Літієве джерело струму

Літієве джерело струму, що містить літієвий анод та халькогенідний катод, утворений з активного матеріалу та в'яжучої речовини, з розміщеним між ними сепаратором, з електролітом із електропровідної літієвої солі в органічному розчиннику, яке відрізняється тим, що як активний матеріал використовується мідно-вісмутовий халькогенід CuBiSeS. Винахід відноситься до півторавольтових хімічних джерел струму, а саме до джерел струму з літієвим анодом та неводним розчином електроліту. Він може бути використаний для автономного живлення різноманітних електронних схем та пристроїв. Відповідаючи сучасним екологічним стандартам, володіючи широким температурним діапазоном працездатності (-40¸+60°С), тривалим терміном зберігання (³10 років) та набагато вищими в порівнянні з традиційними хімічними джерелами струму питомими масовими та об'ємними параметрами, літієві елементи масово випускаються промисловістю і забезпечують тривалий термін автономної роботи різної малогабаритної апаратури. Як активні матеріали позитивних електродів літієвих батарей запропоновано велику кількість матеріалів [1], які, однак, не дозволяють в значній мірі реалізувати величезний потенціал літієвого електрода. Це стимулює роботи по синтезу нових матеріалів, які могли б накопичувати більше літієвих атомів на власну молекулярну одиницю. Найбільш поширеними катодними речовинами 1,5В-их літієвих елементів є дисульфід заліза FeS2 та оксид міді СuО. Основними недоліками цих систем є низькі допустимі розрядні струми та висока ціна активного катодного матеріалу. Цих негативних характеристик позбавлена електрохімічна пара Li-CuBiSe2 [2], що є найбільш близькою до запропонованого рішення. Висока електронна провідність мідно-вісмутового селеніду CuBiSe 2 (σ³1200Ом -1×см -1) відносно проста та дешева те хнологія його одержання (тільки пряме сплавлення стехіометричної кількості вихідних компонент) дозволили підвищити параметри потужності та понизити ціну літієвих елементів. Та, незважаючи на такі переваги, ці первинні джерела струму все ж мають ряд недоліків, а саме: - невисокий рівень питомої вагової ємності активного катодного матеріалу, - істотне потовщення при розряді. Метою даного винаходу є: - підвищення питомої вагової "ємності активної катодної речовини, - зменшення потовщення елементів, - розширення відомої групи активних матеріалів позитивних електродів літієвих джерел струму. Поставлена мета досягається тим, що як акти (19) UA (11) 77971 (13) C2 (21) 20040402964 (22) 21.04.2004 (24) 15.02.2007 (46) 15.02.2007, Бюл. № 2, 2007 р. (72) Заслонкін Андрій Володимирович, Ковалюк Захар Дмитрович, Мінтянський Ілля Васильович, Савицький Петро Іванович, Дудяк Олександр Володимирович (73) ЧЕРНІВЕЦЬКЕ ВІДДІЛЕННЯ ІНСТИТУТУ ПРОБЛЕМ МАТЕРІАЛОЗН АВСТВА НАЦІОН АЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ Н АУК УКРАЇНИ (56) UA 45130, A, 15.03.2002 UA 46137, C2, 15.05.2002 UA 28186, A, 16.10.200 3 77971 4 вний матеріал позитивного електрода літієвих (таблиця): елементів використовується мідно-вісмутовий ха- на 2¸9% вищим значенням питомої вагової лькогенід з хімічною формулою CuBiSeS. Експерозрядної ємності, риментально встановлено, що джерела струму Li- на 25¸70% меншим потовщенням елементів. CuBiSeS типорозміру "2325" у порівнянні з виготовленим за тією ж технологією прототипом (LiCuBiSe 2 джерелом струму) характеризуються Таблиця Вага активЕлектрохімічна Розрядний Кінцева напру- Розрядна ємного матерісистема струм, мкА га розряду, В ність, мА×год. алу, г Li-CuBiSe2 1,204 100 1,0 355¸370 Li-CuBiSeS 1,118 100 1,0 350¸360 Приклад конкретного виконання Для виготовлення катодів використано синтезований зі стехіометричної кількості компонент мідно-вісмутовий халькогенід CuBiSeS. Синтез сполуки проводився у вакуумованій до залишкового тиску ~10-5мм рт.