ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ АККУМУЛЯТОР И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
ELECTRIC ACCUMULATOR AND METHOD OF ITS MANUFACTURING

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
[0001] Настоящая заявка испрашивает приоритет заявки США на
полезную модель серийный номер 14/607,429, поданной 28 января 2015 года, которая является частично продолжающейся патентной заявкой на полезную модель США №14/339448, поданной 12 ноября 2014 года, содержание которой включено здесь в качестве ссылки.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Область изобретения
[0002] Настоящее изобретение относится к устройствам для накопления электрической энергии, имеющим анод из алюминия и электролит, содержащий ионы алюминия.
[0003] Настоящее изобретение также относится к способу конструирования устройства для накопления электрической энергии, имеющего анод из алюминия и электролит, включающий ионы, содержащие алюминий.
2. Описание предшествующего уровня техники
[0004] Из уровня техники известны аккумуляторные батареи с анодом, содержащим слой алюминия. Эти алюминиевые батареи обычно представляют собой первичные или заряжаемые батареи системы алюминий-воздух типа описанных в патенте США №4925744. Использование алюминиевого сплава с 0,1-0,5% по весу индия для изготовления тонкопленочного аккумуляторного электрода раскрыто в патентной заявке США №2002/0,148,539. В патентной заявке США 2012/0,082,904 раскрыта батарея, которая включает анод, содержащий металлический алюминий, и электролит, включающий ионы, содержащие алюминий.
[0005] Также в области техники известны батареи, сконструированные в виде сэндвича из слоев с катодом, зажатым между мембраной и расположенным в пространстве и параллельно аноду электролитом, пропитывающим мембрану, чтобы пропускать ионный ток через мембрану. Один такой пример воплощения описан в патентной заявке США 2009/0142668.
[0006] Известно использование легирующей примеси для изменения электрохимических свойств катода батареи. Такой легированный катод раскрыт в патенте США №6,949,233.
[0007] Существующие устройства для накопления энергии с анодами из алюминия были ограничены коррозией и образованием окислов на поверхности анода, который блокирует ионы в электролите от возможности вступать в реакцию с анодом, и не допускает перезарядки таких батарей.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0008] Изобретение относится к устройству для накопления
электрической энергии с анодом, содержащим алюминий, и катодом, включающим решетку основы, имеющую сопряженную систему с делокализованными пи-электронами, связанными с легирующей примесью, которая содержит алюминий и электролит с положительными и отрицательными ионами алюминия диспергированного в глицероле. Изобретение также предусматривает способ конструирования такого устройства для накопления электрической энергии, включающего стадию создания электролита путем растворения порошкового перхлората алюминия в глицероле.
ПРЕИМУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0009] Изобретение в целом относится к устройству для накопления электрической энергии, которое включает анод из алюминия и новый электролит, включающий ионы, содержащие алюминий, диспергированный в глицероле.
[00010] Благодаря своим уникальным электрохимическим свойствам алюминий обладает потенциалом гораздо большей плотности энергии по сравнению с другими материалами, обычно используемыми в электрических аккумуляторах, например в литий-ионных аккумуляторных батареях. Алюминий предлагает дополнительные преимущества в том, что он является широко известным, недорогим и гораздо менее огнеопасным, чем литий.
3
3
[00011] Глицерол, который также называют глицерином или пропан-1,2,3-триолом, представляет собой простой полиол (сахарный спирт), имеющий молекулярную формулу CH8O. Глицерол - насыщенный, стабильный, гигроскопичный и нетоксичный растворитель, идеально подходящий для использования в неводном электролите. Этот электролит позволяет создать вторичную алюминиевую батарею с анодом из алюминия, который приспособлен к многократным циклам зарядки и разрядки, поскольку он не страдает от разрушающей коррозии или образования окислов на алюминиевом аноде.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[00012] Другие преимущества настоящего изобретения будут оценены при чтении следующего подробного описания со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
[0013] Фигура 1 - схематичный разрез вторичной алюминиевой батареи.
