ХИМИЧЕСКИЙ ИСТОЧНИК ТОКА

Полезная модель относится к электротехнике, в частности к химическим источникам тока (ХИТ) с высокой энергией, и может быть использована в различных областях народного хозяйства, например в кино-фото технике, бытовой аппаратуре и т.д.
x
2
4
Известен цилиндрический литий-ионный аккумулятор рулонной конструкции, в котором в качестве катодного материала используется литированный марганцевый оксид (LiMnO). Толщина катодного материала на обеих сторонах токового коллектора, по крайней мере, 210 мкм, а количество активного материала 240 г/м2. Содержание литий-марганцевого оксида в электроде, по крайней мере, 80%. Толщина анодного материала на обеих сторонах токового коллектора 130 мкм. В качестве электропроводящего материала в анод вводятся углеродные волокна, осажденные из газовой фазы или проводящие керамические волокна с диаметром менее 5 мкм и длиной более 5 мкм. В катод в качестве электропроводящей добавки вводится аморфный углерод. (Патент США №6447946, МПК Н01М 10/36; Н01М 10/38; Н01М 10/40, опубл. 10.09.2002 г)
Недостатком известного технического решения является использование в качестве катодного материала указанного электроактивного материала, который наряду с хорошей разрядной характеристикой и низкой стоимостью активного материала обладает низкой удельной энергоемкостью (~135 мА·ч/г).
1+z
y
2
1-x-y
x
y
2
Известен литиевый аккумулятор с неводным электролитом, в котором в качестве активного материала положительного электрода используется смесь литий-марганцевого композитного оксида, имеющего шпинельную структуру с общей формулой LiMnO (0≤z<0,2), и композитного оксида лития и переходного металла с общей формулой LiNiCoMnO (0,5<х+у<1,0; 0,1<у<0,6). В качестве активного материала для отрицательного электрода используется графит, покрытый низкокристаллическим углеродом. (Патент США №7217475, МПК Н01М 10/40; Н01М 4/02; Н01М 4/48, опубл. 15.05.2007)
Недостатком известного технического решения является использование в качестве катодного материала указанного электроактивного материала, обладающего низкой удельной энергоемкостью (~140-200 мА·ч/г).
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является химический источник тока рулонного, содержащий корпус, анод из щелочного металла лития, апротонный электролит, сепаратор и твердый катод в виде слоя карбида титана, нанесенный на металлическую сплошную коллекторную подложку плазменным методом. (Авторское свидетельство №1734528, МПК Н01М 4/66, опубл. 27.4.1996 г - прототип)
Недостатком известного аккумулятора является ступенчатый характер разрядной характеристики его имеет. Этот эффект обусловлен использованием в качестве подслоя на катодном токоотвод (коллекторе) карбида титана, нанесенного плазменным методом.
Технической задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является выравнивание разрядной характеристики аккумулятора при сохранении энергетических и эксплуатационных (циклирование) характеристик, а именно сглаживание скачков (флуктуаций) напряжения химического источника тока. Наличие стабильной (выровненной) разрядной характеристики химического источника тока позволяет значительно расширить диапазон его потребления в электронных приборах с автономным энергопитанием (например, приборы пожарной и специальной сигнализации, высокочувствительные приборы ночного видения и ряд приборов системы ГЛОНАСС).
x
3
8
x
2
5
Поставленная техническая задача решается тем, что, в химическом источнике тока рулонного типа, содержащем корпус, анод, электролит, сепаратор и твердый катод, согласно заявляемой полезной модели, катод выполнен из электроактивного материала на основе литий-ванадиевых бронз, включающего смесь твердых растворов LiVO·LiVO при следующем соотношении (масс.%):
x
2
5
LiVO - от 10% до 50%
x
3
8
LiVO - остальное.
Анод химического источника тока может быть выполнен из углеродного или композиционного материала или из металлического лития.
Кроме того, химический источник тока может содержать апротонный или полимерный электролит.
x
3
8
x
2
5
Техническим результатом, достижение которого обеспечивается реализацией заявляемой совокупности существенных признаков, является выравнивание разрядного напряжения за счет выполнения катода из электроактивного материала на основе литий-ванадиевых бронз, состоящего из смеси твердых растворов состава LiVO·LiVO в заявляемом соотношении компонентов состава.
Сущность полезной модели поясняется рисунком, где на фиг.1 представлена разрядная характеристика заявляемого химического источника тока.
Химический источник тока рулонного типа включает корпус, анод, электролит, катод. Анод химического источника тока может быть выполнен из углеродного или композиционного материала или металлического лития. Химический источник тока содержит апротонный или полимерный электролит.
х
з
8
x
2
5
x
2
5
х
3
8
Катод выполнен из электроактивного материала на основе литий-ванадиевых бронз, который состоит из смеси твердых растворов состава LiVО·LiVO, при этом в смеси LiVO содержится от 10% до 50%, LiVО - остальное.
В процессе работы химического источника тока:
+
1+x
3
8
x
2
5
1+x
3
8
x
2
5
xLi+LiVO·LiVO↔LiVO·LiVO
1+x
3
8
x
2
5
x
2
5
Выравнивание разрядного напряжения обусловлено тем, что фазовые переходы LiVO и LiVO по времени разряда не совпадают и, таким образом, разрядная характеристика получается сглаженной. В процессе циклирования удельная емкость электрода до 50 маc.% LiVO остается постоянной с небольшой долью деградации, примерно 0,5-1. мА·ч/г за цикл.
х
3
5
Если содержание LiVО в смеси будет меньше 10%, то эффект выравнивания разрядного напряжения не будет достигнут.
х
2
5
Если содержание раствора состава LiVО в смеси будет больше 50%, то удельные характеристики и циклируемость ХИТ (число циклов заряда-разряда) уменьшатся.
Авторами в ходе проведения экспериментальных работ были синтезированы катодные материалы различных составов и проведены их испытания на циклируемость (разряд-заряд) в составе литий-полимерного аккумулятора. Было проведено 300 циклов заряд-разряда. Результаты испытаний представлены в таблице 1
Таблица 1
% содержание Li<sub>x</sub>V<sub>2</sub>O<sub>5</sub>
Вид разрядной характеристики
Разрядная удельная емкость электрода Q, мА·ч/г
циклы
10
20
100
200
300
1
ступенчатая
350
330
330
320
310
2
ступенчатая
350
330
330
330
310
5
ступенчатая
350
330
330
320
320
10
пологая
350
330
330
320
320
20
пологая
350
330
330
330
315
30
пологая
350
330
330
315
315
50
пологая
350
330
330
320
315
60
пологая
340
320
320
300
200
70
пологая
340
320
320
300
200
+
1+x
3
8
x
2
5
x
2
5
x
3
8
Таким образом, по результатам испытаний аккумуляторы с катодами изготовленные из материала состава: xLi/LiV·OLiVO при заявленном соотношении (масс.%):LiVO - от 10% до 50%, LiVO - остальное не имеет видимых на разрядной характеристике фазовых переходов, что подтверждается представленной на фиг.1 разрядной характеристикой аккумулятора.
Предложенный химический источник тока может быть использован в различных областях народного хозяйства, в том числе в кино-фото технике, бытовой аппаратуре и т.п.