Високоємнісне джерело електричного струму

Корисна модель належить до хімічних джерел струму з літієвим анодом і неводним розчином електроліту. Корисна модель може бути використана для автоматичного живлення різноманітних електрохімічних пристроїв і систем електроніки, що вимагають стабільного значення напруги протягом тривалого часу і є визначальним кроком в напрямку розвитку технологій в галузі тривольтових електрохімічних елементів. Найбільш поширеними гальванічними елементами даного класу є елементи на основі Lі/MnO2 та Li/V2O5, що володіють питомою енергією порядку 200Вт.год/кг, і елементи типу Li/SOCl2 [1], що володіють питомою енергією 650-800Вт.год/кг. Основними недоліками таких елементів є їх висока вартість, шкідливість для навколишнього середовища, значна енергозатратність при їх виготовленні та проблеми при утилізації відходів. Можливості покращенні їх параметрів практично вичерпані із-за відносно невеликих значень максимального «гостьового» навантаження матеріалів -«господарів», які використовуються при їх формуванні. Як варіанти вирішення цих проблем є застосування природних і штучних мінералів, що володіють шаруватою, канальною чи шпінельною структурою, такої як LiMn2O4 [2], LiNd0.01Mn1.99O4 [3] та Li0.5Fe2.5O4 [4], внутрішні порожнини якої дозволяють літію переміщуватись в різних напрямках. Найближчим до запропонованого матеріалу є структура Li0.5Fe2.5O4 [5]. Однак хімічне джерело струму з катодною речовиною на основі структури Li0.5Fe2.5O4 володіє недостатньо високими значеннями питомої ємності та енергії (720А.год/кг, 1500Вт.год/кг). Завданням даної корисної моделі є підвищення енергоємнісних характеристик гальванічних елементів шляхом застосування перспективних технологій у галузі хімічних джерел струму та використання доступних, дешевих та екологічно безпечних катодно-активних речовин. Поставлене завдання досягається шляхом використання в якості активного матеріалу катоду джерела електричного струму нестехіометричної магній-заміщеної літій-залізної шпінелі складу Li0.5Fe1.7Mg0.8O4, підданої синтезній термообробці. Анодом в такому джерелі служить металічний літій, електролітом - одно молярний (1М) розчин тетрафторборату літію (LiBF4) в g-бутиролактоні, який забезпечує одночасно хімічну і електрохімічну стійкості анод-катодної пари в процесі всієї служби елементу. Гальванічний елемент, створений на основі вищеописаних ключових засад, характеризується: а) високим ступенем «гостьового» навантаження х (14,03±0,13); б) високим значенням питомої ємності (~2000А.год/кг) та енергії (~4000Вт.год/кг), що суттєво перевищує відповідні значення для відомих, широко застосовуваних у літієвих елементах, катодних матеріалів. Зазначений матеріал отримують твердофазним синтезом із шихти, що містить 71,52% мас. Fе2O3, 17,13% мас. MgO і 11,35% мас. LiOH. Попереднє спікання розмеленої гомогенізованої у кульовому млині і збрикетованої при допомозі 10% розчину полівінілового спирту суміші проводилось у муфельній печі на повітрі при температурі 900°С протягом 5 год. Охолоджені разом з пічкою брикети розмелювались в агатовій ступці, отриманий порошок піддавався гомогенізації із полівініловим спиртом шляхом перетирання через калібрувальну металеву сітку. Із отриманого порошку пресувалися таблетки діаметром 16,6 і висотою 4,0мм. Завершальний твердофазний синтез здійснювався на повітрі при температурі 1000°С протягом 5 годин. Охолодження проводилось шляхом гартування у воді від температури синтезу. На основі отриманого матеріалу формувався катод для електрохімічної комірки. Намазний електрод на нікелевій сітці (катод) формували із суміші одержаного матеріалу з додаванням струмопровідної добавки сажі і зв'язуючої речовини - розчиненим в ацетоні тефлоновим порошком у співвідношенні 88:10:2%мас. Анод виготовлявся із металічного літію. Розчин електроліту готувався із висушеної протягом 2год при температурі ~130°С і тиску ~3мм.рт.ст солі в LiBF4 і попередньо ректифікованого при пониженому тиску (4мм.рт.ст) в атмосфері аргону g-бутиролактону. Літієвий анод і катод помішують в корпус з ЇМ розчином LiBF4 в g-бутиролактоні і герметизують. Операції проводять в рукавичному боксі з аргоновою атмосферою. Після герметизації гальванічний елемент витримувався при кімнатній температурі протягом 24 год. На кресленні приведено розрядну криву запропонованого елемента. Техніко-економічна ефективність запропонованого рішення у вузькому розумінні полягає в досягненні вищих за відомі на сьогоднішній день значень питомої розрядної енергії активного матеріалу катоду, підвищенні потужності літієвих елементів, одночасно понижуючи вартість одиниці ємності та енергії. В широкому аспекті - це очевидне розширення класу трьохвольтових хімічних джерел струму з широкими можливостями їх подальшого вдосконалення.