[0014] Фигура 2 - вид сверху вторичной батареи с анодом, расположенным над катодным слоем.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНОГО ВАРИАНТА ВОПЛОЩЕНИЯ
[0015] Обратимся к чертежам, на которых одинаковые цифровые позиции обозначают одинаковые части в нескольких видах. Устройство 20 для накопления электрической энергии представлено в качестве вторичной батареи или вторичного аккумуляторного устройства 22, в котором используется неводный электролит 24, включающий ионы 26, 27, содержащие алюминий. Термин «вторичная батарея» относится к электрохимическому устройству для накопления энергии, которое способно перезаряжаться. Термин «неводный» относится к веществу, которое не содержит значительного количества воды. В соответствии с настоящим изобретением могут быть сконструированы другие типы устройств 20 для накопления электрической энергии. Такие устройства 20 для накопления электрической энергии включают, например, первичные или неперезаряжаемые батареи и электролитические конденсаторы.
[00016] Как показано на чертежах, вторичное аккумуляторное устройство 22 выполнено в виде стопки тонких слоев. Следует принимать во внимание тот факт, что вторичное аккумуляторное устройство 22 может быть выполнено в виде различных физических устройств. Примерами таких устройств являются монеты, цилиндрические батареи и многоячеечные пакеты, например, которые обычно используются в портативных компьютерах, персональной электронике и электрических или гибридных электромобилях.
[00017] Вторичное аккумуляторное устройство 22 включает анод 28 из алюминия с чистотой 99,95% и от 0,1 до 0,6% по весу индия. Анод 28 имеет прямоугольную форму с первой длиной 1,2 см, первой шириной 1,7 см и первой толщиной 0,1 мм.
[00018] Отрицательный вывод 30 из электропроводящего материала прикреплен к аноду 28 с помощью электропроводящего цемента 32, который включает частицы металла. Примерами такого электропроводящего цемента 32 являются двухкомпонентная токопроводящая серебряная краска (часть №12642-14), которую поставляет компания «Electron Microscopy Sciences» и паяльная паста «Solder-It», поставляемая компанией «SOLDER-IT, ЕЧС». Плезантвилль, штат Нью-Йорк. Отрицательный вывод 30 служит точкой соединения для передачи электрического тока между анодом 28 и внешней цепью для зарядки или разрядки аккумуляторного устройства. Отрицательный вывод 30 может также служить в качестве точки соединения с другим элементом батареи в составе многоячеечного аккумуляторного устройства. Отрицательный вывод 30 может представлять собой провод, контактную площадку, клемму или любое другое подходящее средство для осуществления электрического соединения.
[00019] Целлюлозная мембрана 34, имеющая толщину 0,08 мм и определяющая множество пор 36, расположена параллельно и в контакте с анодом 28. Мембрана 34 является электрическим изолятором, но проницаема для растворенных ионов 26, 27.
[00020] Вторичное аккумуляторное устройство 22 также включает катод 38, имеющий прямоугольную форму со второй длиной 1,4 см, второй шириной 1,9 см и второй толщиной 0,1 мм. Катод 38 расположен параллельно мембране 34, расположенной между катодом 38 и анодом 28.
[00021] Катод 38 включает несущий лист 40 из целлюлозы и электроактивный слой 42, встроенный в несущий лист 40 на стороне, обращенной к аноду 28. Иными словами, электроактивный слой 42 покрывает поверхность и входит в структуру несущего листа 40. Электроактивный слой 42 содержит решетку основы 44, которая определяет множество полостей и включает сопряженную систему с делокализованными пи-электронами. Сопряженная система определяется как система связанных р-орбиталей, содержащих делокализованные электроны в химических соединениях. Конкретнее, сопряжение представляет собой перекрытие одной р-орбитали другой в соседних одиночных сигма-связях. Одним таким соединением, имеющим сопряженную систему, является графит. Другие соединения, такие как, без ограниячения, ими, включают полианилин и полисопряженные линейные углеводородные полимеры также включают конъюгированные системы с перекрывающимися р-орбиталями. Легирующая примесь 48, которая включает алкоголят алюминия и глицерат алюминия, присоединена к сопряженной системе решетке основы 44 для изменения электрохимических свойств электроактивного слоя 42 катода 38 и для увеличения скорости реакций с первыми ионами 26, а вторые ионы 27 для зарядки и разрядки вторичного аккумуляторного устройства 22. Легирующая примесь 48 также вводится в решетку основы 44, и частицы легирующей добавки 48 внедряются в полости решетки основы 44.
