Положительный электрод литий-ионного аккумулятора с твердополимерным электролитом в качестве сепаратора

Литий-ионные аккумуляторы характеризуются наибольшим номинальным напряжением, высокой теоретической удельной емкостью и удельной энергией, превосходящие характеристики других типов аккумуляторов. Использование в их составе наноразмерных соединений в качестве электродных материалов позволяет повысить скорость заряда и разряда, мощность литий-ионных аккумуляторов, снизить пагубное влияние процессов деградации, связанных с изменением объема электродных материалов при интеркаляции и деинтеркаляции лития, и повысить их рабочую емкость. Наиболее распространенным материалом в качестве активного компонента положительного электрода является литийжелезофосфат, который обладает высокой удельной емкостью, высокой стабильностью при циклировании, а также низкой токсичностью и стоимостью. Для получения стабильных разрядных характеристик при изготовлении электрода используют полимерное связующее, обеспечивающее прочность электрода и хороший контакт при циклическом заряде-раряде.
Наиболее широко используемым связующим компонентом положительного электрода являются фторопласты, поливинилиденфторид и политетрафторэтилен, обеспечивающие достижение высокой удельной разрядной емкости и высокую стабильность (И.А. Кедринский, В.Г. Яковлев Li-ионные аккумуляторы. Красноярск.: ИПК "Платина". 2002. 266 с.).
Известен способ изготовления положительного электрода с использованием в качестве связующего водных суспензий фторполимеров (US 20100304270), что упрощает технологический процесс за счет отсутствия органических растворителей и приводит к получению электрода, обладающего стабильными разрядными характеристиками.
Известен способ изготовления положительного электрода, в котором в качестве связующего используют сшитые частицы полимера, полученные сополимеризацией виниловых мономеров, содержащих эпоксигруппы (WO 2010114119). Технический результат изобретения - улучшение адгезии активного материала к токовому коллектору и улучшенная стабильность разрядных характеристик.
Известен способ изготовления положительного электрода с использованием в качестве связующего водных растворов полиакрилатов и их сополимеров (RU 2390078), что приводит к упрощению технологического процесса.
Известен способ изготовления положительного электрода с использованием электропроводящего полимера (CN 101867037, CN 102280656), что способствует улучшению характеристик электрода за счет уменьшения омических потерь.
Известен способ изготовления положительного электрода, в котором в качестве связующего используют сшитые акриловые полимеры (WO 2016006945). Применение данного связующего позволило улучшить адгезию активного материала к токовому коллектору и циклируемость аккумулятора.
В приведенных аналогах материал положительного электрода не обладает собственной ионной проводимостью, поэтому может использоваться только в составе литий-ионных аккумуляторов с жидким электролитом, использование которого несет значительный экологический риск и повышенную взрывопожароопасность в случае механического повреждения литий-ионного аккумулятора и вытекания жидкого электролита.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является литий-ионный аккумулятор, положительный электрод которого содержит гель-полимерный электролит, обладающий собственной литий-ионной проводимостью (RU 2547819, RU 2564201, RU 148290). Использование гель-полимерного электролита позволило существенно улучшить мощность и емкость литий-ионного аккумулятора, а также уменьшить экологический риск и снизить взрывобезопасность при работе.
Недостатком прототипа является то, что в качестве ионпроводящего полимера используется композит на основе полимера и низкомолекулярной соли лития, в котором ионный перенос имеет биполярную природу. При протекании электродных реакций это приводит к установлению в электролите градиента концентрации соли, т.е., к концентрационной поляризации ячейки и, соответственно, к увеличению поляризационного сопротивления ячейки, что критично для аккумуляторов высокой мощности. Кроме того, вследствие биполярной природы проводимости, проводимость ионов лития невысока и ниже 1 мСм/см.
-1
Предлагаемое техническое решение представляет собой использование в качестве активного материала положительного электрода композита на основе литийжелезофосфата, электропроводящей сажи и полимерного связующего на основе литированного перфторированного сульфокатионитного полимера с униполярной проводимостью по ионам лития, достигающей 2-4 мСм/см. Данное решение позволяет достичь высокой удельной емкости и стабильности при циклировании положительного электрода (>150 мА∙ч∙г за 50 циклов) и высокой кулоновской эффективности (>95%) при циклическом заряде-раряде.
Указанный технический результат достигается тем, что в качестве связующего используется литированный перфторированный сульфокатионитный полимер с высокой униполярной проводимостью по ионам лития, обладающий хорошее адгезией к литийжелезофосфату и токовому коллектору, что обеспечивает электрический и ионный контакт между активным материалом и сепаратором.
Сущность полезной модели заключается в следующем.
На поверхности токового коллектора из алюминиевой фольги наносится композит на основе литийжелезофосфата, электропроводящей сажи и полимерного связующего на основе литированного перфторированного сульфокатионитного полимера с униполярной проводимостью по ионам лития, пластифицированного органическими растворителями. Литийжелезофосфат является активным компонентом, из которого осуществляется экстракция ионов лития при зарядном процессе и их внедрение в него при разрядном процессе, а сажа обеспечивает электрический контакт между литийжелезофосфатом и токовым коллектором. Литий-ионпроводящий полимерный электролит, вследствие хорошей адгезии к активному материалу и токовому коллектору обеспечивает стабильность разрядных характеристик положительного электрода, а благодаря собственной высокой ионной проводимости, обеспечивает эффективный транспорт ионов между литийжелезофосфатом и сепаратором и не требует использования жидкого электролита.