Твердотельный наноструктурированный источник тока

Изобретение относится к области электротехники, в частности к созданию твердотельных электрохимических первичных источников тока Согласно изобретению твердотельный наноструктурированный первичный источник тока включает анод, выполненный из меди (или другого переходного металла) с различной формой и размерами, и катод, выполненный из наноструктурированного графитового покрытия на аноде, покрытый токопроводящей пленкой. Процесс токообразования внутри источника обусловлен твердофазным растворением меди (или других переходных металлов) в наноструктурированном графите. Техническим результатом является увеличение длительности непрерывной работы без подзарядки и обслуживания, достижение условий эксплуатации при высоких давлениях до сотен атмосфер и перепаде температур от -100°С до +500°С, повышение удельной энергоемкости, упрощение конструкции и химического состава источника. 2 ил.

 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к твердотельным электрохимическим автономным первичным источникам тока.

Известен твердотельный электрохимический источник тока [1], в котором все составные части находятся в твердофазном состоянии, анод выполнен из одного редкоземельного металла или их сплава, катод - из смеси окисла металла и ионопроводящего сложного фторида, в состав которого, кроме фтора, входят, по крайней мере, два металла различной валентности, электролит имеет фторионпроводящий состав, включающий, по крайней мере, один из редкоземельных фторидов и один фторид щелочноземельного металла. При этом в катоде сложного фторида 11,5-96,9 мол.%; окисла металла 3,1-88,5 мол.%. В качестве окислов использованы окись меди (CuO), или окись свинца (PbO₂), или окись марганца (MnO₂), или окись ванадия (V₂O₅), или окись серебра (Ag₂O). В данном твердотельном источнике тока токообразующая реакция реализуется посредством переноса ионов фтора с катода и их взаимодействием с материалом анода. Протекание токообразующей реакции определено фторированной проводимостью материала электролита, ионопроводящего сложного фторида в катоде и фториде, образующегося при взаимодействии анодного материала со фтором.

Недостатком такого твердотельного электрохимического источника тока является сложность исходного химического состава твердофазных анода, катода и электролита, химических процессов, протекающих при токообразовании на катоде и аноде, высокий уровень мер его безопасности на всех этапах производства, эксплуатации и утилизации, высокая стоимость исходных компонентов.

Наиболее близким по технической сущности является медно-графитовый источник постоянного тока [2], в котором катод выполнен из меди в виде пластины или стержня в поперечном сечении, покрыт, электрохимическим методом, графитовой оболочкой, которая является анодом. В таком источнике постоянного тока токообразование обусловлено диффузией углерода в поверхностные слои медного катода.

Недостатком данного твердотельного источника, принятого за прототип заявляемому, является конструктивно неверное решение, в котором не учитывается наличие переходной области между покрытием из графита и медью, отсутствует токопроводящий слой на графитовом покрытии, не определяется состав элементов первичных источников тока, не представлен физически обоснованный процесс токообразования внутри него.

Технической задачей является устранение недостатков прототипа путем создания твердотельного наноструктурированного источника тока, позволяющего получать практически значимое напряжение разомкнутой цепи (не менее 1.5 В для каждого первичного источника), повышение удельной энергоемкости, расширение условий эксплуатации, увеличение длительности работы в автономном режиме.

Поставленная задача достигается тем, что твердотельный наноструктурированный источник тока, включающий анод, выполненный из меди (или другого переходного металла), катод, выполненный из наноструктурированного графитового слоя, выполненный в виде нанокластеров или углеродных нанотрубок, в нижней части соединенных через переходный полупроводниковый слой окисла меди (или другого переходного металла) с анодом, а в верхней части с токопроводящим пленочным покрытием, образующих первичные источники. Внутренний ток в источнике обеспечивается твердофазным растворением меди (или другого переходного металла) из анода в катоде.

Сопоставительным анализом с прототипом установлено отличие заявляемого твердотельного наноструктурированного источника тока, заключающееся в изменении знаков - анодом становится электрод из меди (или другого переходного металла), катодом - наноструктурированный графитовый слой, выполненный в виде нанокластеров или углеродных нанотрубок, в нижней части соединенных через переходный полупроводниковый слой окисла меди (или другого переходного металла) с анодом, а в верхней части с токопроводящим пленочным покрытием, токообразующей реакцией внутри источника является процесс твердофазного растворения меди (или других переходных металлов), из которых выполнен анод, в наноструктурированном графите, из которого выполнен катод, в покрытии катода токопроводящим пленочным покрытием. Процесс токообразования подтверждается опытными данными по исследованиям физико-химических и структурных свойств исходных материалов меди (или других переходных металлов), графита и материала переходной области рентгенографическими методами и методами атомно-силовой микроскопии с наномасштабным разрешением (в пределах десятков нанометров), измерениями точечным методом величины и знака электродвижущей силы, совпадающей с напряжением разомкнутой цепи источника тока.

