Способ изготовления литий-железного композита для теплового литиевого источника тока

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при производстве тепловых литиевых источников тока. Упрощение технологии изготовления энергоемкого литий-железного композита, обладающего повышенной механической устойчивостью при воздействии высоких температур и механических нагрузок, а также увеличение продолжительности работы литиевого источника тока, является техническим результатом изобретения. Согласно изобретению загрузку железа с удельной поверхностью (0,7-2,0) м²/г осуществляют в расплав лития с температурой (350-400) °C, а перемешивание ведут до достижения вязкого состояния расплава с последующей его выдержкой при температуре (650-700) °C в течение 90 мин.

 

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано в производстве тепловых источников тока.

Известен способ изготовления литий-железного анода путем погружения высокопористой электропроводной железной матрицы в расплав лития при температуре на (10-15) °C выше температуры его плавления с последующим охлаждением.

Недостатком подобного анода является сложность получения высокопористой железной матрицы, способной удержать в своем объеме необходимое для разряда электрохимического элемента количества лития, особенно при повышенных температурах или при одновременном воздействии механических нагрузок и высоких температур, свойственных для работы источника тока. Вытекание лития из пористой матрицы приводит не только к уменьшению емкости источника тока, но и к коротким замыканиям электрохимических элементов.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемым результатам является способ [US №4.221.849, кл. Н01М 6/36, 09.09.1980] изготовления литий-железного композита для теплового литиевого источника тока путем загрузки порошка железа с удельным весом (0,2-0,8) г/см³, удельной поверхностью (30-70) м²/г и размером частиц (1,3-2,1) мкм в тигель реактора с расплавом лития, нагретого до температуры (250-300) °C. Загрузку железа ведут при постоянном механическом перемешивании расплавленной смеси композита. Соотношение лития к железу составляет (15-30)_масс. %.

Недостатком известного способа изготовления литий-железного композита является низкая стойкость получаемых из него анодов. Под воздействием высоких температур и значительных механических нагрузок, характерных для работы теплового источника тока, происходит вытекание лития из анода. Анод, установленный в источник тока, теряет свою форму, уменьшается электрическая емкость источника тока. Утечка лития из анода вызывает короткое замыкание, что приводит к преждевременному выходу источника тока из работы.

Этот недостаток во многом объясняется тем, что перемешивание лития и железного порошка производится при температурах, близких к температуре плавления лития, когда последний не имеет должной вязкости для надежного смачивания всех частиц железа, имеющего к тому же высокую удельную поверхность, составляющую (30-70) м²/г. Отсутствие полного смачивания частиц железа литием даже при интенсивном механическом перемешивании не сможет обеспечить надежное поверхностное натяжение лития, скрепляющее между собой частицы железа. Недостатком способа является использование в технологии получения литий-железного композита порошка железа с высокой удельной поверхностью. Получение такого порошка сопряжено с большими материальными затратами, а сам порошок обладает высокой пирофорностью, что значительно усложняет технологию получения композита, требуются особые меры по его защите от окисления кислородом воздуха.

Целью настоящего изобретения является упрощение технологии изготовления энергоемкого литий-железного композита, обладающего повышенной механической устойчивостью при воздействии высоких температур.

С этой целью предлагается способ изготовления литий-железного композита для теплового источника тока путем загрузки в тигель реактора с расплавом лития порошка железа в соотношении (15-25)_масс. % лития и размером частиц железа от 0,5 до 2 мкм, отличающийся тем, что загрузку железа с удельной поверхностью (0,7-2,0) м²/г осуществляют в расплав лития с температурой (350-400) °C, а перемешивание ведут до достижения вязкого состояния расплава с последующей его выдержкой при температуре (650-700) °С в течение 90 мин.

Параметры применяемого железного порошка, вязкость расплавленного лития, которую он приобретает при температуре (350-400) °С, позволяет произвести надежное обволакивание литием частиц железа с удельной поверхностью (07-2,0) м²/г и за счет этого осуществить полную гомогенизацию композита литий-железо за минимально возможное время, определяемое достижением им вязкого состояния. Это время не превышает 30 мин. Последующая выдержка композита при температуре (650-700) °С в течение 90 мин определена необходимостью обеспечить надежное структуирование композита, определяющее механическую стойкость анода при воздействии высоких рабочих температур источника тока.

Изготовление композита проводится в тигле реактора, помещенного в инертную аргоновую атмосферу с содержанием влаги менее 0,1 ppm и кислорода менее 0,5 ppm. В тигель реактора загружается литий и включается нагрев. При достижении температуры расплава лития (350-400) °С включается механическое перемешивание расплава с одновременной загрузкой порошка железа. При приобретении расплавом вязкого состояния механическое перемешивание прекращается, температура композита поднимается до (650-700) °С, при которой выдерживается в течение 90 мин. После охлаждения до комнатной температуры из тигля извлекается слиток композита, который развальцовывается до требуемой толщины. Из полученной фольги вырубаются аноды необходимого размера.

Эффективность анодов из композита литий-железо, полученных по предложенному техническому решению изготовления, была проверена на опытных макетах источника тока.

Как и в прототипе, композит содержал 18% лития и 82% железа, источник тока состоял из 28 рабочих элементов электрохимической системы LiFe/KCl-LiCl/FeS₂. Геометрические размеры элементов и нагрузка, на которую производился разряд источника тока, соответствовали параметрам прототипа.

Разряд макетных источников тока производился при воздействии ударных 700 g и центробежных усилий.

Сравнение результатов разряда показало, что, несмотря на воздействие механических нагрузок, полученное максимальное напряжение сопоставимо с напряжением прототипа. Однако, за счет отсутствия вытекания лития из анода продолжительность работы макетов до критического напряжения на (15-17) % превышала время работы электрохимического элемента по прототипу.

Способ изготовления литий-железного композита для теплового источника тока путем загрузки в тигель реактора с расплавом лития порошка железа в соотношении (15-25)_масс. % лития и размером частиц железа от 0,5 до 2 мкм, отличающийся тем, что загрузку железа с удельной поверхностью (0,7-2,0) м²/г осуществляют в расплав лития с температурой (350-400)°C, а перемешивание ведут до достижения вязкого состояния расплава с последующей его выдержкой при температуре (650-700)°C в течение 90 мин.