Аккумулятор с твердым электролитом

 

Использование: автономные источники энергии для питания счетно-решающих устройств, часов, элементов памяти и т.д. Сущность изобретения: аккумулятор содержит анод из смеси Cu +Сu₂S, катод из композиционного материала (Cu₂Se)_0,93(Cu₃PO₄)_0,07, а в качестве твердого электролита использован RbCu₄Cl_3+xJ_2-x, где 0,5 x0,16. Аккумулятор обладает улучшенными характеристиками. 2 ил.

Изобретение относится к химическим источникам тока и может быть использовано в качестве автономного источника для питания счетно-решающих устройств, часов, элементов памяти и т.д.

Известен аккумулятор с медьпроводящим электролитом (ТЭЛ) RbCu₄Cl_3,5J_1,5 и двумя электродами [1] Недостатком известного аккумулятора является то, что он не обеспечивает длительного циклирования. Так, при плотности зарядно-разрядного тока около 5 мА/см² источник выдерживает 15 зарядно-разрядных циклов.

Основным недостатком данного аккумулятора является плохая электрохимическая обратимость использованной системы электрод/ Cu⁺ - ТЭЛ, что не позволяет осуществить высокую многократность циклирования, т.е. лишает накопительный элемент основного свойства (многократно перезаряжаться).

Наиболее близким по технической сущности среди всех известных аналогов является аккумулятор, разработанный японскими исследователями [2] Он обладает лучшими характеристиками для ХИТ этого класса. Аккумулятор-прототип выполнен из медьпроводящего твердого электролита RbCu₄Cl_3,5J_1,5 и двух электродов, один из которых изготовлен из меди с добавкой сульфида меди, а второй из сульфида титана. Он имеет структуру Cu(+CuS)/RbCu₄Cl_3,5J_1,5/TiS₂.

Этот аккумулятор имеет следующие характеристики: удельная энергия =13,9 Дж/см³ емкость 3 мАчас количество циклов заряд-разряд 110 Недостатком аккумулятора является сравнительно невысокие значения его основных характеристик, что в известной мере затрудняет серийный выпуск ХИТ данного класса.

Задачей предлагаемого изобретения является существенное улучшение технических характеристик (удельной энергии, емкости, циклируемости) миниатюрного аккумулятора с медьпроводящим ТЭЛ.

Заявляемый аккумулятор выполнен в виде трехслойной таблетки: из анода (1), твердого электролита (2) и катода (3). Анод (1) изготовлен из смеси медного порошка и сульфида меди, катод (3) выполнен из композиционного материала (Cu₂Se)_0,93(Cu₃PO₄)_0,07. В качестве твердого электролита (ТЭЛ) использован медьпроводящий электролит RbCuCl_3,5J_1,5. Заявляемый аккумулятор имеет следующую структуру: Cu(+Cu₂S)/Cu⁺-ТЭЛ/(Сu₂Se)_0,93 (Cu₃PO₄)_0,07.

Отличительным признаком является то, что в заявляемом аккумуляторе электрод-катод (3), выполненный из композиционного материала, ведет себя обратимо на границе с твердым электролитом в широком интервале потенциалов. Это обеспечивает высокую кратность циклирования, в несколько раз превышающую аналогичный параметр известного аккумулятора по прототипу. Так, например, в ходе испытаний заявляемый аккумулятор после 670 циклов заряд-разряд показал те же характеристики и был в рабочем состоянии.

Совокупность всех существенных признаков позволяет значительно повысить энергетические характеристики аккумулятора. Удельная энергия заявляемого аккумулятора в 3,6 раза выше, чем у прототипа и составляет 49,8 Дж/см³, емкость равна 16,28 мАчас. Накопительная емкость выше в 5 раз, чем у известного и достигает 146,5 Кл/см³.

Нам не известны другие аналогичные технические решения, содержащие отличительный признак заявляемого аккумулятора, в связи с чем, по нашему мнению, изобретение обладает существенными отличиями и позволяет решить поставленную задачу.

На фиг.1 приведен разрез предлагаемого аккумулятора. Многослойная таблетка аккумулятора, изготовленная совместным прессованием, содержит анод (1), ТЭЛ (2), катод (3), установлена в пластмассовом корпусе (4), в который вмонтированы внешние токоотводы (5). Фторопластовая прокладка (6) выполняет функцию изолятора. Катод (3) соединен с токоотводом (5) через графитовую пластинку (7).

Анод (1) выполнен из смеси медного порошка и сульфида меди [Cu(+Cu₂S)] катод (3) выполнен из композиционного материала (Cu₂Se)_0,93(Cu₃PO₄)_0,07, представляющего собой твердый раствор ортофосфата меди (1) и селенида одновалентной меди. В качестве ТЭЛ (2) использован медьсодержащий твердый электролит RbCu₄Cl_3+xJ_2-x (0,5x0,16). В качестве примера взят электролит с x= 0,5.

На фиг. 2 приведена зарядно-разрядная кривая аккумулятора: I_зар=10 мА, I_раз=10 мА.

Аккумулятор работает за счет протекания на электродах электрохимических окислительно-восстановительных реакций.

Заявляемый аккумулятор был подвергнут длительным испытаниям и работал со следующими характеристиками: I_зар10 мА/см², I_раз50 мА/см²; I_к.з.100 мА/см²;
ЭДС=0,4 В;
(мВтч/см³)=49,809;
O (Кл/см³)=146,5;
Э (мАчас)=16,28;
Количество циклов перезаряда 670;
Объем элемента 0,4 см³ (=1,2 см; H=0,4 см);
Диапазон рабочих температур -10 +70^oС.

Принятые обозначения:
I_зар и I_раз ток заряда и разряда соответственно;
I_к.з. ток короткого замыкания;
удельная энергия;
Q накопительная емкость;
Э емкость.

После 670 циклов (заряд-разряд) аккумулятор имел те же характеристики.

Формула изобретения

Аккумулятор с медьпроводящим электролитом класса RbCu₄Cl_3+xI_2-x, где 0,5 x 0,14, и двумя электродами, один из которых изготовлен из меди с добавлением сульфида меди, отличающийся тем, что второй электрод выполнен из композиционного материала состава (Cu₂Se)_0,93(Cu₃PO₄)_0,07.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2