ЦИЛИНДРИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ЛИТИЙ-ДИСУЛЬФИД ЖЕЛЕЗА
CYLINDRICAL ELEMENT OF ELECTROCHEMICAL SYSTEM OF LITHIUM-IRON DISULFIDE

Изобретение относится к химическим источникам тока одноразового действия высокой удельной мощности и энергии, применяемых для электропитания электронной аппаратуры.
Известен элемент электрохимической системы литий - дисульфид железа (Патент РФ на ИМ №188114, Опубликовано 29.03.2019, МПК Н01М 6/16), содержащий анод, катод и электролит, размещенные в герметичном металлическом корпусе, в качестве анода используется лента из литий-алюминиевого сплава, в качестве катода - алюминиевая фольга с нанесенным при помощи фторопластовых добавок дисульфидом железа, а электролитом служит раствор перхлората лития в смеси пропиленкарбоната с диметоксиэтаном.
В данном техническом решении не разработаны конструктивные особенности элемента, в связи с чем оно недостаточно для достижения требуемых электрических характеристик элемента.
Известен элемент литий-дисульфид железа фирмы Energizer (http://data.energizer.com/pdfs/lithiuml91192_xsection.pdf) типоразмеров АА и AAA, содержащий ленточный литиевый анод, ленточный катод из дисульфида железа и полимерный сепаратор, пропитанный электролитом, собранные в рулон, один конечный участок токоотвода анода зафиксирован на корпусе элемента, противоположный конечный участок токоотвода анода зафиксирован на ленте анода, один конечный участок токоотвода катода зафиксирован на крышке элемента, противоположный конечный участок токоотвода катода зафиксирован на ленте катода, крышка содержит: предохранительный клапан; токовывод катода, выполненный в виде перфорированного колпачка; предохранитель от повышенных токов разряда и герметично зафиксирована в корпусе. При токе разряда 250 мА элемент типоразмера АА обеспечивает емкость 3,5 Ач.
Известен цилиндрический элемент системы литий-дисульфид железа (RU №198447, принят за прототип) содержит ленту литиевого анода с токоотводом, ленту катода из дисульфида железа с токоотводом и полимерный сепаратор, пропитанный электролитом, собранные в рулон, один конечный участок токоотвода анода зафиксирован на корпусе элемента, противоположный конечный участок токоотвода анода зафиксирован на ленте анода, один конечный участок токоотвода катода зафиксирован на крышке элемента, противоположный конечный участок токоотвода катода зафиксирован на ленте катода, крышка содержит: предохранительный клапан; токовывод катода, выполненный в виде перфорированного колпачка; предохранитель от повышенных токов разряда и герметично зафиксирована в корпусе, один конечный участок токоотвода катода зафиксирован на ленте катода сварным соединением и закрыт изолирующей лентой, а противоположный конечный участок токоотвода катода зафиксирован сварным соединением на оправе мембраны крышки, один участок токоотвода анода зафиксирован на ленте анода сварным соединением и закрыт изолирующей лентой, а противоположный конец токоотвода анода зафиксирован на корпусе элемента сварным соединением, предохранительный клапан выполнен в виде мембраны из полипропиленовой пленки, армированной фольгой. Элемент типоразмера АА имеет емкость 3 А-ч при токе разряда 200 мА.
К недостаткам как аналогов, так и прототипа относится невозможность получения на основе данных технических решений надежных источников тока с более высокими мощностью и емкостью.
Проблемой создания источников тока на основе системы литий-дисульфид железа является ограничение емкости единичного элемента, что при создании батарей с более высокими удельными характеристиками приводит к необходимости увеличивать количество параллельных цепей для наращивания емкости, что снижает надежность устройства.
Указанная проблема решается предлагаемой конструкцией элемента литий-дисульфид железа. Техническим результатом изобретения является повышение емкости единичного элемента за счет использования типоразмера увеличенных габаритов с возможностью закладки в него большего количества активных материалов. Это дает возможность снизить количество элементов в параллельных цепях батарей, что значительно повышает их надежность.
