Литий-ионный аккумулятор с нанокластерными частицами

Полезная модель относится к электротехнике, в частности к химическим источникам тока с литийсодержащим катодом. Целью предлагаемой полезной модели является увеличение срока эксплуатации. Полезная модель реализуется следующим образом. В процессе эксплуатации устройства происходит заряд и разряд устройства. При заряде устройства анод подключают к отрицательному электроду внешнего источника тока, а катод к положительному электроду внешнего источника тока. При заряде устройства ионы лития отрываются с поверхности катода, проходят через поры сепаратора и внедряются в структуру анода, например раздвигая слои углеродной матрицы и располагаясь между ними. В процессе перехода ионов лития с катода на анод их количество на поверхности катода уменьшается, в результате чего происходит отделение ионов лития от нанокластерных частиц и выход их на поверхность катода, откуда они переходят на анод. После зарядки внешний источник тока отключают. Устройство во время отключения от внешнего источника тока практически не подвержено саморазряду, т.к. в электролите формируется электрическое поле, обратное полю, образованному между катодом и анодом. Во время работы устройство подключают к одноименным электродам внешней цепи. При разряде ионы лития переходят с анода на катод. При этом распределение ионов лития по поверхности катода, предположительно, воспроизводится за счет содержания в приповерхностном слое частей первичных нанокластерных частиц, которые за счет сродства структуры притягивают к себе ионы лития, пришедшие с анода. Равномерное распределение ионов лития в приповерхностном слое и по поверхности катода препятствует образованию дендритов лития на поверхности катода, а следовательно продлевает срок службы устройства.

Область техники

Полезная модель относится к электротехнике, в частности к химическим источникам тока с литийсодержащим катодом.

Уровень техники

Известно устройство - литиевый химический источник тока (патент РФ 2218634). Литиевый химический источник тока содержит анод из металлического лития, двухслойный сепаратор, катод, электролит, никелевую мембрану, расположенную между сепараторами и гермовывод, расположенный в крышке. При этом литиевый химический источник тока имеет дополнительный гермовывод на корпусе, соединенный с никелевой мембраной. Никелевая мембрана выполнена в виде сетки с размером ячеек (80-120)(80-120) мкм. Литий химический источник тока подвержен возрастным изменениям с ухудшением своих параметров, т.е. эффекту старения.

Недостатком известного технического решения является малый срок службы.

Наиболее близким техническим решением (прототип) является химический источник тока с литийсодержащим анодом (патент РФ 2122261). Химический источник тока с литийсодержащим анодом содержит сепаратор, органический электролит и катод с активным материалом Li1+x V308. При этом активный материал катода дополнительно содержит фазу состава Li0,33 V2O5 при содержании последней (30-70) об.%. Химический источник тока с литийсодержащим анодом подвержен возрастным изменениям с ухудшением своих параметров, т.е. эффекту старения.

Недостатком прототипа является малый срок службы.

Целью предлагаемой полезной модели является увеличение срока эксплуатации.

Поставленная цель достигается за счет того, что литий-ионный аккумулятор с нанокластерными частицами содержит анод, катод, сепаратор, электролит и корпус, причем анод, сепаратор и катод установлены в корпусе, сепаратор установлен между катодом и анодам, пространство между ними заполнено электролитом, отличающийся тем, что в приповерхностном слое катода размещены нанокластерные частицы ионов лития, причем размер нанокластерных частиц ионов лития в направлении ближайшей поверхности более чем в пять раз превышает размер нанокластерных частиц ионов лития в направлении, параллельном указанной ближайшей поверхности, при этом размер нанокластерных частиц ионов лития в направлении ближайшей поверхности составляет не более 100 нм.

Краткое описание чертежей

Полезная модель поясняется чертежом, на котором схематично показано внутреннее строение устройства.

Раскрытие полезной модели

На чертеже обозначены: корпус 1, схема управления 2, датчик температуры 3, анод 4, сепаратор 5, электролит 6, нанокластерные частицы 7, катод 8.

Основными элементами устройства являются анод 4, катод 8 с нанокластерными частицами 7, сепаратор 5 и электролит 6.

Анод 4 представляет собой положительный электрод химического источника тока, на котором протекают окислительные процессы. Анод 4 выполнен из углеродосодержащих материалов, например из графита, кокса или других материалов. Возможно также использование для изготовления анода 4 материалов на основе олова, серебра или других материалов. Анод 4, в частном случае, выполнен в виде прямоугольной пластины. Размеры анода 4 выполнены с обеспечением возможности его размещения в корпусе 1, описанном далее.

