2
ЦИЛИНДРИЧЕСКИЙ ЛИТИЙ-ИОННЫЙ АККУМУЛЯТОР С КАТОДОМ НА ОСНОВЕ ОКСИДА ЛИТИЯ-НИКЕЛЯ-МАРГАНЦА-КОБАЛЬТА (LiNiMnCoO) (NMC)

Полезная модель относится к электрохимической энергетике, в частности к литий-ионным аккумуляторам (ЛИА).
Известны цилиндрические ЛИА (патент ПМ RU №143063, опубликовано 10.07.2014, МПК Н01М 10/0525, Н01М 4/133), с катодом на основе кобальтата лития, содержащий цилиндрический корпус с герметизированными положительным и отрицательным токовыводами, расположенными на крышках корпуса, приваренных к противоположным торцам корпуса, цилиндрический блок из отрицательного и положительного электродов с активными массами, разделенных сепаратором, пропитанным электролитом, токовые коллекторы электродов, приваренные к соответствующим токовыводам, предохранительные клапаны, отличающийся тем, что блок электродов намотан на полипропиленовую трубу, отрицательный электрод представляет собой медную фольгу с нанесенной на нее анодной активной массой, состоящей из графита, поливинилиденфторида и углерода, при следующем соотношении компонентов, мас. %:
графит - 90,0-96,0,
поливинилиденфторид - 0,8-2,9,
углерод - остальное, положительный электрод представляет собой алюминиевую фольгу с нанесенной на нее катодной активной массой, состоящей из кобальтата лития, поливинилиденфторида и углерода, при следующем соотношении компонентов, мас. %:
кобальтат лития - 90,0-95,0,
поливинилиденфторид - 0,94-3,0,
углерод - остальное.
Недостатком данного технического решения является то, что в качестве основного материала положительного электрода используется кобальтат лития, имеющий невысокие нагрузочные характеристики, дороговизна, низкая температурная стабильность, повышенная пожаровзрывоопасность.
2
Известен цилиндрический литий-ионный аккумулятор с катодом на основе оксида никеля-кобальта-алюминия LiNiCoAlO (NCA) (патент ПМ RU №177383, опубликован 20.02.2018, МПК Н01М 10/0525, принят за прототип).
2
Цилиндрический ЛИА с катодом на основе LiNiCoAlO (NCA) содержит цилиндрический корпус с герметизированными положительным и отрицательным токовыводами, расположенными на крышках корпуса, приваренных к противоположным торцам корпуса, цилиндрический блок из отрицательного и положительного электродов с активными массами, разделенных сепаратором, пропитанным электролитом, токовые коллекторы электродов, приваренные к соответствующим токовыводам, предохранительные клапаны. Блок электродов включает отрицательный электрод из медной фольги с нанесенной на нее анодной активной массой, состоящей из графита, поливинилиденфторида и углерода, при следующем соотношении компонентов, мас. %:
графит 92-95,
поливинилиденфторид 3-6,
нановолокно 0,5-1,0,
углерод - остальное.
2
Положительный электрод (катод) представляет собой алюминиевую фольгу с нанесенной на нее активной массой, состоящей из литированного смешанного оксида никеля-кобальта-алюминия (LiNiCoAlO), поливинилиденфторида, нановолокна и углерода при следующем соотношении компонентов, мас. %:
2
LiNiCoAlO (NCA) 92-96,
поливинилиденфторид 1-3,
нановолокно 0,5-1,5,
углерод - остальное.
Недостатком прототипа является низкая безопасность при эксплуатации, отсутствие защиты от перезаряда и переразряда по напряжению при заряде и разряде.
Проблемой эксплуатации цилиндрических литий-ионных аккумуляторов является снижение количества зарядно-разрядных циклов вследствие бесконтрольного снижения конечного напряжения при разряде, а также превышение конечного напряжения при заряде, в случае использования не специализированного зарядного устройства, вплоть до возгорания и разгерметизации аккумулятора. Предлагаемая полезная модель является вариантом решения этой актуальной проблемы.
Техническим результатом полезной модели является увеличение количества заряд-разрядных циклов и повышение безопасной работы.
Указанный технический результат достигается предлагаемой конструкцией цилиндрического ЛИА.
