Гальванічний елемент

Гальванічний елемент, що містить ЛІТІЄВИЙ анод та катод, утворений халькогенідом із шару Винахід відноситься до ХІМІЧНИХ джерел струму, зокрема до джерел струму з ЛІТІЄВИМ анодом та неводним розчином електроліту Він може бути використаний для автономного живлення різноманітних електротехнічних пристроїв і систем електроніки , а також в напрямку розвитку перспективних технологій в галузі півтора вольтових електрохімічних елементів На СЬОГОДНІШНІЙ день 1,5-вольтовий клас ЛІТІ ЄВИХ джерел струму представлений набагато меншою КІЛЬКІСТЮ електрохімічних систем, ніжтрьохвольтовий і, значить, володіє потенціальне більшою вакантною нішею світового ринку Найбільш відомими його представниками нині є елементи Li-FeS2 та Li-CuO, які по сукупності експлуатаційних характеристик переважають ІНШІ аналоги та впроваджені у серійне виробництво [1] Питома енергія джерел струму на основі оксиду МІДІ перевищує відповідне значення для сульфід-залізних елементів, хоч і вартість їх вища До основних недоліків обох цих елементів можна віднести відносно низькі питомі характеристики та високу ціну, які зумовлені як природою катодних матеріалів, що обмежує величину гостьового навантаження, так і великими матеріально-енергетичними затратами на отримання матеріалу з придатними для джерел струму характеристиками Ці недоліки були усунені шляхом розробки елементів електрохімічної системи Li-Bi2Se3 [2], які є найбільш близькими до запропонованого рішення Дійсно, реалізація здатності до великих гостьо ватою кристалічною структурою та зв язуючою речовиною, з розміщеним між ними сепаратором, з електролітом із електропровідної солі в органічному розчиннику, який відрізняється тим, що халькогенідом є селенід вісмуту, легований в процесі синтезу атомами МІДІ В концентраційному інтервалі 0,8-М,2 мас %, а як зв'язуюча речовина та електроліт використовуються, ВІДПОВІДНО, фторопластовий порошок в КІЛЬКОСТІ 3-^4 мас % і 1 -і-1,2М розчин L1BF4 в у -бутиролактоні вих навантажень в селеніді вісмуту, вартість отримання якого майже ВДВІЧІ менша, ніж оксидномідного електродного матеріалу, дозволила підвищити питомі потужність і ємність джерел струму, одночасно зменшивши їх ціну Не дивлячись на те, що на НИНІШНІЙ день для цієї системи практично немає конкурентоспроможних 1,5-вольтових анод О катодних пар, все ж необхідно ВІДМІТИТИ ряд и не доліків недостатньо висока густина розрядного струму, недосконалість структури розрядної кривої, наявне потовщення елементів при розряді Ці недоліки пов'язані головним чином з природою катодного матеріалу, що визначає недостатньо високу провідність, а також чутливість зміни енергії Гіббса до концентраційного вмісту гостьового ЛІТІЮ, включаючи і дисторсію ґратки Задачею даного винаходу є підвищення потужності, виположення розрядної кривої, зменшення величини потовщення елементів Поставлена задача вирішається тим, що при легуванні ВігЄез у процесі синтезу спеціальним видом домішок у певно визначеному концентраційному інтервалі здійснюється зсув рівня Фермі у глибину зони провідності і збільшення густини станів поблизу нього Крім цього, легуюча домішка та и КІЛЬКІСТЬ є такими, що одночасно забезпечується більша жорсткість кристалічної ґратки по відношенню до розрихлюючої дії ЛІТІЄВИХ ІОНІВ Дане 1 CO (О 46137 рішення ґрунтується на тому, що в джерелах живтакож досягати збільшення густини станів біля лення з штеркаляційним механізмом струмоутворівня Фермі В першому випадку ми забезпечуємо рюючої реакції зміна енергії Гіббса AG(x), де хбільшу провідність активного катодного матеріалу КІЛЬКІСТЬ впроваджених атомів ЛІТІЮ на одну фор(при умові не переважаючого росту розсіювання), мульну одиницю кристала - господаря, пропорційа отже і вищу потужність елементів, а в другому на хімічному потенціалові впровадженого атома JLL, зменшуємо залежність ц, від х, тобто виположуємо та пов'язана з електрорушійною