ПРИЗМАТИЧЕСКИЙ ЛИТИЙ-ИОННЫЙ АККУМУЛЯТОР С КАТОДОМ НА ОСНОВE LiNi0,5Mn1,5O4

Полезная модель относится к электрохимической энергетике, в частности к литий-ионным аккумуляторам (ЛИА). Одним из актуальных направлений ЛИА является повышение зарядно-разрядных характеристик аккумуляторов.
2
2
2
Известна конструкция призматического литий-ионного аккумулятора с катодом из кобальтата лития LiCoO (патент ПМ RU №143066 опубликовано 10.07.2014 г., МПК Н01М 10/0525, H01M 4/131), включающего в свой состав 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-0,0-94,0, поливинилиденфторид - 0,8-3,0, проводящий графит - 0,5-2,0, углерод - остальное.
Известен призматический литий-ионный аккумулятор (ЛИА) в полимерной упаковке (патент ПМ RU №143064, опубликовано 10.07.2014, МПК Н01М 10/0525, Н01М 4/131), 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.
4
4
4
Известен призматический литий-ионный аккумулятор с катодом из литий-железофосфата LiFePO (патент ПМ RU 143065, опубликовано 10.07.2014 г., МПК Н01М 10/0525) включающий включает 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, углерода, поливинилиденфторида при следующем соотношении компонентов, мас. %: графит - 90,0-94,0, поливинилиденфторид - 0,8-2,9, углерод - остальное. Катод, представляющий собой алюминиевую фольгу с нанесенной на нее активной массой, состоящей из литий железо фосфата LiFePO, поливинилиденфторида, углерода, проводящего графита при следующем соотношении компонентов, мас. %: LiFePO - 90,0-93,0, поливинилиденфторид - 0,94-3,0, проводящий графит - 0,5-2,0, углерод - остальное.
2
4
Известен призматический литий-ионный аккумулятор с катодом на основе LiMnO (патент ПМ RU №200108, опубликован 07.10.2020 г., МПК Н01М 10/052, Н01М 10/0585, СПК Н01М 10/052, Н01М 10/0585, принят за прототип) содержащий в своем составе двухслойный полимерный корпус с внешним слоем и внутренним слоем, внутри которого размещен электродный блок из положительных и отрицательных электродов, причем отрицательных электродов на один больше, чем положительных, на одной стороне корпуса герметично запаяны токовыводы положительных и отрицательных электродов, состоящих из токовых коллекторов с нанесенной на них активной массой, между электродами расположен полиэтиленовый сепаратор толщиной 16 мкм с нанесенным на него с двух сторон керамическим пористым покрытием толщиной 2 мкм, сепаратор пропитан неводным электролитом, токовые коллекторы электродов приварены к соответствующим токовыводам, положительный токовывод выполнен из алюминия, отрицательный токовывод выполнен из меди с никелевым гальваническим покрытием, отрицательный электрод представляет собой медную фольгу с нанесенной на нее анодной активной массой, состоящей из 90,0-96,0% графита, 1,1-9,2% углерода, связующее - остальное, положительный электрод представляет собой алюминиевую фольгу с нанесенной на нее катодной активной массой, состоящей из 90,0-95,0% литий-марганцевой шпинели, 0,94-3,0% поливинилиденфторида и 2-9,06% углерода, причем в качестве связующего в анодной активной массе использована смесь анионной полимерной дисперсии 4,8-5,3% и натрий карбоксиметилцеллюлозы 1,5-2%, корпус вакуумирован, электроды выполнены поджатыми с усилием 5-6 МПа.
Недостатком вышеуказанных полезных моделей являются невысокое диапазон зарядно-разрядного рабочего напряжение, которые возникают в связи с применением в качестве основного материала положительного электрода - литий-кобальта диоксида, литий-железофосфата, литий-марганцевой шпинели. Так стандартный диапазон рабочего напряжения для аккумуляторов на основе литий-кобальта диоксида, литий-марганцевой шпинели составляет в среднем от 4,2 В до 3,0 В. Для литий-железофосфата данный диапазон еще ниже и составляет от 3,65 В до 2,5 В.
Предлагаемая полезная модель является вариантом решения этого недостатков.
Техническим результатом полезной модели является повышение зарядного и разрядного напряжения литий-ионного аккумулятора, который составляет от при заряде 4,7 В до при разряде 3,5 В, с сохранением его пожаровзрывобезопасностных характеристик.
Указанный технический результат достигается предлагаемой конструкцией ЛИА.