Технический результат изобретения достигается предлагаемой конструкцией элемента литий-дисульфид железа. Цилиндрический элемент системы литий-дисульфид железа содержит корпус с крышкой, предохранителем и внешней термоусаживаемой пленкой, ленту литиевого анода с токоотводом, ленту катода из дисульфида железа с токоотводом и полимерный сепаратор, пропитанный электролитом, собранные в рулон, один конечный участок токоотвода анода приварен к ленте анода и закрыт изолирующей лентой токоотвода анода, один конечный участок токоотвода катода приварен к краю ленты катода и закрыт изолирующей лентой токоотвода катода, причем лента анода имеет длину 1399-1401 мм, толщину 0,19-0,21 мм ширину 44,8-45,2 мм, полимерный сепаратор имеет длину 1525-1535 мм, ширину 49,96-50,04 мм и толщину 0,045-0,05 мм, лента катода имеет длину 1376-1381 мм, ширину 44,8-45,2 мм и толщину 0,045-0,048 мм, на ленте анода в средней ее части дополнительно закреплен токоотвод, свободные конечные участки токоотводов анода приварены к корпусу, свободный конечный участок токоотвода катода приварен к гермовыводу крышки, крышка имеет заливочное отверстие, герметизируемое шариком, и соединена с корпусом аргонодуговой сваркой, а предохранитель выполнен с возможностью ограничения тока разряда 5 А.
Размеры: ленты анода, длина 1399-1401 мм, толщина 0,19-0,21 мм, ширина 44,8-45,2 мм; полимерного сепаратора, длина 1525-1535 мм, ширина 49,96-50,04 мм и толщина 0,045-0,05 мм; ленты катода, длина 1376-1381 мм, ширина 44,8-45,2 мм и толщина 0,045-0,048 мм обеспечивают размещение рулона в корпусе элемента типоразмера D (34615), что позволяет достичь теоретической емкости элемента 45 А ч при токе разряда 1 А. Для обеспечения равномерного токоподвода к такой длине анода, а также для предотвращения разрыва ленты анода в процессе работы вследствие неравномерного анодного растворения необходимы два токоотвода, один - с краю электрода, другой посередине. Коммутация анода на корпус необходима для надежного приваривания токоотводов анода. Коммутация токоотвода катода на гермовывод крышки предотвращает контактную коррозию корпуса в паре катод-корпус, что обеспечивает максимальное время разряда, то есть емкость элемента. Соединение крышки с корпусом с помощью аргонодуговой сварки обеспечивает устойчивость элемента к временному повышению внутреннего давления, из-за которого может происходить нарушение герметичности элемента, пассивация лития и сокращение времени разряда, то есть разрядной емкости. Заливочное отверстие служит для заливки в элемент электролита после приваривания крышки к корпусу. Герметизация заливочного отверстия шариком предотвращает контакт лития и электролита с атмосферой, результатом чего является пассивация анода и быстрое снижение разрядного напряжения, что приводит к сокращению времени разряда и соответствующему снижению емкости. Предохранитель необходим для ограничения тока разряда, так как при токе разряда более 5 А может произойти повышение давления, приводящего к разгерметизации элемента.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 показан цилиндрический элемент системы литий-дисульфид железа в поперечном сечении.
На фиг. 2 показана лента анода с токоотводами.
На фиг. 3 показана лента катода с токоотводом.