силою 5 відомим розрядну криву В зазначеному аспекті важливим є співвідношенням те, що здійснюване легування несуттєвим чином впливає на граничну ступінь ЛІТІЄВОГО навантаженAG(x) ~ е5(х) ~ ц,(х) ня Як наслідок, положення та структура розрядВ результаті експериментів було встановлено, ної кривої (за винятком и початку і кінця) будуть що всім вищеназваним вимогам відповідає легувизначатися в основному двома складниками в вання ВігЄез в процесі синтезу атомами МІДІ В конМ-і(х), що відповідають за взаємодію між впровацентраційному інтервалі 0,8 -ь 1,2 масових процендженими атомами та зміну положення рівня Фермі ти Гальванічний елемент типорозміру "2325", Перший, як правило, визначається фізикостворений на вищеописаних засадах, порівняно з ХІМІЧНОЮ природою вихідного матеріалупрототипом характеризувався (табл 1) господаря, а другим легко керувати, зокрема зміна 54 -ь 12% вищим значенням потужності, ною структури дефектної підсистеми, яка найкрана 20 -ь 70% меншим утовщенням елементів, ще реалізується легуванням За допомогою легуменшим нахилом розрядної кривої вання ми можемо цілеспрямовано досягти збільшення концентрації вільних носив заряду, а Електрохімічна Розрядний струм, м система А 1,0 Li-Bi2Se3 1,0 Li-Bi2Se3 Кінцева напруга розряду, В 1,0 1,0 ПРИКЛАД КОНКРЕТНОГО ВИКОНАННЯ Синтезовані зливки селеніду вісмуту, легованого міддю в КІЛЬКОСТІ 1% по масі, механічно подрібнювались в кульковому млинку Після просіювання ВІДДІЛЯЛИСЯ фракції не більше 50мкм, які використовувалися для формування катоду Катодна суміш мала склад активний матеріал ВігЄез - 86мас %, щавлева кислота СООНСООН - Юмас %, фторопластовий порошок ФЗБ 4мас % Для отримання гомогенності суміш за допомогою електричного міксера перемішувалася протягом 3 І 5 хвилин Дископодібні електроди формувалися під тиском ~ 103кГ/см2 Для елементів вибраного типорозміру ("2325") маса катоду становила 1,40г Після ЦЬОГО електроди поміщалися в пірексовий контейнер і після вакуумування до 2 -ь 4 * 10 2 мм рт ст включали нагрів трубчатої пічки з контейнером до температури + 220°С Час витримки при цій температурі становив 2 години Термічно оброблені катоди просочувалися розчином електроліту при пониженому тиску і зберігалися в боксі з осушеною атмосферою Сепаратором служив нетканий поліпропілен товщиною 0 08 -ь 0,1мм Елементи конструкції 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 Розрядна ємність, мА * год 235 -ь 250 260 -ь 270 Таблиця 1 Потовщення елементів при CD = 240мА * год, мм 0,454^-0,55 0,27-ьО.ЗЗ протягом 1 години при температурі 150°С - для корпусу і кришки та 80°С - для прокладки Далі ЛІТІЄВИЙ анод впресовували в кришку з попередньо привареною нікелевою сіткою, а катод, просочений 1М розчином L1BF4 в у-бутиролактоні, поміщався в корпус, що містив ізоляційне поліпропіленове кільце, і додався - 0,3 -ь 0,4мл електроліту Анод та катод розділялися сепаратором, змоченим електролітом Герметизація елементів проводилася з допомогою механічного пресу зусиллям 2 тонни Техніко-економічна ефективність запропонованого рішення полягає у досягненні вищих значень параметрів у порівнянні з іншими ЛІТІЄВИМИ джерелами струму 1,5-вольтового класу, а також у покращенні структури розрядної кривої та значному зниженні потовщення елементів під час розряду, а в більш широкому аспекті - в тому, що воно дає можливість цілеспрямовано керувати характеристиками гальванічних елементів з штеркаляційниим механізмом струмоутворюючих процесів ЛІТЕРАТУРА 1 Modern Battery Technology/editor Chve D S Tuch , Ellis Horwood Limited, 1991, New York, 580p 2 Авторское свидетельство СССР №1570587, 1988г Химический источник тока/Ковалюк З Д , Григорчак И И , Козьмик И Д , Криган Г, Бахматюк Б П 46137 ДП «Український інститут промислової власності» (Укрпатент) вул Сім'ї Хохлових, 15, м Київ, 04119, Україна (044)456-20- 90 ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)216-32-71