Аккумулятор

Полезная модель относится к электротехнике, а именно к химическим источникам тока (ХИТ), в частности к литиевым или литий-ионным аккумуляторам с апротонным или полимерным электролитами с высокой удельной энергией, которые могут быть использованы в различных областях техники, например кинофототехнике, бытовой аппаратуре, пластиковых картах и т.д.

Технической задачей является увеличение удельных характеристик, ресурса (количества циклов заряд-разряда), повышение надежности и степени пожаровзрывобезопасности аккумулятора, которая решается тем, что в аккумуляторе, содержащем корпус, анод, электролит, сепаратор и твердый катод, согласно предложенной полезной модели, анод выполнен в виде слоя наномодифицированного углеродного материала, легированного электроактивным металлом, нанесенного на металлическую подложку методом термовакуумного испарения совместно с электроактивным металлом. Кроме того, твердый катод выполнен из наноструктурированного оксидного материала, нанесенного на металлическую подложку. Металлическая подложка анода выполнена из меди. В качестве электроактивного металла используется олово. Аккумулятор содержит апротонный или полимерный электролит. Технический результат состоит в увеличение удельных характеристик, ресурса (количества циклов заряд-разряда), повышение надежности и степени пожаровзрывобезопасности.

Полезная модель относится к электротехнике, а именно к химическим источникам тока (ХИТ), в частности к литиевым или литий-ионным аккумуляторам с апротонным или полимерным электролитами с высокой удельной энергией, которые могут быть использованы в различных областях техники, например кинофототехнике, бытовой аппаратуре, пластиковых картах и т.д.

Известен аккумулятор, в котором в качестве активного материала отрицательного электрода предлагается использовать углеродный материал на основе фуллеренов, таких как С₆₀, С₇₀, С₇₄ , С₇₆, C₇₈, C₈₀, C₈₄ и C_80-100, в предпочтительном варианте С₇₄ . (Патент США 7129003, МПК С01В 31/02, Н01М 4/58, Н01М 4/583, Н01М 4/587, опубл. 31.10.2006 г.)

Известен аккумулятор, в котором в качестве анодного материала используются одностенные нанотрубки, способные принимать и отдавать литий. (Патент США 6422450, МПК С01В 31/02, Н01М 4/58, Н01М 4/583, опубл. 23.07.2002 г.)

Известен аккумулятор, в котором в качестве активного анодного материала применяется графитовый материал с поверхностным покрытием из аморфного углерода. (Патент США 7083878, МПК Н01М 10/36; Н01М 6/16, опубл. 01.08.2006 г.)

Наиболее близким к заявляемому техническому решению по технической сущности и достигаемом результату является аккумулятор, который состоит из положительного электрода, отрицательного электрода, содержащего отрицательный электроактивный материал, способный заряжаться и разряжаться ионами лития, и литий-ионопроводящий неводный раствор электролита или полимерный электролит. (Патент США 7416814, МПК Н01М 4/58; Н01М 4/583, опубл. 26.08.2008 г.)

В известных аккумуляторах в качестве активного материала отрицательного электрода используются углеродные материалы с удельной характеристикой 372 мАч/г.

Недостатками известных аккумуляторов являются низкие - удельная емкость отрицательного электрода и ресурс, а также большая потеря емкости на первых циклах.

Технической задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является увеличение удельных характеристик, ресурса (количества циклов заряд-разряда), повышение надежности и степени пожаровзрывобезопасности аккумулятора.

Поставленная техническая задача решается тем, что в аккумуляторе, содержащем корпус, анод, электролит, сепаратор и твердый катод, согласно предложенной полезной модели, анод выполнен в виде слоя наномодифицированного углеродного материала, легированного электроактивным металлом, нанесенного на металлическую подложку методом термовакуумного испарения совместно с электроактивным металлом.

Заявляемая полезная модель отличается следующими дополнительными существенными признаками:

- твердый катод выполнен из наноструктурированного оксидного материала, нанесенного на металлическую подложку.

- металлическая подложка анода выполнена из меди.

- в качестве электроактивного металла используется олово.

- аккумулятор содержит апротонный или полимерный электролит.

Технический результат, достижение которого обеспечивается реализацией всей заявляемой совокупностью существенных признаков, состоит в увеличение удельных характеристик, ресурса (количества циклов заряд-разряда), повышение надежности и степени пожаровзрывобезопасности.

Сущность полезной модели поясняется рисунками, где

на фиг.1 приведены разрядно-зарядные кривые электрохимической двухэлектродной ячейки с тонкопленочным фуллереновым электродом и литиевым противоэлектродом, где кривая 1 - разрядная кривая; кривая 2 - зарядная кривая.

на фиг.2 приведены разрядные характеристики тонкослойных пленок различной толщины, где кривая 1- для тонкослойной пленки толщиной толщина 1780 Å, кривая 2 - для тонкослойной пленки толщиной толщина 3800 Å.