0,5
1,5
4
Призматический литий-ионный аккумулятор содержит двухслойный полимерный корпус с внешним слоем и внутренним слоем, внутри которого размещен электродный блок из положительных и отрицательных электродов, причем, отрицательных электродов на один больше, чем положительных, на одной стороне корпуса герметично запаяны токовыводы положительных и отрицательных электродов, состоящих из токовых коллекторов с нанесенной на них активной массой, между электродами расположен трехслойный ПП/ПЭ/ПП сепаратор толщиной 25 мкм, сепаратор пропитан неводным 1,2М электролитом на основе апротонных растворителей, токовые коллекторы электродов приварены к соответствующим токовыводам ультразвуковой сваркой, положительный токовывод выполнен из алюминия, отрицательный токовывод выполнен из меди с никелевым гальваническим покрытием, отрицательный электрод представляет собой медную фольгу с нанесенной на нее анодной активной массой, состоящей из 90,0-96,0% композитного графита, 1,1-9,2% углерода, связующее - остальное, положительный электрод представляет собой алюминиевую фольгу с нанесенной на нее катодной активной массой, состоящей из 90,0-95,0% LiNiMnO шпинели, 0,94-3,0% поливинилиденфторида и 2-9,06% углерода, причем в качестве связующего в анодной активной массе использована смесь анионной полимерной дисперсии 4,8-5,3% и натрий карбоксиметилцеллюлозы 1,5-2%, корпус вакуумирован, электроды выполнены поджатыми с усилием 5-6 МПа.
0,5
1,5
4
Повышение зарядных и разрядных напряжений достигается за счет применения высоковольтной LiNiMnO шпинели в составе электродных масс положительных электродов, композитного графита в составе отрицательного электрода, 1,2М неорганического электролита на основе апротонных растворителей. Для улучшения взрывопожарозащищенности в составе аккумулятора используется трехслойный ПП/ПЭ/ПП сепаратор толщиной 25 мкм.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, описанием конструкции и примером практической реализации аккумулятора.
На фиг. 1 представлен эскиз конструкции призматического литий-ионного аккумулятора с необходимыми местными разрезами.
На фигуре представлено
1 - положительный электрод;
2 - отрицательный электрод;
3 - трехслойный сепаратор ПП/ПЭ/ПП;
4 - двухслойный полимерный корпус;
5 - отрицательный токовывод;
6 - положительный токовывод;
7 - токовый коллектор отрицательного электрода;
8 - токовый коллектор положительного электрода;
9 - гермитизирующая лента токовыводов.
0,5
1,5
4
Призматический литий-ионный аккумулятор состоит из блока электродов включающих 33 шт. положительных электродов 1, представляющих собой алюминиевую фольгу с нанесенной на нее катодной активной массой состоящей из 90,0-95,0% LiNi MnО шпинели, 0,94-3,0% поливинилиденфторида и 2-9,06% углерода и 34 шт. отрицательных электродов 2 представляющих собой медную фольгу с нанесенной на нее анодной активной массой, состоящей из 90,0-96,0% композитного графита, 1,1-9,2% углерода, связующее - остальное, в качестве связующего в анодной активной массе использована смесь анионной полимерной дисперсии 4,8-5,3% и натрий карбоксиметилцеллюлозы 1,5-2%, между электродами расположен трехслойный ПП/ПЭ/ПП сепаратор толщиной 25 мкм 3 пропитанный неводным 1,2М апротонным электролитом, блок электродов уложен в двухслойный полимерный корпус 4, токовые коллекторы 7 приварены ультразвуковой сваркой к отрицательному токовыводу 5, выполненному из меди с никелевым гальваническим покрытием, токовые коллекторы 8 приварены ультразвуковой сваркой к положительному токовыводу 6, выполненному из алюминия, токовыводы расположены на одной стороне корпуса, корпус вакуумирован с поджатием электродов усилием 5-6 МПа, стороны корпуса термически запаяны, в месте выхода токовыводов герметичность обеспечена за счет использования герметизирующей ленты токовыводов 9.
Пример реализации полезной модели. Были изготовлены 5 образцов литий-ионных аккумуляторов емкостью не менее 21 А⋅ч. Состав одного аккумулятора включает 33 шт. положительных электрода размером 264,0×51,5 мм и толщиной 0,125 мм, 34 шт. отрицательных электродов размером 265,0×52,0 мм. Электроды разделены между собой пористым трехслойным ПП/ПЭ/ПП сепаратором толщиной 25 мкм. В качестве электролита использовался 1,2М электролит на основе апротонных растворителей в количестве (67,0±0,2) г. в каждом аккумуляторе. Электролит заливался в осушенной среде, с температурой выпадения точки росы минус 60°С. Полимерный корпус заваривался термическим способом, с предварительной вакуумацией и поджатием усилием 5-6 мПа.
В ходе испытаний при нормальных климатических условиях током 0,2С разрядная емкость аккумулятора составила не менее 21000 мА⋅ч, при этом конечное напряжение при заряде достигало 4,7 В, при разряде 3,5 В, при этом габаритные размеры и внешний вид аккумуляторов не изменился.
На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что предлагаемая полезная модель может быть реализована на практике с достижением заявленного технического результата.