Призматический литий-ионный аккумулятор

Полезная модель относится к электрохимической энергетике, в частности к литий-ионным аккумуляторам (ЛИА). Одним из перспективных направлений ЛИА является увеличение удельной емкости и энергии без увеличения габаритных размеров ЛИА.
2
2
Известна конструкция ЛИА (патент ПМ RU №143066, опубликовано 10.07.2014, МПК H01M 10/0525, Н01М 4/131), включающая герметичный корпус с герметично установленными на крышке корпуса положительным алюминиевым и отрицательным медным токовыводами и предохранительным клапаном, электродный блок, состоящий из катода и анода, разделенных сепаратором, пропитанным электролитом, при этом корпус выполнен металлическим, предохранительный клапан состоит из медной фольги, герметизированной при помощи прокладок из резины, стойкой к электролиту, анод, представляющий собой медную фольгу с нанесенной на нее активной массой, состоящей из графита, поливинилиденфторида и углерода при следующем соотношении компонентов, мас.%: графит 90,0-96,0; поливинилиденфторид 0,7-2,9; углерод - остальное, катод, представляющий собой алюминиевую фольгу с нанесенной на нее активной массой, состоящей из кобальтата лития LiCoO поливинилиденфторида, проводящего графита и углерода при следующем соотношении компонентов, мас.%: LiCoO 90,0-94,0; поливинилиденфторид 0,8-3,0; проводящий графит 0,5-2,0; углерод - остальное.
Недостатком данного технического решения является низкие удельные характеристики за счет применения металлического корпуса, что увеличивает массу аккумулятора.
Известен призматический литий-ионный аккумулятор (ЛИА) в полимерной упаковке (патент ПМ RU №143064, опубликовано 10.07.2014, МПК Н01М 10/0525, Н01М 4/131 принят за прототип), содержащий многослойный (двухслойный) полимерный корпус с герметично запаянными токовыводами положительных и отрицательных электродов, внутри которого размещен электродный блок из положительных и отрицательных электродов, состоящих из токовых коллекторов с нанесенной на них активной массой, между электродами расположен сепаратор, пропитанный электролитом, токовые коллекторы электродов приварены к соответствующим токовыводам, положительный токовывод выполнен из алюминия, отрицательный токовывод выполнен из меди, токовыводы расположены на одной стороне корпуса, отрицательный электрод представляет собой медную фольгу с нанесенной на нее анодной активной массой, состоящей из графита, поливинилиденфторида и углерода при следующем соотношении компонентов, мас.%: 90,0-96,0 графит, 0,8-2,9 поливинилиденфторид, 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.%: 90,0-95,0 кобальтат лития, 0,94-3,0 поливинилиденфторид, углерод - остальное.
За счет использования в конструкции прототипа в электродном блоке электродов в виде набора пластин анода и катода, не используется полный объем блока электродов для достижения повышенных удельных характеристик, что также можно отнести к недостаткам.
Предлагаемая полезная модель является вариантом решения проблемы по повышению удельной емкости и энергии без увеличения габаритных размеров ЛИА.
Техническим результатом полезной модели является повышение удельной емкости и энергии без увеличения габаритных размеров ЛИА.
Указанный технический результат достигается предлагаемой конструкцией ЛИА.
Призматический литий-ионный аккумулятор содержит двухслойный полимерный корпус с внешним слоем и внутренним слоем, внутри которого размещен блок электродов из ленточных положительных и отрицательных электродов, блок электродов изготовлен методом плоского рулона, на одной стороне корпуса герметично запаяны токовыводы положительного и отрицательного электродов, состоящих из токовых коллекторов с нанесенной на них активной массой, между электродами расположен сепаратор, пропитанный органическим электролитом, сепаратор скреплен между собой полиамидной высокотемпературной лентой, токовые коллекторы электродов приварены к соответствующим токовыводам, положительный токовывод выполнен из алюминия, отрицательный токовывод выполнен из меди, отрицательный электрод представляет собой ленточную медную фольгу с нанесенной на нее анодной активной массой, состоящей из 94,0-96,0% графита, 1,0-1,2% ацетиленовая сажа, 1,6-1,8% натрий карбоксиметилцеллюлоза, анионная полимерная дисперсия - остальное, положительный электрод представляет собой ленточную алюминиевую фольгу с нанесенной на нее катодной активной массой, состоящей из 88-92% кобальтата лития высокого напряжения, 0,8-1,0% ацитиленовая сажа, 6-9% углеродные нанотрубки, поливинилиденфторид - остальное.
