Литий-ионный аккумулятор

Предлагаемое техническое решение относится к области электротехники и может быть использовано при производстве литий-ионных аккумуляторов, обеспечивающих более высокие значения удельной энергоемкости.
Аналогичные технические решения известны, см., например, патент РФ на полезную модель № 169539, который содержит:
- металлический корпус;
- положительный электрод, выполненный в виде титановой подложки (фольги), с нанесенным на ее поверхность активным слоем, например, затвердевшей пасты, содержащей в своем составе ингредиенты при следующем соотношении, масс.%:
феррофосфат лития 50ч85;
электропроводная углеродная добавка 2ч45;
поливинилиденфторид (связующее) 5ч13, расположенный внутри металлического корпуса 1;
- отрицательный электрод, выполненный в виде титановой подложки (фольги), с нанесенным на ее поверхность активным слоем, например, аморфный кремний, композиты кремний-углерод или кремний-алюминий, и расположенный внутри металлического корпуса;
- сепаратор, пропитанный неводным электролитом и размещенный между активными слоями положительного и отрицательного электродов литий-ионного аккумулятора;
- электролит, представляющий собой 1М раствор гексафторфосфата лития в смеси этиленкарбоната, детилкарбоната и метилэтилкарбоната, расположенный во внутренней полости металлического корпуса и загерметизированный уплотнительной электроизоляционной крышкой, закрепленной на металлическом корпусе;
- положительный и отрицательный токоотводы, подсоединенные одними своими выводами к соответствующим участкам внешней поверхности положительного и отрицательного электродов литий-ионного аккумулятора.
Общими признаками предлагаемого технического решения и выше охарактеризованного технического решения являются:
- металлический корпус;
- положительный электрод, выполненный в виде подложки, с нанесенным на ее поверхность активным слоем и расположенный внутри металлического корпуса;
- отрицательный электрод, выполненный в виде подложки, с нанесенным на ее поверхность активным слоем и расположенный внутри металлического корпуса;
- сепаратор, пропитанный неводным электролитом и размещенный между активными слоями положительного и отрицательного электродов;
- электролит, расположенный и загерметизированный во внутренней полости металлического корпуса;
- положительный и отрицательный токоотводы, подсоединенные одними своими выводами к соответствующим участкам внешней поверхности положительного и отрицательного электродов.
Известно также аналогичное техническое решение, см., описание изобретения из патента США №7.597.997, которое выбрано в качестве ближайшего аналога, прототипа, и которое содержит:
- металлический корпус;
- положительный электрод, выполненный в виде подложки из алюминиевой фольги, с нанесенным на ее поверхность активным слоем, например, слоем пасты из литерованного кобальта или литерованного фосфата железа, и расположенный внутри металлического корпуса;
- отрицательный электрод, выполненный в виде подложки из медной фольги, с нанесенным на ее поверхность активным слоем, например, композитов кремний углерод или кремний-алюминий, и расположенный внутри металлического корпуса;
- сепаратор, пропитанный неводным электролитом и размещенный между активными слоями положительного и отрицательного электродов;
- электролит, расположенный во внутренней полости металлического корпуса и загерметизированный уплотнительной электроизоляционной крышкой, закрепленной на металлическом корпусе;
- положительный и отрицательный токоотводы, подсоединенные одними своими выводами и соответствующим участкам внешней поверхности положительного и отрицательного электродов.
Общими признаками предлагаемого технического решения и выше охарактеризованного прототипа являются:
- металлический корпус;
- положительный электрод, выполненный в виде алюминиевой подложки, с нанесенным на ее поверхность активным слоем и расположенный внутри металлического корпуса;
- отрицательный электрод, выполненный в виде медной подложки, с нанесенным на ее поверхность активным слоем и расположенный внутри металлического корпуса;
- сепаратор, пропитанный неводным электролитом и размещенный между активными слоями положительного и отрицательного электродов;
- электролит, расположенный и загерметизированный во внутренней полости металлического корпуса;
- положительный и отрицательный токоотводы, подсоединенные одними своими выводами к соответствующим участкам внешней поверхности положительного и отрицательного электродов.