2
6
2
2
Цилиндрический литий-ионный аккумулятор с катодом на основе LiNiMnCoO (NMC) содержит коррозионно-стойкий тянутый металлический корпус, внутри которого размещен блок электродов, изготовленный по типу рулонной конструкции, состоящий из положительного электрода и отрицательного электрода, разделенных между собой пористым сепаратором с керамическим покрытием толщиной 16 мкм, сепаратор смочен органическим электролитом на основе соли LiPF и растворителей этиленкарбоната, этилметилкарбоната, диметилкарбоната, виниленкарбоната, положительный токовывод приварен контактно-точечной сваркой к крышке, отрицательный токовывод приварен контактно-точечной сваркой к корпусу аккумулятора, герметизация и крепление крышки к корпусу производятся методом зиговки, предварительной и окончательной завальцовки, на корпусе методом теплового воздействия усажена термоусадочная трубка, положительный электрод представляет собой алюминиевую фольгу толщиной 12 мкм с нанесенной на нее активной массой, состоящей из лития-никеля-марганца-кобальта оксида (LiNiMnCoO), поливинилиденфторида, углеродных нанотрубок и углерода при следующем соотношении компонентов активных масс: LiNiMnCoO 87-89%, поливинилиденфторид 0,9-1,1%, углеродные нанотрубки 10-12%, углерод - остальное, отрицательный электрод представляет собой медную фольгу толщиной 8 мкм с нанесенной на нее активной массой, состоящей из 95-97% графита, 1,3-1,6% натрий карбоксиметиллцелюлозы, 3,7-4,5% анионной полимерной дисперсии, углерод - остальное, по месту минус контакта установлен контроллер заряда-разряда, соединенный с плюс и минусом контактом аккумулятора никелевой лентой.
2
Количество зарядно-разрядных циклов и повышение безопасности работы повышается за счет использования в качестве основного материала положительного электрода материала LiNiMnCoO. Особенностью данного материала является сочетание никеля, марганца и кобальта в составе материла, в связке дающие высокую удельную энергию и низкое внутреннее сопротивление, хорошую циклируемость, а также снижение стоимости материала в связи с уменьшением содержания кобальта. Керамическим покрытием на сепараторе препятствует в случае образования дендритов лития, механическому повреждению сепаратора и образованию внутреннего короткого замыкания. Побочные процессы деструкции электролита и неправильную эксплуатацию исключает применение контроллера заряда-разряда, который производит отключение заряда при достижении напряжения разложения электролита и разрывает внешнюю цепь при протекании повышенного тока разряда либо по достижении напряжения разряда ниже допустимого значения, а также при возникновении внешнего короткого замыкания.
2
Сущность полезной модели поясняется чертежом. На фиг. 1 представлен эскиз конструкции цилиндрического литий-ионного аккумулятора с катодом на основе лития-никеля-марганца-кобальта оксида (LiNiMnCoO) (NMC) с необходимыми местными разрезами.
На фигуре представлено:
1 - коррозионно-стойкий тянутый металлический корпус;
2 - блок электродов, изготовленный по типу рулонной конструкции;
3 - отрицательный электрод;
4 - положительный электрод;
5- сепаратор с керамическим покрытием;
6 - крышка;
7 - термоусадочная трубка;
8 - контроллер заряда-разряда;
9 - никелевый положительный контакт;
10 - никелевый отрицательный контакт.
6
2
2
Цилиндрический литий-ионный аккумулятор состоит из коррозионно-стойкого тянутого металлического корпуса 1, внутри которого находятся блок электродов, изготовленный по типу рулонной конструкции 2, состоящего из отрицательного 3 и положительного 4 электродов, разделенных между собой пористым сепаратором 5 с керамическим покрытием толщиной 16 мкм, и смоченный органическим электролитом на основе соли LiPF и растворителей этиленкарбоната, этилметилкарбоната, диметилкарбоната, виниленкарбоната, положительный токовывод положительного электрода приварен контактно-точечной сваркой к крышке 6, отрицательный токовывод отрицательного электрода приварен контактно-точечной сваркой к корпусу 1, герметизация и крепление корпуса 1 к крышке 6 производятся методом зиговки, предварительной и окончательной завальцовки, на корпусе методом теплового воздействия усажена термоусадочная трубка 7, положительный электрод 4 представляет собой алюминиевую фольгу толщиной 12 мкм с нанесенной на нее активной массой, состоящей из лития-никеля-марганца-кобальта оксида (LiNiMnCoO), поливинилиденфторида, углеродных нанотрубок и углерода при следующем соотношении компонентов активных масс: LiNiMnCoO 87-89%, поливинилиденфторид 0,9-1,1%, углеродные нанотрубки 10-12%, углерод - остальное, отрицательный электрод 3 представляет собой медную фольгу толщиной 8 мкм с нанесенной на нее активной массой, состоящей из 95-97% графита, 1,3-1,6% натрий карбоксиметилцелюлозы, 3,7-4,5% анионной полимерной дисперсии, углерод - остальное, по месту минус контакта расположен контроллер заряда-разряда 8, соединенный с плюс и минусом контактом аккумулятора никелевым положительным 9 и отрицательным контактами.
