ТЕПЛОВОЙ ХИМИЧЕСКИЙ ИСТОЧНИК ТОКА

Полезная модель относится к тепловым химическим источникам тока, обладающими повышенной удельной энергией.
Из известных в уровне техники конструкций тепловых химических источников тока (ТХИТ) наибольшими преимуществами обладает таблеточная конструкция, электрохимический элемент которой состоит из прессованных таблеток катода, анода, электролита и пиронагревателя, плотно прижатых друг к другу (Кукоз Ф.И., Труш Ф.Ф., Кондратенков В.И. Тепловые химические источники тока, издательство Ростовского университета, 1989 - с. 52-53). В качестве анодных материалов используются композиционные материалы литий-кремний (60% лития и 40% кремния), литий-алюминий и литий-бор с содержанием бора 60-70%. Перспективность анодных материалов системы литий-кремний связана с устойчивостью этих сплавов при температурах свыше 900 К, однако минимальная толщина анодов из этих сплавов составляет 0,2-0,3 см, что ограничивает удельную энергию и мощность ТХИТ (Кукоз Ф.И., Труш Ф.Ф., Кондратенков В.И. Тепловые химические источники тока, издательство Ростовского университета, 1989 - с. 20). Композиционные материалы литий-бор позволяют значительно снизить толщину анода и преодолеть указанные ограничения, в том числе за счет образования в процессе анодного растворения хлоридных боратных комплексов, обладающих повышенной подвижностью в расплавленном электролите.
Известна тепловая батарея фирмы ASBGroup (http://www.asb-group.com/sites/default/files/FICHE-4-GB_ASB_0.pdf), используемая для электропитания потребителей в режиме пиковых нагрузок по мощности, массой 0,1 кг, с допуском по напряжению 16-23 В (35%) и удельной энергией 6,4 Втч/кг при токе разряда 2 А.
Известна тепловая батарея фирмы EaglePicherEAP-12256A (https.//www.eaglepicher.com/products/bundle-energy-thermal-battery-syctems/), используемая для электропитания потребителей в режиме пиковых нагрузок по мощности, массой 0,21 кг с допуском по напряжению 22-32 В (37%) и удельной энергией 4,5 Втч/кг при токе разряда 0,35 А, в качестве анода использован литий-кремниевый композит, катодом является дисульфид железа.
Известна тепловая батарея фирмы EaglePicherCAP-12181 (https://www.eadepicher.com/sites/default/nles/CAP-12181.pdf). используемая для электропитания потребителей в режиме пиковых нагрузок по мощности, с удельной энергией 1,2 Втч/кг при токе разряда 0,375 А.
Известен тепловой химический источник тока Патент RU№2448393, опубликован 20.04.2012, МПК Н01М 6/36, принят за прототип, содержащий помещенный в корпус и герметизированный крышкой блок, набранный из последовательно расположенных электрохимических элементов, состоящих из прессованных таблеток: катода; электролита; анода; пиротехнических нагревателей, тепло- и электроизоляционных прокладок, установленных по боковой поверхности и торцам блока; по боковой образующей поверхности блока установлены инициирующие пиротехнические полосы (у нас - продольная инициирующая пиротехническая полоса), контактирующие с запальным устройством (у нас - электровоспламенитель) и охватывающие большую часть боковой поверхности блока электрохимических элементов, инициирующие пиротехнические полосы (у нас - продольная инициирующая пиротехническая полоса) прижаты к блоку стеклотканой лентой толщиной (0,12-0,15) мм, пропитанной кремнийорганическим лаком и образующей герметичную оболочку путем обмотки блока по периметру с перекрытием слоев не менее чем на  ширины ленты. Данная конструкция реализована на основе электрохимической системы литий-кремний - электролит, эвтектическая смесь хлорида калия и лития - дисульфид железа и характеризуется удельной энергией до 10 Втч/кг (Кукоз Ф.И., Труш Ф.Ф., Кондратенков В.И. Тепловые химические источники тока, издательство Ростовского университета, 1989. - 208 с стр. 108).
Недостатками как аналогов, так и прототипа, является ограничение удельной энергии, связанное с теоретической удельной емкостью анодного материала и ограничениями тока, обусловленными проводимостью электролитного слоя и недостаточно высокой истинной поверхностью катода вследствие вытекания из пор расплавленного электролита.
Таким образом, проблемой повышения удельной энергии теплового химического источника тока является выбор соответствующего анодного материала, состава электролита и прессованной таблетки катода. На решение этой проблемы направлена предлагаемая конструкция теплового химического источника тока.
Техническим результатом полезной модели является увеличение удельной энергии ТХИТ.