ст. та запаяній кварцовій ампулі при температурі (850±10)°С на протязі 6+8 годин. Потім отриманий зливок механічно подрібнювався в кульковому млині "Санд". Після просіювання отриманого порошку відділялася фракція з дисперсністю часток не більше 40мкм, яка й використовувалася для формування катоду. Катодна суміш мала склад: активний матеріал CuBiSeS - (86±0,3)мас.%, щавлева кислота СООНСООН - (10±0,2)мас.%, фторопластовий порошок ФЗБ - (4±0,1)мас.%. Для отримання гомогенності суміш за допомогою електричного міксера перемішувалася протягом 3+5 хвилин. Дископодібні електроди (маса наважки - 1,30±0,001)г формувалися при кімнатній температурі в спеціальній пресформі під тиском (103±50)кГ/см 2. Для елементів вибраного типорозміру ("2325") спресовані катоди мали товщину (1,12+0,03)мм, та діаметр (19,5±0,05)мм. Після цього електроди поміщали в контейнер з пірексового скла і після вакуумування до (2¸4)×102 мм рт.ст. включали нагрів трубчатої пічки з контейнером до температури (220±5)°С. Час витримки при цій температурі становив приблизно 2 години. Термічно оброблені катоди після випаровування щавлевої кислоти мали пористу структуру. Потім ці катоди просмоктувалися розчином електроліту при пониженому тиску і зберігалися в боксі з осушеною атмосферою. Для отримання анода зі смуги металічного літію товщиною (0,80±0,03)мм за допомогою спеціальної висічки вирізалися диски діаметром (18±0,1)мм. Сепаратором служив волокнистий нетканий поліпропілен товщиною ~0,1мм. Констру Комп’ютерна в ерстка Т.Чепелева Питома вагова розрядна ємність, мА×год./г 295¸307 313¸322 Потовщення елементів, мм 0,36¸0,50 0,29¸0,33 ктивні елементи джерела струму (ізоляційна поліпропіленова прокладка у формі кільця, кришка, корпус) після обезжирення в ацетоні 2-3 рази промивалися дистильованою водою. Висушування деталей корпусу проводилося в сушильній шафі протягом 1 години при температурі (150±5)°С - для корпусу і кришки та (80±5)°С - для прокладки. Процес формування літієвих елементів Li/CuBiSeS проводився наступним чином. Літієвий анод впресовували в кришку з попередньо привареною нікелевою сіткою, а катод, просмоктаний електролітом (1М розчин тетрафторборату літію LiBF4 в g-бутиролактоні), поміщався в корпус, що містив ізоляційне поліпропіленове кільце, і додавалося 0,3¸0,35мл електроліту. Потім катод накривався сепаратором, змоченим електролітом, а зверху ставилася кришка із впресованим літієвим анодом. Герметизація літієвих елементів проводилася за допомогою вальцювання. Всі роботи, де використовувався літій, проводилися в боксі з осушеною повітряною атмосферою. Техніко-економічна ефективність запропонованого рішення полягає у досягненні вищих значень питомої вагової розрядної ємності у порівнянні з іншими літієвими джерелами струму 1,5вольтового класу, а також у значному пониженні набухання елементів під час розряду. Важливою перевагою є також простота та дешевизна технології катодного матеріалу, який отримується шляхом простого сплавлення вихідних компонент. Література 1. Кедринский И.А., Дмитренко В.Е., Грудянов И.И. Литиевые источники тока. Μ.: Энергоатомиздат, 1992, 240с. 2. Патент України 45130А, 2002р. Літієвий елемент/ Заслонкін А.В., Ковалюк З.Д., Мінтянський І.В., Савицький П.І., Смакоус М.М. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601