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 и расширение арсенала технических средств.
Аналогичные технические решения известны, см., например, патент США №7.597.997, который 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 токоподводы, подсоединенные одними своими выводами и соответствующим участкам внешней поверхности положительного и отрицательного электродов.
Общими признаками предлагаемого технического решения и вышеохарактеризованного аналогичного 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 во внутренней полости металлического корпуса и загерметизированный уплотнительной электроизоляционной крышкой, закрепленной на металлическом корпусе;
положительный и отрицательный токоподводы, подсоединенные одними своими выводами к соответствующим участкам внешней поверхности положительного и отрицательного электродов.
Известно также аналогичное техническое решение, см. патент РФ на полезную модель №128014, который выбран в качестве ближайшего аналога, прототипа и 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, мас.%:
ферро фосфат лития 50÷85;
электропроводная углеродная добавка 2÷45;
поливинилиденфторид (связующее) 5÷13, 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 1;
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 токоподводы, подсоединенные одними своими выводами к соответствующим участкам внешней поверхности положительного и отрицательного электродов литий-ионного аккумулятора.
Общими признаками предлагаемого технического решения и прототипа 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 во внутренней полости металлического корпуса и загерметизированный уплотнительной электроизоляционной крышкой, закрепленной на металлическом корпусе:
положительный и отрицательный контакты, подсоединенные одними своими выводами к соответствующим участкам внешней поверхности положительного и отрицательного электродов.
Технический результат, который невозможно достичь ни одним из вышеохарактеризованных аналогичных технических решений, заключается в увеличении удельной энергоемкости литий-ионного аккумулятора, за счет уменьшения массы литий-ионного аккумулятора, 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 является актуальной на сегодняшний день.
2
Технический результат, указанный выше, достигается тем, что литий-ионный аккумулятор, содержащий 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 во внутренней полости металлического корпуса и загерметизированный уплотнительной электроизоляционной крышкой, закрепленной на металлическом корпусе, положительный и отрицательный контакты, подсоединенные одними своими выводами к соответствующим участкам внешней поверхности положительного и отрицательного электродов, при этом в предлагаемой полезной модели подложки положительного и отрицательного электродов выполнены в виде углеродных волокон. При этом, углеродные волокна выполнены с толщиной 5-100 мкм и поверхностной плотностью 5-100 г/м.
Выполнение подложек положительного и отрицательного электродов литий-ионного аккумулятора, как указано выше, позволяет, в результате замены медной (у анода), алюминиевой (у катода) или титановой (у анода и катода) подложек на углеродные волокна, осуществить проявление своих оптимальных свойств при зарядке и эксплуатации литий-ионных аккумуляторов и значительно уменьшить массу положительного и отрицательного электродов и самого литий-ионного аккумулятора, а, следовательно, увеличить удельную энергоемкость литий-ионного аккумулятора и значительно расширить арсенал технических средств, характеризующих свое назначение в виде литий-ионного аккумулятора, в чем проявляется достижение вышеуказанного технического результата.
