Комбинированный химический источник тока
Полезная модель относится к электротехнической промышленности и может быть использована при производстве литий-ионного аккумулятора. Согласно полезной модели комбинированный химический источник тока (КХИТ) представляет собой комбинацию двух химических источников тока: литий-ионного аккумулятора (ЛИА) и литий-диоксидсерного первичного источника тока (Li/SO2). КХИТ содержит, расположенный перпендикулярно электродной части, компенсационный литиевый электрод с токоотводами, обернутый в сепаратор. Положительные и отрицательные электроды могут быть установлены горизонтально друг на друга или и вертикально друг за другом. Технический результат: повышение емкости литий-ионного аккумулятора и снижение себестоимости. 1 н.п. ф-лы, 1 з.п. ф-лы, 1 фиг.
Полезная модель относится к электротехнической промышленности и может быть использована при производстве литий-ионного аккумулятора.
Литий-ионные аккумуляторы [1] по своим удельным электрохимическим характеристикам превосходят все известные типы аккумуляторов. При этом они обладают рядом недостатков, таких как повышенная необратимая емкость в первом цикле заряда и высокая стоимость.
Известен первичный химический источник тока системы Li/SO2 [2] и вторичный [3]. В качестве электролита первичного Li/SО2 [2] используют растворы галоидных солей лития и солей лития с комплексными анионами в смеси SO 2 и ацетонитрила или пропиленкарбоната, а вторичного [4] раствор LiAlCl4·nSО2 (n=3-9).
В производстве литий-ионного аккумулятора в основном используются электролиты на основе диметилкарбоната (ДМК), диэтилкарбоната (ДЭК) и этиленкарбоната (ЭК) [1].
Недостатками известных электролитов является следующее. Данные электролиты стабилизируют эксплуатационные характеристики литий-ионного аккумулятора при циклировании, однако они обладают существенными недостатками, такими как высокая необратимая емкость (Qirr) и высокая стоимость. Использование дешевых электролитов на основе пропиленкарбоната (ПК) затруднено, так как углеграфитовые электроды ЛИА в данных электролитах разрушаются при циклировании [1]. Но, как показано в работе [5] при введении SО2 в электролит на основе ПК защитный слой образуется при более высоких потенциалах, чем потенциал восстановления основных компонентов электролита и стадии интеркаляции.
Данный слой обладает свойствами межфазного твердого электролита и поэтому в этих условиях углеграфитовые электроды способны к многократному циклированию.
Известен электролит для литий-ионного аккумулятора [6], содержащий 1,15 моль/дм3 LiPF6 на основе индивидуальных растворителей этиленкарбоната (ЭК), диметилкарбоната (ДМК), диэтилкарбоната (ДЭК), пропиленкарбоната (ПК) и их смесей с добавкой 20% диоксида серы SО2.
Отличительной особенностью и недостатком литий-ионного аккумулятора является необходимость формирования в первом цикле заряда на поверхности углеродного материала отрицательного электрода защитного слоя из продуктов восстановления компонентов электролита. Данный процесс должен быть необратимым, что определяет наличие необратимой емкости. Для компенсации данной необратимой емкости берется 20-30% избыток активной массы положительного электрода. Значительно снижая тем самым емкость аккумулятора и повышая его себестоимость, вследствие дороговизны используемых материалов (например, LiCoO2 ).
Наиболее близким к заявляемой полезной модели в части конструкции электродной части, относящейся к литий-ионному аккумулятору (без компенсационного электрода) является ЛИА [7], включающий электродную часть, состоящую из разделенных сепараторами положительных и отрицательных электродов, при этом электродная часть состоит из нескольких идентичных параллельно соединенных блоков. Плоскости электродов расположены параллельно плоскостям, на которых размещены внешние токоотводы (борны) аккумулятора, положительные и отрицательные электроды, составляющие блок, уложены один на другой, соединены сваркой с токоотводами соответствующего знака, блоки связаны между собой при помощи сварки токоотводов с общими разнополюсными шинами, присоединенными к внешним токовыводам (борнам).