Заявляемый аккумулятор содержит корпус, анод, электролит, сепаратор и твердый катод.

Анод выполнен композиционным в виде слоя наномодифицированного углеродного материала, легированного электроактивным металлом, нанесенного на металлическую подложку методом термовакуумного испарения совместно с электроактивным металлом. Вследствие термовакуумного испарения совместно с электроактивным металлом элекроактивный металл находится в углеродной матрице, что препятствует его разрушению в процессе циклирования. При этом используется элекроактивный металл, образующий сплавы со щелочным металлом, например, олово Удельная энергоемкость сплава Sn-Li значительно выше, чем у применяемых в настоящее время углеродных материалов. Таким образом, предложенное выполнение анода в аккумуляторе обеспечивает повышение количества циклов заряд-разряда, соответственно ресурса аккумулятора, а также надежности его работы.

Металлическая подложка анода выполнена из меди.

Твердый катод выполнен из наноструктурированного оксидного материала, нанесенного на металлическую подложку позволяет повысить надежность и степень пожаровзрывобезопасности предлагаемого аккумулятора.

Аккумулятор содержит апротонный или полимерный электролит.

Были проведены испытания и изучены свойства электродов на основе фуллеренов для аккумулятора с органическим электролитом.

Испытания проводилось в герметичной электрохимической ячейке, площадь электродов составляла 2×3=6 см² . В качестве апротонного (полимерного) электролита использовали 1 М раствор перхлорат лития (LiClO₄) в пропиленкарбонате (ПК) с диметоксиэтан (ДМЭ) и добавкой фенантренхинона (Ф).

Определение параметров ячеек проводили на основе анализа зарядно-разрядных кривых.

На следующем этапе были проведены испытания образцов электродов (анодов), полученных методом термовакуумного соиспарения и напыления наномодифицированного углеродного материала (фуллеренов) совместно с электроактивным металлом. Результаты испытаний включены в таблицу 1, где приведены параметры образцов фуллеренсодержащих электродов для систем с органическим электролитом.

Таблица 1
образца	Материал подложки	Интеркалируемый металл	Толщина пленки,	Время напыления, мин
12	Ni фольга Сu фольга	титан	1750	10
34	Ni фольга Сu фольга	олово	1780	10
56	Сu фольга Ni фольга	олово	3800	30

Электроды (аноды) испытывались в герметичной электрохимической двухэлектродной ячейке с указанным выше типом электролитом. Характерные кривые заряда-разряда электрохимической двухэлектродной ячейке с литиевым противоэлектродом приведены на фиг.1. Заряд электрохимической двухэлектродной ячейки осуществлялся при постоянном напряжении с ограничением по току I=1 мА, разряд при постоянном токе 1 мА.

При испытаниях достигается величина удельной емкости 2-4 мА·ч/см². Полученные высокие характеристики соответствуют значению разрядной емкости электрода из металлического лития - 3,8 А·ч/г.,

Величина начальной разрядной емкости предлагаемого электрода (композитный пленочный анод нанофуллерен-олово), легированного оловом, зависит от его толщины.

На фиг.2 показано влияние толщины предлагаемого электрода (композитный пленочный анод нанофуллерен-олово) на величину разрядной емкости. Увеличение разрядной энергоемкости с ростом толщины пленки свидетельствует об эффективной объемной интеркаляции литием активной массы предлагаемого электрода.

Были проведены ресурсные испытания электрохимической ячейки предлагаемого электрода (композитный пленочный анод нанофуллерен-олово). В таблице 2 приведены параметры режимов испытаний.

В таблице 3 приведены результаты испытаний.

40%)

Таким образом, удельная емкость предлагаемого анода составила более 900 мА·ч/г вместо 372 мАч/г используемого в настоящее время в литий-ионных аккумуляторах, а количество циклов заряд-разряд возросло до 30000 (в настоящее время не более 1000 циклов). Применение твердого катода, выполненного из наноструктурированного оксидного материала, нанесенного на металлическую подложку позволяет повысить надежность и степень пожаровзрывобезопасности предлагаемого аккумулятора.

1. Аккумулятор, содержащий корпус, анод, электролит, сепаратор и твердый катод, отличающийся тем, что анод выполнен в виде слоя наномодифицированного углеродного материала, легированного электроактивным металлом, нанесенного на металлическую подложку методом термовакуумного испарения совместно с электроактивным металлом.

2. Аккумулятор по п.1, отличающийся тем, что твердый катод выполнен из наноструктурированного оксидного материала, нанесенного на металлическую подложку.

3. Аккумулятор по п.1, отличающийся тем, что металлическая подложка анода выполнена из меди.

4. Аккумулятор по п.1, отличающийся тем, что в качестве электроактивного металла используется олово.

5. Аккумулятор по п.1, отличающийся тем, что содержит апротонный электролит.

6. Аккумулятор по п.1, отличающийся тем, что содержит полимерный электролит.