Технический результат, который невозможно достичь ни одним из выше охарактеризованных аналогичных технических решений, заключается в увеличении удельной энергоемкости литий-ионного аккумулятора, за счет уменьшения массовой доли электрохимически неактивных частей литий-ионного аккумулятора (таких как сепаратор и токосъемные подложки) путем подбора материалов активного вещества для катода и анода, а также за счет увеличения толщины нанесения активного вещества, и в расширении арсенала технических средств, характеризующих свое назначение в виде литий ионного аккумулятора.
Причиной невозможного достижения вышеуказанного технического результата является то, что вопросам увеличения удельной энергоемкости литий-ионных аккумуляторов, за счет уменьшения их массы, должного внимания не уделялось.
Учитывая характеристику и анализ известных технических решений, можно сделать вывод, что задача создания литий-ионных аккумуляторов, обеспечивающих более высокие значения удельной энергоемкости и более расширенный арсенал технических средств, реализующих свое назначение в виде литий-ионного аккумулятора, является актуальной на сегодняшний день.
Технический результат, указанный выше, достигается тем, что литий-ионный аккумулятор, содержащий металлический корпус, положительный электрод, выполненный в виде алюминиевой подложки, с нанесенным на ее поверхность активным слоем, и расположенный внутри металлического корпуса, отрицательный электрод, выполненный в виде медной подложки, с нанесенным на ее поверхность активным слоем, и расположенный внутри металлического корпуса, сепаратор, пропитанный неводным электролитом и размещенный между активными слоями положительного и отрицательного электродов, электролит, расположенный и загерметизированный во внутренней полости металлического корпуса, положительный и отрицательный токоотводы, подсоединенные одними своими выводами к соответствующим участкам внешней поверхности положительного и отрицательного электродов, при этом корпус выполнен из ламинированного алюминия, подложка положительного электрода выполнена с нанесенным активным слоем из никель-кобальт-марганцевого оксида, а подложка отрицательного электрода выполнена с нанесенным активным слоем из структурированного искусственного углерода, а в качестве электролита использован состав жидких углеводородов и литийсодержащей соли LiPF6.
Выполнение подложек положительного и отрицательного электродов, корпуса и использование состава электролита, как это указано выше, и в результате использования подложки для положительного электрода с нанесенным активным слоем из никель-кобальт-марганцевого оксида, и использование для отрицательного электрода подложки с нанесенным активным слоем из структурированного искусственного углерода, в паре с увеличением толщины нанесения активного вещества, позволяет при создании литий-ионного аккумулятора осуществить проявление своих оптимальных свойств при зарядке и эксплуатации литий-ионных аккумуляторов и за счет этого значительно снизить массовую долю положительного и отрицательного электродов в весе  самого литий-ионного аккумулятора, и тем самым значительно расширить не только арсенал технических средств, характеризующего свое назначение в виде литий-ионного аккумулятора, но и значительно увеличить удельную энергоемкость литий-ионного аккумулятора, в чем проявляется достижение вышеуказанного технического результата.
Предлагаемый литий-ионный аккумулятор поясняется нижеследующим описанием и чертежом, на котором представлена конструкция литий-ионного аккумулятора, которая содержит следующую совокупность существенных признаков:
- металлический корпус-1, выполненный в виде стакана, например, из ламинированного алюминия;
- положительный электрод-2, выполненный из алюминиевой фольги с нанесенным активным слоем-3 из никель-кобальт-марганцевого оксида (90% NСМ-622, 5% добавки электропроводящей Carbon Black, 5% связующего PVDF) толщиной – 150 мкм;
- отрицательный электрод-4, выполненный в виде медной подложки с нанесенным активным слоем-5 из структурированного искусственного углерода толщиной 120 мкм и содержащим в своем составе ингредиенты при следующем соотношении масс.%:
- аморфный кремний – 20ч60;
- кремний-углерод или кремний-алюминий – 30ч35;
- связующее (поливинилиденфторид) – 5ч50;
- сепаратор-6, пропитанный неводным электролитом и размещенный между соответствующими внешними поверхностями подложек пооложительного-2 и отрицательного-4 электродов. В качестве сепаратора может быть использована трехслойная мембрана с керамическим напылением производства Celgard;
- электролит-7, например, 1M LiPF6 EC:DMC 1:1 + 2% VC производства Solvionic, представляющий собой состав жидких углеводородов и литийсодержащей соли LiPF6, расположенный и загерметизированный во внутренней полости металлического корпуса-1;
- положительный-9 и отрицательный-10 токоотводы, подсоединенные одними своими выводами к соответствующим участкам внешней поверхности положительного-2 и отрицательного-4 электродов литий-ионного аккумулятора.
