ВЫСОКОМОЩНЫЙ ЛИТИЙ-ИОННЫЙ АККУМУЛЯТОР

Данное техническое решение относится к аккумуляторным батареям, в частности к литий-ионному аккумулятору с улучшенными эксплуатационными характеристиками.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известна литий-ионная батарея (патент RU 127253, опубл. 20.04.2013), состоящая из литий-ионных аккумуляторов, последовательно соединенных в электрическую цепь. Корпуса аккумуляторов, имеющие призматическую форму, отделены друг от друга и от стенок корпуса литий-ионной батареи диэлектрическими проставками и стянуты силовыми шпильками через боковые стенки корпуса батареи. Нижние днища корпусов литий-ионных аккумуляторов установлены на охлаждаемом основании через неэлектропроводящую прокладку. При этом каждая диэлектрическая проставка на боковых сторонах снабжена проушинами под силовые шпильки и буртиками на верхней и боковых сторонах, обеспечивающими фиксацию литий-ионных аккумуляторов в направлениях, перпендикулярных оси сборки аккумуляторов в батарее, а корпус литий-ионной аккумуляторной батареи может быть выполнен из композиционного материала.
Известен также литий-ионный аккумулятор (патент RU 128014, опубл.10.05.2013), содержащий отрицательный электрод, включающий электропроводящую подложку с нанесенным на нее активным слоем, и положительный электрод, включающий электропроводящую подложку с нанесенным на нее кремнийсодержащим активным слоем, сепаратор, пропитанный неводным электролитом и размещенный между активными слоями разноименных электродов, в качестве материала активного слоя положительного электрода использована паста на основе феррофосфата лития, а электропроводящие подложки разноименных электродов выполнены из титановой фольги. В качестве кремнийсодержащего активного слоя отрицательного электрода может быть использован аморфный кремний, а также композиты кремний-углерод или кремний-алюминий.
Известные решения обладают недостаточной эффективностью при использовании данной конструкции батареи в аккумуляторах, которые подвергаются частым циклам перезаряда, что обуславливается повышенным износом аккумулятора при падениях заряда и продолжительном нахождении в этом состоянии.
РАСКРЫТИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Технической проблемой, решаемой с помощью заявленного устройства, является устранение недостатков известных аналогов, а также расширение арсенала технических средств данного назначения.
Техническим результатом является расширение арсенала технических средств, а также повышение износостойкости аккумулятора при многократных циклах его перезарядки.
Для достижения заявленного результата предлагается конструкция литий-ионного аккумулятора, который содержит отрицательный электрод, включающий электропроводящую подложку с нанесенным на нее активным слоем, и положительный электрод, включающий электропроводящую подложку с нанесенным на нее кремнийсодержащим активным слоем, пористый полимерный сепаратор, пропитанный неводным электролитом и размещенный между активными слоями разноименных электродов, причем отрицательный электрод выполнен из композиционного материала на основе графита и углерода, положительный электрод содержит буферный слой из углеродистого материала, а поверхности сепаратора, обращенные к электродам, имеют различную степень шероховатости.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Конструкция заявленного аккумулятора в своем общем виде соответствует классическому построению литий-ионных аккумуляторных батарей и содержит катод, анод, сепаратор, электролит и герметичный корпус.
Большее влияние на технические параметры аккумуляторной батареи оказывает свойство активного материала, из которого изготавливается отрицательный электрод. Преимущество от использования углеродного материала для его изготовления заключается в достаточно простом формировании поверхности активного слоя на электроде, обладающей большой площадью, что впоследствии положительным образом сказывается на циклах перезарядки аккумулятора. Для увеличения износостойкости аккумулятора предпочтительно использовать дополнительный буферный слой на аноде из углеродистого материала и связующее.
Одним из примеров такого материала может служить смесь графита и углерода, в частности могут применяться углеродные нанотрубки.
В качестве токопроводящей подложки электрода может использоваться стеклоуглерод, фольга из титана, углеродная ткань и т.п. На подложки соответствующих электродов наносится активный слой, в частности для отрицательного электрода может применяться кремнийсодержащий материал и его композитные соединения (кремний-углерод или кремний-алюминий).
Для активного слоя положительного электрода может применяться паста на основе феррофосфата лития LiFePO4. Указанная паста может содержать в своем составе ингредиенты в следующем соотношении, мас.%: феррофосфат лития - 50-95; электропроводная углеродная добавка - 2-45; связующее - 5-15. В качестве связующего может быть использован поливинилиденфторид.
Для буферного слоя положительного электрода может применяться широкая группа углеродных соединений, например углеродные волокна, углеродные нанотрубки, графен, углерод CMK-3 и др. Примерная толщина буферного слоя от 0.7 до 30 Мкм.
Для увеличения износостойкости аккумулятора и сохранения его энергетической эффективности сепаратор предлагается выполнять с поверхностями, имеющими различную степень шероховатости, каждая из которых повернута к соответствующему электроду. Сепаратор может изготавливаться, преимущественно, на основе полипропиленовых или полиэтиленовых смол с образованием пористого тела и иметь следующие диапазоны показателей шероховатости поверхностей:
для положительного электрода – от 0.5 до 0.2 Мкм;
для отрицательного электрода – от 0.35 до 0.5 Мкм.