[0022] Положительный вывод 50, содержащий графит, электрически соединенный с электроактивным слоем 42 катода 38 для передачи электрического тока между катодом 38 и внешней цепью для зарядки или разрядки батареи. Положительный вывод 50 электрически и механически соединен с электроактивным слоем 42 катода 38 с помощью токопроводящего клея 52, содержащего графит. Одним из таких токопроводящих клеев 52 является графитовый электропроводящий клей 52 112 (Graphite Conductive Adhesive 52 арт. №12693-30), поставляемый компанией Electron Microscopy Sciences. Положительный вывод 50 предпочтительно выполнен из тонкопленочной ленты терморасширяемого графита. Положительный вывод 50 также может быть графитовым стержнем диаметром 0,1 мм. Положительный вывод 50 также может служить в качестве точки подключения к другому элементу батареи в составе многоячеечного аккумуляторного устройства. Положительный вывод 50 может быть выполнен в виде провода, прокладки, клеммы или любого другого средства, подходящего для электрического соединения. Проводники из металла не должны находиться в непосредственном контакте с электроактивным слоем 42 катода 38, так как доказано, что некоторые металлы мигрируют в электроактивный слой 42 и нарушают функциональность катода 38 при зарядке и разрядке вторичного аккумуляторного устройства 22.
4
2
3
5
3
2
4
4
[0023] Электролит 24, состоящий, в основном, из глицерола и первых ионов 26, содержащих алюминий, и имеющих положительный заряд, включая [Al(ClO)⋅{CH(OH)}] и вторые ионы 27, содержащие алюминий, и имеющие отрицательный заряд, включая [Al(ClO)] пропитывает или заполняет поры 36 мембраны 34 для перемещения ионов 26, 27 через мембрану 34. Таким образом, ионы 26, 27 алюминия обеспечивают ионный ток при их миграции и реакции между анодом 28 и катодом 38 при зарядке и разрядке батареи.
[0024] В одном варианте воплощения решетка основы 44 элемента электроактивного слоя 42 содержит хлопья 54 графита с размером частиц от 200 до 300 мкм и связующий материал, который смачивается глицеролом. Алкильный клей и акриловый клей являются подходящими связующими материалами и могут быть с успехом использованы для этой цели.
[0025] В альтернативном варианте решетка 44 основы электроактивного слоя 42 содержит частицы из аморфного терморасширяемого графита, диоксида марганца и активированного диоксида марганца, ацетиленовой сажи, и электропроводящей краски, включающей графит и связующий материал, который смачивается глицеролом. Было обнаружено, что алкиловый клей, акриловый клей и токопроводящая краска, содержащая графит, являются подходящими связующими веществами.
[0026] В другом альтернативном варианте воплощения решетка основы 44 электроактивного слоя 42 включает поликонъюгированный линейный углеводородный полимер.
[0027] В еще одном альтернативном варианте воплощения решетка основы 44 электроактивного слоя 42 включает циклический поликонъюгированный цепной полимер, такой как полианилин.
[0028] Настоящее изобретение также обеспечивает способ конструирования вторичного аккумуляторного устройства 22.
[0029] Способ включает стадии изготовления фольги 56 путем нагрева пластины из алюминия чистотой 99,95% и от 0,1-0,6% по весу индия до температуры 450°C, прокатки пластины для уменьшения толщины пластины при охлаждении со скоростью более 10°C в минуту до уменьшенной толщины, повторное нагревание пластины уменьшенной толщины и повторную прокатку пластины уменьшенной толщины в фольгу 56, покрытую оксидом алюминия и поверхностными примесями, имеющую толщину от 0,05 до 0,1 мм.