Технология изготовления предлагаемой конструкции литий-ионного аккумулятора заключается в следующем.
На первом этапе изготавливают положительный электрод-2, например, готовят алюминиевую подложку толщиной 150 мкм, на внешнюю поверхность которой наносят заранее подготовленный требуемый состав активного слоя, состоящий, например, 90% NСМ-622, 5% добавки электропроводящей Carbon Black, 5% связующего PVDF, и после сушки, например, в вакууме при температуре 90 градусов в течение 24-х часов получают готовый положительный электрод-2, который размещают в нижней области внутренней поверхности металлического корпуса-1 и подсоединяют к одному из концов положительного токоотвода-9. После этого на соответствующую поверхность положительного электрода-2 устанавливают сепаратор-6, пропитанный неводным электролитом.
На следующем этапе изготавливают отрицательный электрод-4, путем нанесения на его медную подложку требуемого состава активного слоя-5, толщиной 150 мкм, состоящего, например, из 94% структурированного углерода, 6% связующего PVDF. Подложка как положительного, так и отрицательного электродов с активным веществом в жидком состоянии протягивается через щель заданной величины для обеспечения нужной толщины нанесения. После сушки, например, в вакууме при температуре 90 градусов в течение 24-х часов получают готовый отрицательный элктрод-4, который размещают на верхней поверхности сепратора-6 и подсоединяют соответствующий участок поверхности отрицательного электрода-4 к одному из концов отрицательного токоотдвода-10.
Затем заполняют свободную внутреннюю полость металлического корпуса-1 электролитом-7, представляющего собой состав жидких углеводородов и литийсодержащей соли LiPF6, и герметизируют, например, уплотнительной электроизолированной крышкой-8 (путем запайки корпуса) внутреннюю полость металлического корпуса-1.
Для подтверждения получения технико-экономических показателей нами были изготовлены два литий-ионных аккумулятора (прототипа и предлагаемого), и проведены их испытания. Результаты представлены в нижеприведенной таблице № 1.
Анализ проведенных сравнительных данных показал, что при использовании активных слоев для положительного электрода в виде никель-кобальт-марганцевого оксида с увеличенной толщиной нанесения, а для отрицательного электрода в виде модифицированного искусственного углерода, также с увеличенной толщиной нанесения, удельная емкость в литий-ионном аккумуляторе повышается от 30% до 50%. Такой большой разброс объясняется различной толщиной нанесения активных компонентов в литий-ионном аккумуляторе и характеристиками используемых материалов катода и анода, чем больше удельная емкость электрохимически активных компонентов аккумулятора и больше толщена нанесения, тем меньшее значение в удельной энергии играет масса электрохимических неактивных компонентов, таких как: корпус, токоотводы, подложки, сепаратор и электролит.
Таблица № 1
Наименованиепоказателей
Аналог
Предлагаемое техническое решение
Напряжение
3,7 В
3,7 В
3,7 В
Емкость, мАч
840
840
840
Масса аккумулятора
19,42
14,84
12,95
Удельная энергия
160
209
240
Выигрыш
0%
30%
50%
Для положительного электрода была использована подложка толщиной 20 мкм, а для отрицательного электрода была использована подложка толщиной 7 мкм.
Таким образом, предлагаемый литий-ионный аккумулятор за счет использования активных слоев для положительного электрода в виде никель-кобальт-марганцевого оксида, а за счет использования для отрицательного электрода в виде искусственного углерода, позволяет уменьшить массу литий-ионного аккумулятора и значительно увеличить их удельную энергоемкость.