Недостатком известного аккумулятора является следующее. В независимости от конструкции аккумулятора и взаимного расположения
электродов, первым рабочим циклом аккумулятора является заряд от внешнего источника тока. В первом цикле заряда образуется поверхностный слой на отрицательном электроде при протекании необратимых процессов восстановления компонентов электролита. При этом необратимая емкость, вследствие протекания данных процессов, составляет величину около 130-150 мАч/г активной массы отрицательного электрода [1], для компенсации этих затрат используют 20-30% запас по емкости, а значит и по массе положительного электрода, что значительно снижает масса-габаритные электрохимические характеристики аккумулятора.
Задача полезной модели увеличение разрядной емкости и снижение себестоимости производства литий-ионного аккумулятора.
Техническим результатом полезной модели является повышение разрядной емкости, снижение себестоимости производства литий-ионного аккумулятора.
Указанный технический результат достигается тем, что комбинированный химический источник тока, включающий электродную часть, состоящую из нескольких идентичных параллельно соединенных положительных и отрицательных электродов, разделенных сепараторами, при этом плоскости электродов расположены параллельно плоскостям, на которых размещены внешние токоотводы (борны) аккумулятора, положительные и отрицательные электроды, составляющие блок, уложены один на другой, соединены сваркой с токоотводами соответствующего знака, новым является то, что он содержит, расположенный перпендикулярно электродной части, компенсационный литиевый электрод с токоотводами, обернутый в сепаратор, при этом корпус источника тока выполнен из диэлектрического материала.
В отличие от прототипа [7] положительные и отрицательные электроды могут быть установлены горизонтально друг на друга или и вертикально друг за другом.
На фиг.1 представлен комбинированный химический источник тока.
Комбинированный химический источник тока (см. фиг.1) включает электродный блок литий-ионного аккумулятора, состоящий из нескольких идентичных параллельно соединенных отрицательных 1 и положительных 2 электродов, разделенных сепараторами 3. При этом плоскости электродов расположены параллельно плоскостям, на которых размещены внешние токоотводы (борны) аккумулятора, положительные и отрицательные электроды, составляющие блок, уложены один за другим, соединены сваркой с токоотводами 4 и 5 соответствующего знака. Перпендикулярно электродного блока расположен компенсационный литиевый электрод 6 с токоотводами 7, обернутый в сепаратор 3. Корпус комбинированного химического тока 8 выполнен из диэлектрического материала. Электроды 1 и 2 могут быть уложены в корпусе 8 горизонтально друг на друга или вертикально друг за другом.
Согласно полезной модели комбинированный химический источник тока (КХИТ) представляет собой комбинацию двух химических источников тока: литий-ионного аккумулятора (ЛИА) и литий-диоксидсерного первичного источника тока (Li/SO2).
Сущность полезной модели заключается в следующем. Литий-ионный аккумулятор включает в себя третий компенсационный литиевый электрод, расположенный перпендикулярно основной электродной паре. В качестве электролита используют растворы литиевых солей на основе апротонных диполярных растворителей с добавкой 20% диоксида серы SO 2. Данный компенсационный электрод из металлического лития образует с отрицательным электродом ЛИА в электролите, содержащим диоксид серы, источник тока системы Li/SO2. Первоначальным режимом работы данного комбинированного химического источника тока является разряд Li/SO2 элемента до напряжения 1,0 В, в результате чего на поверхности углеродного материала отрицательного электрода ЛИА образуется защитный слой из Li 2S2О4 [1]. Далее работает основная электродная пара литий-ионного аккумулятора (например, синтетический графит - LiCoO2) в режиме заряда.
Далее комбинированный химический источник тока работает как литий-ионный аккумулятор, т.е. источником электрической энергии будет являться электродная пара, например, синтетический графит - LiCoO 2, составленная из электродов 1 и 2 (см. фиг.1).
