ЭЛИКТРОЛИТНАЯ СМЕСЬ ДЛЯ ТЕПЛОВОГО ХИМИЧЕСКОГО ИСТОЧНИКА ТОКА
ELECTROLYTE MIXTURE FOR THERMAL CHEMICAL CURRENT SOURCE

Настоящее изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано в производстве тепловых химических источников тока.
Электролитная смесь или электролит является ионопроводящей средой электрохимического элемента и обеспечивает тактико-технические характеристики источника тока. В отличие от других гальванических элементов электролитная смесь для теплового химического источника тока в нормальных условиях не должна проводить электрический ток, а при нагревании, оставаясь в твердом состоянии, приобретать чисто ионную проводимость электрического тока, высокое напряжение электролитического разложения, низкую температуру плавления.
Известен электролит для химического источника тока [SU Авторское свидетельство №641860, кл. H1M 6/18 от 20.11.1999 г.], в котором использован твердый раствор ортосиликатов и ортофосфатов щелочных металлов. Этот электролит обладает достаточной термической устойчивостью, что позволяет использовать источник тока с данным электролитом для работы при высоких температурах. Однако такой источник тока обладает низкой разрядной емкостью и энергией, обусловленной высоким удельным электросопротивлением электролита. При использовании подобного электролита для теплового химического источника тока возникают технические проблемы поддержания высокой температуры, необходимой для работы в автономном режиме.
2
3
Известна электролитная смесь для теплового химического источника тока на основе эвтектики хлоридов лития и калия и загустителя порошка окиси алюминия AlO [SU Авторское свидетельство №1840266, кл. H1M 6/36 от 27.08.2008 г.].
Эвтектическая смесь LiCl-KCl имеет достаточно высокую ионную проводимость при температуре ее плавления 352°C. Введение в нее загустителя в виде порошков оксида алюминия препятствует вытеканию электролита при перегрузках, уменьшает деформацию электролитной таблетки, допускает большие токи на нагрузку в течение длительного времени, уменьшает коррозионную активность и испарение электролита, позволяет снизить подвижность жидкой фазы эвтектики и расширить рабочий интервал температур электролитной смеси. Однако за счет связывания жидкой фазы эвтектики LiCl-KCl частицами инертного порошка оксида алюминия ионная проводимость смеси уменьшается.
Внесение в эвтектику LiCl-KCl порошков оксидов таких металлов, как магний, кремний, торий, бор, тантал, так и оксидных соединений - алюминатов лития и магния, бентонита, каолина и т.п. также не позволяет получить композиции с минимальным омическим сопротивлением при достаточной механической прочности электролитной таблетки.
Целью настоящего технического решения является получение электролитной смеси, обладающей высокой ионной проводимостью и механической прочностью изготавливаемой из нее электролитной таблетки в широком интервале рабочих температур.
С этой целью предлагается электролитная смесь для теплового химического источника тока на основе эвтектики хлоридов лития и калия и загустителя, отличающаяся тем, что в качестве последнего взяты материалы на основе ортосиликат-ортофосфата лития при следующем соотношении компонентов, масс. %:
Эвтектика LiCl-KCl
10-40
Ортосиликат-ортофосфат лития
60-90
Введение в эвтектическую смесь хлоридов лития и калия ионнопроводящего загустителя, которым является материал на основе ортосиликат-ортофосфатов лития (твердый электролит), позволяет в сравнении с непроводящими загустителями существенно увеличить ионную проводимость и расширить интервал рабочих температур при сохранении высокой механической прочности электролитной таблетки. Высокая ионная проводимость предлагаемой электролитной смеси обеспечивается как структурой, дисперсностью и адсорбционной особенностью поверхностно-активного слоя загустителя, так и за счет переноса ионов лития по жидкой и твердой фазам.
4
4
3
4
3
4
Важной особенностью предлагаемого загустителя LiSiO-LiPO на основе кристаллической решетки LiPO является его термодинамическая стабильность и химическая стойкость к электродным материалам, в частности к широко используемому в тепловых источниках тока в качестве анодного материала высокоактивному металлическому литию, реагирующему с большинством применяемых загустителей.
Соотношение твердой и жидкой фаз обеспечивает надежное заполнение пространства между частицами твердого электролита жидкостью (при рабочих температурах).
Минимальное количество загустителя в электролитной смеси составляет 60 масс. %. Дальнейшее уменьшение этого количества приводит к значительной подвижности жидкой фазы эвтектики LiCl-KCl, что значительно сокращает диапазон рабочих температур электрохимического элемента и снижает механическую прочность электролитной таблетки, изготавливаемой из этой смеси. Деформация таблетки приводит к потере работоспособности источника тока.
Возможность внесения загустителя до 90 масс. % позволяет существенно повысить верхний предел рабочей температуры электролитной смеси и тем самым увеличить продолжительность работы источника тока. Однако увеличение загустителя свыше 90 масс.% из-за недостаточности количества эвтектики LiCl-KCl ведет к прерыванию ионопроводящих мостиков по жидкой фазе (при работе элемента), что ухудшает электроконтакты между частицами загустителя. В результате ионная проводимость электролитной смеси значительно уменьшается, ухудшаются электрические характеристики источника тока, возникают технологические трудности обеспечения механической прочности электролитной таблетки.
2
Оценка предложенного технического эффекта производилась путем испытаний электрохимических элементов диаметром 35 мм с анодами из композита Li-B толщиной 0,6 мм и катодами на основе FeS массой 2,3 г.
Масса электролитных таблеток, изготовленных из заявленной смеси, и электролитных таблеток по прототипу составляла 1,3 г.
Разряды электрохимических элементов проводились в электронагревателе постоянными токами 3 и 5 А при температуре плюс 600°C.
Данные испытаний представлены в таблице 1.
Как видно из результатов испытаний, электролит, изготовленный из предложенной электролитной смеси, при прочих равных условиях испытаний имеет более высокое максимальное напряжение разряда и более продолжительное время работы до фиксированного напряжения, чем электролит по прототипу. Такой эффект достигается за счет высокой ионной проводимости и механической стойкости к воздействию высоких температур предложенной электролитной смеси.