Литий-ионный аккумулятор

Полезная модель относится к области устройств для непосредственного преобразования химической энергии в электрическую, а конкретно - к литий-ионному аккумулятору, основанному на новой электрохимической системе. Технический результат, достигаемый полезной моделью, заключается в снижении массы аккумулятора и повышении его удельной энергоемкости. Технический результат достигается тем, что в литий-ионным аккумуляторе, содержащем нанесенные на подложки из металлического материала положительный электрод, выполненный из материала в виде пасты на основе феррофосфата лития, и отрицательный электрод, выполненный из аморфного кремния, в качестве металлического материала подложек использована алюминиевая фольга с нанесенным на нее беспористым титановым покрытием, причем соотношение толщин беспористого титанового покрытия и алюминиевой фольги лежит в пределах 0,002-1. Указанный результат достигается также тем, что толщина алюминиевой фольги составляет от 5 до 100 мкм, а толщина беспористого титанового покрытия составляет от 0,2 до 5 мкм. - 1 н/з п. ф-лы, 1 илл.

Полезная модель относится к области устройств для непосредственного преобразования химической энергии в электрическую, а конкретно - к литий-ионному аккумулятору, основанному на новой электрохимической системе.

Известны и широко распространены литий-ионные аккумуляторы, основанные на традиционной электрохимической системе [см., напр., B. Scrosati, J. Garche. Lithium batteries: Status, prospects and future. Journal of Power Sources, 2010, V. 195, P. 2419-2430); Химические источники тока: Справочник / Под редакцией Н.В. Коровина и А.М. Скундина. - М: Издательство МЭИ, 2003, с. 740]. Отрицательные электроды практически всех литий-ионных аккумуляторов изготавливают из графита или иного углеродного материала, положительные электроды - из литерованных оксидов кобальта, никеля или марганца. В самое последнее время в положительных электродах используется литерованный фосфат железа. При изготовлении отрицательных электродов пасту, содержащую графит, наносят на подложку из медной фольги; при изготовлении положительных электродов пасту из литерованного оксида или литерованного фосфата железа наносят на подложку из алюминиевой фольги. Унификации подложек препятствует то обстоятельство, что медь (в отличие от алюминия) подвергается коррозии при потенциалах положительного электрода, а в алюминий при потенциалах отрицательного электрода происходит внедрение лития, что приводит к разрушению электрода.

Известно использование кремния в качестве активного вещества отрицательных электродов литий-ионных аккумуляторов. Кремний обладает способностью внедрять гораздо большее количество лития, чем графит, что позволяет повысить удельную энергию всего аккумулятора за счет снижения массы активного вещества на отрицательном электроде. Кремниевые электроды также наносят на подложки из медной фольги [см. напр., патент РФ 2451368, кл. H01M 4/38, оп. 20.05.2012 г.].

Известен литий-ионный аккумулятор, содержащий нанесенные на подложки из титановой фольги, на одну из которых нанесен положительный электрод, выполненный из материала в виде пасты на основе феррофосфата лития, а на вторую отрицательный электрод, выполненный из аморфного кремния (патент РФ 128014, кл. H01M 4/12, оп. 10.05.2013 г.).

Недостатком такой конструкции аккумулятора является его высокая масса даже при относительно малой толщине титановой фольги, например, менее 20 мкм.

Технический результат, достигаемый полезной моделью, заключается в снижении массы аккумулятора и повышении его удельной энергоемкости.

Указанный технический результат достигается тем, что в литий-ионным аккумуляторе, содержащем нанесенные на подложки из металлического материала положительный электрод, выполненный из материала в виде пасты на основе феррофосфата лития, и отрицательный электрод, выполненный из аморфного кремния, в качестве металлического материала подложек использована алюминиевая фольга с нанесенным на нее беспористым титановым покрытием, причем соотношение толщин беспористого титанового покрытия и алюминиевой фольги лежит в пределах 0,002-1.

Указанный результат достигается также тем, что толщина алюминиевой фольги составляет от 5 до 100 мкм, а толщина беспористого титанового покрытия составляет от 0,2 до 5 мкм.

На фигуре схематически показана конструкция литий-ионного аккумулятора.