Предлагаемое изобретение позволяет получить следующие параметры: значение напряжения разомкнутой цепи не менее 2.0 В; повышение удельной энергоемкости в несколько раз; длительность непрерывной работы несколько лет без подзарядки и обслуживания; достижение условий эксплуатации как при высоких давлениях до сотен атмосфер, так и при большом перепаде температур от -100°C до +500°C, опытно обоснован и апробирован механизм токообразования, основанный на твердофазном растворении меди (или других переходных металлов) в наноструктурированном графите; упрощена конструкция и химический состав источника; получен экологически безопасный и легко утилизируемый твердофазный источник электрической энергии

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 дано атомно-силовое изображение структуры создаваемого на аноде наноструктурированного покрытия, состоящее из нанокластеров или углеродных нанотрубок, а на фиг.2 показана схема процесса токообразования внутри источника, основанная на твердофазном растворении меди (или других переходных металлов) в наноструктурированном графите, построенная на данных рентгенографических, атомно-силовых и электрофизических исследованиях, подтвержденная модельными расчетами, выполненными методом функционала электронной плотности в приближении обобщенных градиентов, а также методом неэмпирических псевдопотенциалов [3].

Согласно модели (в соответствии с фиг.2) источник состоит из анода 1, выполненного из меди (или другого переходного металла), катода в виде наноструктурированного графитового слоя 3, переходного полупроводникового слоя из окисла меди (или другого переходного металла) между ними 2, токопроводящего пленочного покрытия на наноструктурированном графите 4. Формирование наноструктурированного покрытия 3 на аноде 1 из меди (или другого переходного металла) осуществляется электрохимическим методом [4]. В основе токообразующей реакции внутри источника лежит твердофазное растворение меди (или других переходных металлов), из которых выполнен анод, в наноструктурированном графите, из которого выполнен катод. Соединение между наноструктурированным покрытием из графита и анодом обеспечивается ковалентными связями 6. В наноструктурированном графите (катод) в виде покрытия на аноде имеют место дефекты 5 в виде ненасыщенных углеродных связей атомов, которые могут заполняться атомами меди 7 (или другого переходного металла). Расчетные величины энергии связи составляют 0.6 и 0.3 эВ/атом для частиц графита 8 при их ориентации параллельно или перпендикулярно поверхности анода (к примеру, для анода из меди) соответственно. При очень малой энергии активации диффузии (к примеру для меди около 0.01 эВ) твердофазное растворение металла в графите за счет металлоподобной проводимости графита становится энергетически выгодным, что способствует формированию переходной области между металлическим анодом и катодом из наноструктурированного графита, ориентируемого перпендикулярно к поверхности металлического анода. При этом одновалентные атомы меди 7 (или другого металла переходной группы) ведут себя аналогично водороду, образуя с атомами углерода ковалентные связи. Каждые три атома меди (или другого металла переходной группы) должны принести с собой один дополнительный электрон. Выигрыш энергии составляет около 1 эВ/атом, что и обусловливает возникновение электродвижущей силы в заявленном источнике электроэнергии на основе твердофазного растворения меди (или других переходных металлов) в наноструктурированном графите. Этот процесс возникновения электродвижущей силы внутри источника сопровождается переходом электронов во внешней замкнутой электрической цепи.

Представленное описание процесса твердофазного растворения меди в графите подтверждено исследованиями и испытаниями твердотельных электрохимических автономных первичных источников тока, в которых анод разной конфигурации был выполнен из меди, а нанесенное на него наноструктурированное графитовое покрытие имело разную толщину. Наибольшее значение напряжения, измеренное точечным методом, при разомкнутой цепи составляло до 2.0 В. Расчет энергетической плотности в заявляемом твердотельном наноструктурированном источнике тока, выполненный для объема ограниченного размерами точечного щупа (с острием диаметром несколько десятков микрон) при толщине наноструктурированного графитового покрытия 250 мкм, дает значение, на несколько порядков превосходящее ее величину у всех существующих электрических источников. Испытания показали, что время непрерывной работы такого твердотельного электрохимического автономного первичного источника тока на нагрузке в несколько кОм составило 1.5 года, то есть его удельная емкость также является наибольшей по сравнению с существующими источниками.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Потанин А.А., Веденеев Н.И. - Твердотельный химический источник тока. - Патент РФ №2136083. - Опубл. 06.02 2007.

2. Назырова Р.И., Сярг А.В., Леонов М.П. - Медно-графитовый источник постоянного тока. Патент РФ №2001107873. МПК Н01М 6/18 - Опубл. 27.07.2003.

3. Kuz'menko А.Р., Leonov М.Р., Groshev В.A., Kaminsky A.V., Zavodinsky V.G.. Effect of Voltage Arising in the Copper - Ultra Dispersed Graphite System Formed by Electrochemical Method. - III conference "Nanoscience and Technology', Novosibirsk, 2003, P.324-325.

Твердотельный наноструктурированный источник тока, включающий анод, выполненный из меди (или другого переходного металла), катод, выполненный из наноструктурированного графитового слоя, отличающийся тем, что наноструктурированный графитовый слой выполнен в виде нанокластеров или углеродных нанотрубок, в нижней части соединенных через переходный полупроводниковый слой из окисла меди (или другого переходного металла) с анодом, а в верхней части - с токопроводящим пленочным покрытием, образующим первичные источники.