Указанный технический результат достигается за счет конструкции теплового химического источника тока. Тепловой химический источник тока, содержащий помещенный в корпус и герметизированный крышкой блок, набранный из последовательно расположенных электрохимических элементов, состоящих из прессованных таблеток: катода, электролита, анода; токовыводов положительного и отрицательного электродов, расположенных в крайних точках блока электродов; пиротехнических нагревателей, тепло- и электроизолирующих прокладок крышки; поперечную инициирующую пиротехническую полосу, продольные инициирующие пиротехнические полосы, установленные по боковой образующей поверхности блока, продольные инициирующие пиротехнические полосы контактируют с торцевыми поверхностями пиротехнических нагревателей и прижаты к блоку стеклотканой лентой толщиной 0,12-0,15 мм, пропитанной кремнийорганическим лаком и образующей герметичную оболочку путем обмотки блока по периметру с перекрытием слоев не менее чем на  ширины ленты, причем прессованная таблетка анода выполнена из композиционного материала литий-бор, содержащего 54-56% лития, бор - остальное, диаметром 21 мм и толщиной 0,26-0,3 мм, прессованная таблетка электролита содержит: хлорид лития - 20-22%, хлорид калия - 25-27%, фторид лития - 1,3-1,5%, оксид магния - остальное и выполнена с диаметром 21 мм и толщиной 0,16-0,18 мм, прессованная таблетка катода содержит: дисульфид железа 73-75% и электролит - остальное и выполнена с диаметром 21 мм и толщиной 0,34-0,36 мм, блок из последовательно расположенных электрохимических элементов имеет дополнительный токовывод из его средней точки.
6
Материалом прессованной таблетки анода в предлагаемой полезной модели является композиционный материал литий-бор, который при общей массовой доле лития 54-56%, бор - остальное, содержит интерметаллид Li7B, а также свободный литий. Процесс разряда протекает с полным разрушением структуры, задействованием всех компонентов композиционного материала с образованием боратных комплексов, что повышает удельную емкость и коэффициент использования анода. Физико-механические свойства композиционного материала позволяют выполнять из него анодные таблетки толщиной 0,26-0,3 мм и диаметром 21 мм, то есть соотношением толщины к диаметру 0,010-0,014, что увеличивает доступность поверхности электрохимической реакции и приводит к дополнительному повышению коэффициента использования анода при токах разряда свыше 2 А. Проведенными исследованиями показано, что толщина 0,26-0,3 мм является оптимальной для полноты проработки анода. Наличие в композиционном материале свободного лития понижает потенциал анода, повышая, тем самым общее напряжение ТХИТ.
Присутствие в электролите, содержащем хлорид лития - 20-22%, хлорид калия - 25-27%, фторид лития - 1,3-1,5%,оксид магния - остальное, в качестве загустителя оксида магния позволяет обеспечивать работу электрохимического элемента теплового ХИТ при толщине электролитной таблетки 0,16-0,18 мм и диаметре 21 мм, что снижает омическое сопротивление электролита и увеличивает диапазон рабочих токов.
Состав таблетки катода, дисульфид железа 73-75% и электролит - остальное, дает возможность повысить полноту протекания катодной реакции за счет возможности уменьшения толщины катодной таблетки в совокупности с ростом ее активной поверхности, обеспечиваемым содержанием в катодной таблетке 25-27% электролита повышенной вязкости. Это позволяет повысить напряжение батареи до 26 В и снизить допуск по напряжению до 26%.
Дополнительный токовывод из средней точки электрохимических элементов обеспечивает равномерное распределение тока по блоку электрохимических элементов, что дает возможность повысить коэффициенты использования материалов в каждом элементе.
В совокупности понижение потенциала анода из композиционного материала литий-бор, повышение его удельной емкости, понижение толщины электролитной таблетки до 0,16-0,18 мм, снижающее омические потери и повышение вязкости электролита, позволяющее повысить коэффициент использования дисульфиджелезного катода, а также увеличить его активную поверхность, наличие токовывода из средней точки блока электрохимических элементов, повышающее равномерность распределения тока, обеспечивают повышение удельной энергии ТХИТ.
ТХИТ конструкции, описанной в предлагаемой полезной модели, работает следующим образом. В требуемый момент времени происходит зажигание поперечной инициирующей пиротехнической полосы, горение которой передается на продольные инициирующие пиротехнические полосы, а от них - к пиротехническим нагревателям. Этим достигается температура расплавления электролита и ТХИТ переходит в активированное состояние. На аноде, содержащем лития 54-56%, бор - остальное, начинается растворение металлического лития и бора с образованием его хлоридных комплексов, которые растворяются в расплавленном электролите без образования твердофазных пассивирующих продуктов, что, в совокупности с малой толщиной анодной таблетки, 0,26-0,3 мм, обеспечивает высокую удельную емкость, а также работоспособность при токах более 2 А. На катоде происходит восстановление дисульфида железа до сульфида и металлического железа, полнота протекания катодной реакции обеспечивается малой толщиной катода, 0,16-0,18 мм, а также нахождением загущенного оксидом магния электролита во всем объеме пор катода. Последнее, в совокупности с малой толщиной слоя электролита, 0,34-0,36 мм, приводит к устойчивой работе катода при токах более 2 А, которые позволяет развивать композиционный анодный материал. В результате достигается увеличение напряжения ТХИТ, рост коэффициентов использования катода и анода при токах более 2 А, что приводит к значительному росту удельной энергии ТХИТ.
Тепловые химические источники тока с конструкцией, описанной в полезной модели, были активированы и разряжены при токе 2,65 А. Среднее разрядное напряжение ТХИТ составило 20-26 В, время работы 60 с, что соответствует удельной энергии 23,8 Втч/кг, что значительно превосходит известные аналоги.