Удельная емкость и энергия ЛИА повышается за счет использования в конструкции двухслойного полимерного корпуса, ленточного положительного и отрицательного электродов, скрученных в плоский рулонный блок электродов, в результате чего увеличивается рабочая площадь электродов, в том числе по торцам блока электродов. Использование углеродной нанотрубки в составе катодной активной массе позволяет увеличить эффективность работы кобальтата лития.
Сущность полезной модели поясняется чертежом.
На фиг. 1 представлен эскиз конструкции призматического литий-ионного аккумулятора с необходимыми местными разрезами.
На фигуре представлено:
1 - двухслойный полимерный корпус
2 - отрицательный токовывод
3 - положительный токовывод
4 - высокотемпературная полиамидная клейкая лента
5 - блок электродов, изготовленный методом плоского рулона
6 - ленточный отрицательный электрод
7 - ленточный положительный электрод
8 - сепаратор
Призматический литий-ионный аккумулятор состоит из двухслойного полимерного корпуса 1, снаружи которого выходят отрицательный 2 и положительный 3 токовыводы, внутри корпуса находятся блок электродов 5, изготовленный методом плоского рулона, включающий в себя ленточный отрицательный 6 и положительные 7 электроды, между электродами расположен сепаратор 7, пропитанный электролитом, отрицательный электрод 2 представляет собой электролитическую медную фольгу с нанесенной на нее анодной активной массой, состоящей из 94,0-96,0% графита, 1,0-1,2% ацетиленовой сажи, 1,6-1,8% натрия карбоксиметилцеллюлозы, анионной полимерной дисперсии - остальное, положительный электрод 3 представляет собой электролитическую алюминиевую фольгу с нанесенной на нее катодной активной массой, состоящей из 88-92% кобальтата лития, 0,8-1,0% ацитиленовой сажи, 6-9% углеродной нанаотрубки, поливинилиденфторида - остальное, корпус аккумулятора вакуумирован.
Призматический литий-ионный аккумулятор работает следующим образом. При заряде и разряде токовыводы 2, 3 подключаются к одноименным клеммам зарядного устройства (на фигуре не показано) или потребителя, которое обеспечивает протекание через ленточные электроды 6 и 7 и анодную и катодную массы тока, обеспечивающего процессы интеркаляции лития в графит на отрицательном электроде 2 и деинтеркаляции лития из кобальтата лития на положительном электроде 3 и наоборот. Сепаратор 8 предотвращает короткое замыкание электродов и обеспечивает равномерный доступ электролита к электродам ЛИА.
Использование в конструкции кобальтата лития совместно с углеродными нанотрубками и поливинилиденфторидом позволяет производит заряд ЛИА до напряжений 4,35 В-4,4 В, в сравнении с обычным кобальтатом лития-4,2 В без снижения характеристик впоследствии.
Таким образом, совокупность существенных признаков полезной модели обеспечивает повышение удельной емкости и энергии.
Пример реализации полезной модели.
Были изготовлены аккумуляторы одинакового типоразмера, по предлагаемому варианту 5 шт. и 5 образцов аккумуляторов по варианту прототипа.
Разряженные аккумуляторы подключили к зарядно-разрядному испытательному стенду. Проводили заряд постоянным током 0,8 А до напряжения 4,2 В, затем падающим током при напряжении 4,2 В до установившегося значения тока 0,12 А. После паузы и выдержки аккумуляторов при нормальных климатических условиях в течение 1 часа, провели разряд током 0,8 А до конечного напряжения 3,0 В с замером разрядной емкости, в результате среднее значение разрядной емкости по варианту прототипа составило 4,2 А⋅ч, по предложенному варианту 4,8 А⋅ч. Средний прирост емкости составил 14,3%.
На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что предлагаемая полезная модель может быть реализована на практике с достижением заявленного технического результата.