги может содержать дополнительный ультрапористый никелевый слой пористостью до 80%, толщиной 5 - 50 мкм и размером пор 0,1 - 10 мкм. Никелевая фольга может иметь электрический контакт с анодом. Такое выполнение ХИТ позволяет создать источник, обладающий повышенным ресурсом и безопасностью эксплуатации. 3 з. п. ф-лы.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при производстве химических источников тока (ХИТ) с литиевым анодом.

Литиевые ХИТ, использующие аноды из лития и литийсодержащих сплавов, обладают существенным недостатком, связанным с закорачиванием электродов. Это приводит к выходу ХИТ из строя, сопровождаемому перегревом и взрывом [1].

Для решения указанной проблемы принимаются различные меры, такие как выбор более стойких сепараторных материалов, изменение конструкции сепаратора и введение добавок в электролит, ограничивающих рост дендтритов [2].

Известен литиевый ХИТ, содержащий литиевый анод, электролит, двухслойный пористый сепаратор и катод. Для предотвращения отказа ХИТ при превышении предельного значения величины разрядного тока между слоями сепаратора установлена перегородка из изоляционного материала, снабженная отверстиями, площадь которых составляет от 1 до 60% от общей площади поверхности перегородки, ограничивающая величину разрядного тока [3].

Недостатком указанного ХИТ являются низкие удельные характеристики из-за ограничения величины разрядного тока и наличия дополнительного конструкционного элемента.

Из известных литиевых ХИТ наиболее близким по совокупности существенных признаков является ХИТ, содержащий анод из лития или литийсодержащего сплава, многослойный сепаратор, неводный раствор электролита, тионилхлорид в качестве окислителя, угольный катодный коллектор и пористую металлическую пластину. Указанная пластина расположена между электродами и примыкает к катодному коллектору. Ее наличие предотвращает ХИТ от взрыва при перемене полярности за счет шунтирования обратного тока литиевыми дендритами, закорачивающими анод и пористую пластину [4].

Недостаток этого литиевого ХИТ связан с тем, что введение пористой пластины на катодную сторону не исключает образования дендритов и его закорачивания. Кроме того, вводимая пластина при требуемых пористости и размерах пор обладает большой толщиной (0,4 - 2,5 мм), что снижает удельные характеристики ХИТ. Использование тонкой мембраны (4 - 200 мкм) ограничивает разрядный ток из-за ее малой пористости.

Задачей изобретения является создание перезаряжаемого литиевого ХИТ, обладающего повышенным ресурсом и безопасностью эксплуатации.

Указанный технический результат достигается тем, что в литиевом ХИТ, содержащем анод из металлического лития или литийсодержащего сплава, многослойный сепаратор, электролит, катод и пористую мембрану, размещенную между электродами, указанная пластина размещена между слоями сепаратора.

Целесообразно пластину выполнить из фольги, толщиной 20 - 250 мкм, пористостью 10 - 60% и с размерами пор 1 - 50 мкм. Применение никеля оправдано тем, что он стоек при рабочих условиях литиевого ХИТ и широко используется в технологии производства. Нижний предел толщины фольги 20 мкм определяется требуемой механической прочностью. Применение фольги толщиной более 250 мкм нецелесообразно, поскольку дальнейшее увеличение толщины снижает удельные электрические характеристики, но не дает увеличения ресурса.

Диапазон пористости никелевой фольги и размеров пор определяются внутренним сопротивлением ХИТ и надежностью защиты от закорачивания.

Минимальные значения пористости и размеров пор определяются допустимой величиной внутреннего сопротивления ХИТ. При пористости менее 10% и размере пор менее 1 мкм фольга будет ограничивать величину разрядного тока.

Фольга с пористостью более 60% и размере пор более 50 мкм обладает недостаточной механической прочностью. Кроме того, через поры более 50 мкм могут прорасти дендриты.

Целесообразно, по крайней мере на одной стороне фольги, выполнить дополнительный ультрапористый никелевый слой толщиной 5 - 50 мкм, пористостью до 85% и размером пор 0,1 - 10 мкм.

Наличие дополнительного слоя повышает надежность защиты ХИТ от закорачивания. Имея высокую пористость до 85%, он не вносит дополнительного сопротивления, однако обеспечивает равномерность распределения токов, что стабилизирует электрические характеристики. Пористость более 85% и размеры пор менее 0,1 мкм трудно технологически реализовать. Нижний предел пористости и верхний предел размера пор определяются значениями этих величин для фольги, на которой выполняется дополнительный слой. Пористость должна быть не меньше пористости фольги, а размер пор должен быть не больше размера пор фольги. Иначе применение дополнительного слоя технически не оправдано.

Целесообразно, чтобы никелевая фольга имела электрический контакт с анодом. Наличие анодного потенциала на фольге снижает скорость саморазряда ХИТ.

Проведенный анализ уровня техники показал, что заявляемая совокупность существенных признаков, изложенная в формуле изобретения, неизвестна. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию "новизна".

Для проверки соответствия заявленного изобретения критерию "изобретательский уровень" проведен дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения.

Установлено, что заявленное изобретение не следует явным образом для специалиста в данной области из известного уровня техники. Следовательно, заявленное изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень".

Пример. Был изготовлен лабораторный литиевый ХИТ дисковой формы с литиевым анодом диаметром 15 мм, двумя слоями пористого полипропиленового сепаратора диаметром 15 мм, пористой никелевой фольгой того же диаметра, толщиной 80 мкм, пористостью 40% и размерами пор 10 мкм, размещенной между слоями сепаратора, катодом из диоксида марганца диаметром 12,5 мм и органическим электролитом с LiClO₄. ХИТ циклировался током 0,5 мА. Параллельно при тех же условиях циклировался аналогичный ХИТ, но без никелевой фольги. Установлено, что ХИТ с никелевой фольгой имеет более низкое внутреннее сопротивление и улучшенные характеристики циклирования: более высокое напряжение разряда и более низкое напряжение заряда.

Таким образом, полученные данные подтверждают возможность практической реализации заявляемого изобретения с достижением указанного технического результата. На основании изложенного можно сделать заключение о соответствии заявленного изобретения критерию "промышленная применимость".

Формула изобретения

1. Литиевый химический источник тока, содержащий анод из металлического лития или литийсодержащего сплава, многослойный сепаратор, электролит, катод и пористую металлическую мембрану, размещенную между электродами, отличающийся тем, что мембрана размещена между слоями сепаратора.

2. Источник по п.1, отличающийся тем, что в качестве мембраны взята пористая никелевая фольга толщиной 20 250 мкм, пористостью 10 60% с размером пор 1 50 мкм.

3. Источник по п.2, отличающийся тем, что никелевая фольга по крайней мере с одной стороны содержит дополнительный ультрапористый никелевый слой пористостью до 85% тощиной 5 50 мкм с размером пор 0,1 10,0 мкм.

4. Источник по п.1, отличающийся тем, что никелевая фольга имеет электрический контакт с анодом.