Катод 8 представляет собой отрицательный электрод химического источника тока, на котором протекают восстановительные процессы. Катод 8 выполнен из материалов на основе смешанных оксидов или фосфатов, например из литированных оксидов кобальта или никеля, в которых ионы лития равномерно распределены непосредственно по всему материалу катода. При этом в состав катода 8 из литированных оксидов кобальта или никеля дополнительно введены ионы лития. Дополнительно введенные ионы лития расположены в приповерхностном слое катода в виде нанокластерных частиц 7. Нанокластерные частицы - это безлигандные металлические кластеры в виде ультрадисперсных металлических систем. Нанокластерные частицы представляют собой группу ультрадисперсных металлических частиц или ионов расположенных близко друг к другу и тесно связанных друг с другом. Это особое состояние вещества между кластерными соединениями и коллоидными частицами, (определение кластеров приведено, например на сайте http://www.xumuk.ru/encyklopedia/2008.html, определение нано- приведено, например на сайте http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9D%D0%B0%D0%BD%D0%BE-). Катод 8, в частном случае, выполнен в виде прямоугольной пластины. Нанокластерные частицы 7 расположены в приповерхностном слое, т.е. на глубине от ближайшей поверхности от 20 нм до 200 им. При этом нанокластерные частицы 7 ориентированы перпендикулярно этой поверхности, т.е. размер нанокластерных частиц 7 ионов лития в направлении ближайшей поверхности более чем в пять раз превышает размер нанокластерных частиц 7 ионов лития в направлении, параллельном указанной ближайшей поверхности. Размер нанокластерных частиц 7 ионов лития в направлении ближайшей поверхности составляет не более 100 нм. Размеры катода 8 выполнены с обеспечением возможности его размещения в корпусе 1, описанном далее. Катод 8 расположен параллельно аноду 4. При этом катод 8 обращен к аноду 4 поверхностью, в приповерхностном слое которой расположены нанокластерные частицы 7.

Сепаратор 5 - ионопроницаемое устройство из диэлектрического материала, расположенное между анодом 4 и катодом 8 (определение сепаратора приведено, например в ГОСТ 15596-82). Сепаратор 5 выполнен из пористого материала, например из пористого полипропилена. Сепаратор 5, в частном случае, выполнен в виде прямоугольной пластины. Размеры сепаратора 5 выполнены больше или равными размерам катода 8 и анода 4. Сепаратор 5 предназначен для исключения контакта между анодом 4 и катодом 8. При этом в сепараторе 5 выполнены поры или отверстия, предназначенные для прохода через них ионов лития.

Электролит 6 - жидкое, твердое или гелеобразное вещество, содержащее подвижные ионы, обеспечивающие его ионную проводимость и протекание электрохимических реакций на границе с электродом (анодом или катодом). В случае использования жидкого электролита 6 им пропитывают сепаратор 5. В случае использования твердого электролита 6 его часть фактически выполняет роль сепаратора 5.

Датчик температуры 3 предназначен для контроля над температурой устройства.

Схема управления 2 предназначена для регулирования напряжения и тока при заряде и разряде устройства. Схема управления 2 выполнена с обеспечением возможности ограничения максимального напряжения при заряде и предохранения устройства от слишком низкого понижения напряжения при разряде. Схема управления 2 выполнена с обеспечением возможности предохранения устройства от перегрева, в случае получения соответствующего сигнала от датчика температур 3.

Корпус 1 выполнен по форме параллелепипеда. Корпус 1 может быть выполнен из любых материалов, способных выдержать химические реакции, протекающие внутри него, а также удерживать форму и не допускать деформации устройства. Корпус 1 выполнен с обеспечением возможности размещения в нем анода 4, катода 8, сепаратора 5, электролита 6, схемы управления 2 и датчика температуры 3. Возможно выполнение в корпусе 1 соответствующих отверстий для выводов от катода 8 и анода 4.

Осуществление полезной модели

Полезная модель реализуется следующим образом. Пользователь изготавливает из соответствующих материалов анод 4, сепаратор 5 и корпус 1 необходимой формы. Пользователь изготавливает схему управления 2 и датчик температуры 3.