Достоинства комбинированного химического источника тока по сравнению с прототипом заключаются в следующем:
При применении компенсационного электрода из металлического лития можно уменьшить количество активной массы положительного электрода минимум на 20% и соответственно толщину, что дополнительно освобождает объем, который может быть использован для размещения дополнительных электродных пар. Разрядная емкость положительного электрода, например, на основе LiCoO2 составляет 140 мАч/г [1]. Практическая удельная объемная емкость электродов на основе LiCoO 2 составляет 0,39 Ач/см3 (
+=2,8 г/см3). Электрохимический эквивалент металлического лития превосходит эту величину в 5 раз и составляет величину 2,06 Ач/см3 (3,86 Ач/г, Li=0,534 г/см3). Применение компенсационного электрода из металлического лития позволяет, вследствие заполнения высвободившегося объема дополнительными рабочими электродами ЛИА, позволяет по сравнению с прототипом повысить разрядную емкость и мощность ЛИA на 10-20% в зависимости от габаритных размеров ЛИА и числа рабочих электродов.
Пример: Расчетные и экспериментальные данные показали увеличения разрядной емкости комбинированного химического источника тока с габаритными размерами 134,5×55,5×56,5 мм по сравнению с литий-ионным аккумулятором в том же габарите на 14,2% (с 4,0 до 5,7 Ач/г). Использование энергии элемента Li/SO2 в данном габарите, в первом цикле разряда (заряда аккумулятора) дает еще дополнительно до 41,9% (1,68 Ач). Общая емкость комбинированного источника тока с габаритами 134,5×55,5×56,5 мм составляет в первом цикле до 7,38 Ач (что выше соответствующего значения для стандартного ЛИА в 1,84 раза).
При этом энергию первого цикла заряда комбинированного источника тока можно использовать для питания электроприборов и т.д. А при заряде стандартного ЛИА от внешнего источника питания эта энергия безвозвратно теряется (не используется), что с учетом тепловых потерь и КПД приборов повышает себестоимость ЛИА по сравнению с КХИТ.
Разрядная емкость второго и последующих циклов КХИТ с габаритными размерами 134,5×55,5×56,5 мм составила 5,6±0,1 Ач.
Источники информации:
1. И.А.Кедринский, В.Г.Яковлев Li-ионные аккумуляторы. Красноярск.: ИПК "Платина". 2002. 266 с.
2. Кедринский И.А., Дмитренко В.Е., Грудянов И.И. Литиевые источники тока. М.: Энергоиздат.1992. 240 с.
3. Li/SО2 аккумулятор. Патент РФ 2242825. МКИ 7 Н01М 10/40, Н01М 6/14. Заявл. 2003.05.23. Опубл. 2004.12.20.
4. Способ изготовления раствора электролита для Li/SO2 аккумулятора. Патент РФ 2222075. МКИ 7 Н01М 10/40, Н01М 6/14. Заявл. 2002.04.25. Опубл. 2004.01.20).
5. Ein-Ely Y., Thomasand S.R., Roch V.R.//J.Electrochem. Sos.1996. V.143. 
9. Р.L195-197.
6. Электролитическое решение для перезаряжающейся литиевой батареи. Патент Корейской республики KR2GO10016770. МКИ Н01М 10/40, Н01М 10/36. Заявл. 2001.03.05. Опубл 2002.04.25.
7. Литий-ионный аккумулятор. Патент на полезную модель РФ 69323. МКИ 7 Н01М 10/40. Заявл. 2007.07.25. Опубл. 2007.12.10. Бюл. 34.
1. Комбинированный химический источник тока, включающий электродную часть, состоящую из нескольких идентичных параллельно соединенных положительных и отрицательных электродов, разделенных сепараторами, при этом плоскости электродов расположены параллельно плоскостям, на которых размещены внешние токоотводы (борны) аккумулятора, положительные и отрицательные электроды, составляющие блок, уложены один на другой, соединены сваркой с токоотводами соответствующего знака, отличающийся тем, что он содержит расположенный перпендикулярно электродной части компенсационный литиевый электрод с токоотводами, обернутый в сепаратор, при этом корпус источника тока выполнен из диэлектрического материала.
2. Комбинированный химический источник тока по п.1, отличающийся тем, что положительные и отрицательные электроды могут быть установлены горизонтально друг на друга или/и вертикально друг за другом.