1 - крышка
2 - лента анода
3 - предохранитель
4 - фалыи-крышка
5 - корпус
6 - внутренняя изолирующая прокладка
7 - прокладка нижняя
8 - прокладка верхняя
9 - прокладка наружная
10 -внешняя термоусаживаемая пленка
11 - шарик
12 - лента катода
13 - токоотвод ленты катода 12
14 - токоотводы ленты анода 2
15 - заливочное отверстие
16 - гермовывод крышки
17 - изолирующие ленты токоотводов 14 ленты анода 2
18 - изолирующие ленты токоотвода 13 ленты катода 12
19 - полимерный сепаратор
Цилиндрический элемент системы литий-дисульфид железа содержит корпус 5 с крышкой 1 и предохранителем 3 и внешней термоусаживаемой пленкой 10, ленту катода 12 из дисульфида железа длиной 1376-1381 мм, шириной 44,8-45,2 мм и толщиной 0,045-0,048 мм с токоотводом ленты катода 13, ленту анода 2 с токоотводами ленты анода 14 длиной 1399-1401 мм, толщиной 0,19-0,21 мм шириной 44,8-45,2 мм и полимерный сепаратор 19 длиной 1525-1535 мм, шириной 49,96-50,04 мм и толщиной 0,045-0,05 мм, пропитанный электролитом, собранные в рулон размерами диаметром 25-28 мм и высотой 49,96-50,04 мм, что позволяет поместить его в корпус элемента типоразмера D (34615). Один конечный участок токоотвода 13 ленты катода 12 приварен к ленте катода 12 и закрыт изолирующей лентой 18 токоотвода 13 ленты катода 12. Одни из конечных участков токоотводов ленты анода 14 приварены к краю ленты анода 2 и закрыты изолирующими лентами 17 токоотводов 14 ленты анода 2. На ленте анода 2 в средней ее части дополнительно закреплен токоотвод ленты анода 14, свободные конечные участки токоотводов анода 14 приварены к корпусу 5, свободный конечный участок токоотвода ленты катода 13 приваривается к гермовыводу 16 крышки 1. Крышка 1 имеет заливочное отверстие 15, герметизируемое шариком 11, и соединена с корпусом 5 аргонодуговой сваркой, а предохранитель 3 выполнен с возможностью ограничения тока разряда 5 А. Для предотвращения короткого замыкания электродов через крышку на нее укладывают внутреннюю изолирующую прокладку 6, для предотвращения замыкания электродов по торцам рулона на дно элемента укладывают прокладку нижнюю 7, а на верхнюю часть рулона прокладку верхнюю 8. Для предотвращения замыкания электродов через фалып-крышку 4, а также для дополнительного закрепления шарика 11 на крышку снаружи укладывают прокладку наружную 9.
Цилиндрический элемент системы литий-дисульфид железа работает следующим образом. Элемент устанавливают в требуемое посадочное место устройства-потребителя и замыкают внешнюю цепь. На ленте анода 2 начинается процесс растворения лития, ток во внешнюю цепь передается через токоотвод 14 ленты анода 2 и корпус 5. На катоде происходит восстановление дисульфида железа. Ток во внешнюю цепь передается через токоотвод 13 ленты катода 12, гермовывод крышки 16, предохранитель 3 и фалып-крышку 4. Перенос ионов лития осуществляется через полимерный сепаратор 19, пропитанный электролитом. Если ток через элемент превышает значение 5А, предохранитель 4 разрывает цепь и через некоторое время нахождения элемента без нагрузки контакт восстанавливается. Такое превышение, являющееся следствием внутреннего короткого замыкания, предотвращают прокладки 6, 7, 8 и 9. Контактная коррозия в парах литий-токоотвод и катодная лента-токоотвод, возможная в период отсутствия тока в цепи (например, при прерывистых режимах разряда), предотвращается изолирующими лентами токоотводов 14 ленты анода 2 и изолирующей лентой токоотвода 13 ленты катода 12. При кратковременном повышении давления внутри корпуса элемента возможность разгерметизации предотвращает герметизация заливочного отверстия 15 шариком 11, прокладкой наружной 9, дополнительно закрепленной внешней термоусадочной пленкой 10, соединение корпуса 5 с крышкой 1 аргонодуговой сваркой. Размеры электродов обеспечивают максимальную емкость 45 Ач при токе разряда 1 А.
Таким образом, совокупность существенных признаков изобретения, размеры электродов, способ их коммутации внутри корпуса, герметизация элемента сварным соединением, обеспечивают достижение заявленного технического результата, повышение емкости единичного элемента.