Пользователь изготавливает катод 8. Для этого пользователь изготавливает пластину необходимого размера, например из литированного оксида кобальта. Затем пользователь создает нанокластерные частицы 7 ионов лития в приповерхностном слое указанной пластины, по крайней мере, со стороны одной из его поверхностей. Создание нанокластерных частиц 7 производят при помощи ионной пушки, напротив которой располагают указанную пластину. Создание нанокластерных частиц 7 ионов лития производят в электрическом поле. Для этого указанную пластину и ионную пушку подключают к противоположным полюсам источникам тока. Ионная пушка выстреливает ионы лития в определенное место в поверхности указанной пластины. Ион лития проходит в поверхность указанной пластины на некоторую глубину. Далее ионная пушка выстреливает следующий ион(ы) лития, который попадает в углубление (дефект структуры в виде вакансий или группы дислокации), проделанное предшествующим ионом, и соединяется с ним с образованием нанокластерных частиц 7 ионов лития. Таким образом некоторое количество ионов лития выстреливают ионной пушкой в одно углубление с образованием нанокластерных частиц 7 необходимой величины. При этом получают вытянутые нанокластерные частицы 7 ионов лития, расположенные перпендикулярно поверхности указанной пластины, со стороны которой происходит внедрение ионов лития. Далее ионную пушку перемещают для внедрения ионов лития и образования следующей нанокластерной частицы 7. Таким образом производят внедрение нанокластерных частиц по всей поверхности указанной пластины.

В процессе эксплуатации устройства происходит заряд и разряд устройства. При заряде устройства анод 4 подключают к отрицательному электроду внешнего источника тока, а катод 8 к положительному электроду внешнего источника тока. При заряде устройства ионы лития отрываются с поверхности катода 8, проходят через поры сепаратора 5 и внедряются в структуру анода 4, например раздвигая слои углеродной матрицы и располагаясь между ними. В процессе перехода ионов лития с катода на анод их количество на поверхности катода уменьшается, в результате чего происходит отделение ионов лития от нанокластерных частиц 7 и выход их на поверхность катода, откуда они переходят на анод. После зарядки внешний источник тока отключают. Устройство во время отключения от внешнего источника тока практически не подвержено саморазряду, т.к. в электролите 6 формируется электрическое поле, обратное полю, образованному между катодом 8 и анодом 4. Во время работы устройство подключают к одноименным электродам внешней цепи. При разряде ионы лития переходят с анода 4 на катод 8. При этом распределение ионов лития по поверхности катода 8, предположительно, воспроизводится за счет содержания в приповерхностном слое частей первичных нанокластерных частиц 7, которые за счет сродства структуры притягивают к себе ионы лития, пришедшие с анода 4. Равномерное распределение ионов лития в приповерхностном слое и по поверхности катода 8 препятствует образованию дендритов лития на поверхности катода 8, а следовательно продлевает срок службы устройства.

Экспериментально установлено, что выполнение устройства описанным выше образом с указанными размерами нанокластерных частиц 7 и их расположением в приповерхностном слое, перпендикулярно ближайшей поверхности приводит к получению положительно эффекта, т.е. к увеличению срока службы (увеличение числа циклов заряда-разряда на 10%). Приведенное выше объяснение получения положительного эффекта является наиболее вероятным из существующих, однако не является полностью и окончательно установленным. Экспериментально установлено что положительный эффект наблюдается при выполнении следующих условий: размер нанокластерных частиц в направлении ближайшей поверхности более чем в пять раз превышает размер нанокластерных частиц ионов лития в направлении, параллельном указанной ближайшей поверхности, при этом размер нанокластерных частиц ионов лития в направлении ближайшей поверхности составляет не более 100 нм.

Таким образом, выполнение устройства из анода 4, сепаратора 5 с электролитом 6 и катода 8 с нанокластерными частицами 7 ионов лития обеспечивает увеличение срока службы устройства, вследствие равномерного распределения лития по поверхности катода 8.

Литий-ионный аккумулятор с нанокластерными частицами, содержащий анод, катод, сепаратор, электролит и корпус, причем анод, сепаратор и катод установлены в корпусе, сепаратор установлен между катодом и анодам, пространство между ними заполнено электролитом, отличающийся тем, что в приповерхностном слое катода размещены нанокластерные частицы ионов лития, причем размер нанокластерных частиц ионов лития в направлении ближайшей поверхности более чем в пять раз превышает размер нанокластерных частиц ионов лития в направлении, параллельном указанной ближайшей поверхности, при этом размер нанокластерных частиц ионов лития в направлении ближайшей поверхности составляет не более 100 нм.