Электрохимический элемент тепловых батарей

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована при производстве химических источников тока (ХИТ), а именно, литиевых тепловых батарей.

Задача - создание надежного электрохимического элемента, обеспечивающего повышение удельной энергоемкости и увеличение длительности разряда тепловых батарей.

Технический результат достигается тем, что в электрохимическом элементе тепловых батарей, содержащем катод и литиевый анод, которые разделены сепаратором, согласно конструкции, катод, сепаратор и литиевый анод выполнены твердофазными, а катод содержит хлорид никеля или его смесь с хлоридом кобальта.

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована при создании химических источников тока (ХИТ), а именно в производстве литиевых тепловых батарей.

Основной задачей усовершенствования ХИТ является достижение надежных и стабильных характеристик, которые зависят, как правило, от удельных электрических характеристик единичного элемента.

Известные тепловые батареи обладают относительно невысокой удельной энергоемкостью - не более 10 Вт.час/кг при снимаемой мощности 150 Вт (см. кн. Ф.И.Кукоз, Ф.Ф.Труш, В.И.Кондратенков. Тепловые химические источники тока. Изд. Ростовского университета, 1989 г., с.108).

Прототипом является электрохимический элемент теплового источника тока по патенту на изобретение РФ №1833080, МПК 6 Н 01 М 6/20, з. 06.05.1991 г., оп. 10.05.1995 г.

Известное устройство содержит коаксиально расположенные пористый катод и анод, выполненные в виде анодной и катодной композиций, которые разделены пористым сепаратором. Анод выполнен в виде пирозаряда, содержащего фторид свинца, магния и эвтектику фторидов лития и натрия, а катод с сепаратором заполнен катодной композицией в виде расплава хлоридов никеля, калия и натрия.

К недостаткам прототипа относятся недостаточные удельная мощность и длительность разряда батареи.

Задача, положенная в основу полезной модели, заключается в создании надежного электрохимического элемента тепловых батарей,

обеспечивающего повышение удельной энергоемкости и увеличение длительности разряда батарей.

Поставленная задача решается тем, что электрохимический элемент тепловых батарей содержит катод и литиевый анод, разделенные сепаратором.

Новым является то, что катод, сепаратор и литиевый анод выполнены твердофазными, а катод содержит хлорид никеля или его смесь с хлоридом кобальта,

Величина теоретической удельной энергоемкости для электрохимических пар Li-NiCl ₂ и Li-СоCl₂ составляет 960 Вт.час/кг и 970 Вт.час/кг соответственно. Это позволяет создавать литиевые тепловые батареи с удельной энергоемкостью 40-60 Вт.час/кг при снимаемой мощности 150 Вт, что существенно превышает аналогичные показатели известных тепловых батарей.

Хлорид никеля восстанавливается до металлического никеля в одну стадию (NiCL₂ +2Li-Ni+2LiCl), что исключает образование соединений с промежуточной валентностью, способных мигрировать через сепаратор к аноду с последующим замыканием электрохимического элемента. Одностадийность токообразующей реакции электрохимического элемента повышает надежность работы литиевой тепловой батареи.

Увеличение длительности разряда тепловой батареи достигается расширением интервала рабочих температур за счет снижения его нижней границы. Рабочая температура литиевой тепловой батареи определяется температурой растворения катодного активного вещества в электролите на границе катод - сепаратора. Нижняя граница температур плавления раствора хлорида никеля в эвтектических смесях галогенидов щелочных металлов, используемых в качестве электролитов, лежит выше 560 градусов С. Нижняя граница температур плавления хлорида кобальта в тех же электролитах - 480 градусов С.

Расширение интервала рабочих температур и повышение длительности разряда тепловой батареи оптимально достигаются использованием электрохимических элементов с катодной композицией в виде смеси хлоридов никеля и кобальта.

В источниках патентной и научно-технической информации не обнаружена указанная выше совокупность существенных признаков, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого объекта критерию «новизна».

На фиг.1 представлен общий вид электрохимического элемента тепловой батареи в разрезе, на фиг.2 - график разрядных кривых литиевых батарей с различным содержанием компонентов катодной смеси электрохимических элементов.

Электрохимический элемент содержит твердофазные литиевый анод 1 и катод 2, разделенные твердофазным сепаратором 3. Катод выполнен из хлорида никеля (NiCl₂) либо его смеси с хлоридом кобальта (СоCl₂).

Работу электрохимических элементов с различным содержанием хлоридов никеля и кобальта в катоде проверяли в литиевых тепловых батареях, содержавших корпус с токовыводами, и отделенный от корпуса слоем теплоизоляционного материала блок из 12 электрохимических элементов, соединенных последовательно через электропроводящие нагревательные диски. Разряд батарей проводился до конечного напряжения 6 V при постоянном токе 6 А в гальваностатическом режиме на испытательном стенде, включающем комплекс регистрирующей аппаратуры и электронное нагрузочное устройство постоянного разрядного тока. Получены разрядные кривые батарей (фиг.2) с различным содержанием хлорида кобальта в катодных смесях электрохимических элементов: кривая 1-0 мас.%, кривая 2-20 мас.%, кривая 3-45 мас.% и кривая 4-60 мас.%. Как видно из графика, повышение содержания хлорида кобальта в катоде, при прочих равных условиях, приводит к увеличению длительности разряда тепловой батареи.

Добавка более 60 мас.% хлорида кобальта в катодную смесь снижает надежность работы батареи, вследствие его низкой температуры плавления (760 градусов С). Плавление катода в процессе активации при работе батареи создает опасность ее замыкания из-за вытекания катода. В отличие от хлорида кобальта, плавление хлорида никеля происходит лишь при давлении 10 атмосфер и температуре 960 градусов С в атмосфере хлора. В отсутствие указанных условий хлорид никеля не переходит в жидкую фазу и возможность замыкания по катоду исключается. В катодных смесях хлорид никеля - хлорид кобальта, первый компонент выполняет роль матрицы, удерживающей хлорид кобальта от растекания.

Изготовление предлагаемой к защите конструкции не требует разработки нового оборудования и материалов, а также переоснащения существующих производств, что подтверждает возможность практической реализации технического результата и соответствие заявляемой полезной модели критерию «промышленная применимость».

Электрохимический элемент тепловых батарей, содержащий разделенные сепаратором катод и литиевый анод, отличающийся тем, что катод, сепаратор и литиевый анод выполнены твердофазными, а катод содержит хлорид никеля или его смесь с хлоридом кобальта.