Химический источник тока

 

Изобретение относится к области электротехники, а именно к литиевым источникам тока. Техническим результатом изобретения является повышение удельных характеристик. Согласно изобретению химический источник тока содержит прямоугольный корпус из трехслойного композиционного материала, сваренный по двум малым и одной большой сторонам периметра корпуса, с помещенными в него анодом, катодом, сепаратором, электролитом и токовыводами, выведенными через один из сварных швов корпуса. Отношение малой стороны к большой стороне корпуса составляет 0,5. 2 табл.

Изобретение относится к электротехнической промышленности, а именно к химическим источникам тока с литиевым анодом и электролитом на основе апротонных органических растворителей. Существует целый ряд конструкций плоских литиевых элементов прямоугольной формы. Известен источник тока, в котором в качестве электродов используются гибкие пластины, между которыми зажаты содержащие электролит сепараторы. Каждый из электролитов имеет втянутый металлический полюсный вывод. Корпус представляет собой полимерную деталь, имеющую наружные швы, некоторые из которых выполнены поверх вытянутых полюсных металлических выводов. Этот источник тока может быть выполнен из вспененного полимерного материала или гибкого листового полимера с наполнителем из изоляционного материала (см. патент США N 3607401, кл. H 01 M 35/32, 1971).

Известно, что полимерные материалы в той или иной степени проницаемы для паров воды. Следовательно, описанный выше способ изготовления корпуса гибкого литиевого элемента имеет существенный недостаток, а именно, срок хранения данного источника тока ограничен скоростью диффузии паров воды через полимер. Преодолеть этот недостаток позволяет использование для изготовления гибких литиевых источников тока трехслойного материала. Так в заявке Японии N 63-721244, МКИ H 01 M 2/02, 1988, выбранной в качестве аналога, представлен тонкий гибкий элемент, корпус которого собирают из двух листов гибкой пленки. Пленка состоит из трех слоев. Наружный слой пленки представляет собой пластмассу, стойкую к нагреву и органическим растворителям, средним слоем служит алюминиевая фольга, внутренний слой выполнен из пластмассы, способной размягчаться и свариваться при нагревании. Между двумя листами пленки устанавливается анод, катод и сепаратор, пропитанный электролитом. К внешним поверхностям электродов прижимают основы из тонкой металлической фольги. Края основ с противоположных сторон, выходя наружу пленок, образуют корпус и служат токоотводами. Элемент герметизируют, сваривая края листов по контуру электродов. Недостатком данной конструкции является наличие сварных швов по периметру элемента, что сказывается на габаритных размерах (общей площади плоского гибкого источника тока). Решить эту проблему позволяет конструкция корпуса тонкого гибкого источника тока, предложенная в патенте России N 2038657, H 01 M/02//10/40, взятого в качестве прототипа. В патенте описывается химический источник тока с литиевым анодом и апротонным электролитом, электроды и сепаратор которого помещены в гибкий многослойный корпус, выполненный из трехслойного материала. Токоотводы электродов выполнены из металлической ткани толщиной 0,05 - 0,2 мм, выведены наружу через соединительный шов корпуса, имеющей ширину не менее 1 мм, и пропитаны расплавом или раствором полимерного материала выше верхней границы шва. Суммарная толщина полимерного материала в месте прохода токоотвода больше толщины токоотвода. Это повышает срок сохраняемости и надежность за счет предотвращения диффузии паров воды и электролита. По сравнению с заявкой Японии N 63-721244 элемент имеет три сварных шва (два боковых и один верхний), что несколько улучшает соотношение общей площади элемента и его полезной площади. К недостаткам прототипа можно отнести некоторую неопределенность в величине сварного шва элемента (не менее 1 мм), в то время как для различных режимов хранения и эксплуатации подобного элемента существует вполне определенная (расчитываемая) ширина. Другим недостатком элемента подобного вида является отсутствие оптимального соотношения его ширины и длины, в то время как существует определенное соотношение, позволяющее повысить (улучшить) удельные энергетические характеристики элемента. Задачей изобретения является получение максимальной удельной энергии для источников тока с литиевым анодом, работающего при заданных условиях (температуре, влажности, давлении и т.д.). Удельная энергия для плоского элемента зависит от отношения полезной площади источника к его полной площади. Под полезной площадью подразумеваем непосредственно площадь электродов источника тока, а под полной - произведение высоты элемента на его ширину W_уд = F(S_{полезн.}/S_полн.). (1) Таким образом, исходя из выражения (1) задача состоит в получении максимального значения полезной площади при минимальном значении полной площади.

Таким образом, свое максимальное значение полезная площадь элемента принимает при соотношении ширины источника к его высоте, равном 2. В качестве примера рассмотрим плоский тонкий элемент прямоугольной формы, произведение ширины на высоту которого равно 200 мм, с шириной сварного шва 1 мм. Для простоты вычислений выберем такие соотношения длин сторон источника, чтобы размеры его сторон были целыми числами, и рассчитаем полезную площадь для каждого соотношения (см. таблицу 1).

Данная таблица 1 значений в какой-то мере подтверждает правильность проведенных выше теоретических выкладок.

