Джерело електричного струму

1. Джерело електричного струму, що містить літієвий анод і катод із фторованого матеріалу з розміщеним між ними сепаратором з електролітом 28186 Метою даного винаходу є підвищення питомих енерго-ємнісних характеристик та потужності, корозійної стійкості, а також розширення відомого класу тривольтових елементів, що допускають можливість подальшого розвитку перспективних технологій в галузі хімічних джерел струму. Таким чином, задача зводиться до знаходження такого катодного матеріалу, який би після фторування володів би більшою отупінню гостевого навантаження, характеризуючись одночасно і більшою електропровідністю, ніж фторований вуглець. При цьому підбір елетролітної системи і відповідного їй аноду повинен бути здійснений таким чином, щоб значно мінімізувати побічні хімічні та електрохімічні реакції на матеріалі корпусу, не зменшуючи імпедансу всієї системи. Поставлена мета досягається тим, то в джерелі електричного струму в якості аноду служить один із елементів Іа, ІІа підгруп Періодичної системи, або їх сплави між собою чи іншими елементами; в якості розчину електроліту - 1¸1,2 молярні неводні розчини перхлоратів, чи тетрафторборатів металів аноду, а в якості активного компоненту катоду застосовано матеріал, одержаний після фторування сполук із шаруватою кристалічною структурою формули Ві2Ch3, де Ch-S, Se, Те. Склад електроліту, що забезпечує хімічну і електрохімічну стійкості анод-катодної пари в процесі всієї служби елементу, як слідує з результатів експериментів, відповідає одномолярним розчинам перхлоратів металів Іа, ІІа підгруп в суміші пропіленкарбонату і диметоксиетану (80:20 ваг.%) чи відповідних тетрафторборатів в g-бутиролактоні. Вказані халькогеніди вісмуту володіють значно більшими значеннями гостевих ступенів вільності, ніж графіт чи вуглець, а такі з них як Ві2Те3 і значно більшою провідністю, що має дуже важливе значення для джерел живлення, забезпечуючи високу ємність і потужність відповідно. В результаті досліджень нами було встановлено, що ці матеріали піддаються фторуванню, після якого значно зростає зміна молярної енергії Гіббса впровадження іонів літію в широкому інтервалі їх концентрацій. Вивчення впливу режимів фторування на величину літієвого молярного навантаження на катод дозволило забезпечити велике значення ємності його активної компоненти. Так, беручи до уваги останнє, в поєднанні із провідністю фторованого матеріалу експериментально встановлено, що найоптимальніший режим фторування – це витримка в потоці молекулярного фтору при температурі 100¸110°С протягом 60¸80 хвилин. Джерело електричного струму, створене на основі вищеописаних ключових засад, порівняно із прототипом характеризувалось: а) майже вдвічі вищим значенням густини номінального розрядного струму; б) на 25-30% вищою питомою об'ємною (в розрахунку на об'єм корпусу) ємністю; в) в 2-3 рази вищою гравіметричною енергією активного матеріалу. Крім цього, на відміну від прототипу, значно знижена корозія корпусних деталей, значно збільшена питома ємність активного матеріалу катоду (як об'ємна, так і гравіметрична), а також доведена можливість більш ефективного використання в джерелах струму відмінних від вуглецевих фторо ваних сполук, що стимулюватиме дальший розвиток таких технологій. Приклад конкретного виконання 1 Вихідний матеріал Ві2Se3 з шаруватою кристалічною структурою одержували синтезом стехіометричної суміші компонент, після чого його подрібнювали до максимального розміру частинок ~76¸100 мкм. Подрібнений матеріал розміщували в потоці молекулярного фтору при температурі 120±0,5°С і витримували протягом 70 хвилин. Із одержаного після фторування матеріалу формували таблетку додаючи ацетиленову сажу і тефлоновий порошок в кількості відповідно 10 і 3 вагових % загальної маси активного матеріалу. Для збільшення пористості додавався пороутворювач (15¸20 % всієї маси катоду), який видалявся після формування таблетки нагріванням до температур, характерних відповідному виду пороутворювача. В якості пороутворювача служили нітрат амонію, чи щавелева кислота. Таблетки формувалися під тиском ~1100¸1300 кг/см2. Анод виготовлявся із літієвої фольги товщиною 1¸1,2 мм. Розчин електроліту готувався із висушеної протягом 2 годин при температурі ~130°С і тиску ~3 мм рт.ст. солі LiBF4 і попередньо ректифікованого при пониженому тиску (~4 мм рт.ст.) в атмосфері аргону g-бутиролактону. Анод і катод поміщують у стандартний корпус, наприклад, типорозміру 2325, розділяючи їх сепаратором із нетканого поліпропілену товщиною 0,1 мм просоченим розчином електроліту. Операції проводять в сухому боксі з аргонною атмосферою. Після герметизації джерела витримувалися при кімнатній температурі протягом 24 годин. Приклад конкретного виконання 2 Із отриманного після фторування матеріалу формували таблетку додаючи титан порошкоподібний і тефлоновий порошок в кількості відповідно 38 і 2 вагові % від загальної маси активного матеріалу. Для збільшення пористості додавали пороутворювач (10-15 % від всієї маси катоду), який видалявся після формування таблетки нагріванням до температур характерних відповідному типу пороутворювача. В якості пороутворювача можуть служити нітрат аммонію, або щавелева кислота. Таблетки формувалися під тиском 1100¸1300 кг/см2 безпосередньо в корпусі елемента типорозміру 2325. Відпал катоду проводився у вакуумі при постійній відкачці реторти до повного остигання сформованого катоду. Анод виготовлявся із літієвої фольги товщиною 0,85¸0,90 мм. Розчин електроліту готувався із висушеної протягом 2-х годин при температурі 130°С і тиску ~3 мм рт.ст. солі LiClO4 і попередньо ректифікованих при пониженому тиску (~ 4 мм рт.ст.) в атмосфері аргону пропіленкарбонату і диметоксиетану. Диметоксиетан складає 20-30 об'ємних %. До отриманого електроліту додається етоксиетанол в кількості 0,1¸2 об'ємних %. Анод і катод розділені сепаратором із нетканого поліпропілену товщиною 0,1 мм промоченим розчином електроліту. Операції зборки елементу проводять в сухому боксі з аргонною атмосферою (20-25 ppm). Після герметизації джерела витримувалися протягом 24 годин при кімнатній температурі. 2 28186 Техніко-економічна ефективність пропонованого рішення у вузькому розумінні полягає в досягненні вищих за відомі на нинішній день значень питомої розрядної енергії активного матеріалу катоду, підвищенні потужності літієвих елементів на основі фторованих сполук, одночасно понижуючи вартість одиниці ємності і енергії. В широкому аспекті - де очевидне розширення класу тривольтових хімічних джерел струму з обгрунтуванням нового напряму технології літієвих джерел струму з широкими можливостями Їх подальшого вдосконалення. Джерела інформації 1. Кедринский И.А., Дмитренко В.Е., Поваров Ю.М., Грудянов И.И. Химические источники тока с литиевым електродом // Изд. Красноярского ун-та, 1988. - 247 С. 2. Modern Batteri Technology / editor clive J.S. Tech., Ellis Horwood Limited, 1991. __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2002 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 34 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 3