2
Цилиндрический литий-ионный аккумулятор работает следующим образом. При заряде положительная клемма зарядного устройства (на фигуре не показано) подключается к крышке аккумулятора, отрицательная клемма к противоположной стороне, по месту установки контроллера заряда-разряда, что обеспечивает протекание через положительный 4 и отрицательный 3 электроды тока, обеспечивающего процессы интеркаляции лития в графит на отрицательном электроде 3 и деинтеркаляции лития из лития-никеля-марганца-кобальта оксида (LiNiMnCoO) на положительном электроде 4. Сепаратор 5 предотвращает короткое замыкание электродов при увеличении объема анода и обеспечивает равномерный доступ электролита к электродам. При достижении напряжения на литий-ионном аккумуляторе выше 4,35 В контроллер заряда-разряда 8, закрепленный по месту минус контакта аккумулятора, отключает ток заряда. Это предотвращает процесс электроосаждения лития на поверхности графитового электрода, приводящий к внутреннему короткому замыканию, разогреву и испарению электролита, быстрому росту давления и нарушению герметичности корпуса с воспламенением мелкодисперсного лития. Таким образом, совокупность существенных признаков полезной модели обеспечивает повышенную циклируемость аккумулятора и исключает неправильную эксплуатацию, влекущую за собой снижение количества зарядно-разрядных циклов вплоть до полного выхода аккумулятора их строя.
2
При разряде крышка 6 подключается к клемме "+" потребителя (на фигуре не показано), противоположный контакт аккумулятор, по месту установки контроллера 8, подключается к клемме "-" потребителя (на фигуре не показано) при замыкании цепи ток протекает через положительные 4 и отрицательные 3 электроды, что обеспечивает деинтеркаляцию лития из графита и интеркаляцию лития в делитированный литий-никель-марганец-кобальт оксид (LiNiMnCoO), а также восстановление продуктов окислительной деструкции электролита. При достижении напряжения 2,5 В контроллер заряда-разряда 8, закрепленный по месту минус контакта аккумулятора, отключает ток разряда, чем препятствует образованию газообразных продуктов восстановительной деструкции электролита и разрушению аккумулятора. Таким образом, и при разряде совокупность существенных признаков полезной модели обеспечивает защиту ЛИА от разгерметизации и сокращения количества заряд-разрядных циклов.
Пример реализации полезной модели.
Было испытано 5 образцов аккумуляторов емкостью не менее 4,0 А⋅ч, изготовленных по предлагаемому варианту и 5 образцов емкостью не менее 4,0 А⋅ч по варианту прототипа.
Разряженные аккумуляторы в количестве по 5 шт. каждого варианта исполнения подключали к зарядно-разрядному стенду, вольтметру и проводили заряд токами от 4,0 А с повышением тока каждые 5 мин на 0,5 А. В процессе испытаний установлено, 5 шт. образцов аккумуляторов по предлагаемому варианту отключились от зарядного устройства при токе заряда 7,0 А. Взрыв, возгорание аккумуляторов отсутствовали. Из 5 шт. аккумуляторов, изготовленных по варианту прототипа 2 шт. при токе разряда 2С (8,0 А) быстро достигли напряжения от 5,0 В до 5,65 В, после чего произошло увеличение габаритных размеров (вздутие), резкий подъем напряжения до 10 В и их последующее возгорание.
На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что предлагаемая полезная модель может быть реализована на практике с достижением заявленного технического результата.
Пример реализации полезной модели.
Было испытано 5 образцов аккумуляторов емкостью не менее 2,5 А⋅ч, изготовленных по предлагаемому варианту.
Разряженные аккумуляторы в количестве по 5 шт. каждого варианта исполнения подключали к зарядно-разрядному стенду, вольтметру и проводили заряд токами от 2,5 А с повышением тока каждые 5 мин на 0,5 А. В процессе испытаний установлено, 5 шт. образцов аккумуляторов отключились от зарядного устройства при токе заряда 5,0 А и достижении напряжения на аккумуляторе 4,35 В. Взрыв, возгорание аккумуляторов отсутствовали. Затем разряженные аккумуляторы подключили к зарядно-разрядному стенду, вольтметру и проводили разряд током 2,5 А до 0 В. В процессе испытаний установлено, 5 шт. образцов аккумуляторов отключились от зарядно-разрядного стенда при достижении напряжения на аккумуляторах в диапазоне 2,45-2,53 В, тем самым не допущен полный разряд и выход аккумулятора из строя.
На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что предлагаемая полезная модель может быть реализована на практике с достижением заявленного технического результата.