Как уже было упомянуто, для получения максимальной удельной энергии необходимо, чтобы полезная площадь была максимальной. Достигнуть этого без ухудшения эксплуатационных характеристик (при фиксированной общей площади элемента) можно сведя к минимуму ширину сварных швов источника. В случае использования в качестве материала корпуса трехслойного материала можно пренебречь диффузионным процессами, идущими через поверхность источника тока (в следствие наличия в материале корпуса слоя алюминиевой фольги), следовательно, основной процесс массопереноса будет проходить через сварные швы, поэтому количество переносимого вещества будет непосредственно связано с шириной и общей длиной сварных швов. Согласно справочным данным (1) наибольшей проницаемостью для компонентов, содержащихся в окружающей атмосфере в наибольшем количестве (O₂, N₂, CO₂, H₂O...), полиэтилен обладает по отношению к парам воды. Поэтому ширину сварных швов целесообразно рассчитывать исходя из максимально допустимого количества влаги, диффузия которого через поверхность всех сварных швов элемента в течение заданного периода хранения и эксплуатации источника не приводит к ухудшению эксплуатационных характеристик элемента.

Согласно представлениям о диффузии паров через полимерные мембраны, для характеристики процесса в стационарных условиях, с учетом частичной растворимости воды в полимере, можно использовать коэффициент диффузионной проницаемости (P_п): P_п = V · x/S·T·(P2-P1), (2) где (P2-P1)-разность давления диффундирующего компонента по разные стороны шва, см рт.ст.

V - количество вещества, прошедшее через шов, см³; x - средняя ширина сварных швов, мм; S - площадь поверхности, перпендикулярная потоку диффузии, см²; T - время процесса диффузии, с.

Отсюда: x = P_п · S · T · (P2-P1)/V. (3) Для рассматриваемого случая введем следующие допущения:
1. Давление паров воды внутри источника незначительно.

(следовательно можно считать (P2-P1)=P2)
2. Пары воды подсчитываются законам идеальных газов.

3. Процесс взаимодействия паров воды с электродами и электролитом элемента ограничен лишь стадией диффузии паров через полимер.

Температурная зависимость коэффициента газопроницаемости имеет вид:
P_п = P_о · EXP(-E_р/R·t), (4)
где P_о - коэффициент пропорциональности в уравнении Аррениуса, (см³ · мм)/(см²·с·см рт.с.);
R - универсальная газовая постоянная, ккал/(моль·град);
t - температура, K;
E_р - кажущаяся энергия активации процесса проницаемости, ккал/моль.

Согласно литературным данным [2] для литиевого источника тока содержание воды в электролите, не превышающее 10 мг/л, не приводит к ухудшению эксплуатационных характеристик источника при длительном хранении. Однако проведенные эксперименты показали, что концентрация воды, на порядок превышающая указанную выше, не оказывает негативного воздействия на работоспособность литиевого элемента в течение срока сохраняемости. Таким образом, для V получаем:
V = 100 · (V_э · V_m · t)/M·t_o, (5)
где V_э - объем электролита в элементе, л;
V_m - объем моля газа при н.у., л;
M - молярная масса воды, мг/моль;
t - средняя в течение срока хранения температура, K;
t_o - 273 K.

Давление пара перед полимерной мембраной (в нашем случае движущая сила процесса массопереноса) вычисляется следующим образом:
P2 = (P_п · f)/100%, (6)
где f - средняя в течение хранения относительная влажность окружающей среды, %;
P_н - парциальное давление насыщенных паров воды при средней в течение хранения температуре, см рт.ст.

Подставляя выражения (4), (5) и (6) в выражение (3) получаем выражение для вычисления ширины сварных швов элемента (7):
x = P_о · EXP(-E_р/R·t)·P_н·f·S·T·M·t_o)/ (10000·V_э·V_m·t). (7)
Таким образом, имея оптимальное соотношение высоты и ширины плоского литиевого источника (при заданной толщине), а также минимальную ширину сварных швов корпуса (для заданных условий хранения и эксплуатации), можем получить оптимизированный источник тока.

Пример
Литиевый элемент прямоугольной формы с габаритами 24,5 х 49 х 1,5 мм имеет емкость 0,12 А·ч, номинальное напряжение 2, 8 В, состоит из одного оксидно-молибденового электрода, обернутого в сепаратор из нетканого полипропилена и пропитанного электролитом, и одного литиевого электрода. Каждый электрод имеет токоотвод в виде полоски металлической ткани из никелевой проволоки. Элемент помещен в корпус из трехслойного пленочного композиционного материала. Трехслойный материал представляет собой последовательно склеенные полиэтиленовую пленку, алюминиевую фольгу и лавсановую пленку. Элемент герметизируют путем сварки внутреннего слоя корпуса (полиэтилен) методом резистивного нагревания по трем сторонам: двум малым и одной большой, ширина швов 1 мм. В случае примера осуществления изобретения отношение высоты корпуса к его ширине составляет 0,5. Для сравнения в таблице 2 приведены данные, показывающие влияние отношения высоты корпуса к его ширине на величину удельной энергии.

Как видно из данных, приведенных в таблице, максимальная величина удельной энергии достигается при отношении высоты корпуса элемента к его ширине, равной 0,5. Незначительное уменьшение величины удельной энергии наблюдается и при отношениях высоты к ширине корпуса в интервале от 0,33 до 0,75.

Литература
1. Ю.С.Липатов, А.Е.Нестеров, Т.М.Грищенко, Р.А.Веселовский. Справочник по химии полимеров. - Киев: Наукова думка, 1971.

2. А.А.Капустин, В.С.Левинсон, В.П.Постаногов. Первичные источники тока с литиевым анодом и неводным электролитом. - М.: Информэлектро, 1982.

Формула изобретения

Химический источник тока, содержащий прямоугольный корпус из трехслойного композиционного материала, сваренный по трем сторонам периметра корпуса, с помещенными в него анодом, катодом, сепаратором, электролитом и токоотводами, выведенными через один из сварных швов корпуса, отличающийся тем, что швы расположены по двум малым и одной большой стороне корпуса, а отношение малой стороны к большой стороне корпуса составляет 0,5.

РИСУНКИ

Рисунок 1