Литий-ионный аккумулятор содержит (см. фигуру) подложку 1 отрицательного электрода, изготовленную из алюминиевой фольги с титановым покрытием, активный слой 2 отрицательного электрода (тонкая пленка аморфного кремния), сепаратор 3, смоченный неводным электролитом, активный слой 4 положительного электрода (композиция из феррофосфата лития, сажи и связующего), подложку 5 положительного электрода, изготовленную из алюминиевой фольги с титановым покрытием. Для достижения технического результата соотношение толщин беспористого титанового покрытия и алюминиевой фольги выбирают в пределах 0,002-1. При этом толщина алюминиевой фольги лежит в пределах от 5 до 100 мкм (преимущественно, используют фольгу толщиной от 10 до 30 мкм), а толщина беспористого титанового покрытия составляет от 0,2 до 5 мкм (преимущественно, выбирают значения толщины беспористого титанового покрытия от 1 до 3 мкм). Беспористое титановое покрытие (беспористым принято считать покрытие с размером пор менее 0,1 мкм) может быть нанесено различными известными методами, в частности, методом вакуумного напыления, заключающимся в том, что на алюминиевую фольговую основу наносят слой титана электронно-лучевым испарением титана при непрерывном перемещении основы над испарителем на расстоянии 300-400 мм и угле падения парового потока на основу, равном 40-60°, давлении в вакуумной камере 0,01-0,5 Па и температуре конденсации 300-550°C. Существенное уменьшение пористости титанового покрытия до требуемых значений достигается тем, что поверх него формируют слой электропроводного нитрида титана испарением титана в атмосфере азота или аммиака при давлении 0,01-0,5 Па или методом катодного распыления титановой мишени при давлении 0,01-1,0 Па. (см. патент РФ 2098878, кл. H01G 9/00, оп. 10.12.1997 г.)

Кремний (в виде чистого аморфного кремния или в виде кремния, легированного алюминием, или в виде композитов кремний-углерод или кремний-кислород) может быть нанесен на титановую подложку различными известными методами, в том числе, магнетронным напылением, лазерным испарением, напылением в низкочастотной или высокочастотной плазме и др. Толщина нанесенного слоя кремния должна быть достаточно большой, чтобы обеспечить приемлемую емкость единицы площади электрода, но должна обеспечить стабильное циклирование электрода. (Известно, что с увеличением толщины кремниевого слоя склонность его к разрушению при циклировании увеличивается). В общем, эта толщина может быть 10 нм до 10 мкм (преимущественно, толщиной от 250 нм до 2,5 мкм).

Положительный электрод может быть изготовлен традиционной намазной технологией, при которой паста, содержащая около 80% активного вещества (феррофосфата лития), 10% электропроводной добавки (сажи или другого углеродного материала) и 10% связующего (обычно, поливинилиденфторида в виде раствора в N-метилпирролидоне), наносится с помощью намазной машины на подложку из алюминиевой фольги с беспористым титановым покрытием. Количество активного вещества положительного электрода должно быть эквивалентно количеству активного вещества отрицательного электрода.

Все элементы аккумулятора размещены в герметичном (как непременное условие) корпусе любой известной конструкции (не показан). Алюминиевые подложки 1 и 5 с помощью токоподводов (не показаны) подключены к клеммам (не показаны) корпуса, служащим для электрического подключения аккумулятора к зарядному устройству или к нагрузке (к потребителю).

При сборке аккумулятора разноименные электроды разделяются пористым (обычно, полипропиленовым) сепаратором, пропитанным электролитом. В качестве электролита может быть использован 1 М раствор гексафторфосфата лития в смеси этиленкарбоната, диметилкарбоната и метилэтилкарбоната.

1. Литий-ионный аккумулятор, содержащий нанесенные на подложки из металлического материала положительный электрод, выполненный из материала в виде пасты на основе феррофосфата лития, и отрицательный электрод, выполненный из аморфного кремния, отличающийся тем, что в качестве металлического материала подложек использована алюминиевая фольга с нанесенным на нее беспористым титановым покрытием, причем соотношение толщин беспористого титанового покрытия и алюминиевой фольги лежит в пределах 0,002-1.

2. Литий-ионный аккумулятор по п.1, отличающийся тем, что толщина алюминиевой фольги составляет от 5 до 100 мкм, а толщина беспористого титанового покрытия составляет от 0,2 до 5 мкм.