КАТОД ЛИТИЕВОГО ИСТОЧНИКА ТОКА
LITHIUM POWER SUPPLY CATHODE

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при производстве литиевых источников тока. Катоды литиевых источников тока являются композиционными материалами: они представляют собой смесь активной массы, электропроводной добавки и связующего. Эти катоды являются пористыми материалами, а их поры при работе литиевых источников тока заполняют раствором жидкого электролита. В качестве активной массы катода в настоящее время широко применяются оксиды металлов [1].
Известен катод, используемый в литиевых источниках тока, который представляет собой композицию из диоксида марганца, сажи и фторопласта, взятых в следующем массовом соотношении - 85:10:5. Для этих композиций удельная электрическая емкость лежит в интервале 150-220 мА·ч/г при 20°С, что значительно ниже его теоретического значения [2]. В качестве связующего вещества в этом катоде используют непроводящий фторопласт, который частично экранирует поверхность активных частиц, делая их недоступными для процесса интеркаляции иона лития, тем самым снижая удельную емкость катода.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемым результатам является катод, используемый в литиевых источниках тока, который представляет собой композицию из диоксида марганца, сажи и полипиролла, взятых в следующем массовом соотношении - 85:10:5. Использование в качестве связующего проводящего полимера-полипиролла позволило увеличить емкость до 280 мА·ч/г при 20°С. К недостаткам этого катода следует отнести высокий саморазряд (20% в месяц) из-за деструкции полипиролла, а также коррозионных процессов из-за наличия в порах катода жидкого электролита [3].
Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в повышении емкости и снижении саморазряда катодов литиевых источников тока. Поставленная техническая задача достигается тем, что в известном катоде литиевого источника тока, представляющем собой композицию активной массы, электропроводной добавки и связующего, предлагается в качестве связующего использовать твердополимерный электролит (ТПЭ), состоящий из полимерной матрицы и неорганической ионогенной соли лития.
5
Кроме того, в качестве полимерной матрицы может быть использован полиарилсульфон средней молекулярной массы (0,2-1,0)·10 при следующем массовом соотношении компонентов, мас.ч:
полиарилсульфон - 100, неорганическая соль лития - не более 30.
При таких значениях средней молекулярной массы полимер обладает хорошими пленкообразующими свойствами, что позволяет получить твердополимерный электролит с хорошими механическими свойствами.
Обоснование выбранных интервалов компонентов: уменьшение количества соли менее нижнего предела приводит к неравномерности распределения ее по полимеру и соответственно к ухудшению проводящих свойств;
увеличение количества соли лития более верхнего предела приводит к разрушению структуры полимера и, как следствие, твердополимерный электролит становится гомогенно неоднородным, что также приводит к снижению проводящих свойств.
2
2
Катод изготавливают следующим образом. Порошок диоксида марганца MnO перемешивают с сажей в соотношении 85:10 и пропитывают 5 (мас.) % раствором твердополимерного электролита в диметилацетамиде. Твердополимерный электролит состоит из перхлората лития и полиарилсульфона при массовом соотношении компонентов: полиарилсульфон - 100, перхлорат лития - 20. Объем раствора выбирают таким образом, чтобы соотношение MnO:сажа:ТПЭ составляло 85:10:5. Затем полученную смесь высушивают в сушильном шкафу при температуре 100°С в течение часа в вакууме и напрессовывают на контактную часть токоотвода катода. Прессование осуществляют под давлением 10 МПа.
Процесс сушки готового катода проводят в сушильном шкафу при температуре 100°С в течение двух часов в вакууме.
В таблице приведены примеры конкретных составов и свойств заявленных катодов.
№
Диоксид марганца, мг
LiClO<sub>4</sub>, мг
Полимерная матрица, мг
Графит, мг
Удельная емкость, мА·ч/г
Саморазряд, %/год
1
9,00
0,05
0,45
0,50
287
0,5
2
9,00
0,10
0,40
0,50
294
0,5
3
9,00
0,15
0,35
0,50
285
0,5
4
8,50
0,10
0,90
0,50
304
0,5
5
8,50
0,20
0,80
0,50
310
0,5
6
8,50
0,30
0,70
0,50
298
0,5
7
8,00
0,15
1,35
0,50
288
0,5
8
8,00
0,30
1,20
0,50
293
0,5
9
8,00
0,45
1,05
0,50
290
0,5
Предлагаемый катод имеет преимущество по емкости и саморазряду перед существующими аналогами.
Указанный эффект объясняется тем, что в качестве связующего катода и электролита в его порах используется твердополимерный электролит. Таким образом в данном катоде полностью отсутствует жидкая фаза, т.е он является твердофазным композиционным материалом. При использовании электропроводного ТПЭ в качестве связующего компонента экранирования поверхности частиц активного материала не возникает. Кроме того, равномерность распределения ТПЭ в структуре твердофазного электрода по данным растровой электронной микроскопии выше, чем у электродов-прототипов. Как показали эксперименты, по длительным режимам разряда твердофазных катодов и их разряда после хранения ТПЭ в отличие от жидкого электролита является полностью инертным по отношению к материалам положительного электрода. Вследствие чего саморазряд твердофазного катода значительно меньше, чем катода, поры которого заполнены жидким электролитом.
Источники информации
1. Химические источники тока: Справ. / Под ред. Н.В.Коровина и A.M.Скундина. М.: Изд-во МЭИ, 2003. 799 с.
2. Lithium Batteries: Science and Technology / Nazri G.A., Pistoia G., eds. Boston. Kluwer Academic, 2004. 375 р.
3. Gemeay A.H., Nishiyama, Kuwabata S., Yoneyama H. // J. Electrochem. Soc. - 1995. - V.142, N12. - P.4190-4195.