[0030] Способ включает стадии обработки и хранения фольги 56, который включает следующие операции: промывку фольги 56 этанолом для удаления из нее поверхностных примесей, погружение фольги 56 в 4-молярный раствор воды и гидроксида на одну минуту для удаления любого оксида алюминия с поверхности фольги 56, ополаскивание фольги 56 водой, чтобы удалить из нее весь гидроксид, нагрев фольги от 56 до 70°C в течение 30 минут для испарения из нее любой влаги и хранение фольги 56 в безводной среде для предотвращения окисления.
[0031] Способ продолжается стадией изготовления анода 28 из фольги 56 путем разделения фольги 56 на прямоугольные элементы для определения анода 28, имеющего первую длину 1,2 см и первую ширину 1,7 см, и соединения отрицательного вывода 30 с анодом 28 с помощью цемента 32, серебряной краски или алюминиевой паяльной пасты.
[0032] Способ включает стадию конструирования аккумуляторного устройства путем смачивания мембраны 34 электролитом 24 и укладки мембраны 34 параллельно аноду 28.
[0033] Способ включает стадии изготовления катода 38 путем нанесения катодной смеси 60 на тонкопленочный слой на одной стороне несущего листа 40 из целлюлозы для впитывания смеси в несущий лист 40 при условии, что катодная смесь 60 нагревается до температуры от 50 до 60°C для затвердевания катодной смеси 60 в решетке основы 44, которая расположена внутри несущего листа 40, смачивая решетку основы 44 легирующей жидкостью 62, содержащей легирующую примесь 48, чтобы легирующая примесь 48 связалась с решеткой основы 44 для получения электроактивного слоя 42 и ввода положительного вывода 50 в электрический контакт с электроактивным слоем 42 катода 38 с помощью клея 52, содержащим графит.
[0034] Способ включает дополнительные стадии для создания аккумуляторного устройства путем укладки катода 38 на мембрану 34 и параллельно мембране 34, расположенной между анодом 28 и катодом 38.
[0035] Способ включает стадию получения электролита 24 путем растворения порошка перхлората алюминия в глицероле до насыщения с получением электролита 24.
3
3
2
[0036] Способ также включает стадию приготовления легирующей жидкости 62 путем растворения порошка AlCl в этаноле до насыщения с получением фонового раствора 66, содержащего 40% по весу фонового раствора 66 с 60% по весу глицерола с получением бинарного растворителя 68, имеющего 1 см 99,4-99,9% по весу алюминия чистотой 99,95% и 0,1-0,6% по весу индия для получения мелких частиц 70 с эквивалентной площадью поверхности 20-30 см, погружение мелких частиц 70 в 150-200 мл бинарного растворителя 68 до растворения мелких частиц 70 с получением легирующей жидкости 62.
[0037] В настоящем изобретении также предлагается первый способ изготовления катодной смеси 60 путем смешивания 5% по весу алкильного клея с 60% по весу этанола с 35% по весу хлопьев графита 54.
[0038] В настоящем изобретении предлагается второй альтернативный
2
способ изготовления катодной смеси 60 путем смешивания аморфного терморасширяющегося порошка графитом с 1-5% по весу активированного MnO с 1-5% по весу ацетиленовой сажи, чтобы получить промежуточную смесь и добавление связующего, содержащего алкил и этанол или акрилового клея или графитовой краски к промежуточной смеси, чтобы приготовить катодную смесь 60, имеющую консистенцию густой пастообразной массы.
[0039] Очевидно, что в свете приведенного выше описания возможны различные модификации и варианты настоящего изобретения, который на практике могут быть осуществлены иначе, чем конкретно описано здесь без выхода из объема прилагаемой формулы изобретения. Новизна относительно известного уровня техники в формуле изобретения излагается в разделе после слов «отличающийся тем». Новизна после изложения старой и хорошо известную комбинации составляет сущность изобретение. Использование слова «указанный» в формуле изобретения относится к антецеденту, который является положительным при включении в объем формулы изобретения. Ссылки в формуле изобретения предназначены только для удобства и никоим образом не могут считаться ограничивающими изобретение.