Химический источник тока

 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к литиевым источникам тока. Источник тока содержит литиевый анод, катод на основе фторированного углерода с 2 - 5 мас.% фторида лития в качестве модифицирующей добавки. Заявленный источник тока обладает повышенными энергетическими характеристиками. 1 табл.

Изобретение относится к области электрохимии и конкретно касается химических источников тока с литиевым электродом.

Известны химические источники тока (ХИТ), содержащие анод из лития, неводный электролит - раствор литиевой соли в органических растворителях и их смесях и катод на основе фторированного углерода (см. Литиевые источники тока, И. А. Кедринский, В.Е. Дмитренко, И.И. Грудянов. - М. Энергоатомиздат, 1992, с. 148).

Эти источники тока в зависимости от конструкции и типоразмера имеют значения удельной энергии 83 - 310 Втч/кг. Для типоразмера BR-2325, наиболее близкого к предлагаемому, значения удельной емкости и удельной энергии соответственно равны 150 мАч/г и 120 Втч/кг.

Известны также химические источники тока, изготовленные на основе фторированного флоурена формулы C₆₀H₄₄ (см. Tsuyoshi, Nakajima. 11 European Symposium of Fluorine Chemistry, sept. , 1995; p. 105), которые имеют удельную емкость и удельную энергию соответственно 560 мАч/г и 1400 Втч/кг при плотности тока - 0,1 мА/см².

Известен химический источник тока (см. Химические источники тока с литиевым электродом, И. А. Кедринский, В. Е. Дмитренко, Ю.М. Поваров, И.И. Грудянов, Красноярск, изд-во Красноярского университета, 1983, с. 145), наиболее близкий к предлагаемому по технической сущности и решаемой задаче, который содержит литиевый анод, неводный электролит - 1 М раствор перхлората лития в пропиленкарбонате, а в качестве катода - смесь полифторуглерода, ацетиленовой сажи, полиэтиленфторида и фторида кадмия в соотношении 10 : 0,7 : 1 : 1.

Известный ХИТ при разряде током 100 мА имеет удельную энергию 320 - 470 Втч/кг. Высокий коэффициент использования катодной массы (до 100%) достигается предварительной ее подготовкой, а именно перед фторированием углерод активируют обработкой при высокой температуре хлористым аммонием, аммиаком или парами воды или в катодную массу добавляют силикат натрия.

Описанные условия подготовки фторуглеродной катодной массы и высокий разрядный ток предполагают ее использование в элементах набивного или рулонного типа кратковременного пользования (не более 40 часов).

Предлагаемое изобретение касается пуговичных элементов типоразмера BR2325, которые при номинальном токе 0,1 мА разряжаются более, чем за 2000 часов и могут быть использованы в электронной аппаратуре для длительного пользования.

Предлагаемый химический источник тока содержит литиевый анод, неводный органический электролит, а в качестве катода - смесь фторуглерода, электропроводящего компонента - ацетиленовой сажи, связующего компонента - фторопластовой суспензии и модифицирующей добавки, взятых в определенных соотношениях.

Принципиальное отличие от известного изобретения состоит в отсутствии жесткого режима предварительной обработки углерода перед фторированием, который технологически усложняет процесс изготовления ЛИТ, а также в отсутствии химически неоднородных по отношению к катодной массе добавок - фторида кадмия и силиката натрия.

Предлагаемое изобретение позволяет увеличить энергетические характеристики фторуглеродных литиевых источников, т. е. их удельную емкость и удельную энергию, введением в катодный материал на стадии смешения сухих компонентов модифицирующей добавки - фторида лития.

Использование фторида лития в качестве модифицирующей добавки во фторуглеродную катодную массу не является случайным.

С помощью современных физических методов анализа установлено), что имеющий место во фторуглерод-литиевом источнике тока разрядный процесс протекает через образование промежуточного трехкомпонентного, состоящего из ионов лития, фтора и углерода, сольватированного интеркаляционного соединения.

Фторид лития, однородное по отношению к химическому составу ЛИТ соединение, вводится в катодную массу на стадии смешения компонентов. В процессе сушки и спекания катода фторид лития участвует в формировании его структуры, т.е. участвует в формировании трехкомпонентного интеркаляционного соединения до начала разряда.

Это приводит не только к снижению потенциального барьера реакции, но и повышению коэффициента полезного использования фторуглеродной катодной массы за счет распределенного по всему объему катода фторида лития, а следовательно улучшению энергетических характеристик ЛИТ в целом.

В процессе разряда в качестве продукта реакции образуется сольватированное переходное соединение, состоящее из атомов лития и фтора. При удалении растворителя, оставшегося в решетке, соединение легко разлагается на графит и фторид лития, который образуется за счет ионов лития или из электролита, или из литиевого анода или из модифицирующей добавки. Участие каждого из этих компонентов в токообразующем процессе ЛИТ можно оценить только с помощью научных исследований, например с помощью метода меченых атомов.

Для подтверждения положительного влияния фторида лития на энергетические характеристики фторуглеродных ЛИТ в лабораторных условиях изготовлены образцы катодной массы с различным содержанием фторида лития (2 - 8% масс.) на основе фторированных традиционным способом сибунита и сажи Т-900. Компоненты катодной массы взяты в следующем соотношении, мас.%: Фторуглерод - 70 - 76 Связующий компонент - 7 Электропроводящая сажа - 15 Фторид лития - 2 - 8 С использованием неводного электролита - 1М раствора перхлората лития в смеси пропиленкарбоната и диметоксиэтана (1:1 по объему) изготовлены опытные партии ЛИТ типоразмера BR-2325, которые подвергали разряду током плотностью 0,5, 0,1 и 0,05 мА/см². Результаты испытаний ЛИТ в сравнении с прототипом и аналогом представлены в таблице.

Из данной таблицы следует, что введение фторида лития в количестве 2 - 5% масс. во всех случаях увеличивает удельную емкость и удельную энергию ЛИТ более чем на 30 - 40% масс. (сравнить оп. 3 и 4, 5 и 6, 7 и 8, 9 и 10, 9 и 11). При концентрации модифицирующей добавки 8% масс. положительного энергетического эффекта у фторуглерода не наблюдается (сравнить оп. 9 и 12).

5%-ная добавка фторида лития к фторсибуниту делает изготовленные из него ЛИТ более работоспособными в области разряда токами 0,1 - 0,5 мА/см² (сравнить оп. 3 и 4, 5 и 6).

Литиевые источники тока, изготовленные на основе фторированной сажи Т-900 с добавкой LiF, имеют максимальные значения энергетических параметров ЛИТ при разряде токами 0,05 мА/см² (сравнить оп. 9, 10, 11) и могут быть использованы в качестве слаботочных источников питания в электронной аппаратуре.

Формула изобретения

Химический источник тока, содержащий литиевый анод, катод на основе фторированного углерода с модифицирующей добавкой и неводный органический электролит, отличающийся тем, что в качестве модифицирующей добавки используется фторид лития в количестве 2 - 5 мас.%.

РИСУНКИ

Рисунок 1