Предлагаемый литий-ионный аккумулятор поясняется нижеследующим описанием и чертежом, на котором представлена инструкция литий-ионного аккумулятора, который содержит:
металлический корпус 1, выполненный в виде стакана;
2
положительный электрод 2, выполненный, например, в виде подложки из углеродных волокон наноструктур, толщиной 80 мкм и поверхностной плотностью 80 г/м, с нанесенным на ее поверхность активным слоем 3, например, затвердевшей пасты, содержащей в своем составе ингредиенты при следующем соотношении, мас.%:
ферро фосфат лития 50÷85;
электропроводная углеродная добавка 2÷45;
связующее (поливинилиденфторид) 5÷13, и расположенный внутри металлического корпуса 1;
сепаратор 4, установленный своей нижней поверхностью на верхней поверхности положительного электрода 2;
2
отрицательный электрод 5, выполненный, например, в виде подложки из углеродных волокон наноструктур, толщиной 80 мкм и поверхностной плотностью 80 г/м, с нанесенным на ее поверхность активным слоем 6 в качестве которого могут быть использованы углеродные соединения (искусственный, аморфный или другие типы) аморфный кремний, композиты кремний-углерод или кремний алюминий, установленный своей нижней поверхностью на верхней поверхности сепаратора 4 и электроизолированно установленного от внутренней поверхности металлического корпуса 1 посредством электроизолятора 7;
уплотнительная электроизоляционная крышка 8, установленная на верхнем конце металлического корпуса 1;
отрицательный контакт 9 литий-ионного аккумулятора, подсоединенный одним своим выводам к отрицательному электроду 5 и другим своим выводом выходящим наружу через отверстие, выполненное в уплотнительной электроизоляционной крышке 8;
положительный контакт 10 литий-ионного аккумулятора, подсоединенный одним своим выводом через металлический корпус 1 к положительному электроду 2;
электролит 11, расположенный во внутренней полости металлического корпуса 1.
Технология изготовления предлагаемого литий-ионного аккумулятора заключается в следующем.
2
На первом этапе изготавливают положительный электрод 2 путем смешивания сухих порошков ферро фосфата лития и электропроводной добавки (например, сажи или смеси сажи с порошком графита) между собой; добавления в полученную смесь сухих порошков раствора поливинилиденфторида, растворенного в N-метилпирролидоне и получения пастообразной массы активного слоя, с заранее выбранной консистенцией массы, исходя из состава предлагаемых ингредиентов и их соотношений, с последующим нанесением полученной пастообразной массы, например, кисточкой, на поверхности заранее сформированной подложки из углеродных волокон нано структур, толщиной 80 мкм и поверхностной плотностью 80 г/м и последующей сушки нанесенного активного слоя пастообразной массы до полного отверждения. Для получения, например, 1000 г пастообразной массы активного слоя берут ферро фосфата лития 900 г, электропроводной углеродной добавки 50 г и связующего 50 г. Полученный таким образом положительный электрод 2, устанавливают внутри нижней части металлического корпуса 1. Затем, на верхнюю поверхность положительного электрода 2 устанавливают сепаратор 4, пропитанный неводным электролитом.
2
На следующем этапе изготавливают отрицательный электрод 5 литий-ионного аккумулятора, путем нанесения, например, углеродного соединения (искусственный, аморфный или другие типы), аморфного кремния, композитов кремний-углерод или кремний-алюминий различными известными методами, с использованием подложки из углеродных волокон наноструктур, например, толщиной 80 мкм и поверхностной плотностью 80 г/м. Полученный таким образом отрицательный электрод 5 устанавливают на верхнюю поверхность сепаратора-4 и изолируют от внутренней поверхности металлического корпуса изолятором 6.
К соответствующему участку отрицательного электрода 5 подсоединяют вывод отрицательного контакта 9 литий-ионного аккумулятора.
Заполняют свободные полости металлического корпуса 1 электролитом 11.
В отверстие (на чертеже не представленного и не обозначенного) уплотнительной электроизоляционной крышки 8 вставляют и герметизируют вывод отрицательного контакта 9 литий-ионного аккумулятора и герметизируют внутреннюю полость металлического корпуса-1, закрепляя уплотнительную электроизоляционную крышку 8 на верхнем конце металлического корпуса 1. Подсоединяют к нижнему участку металлического корпуса 1 положительный контакт 10 и получают, таким образом, готовый к эксплуатации литий-ионный аккумулятор.
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 замене электротэоводящих фольг на углеродные волокна, удельная энергия в аккумуляторе повышается от 16 до 62%. Такой большой разброс выигрыша можно объяснить различным соотношением активных компонентов в аккумуляторе, чем больше емкость аккумулятора, тем меньшее значение в удельной энергии играет масса электрохимически неактивных компонентов, таких как: корпус, токоотводы, электропроводящие подложки (из титана), сепаратор, электролит.
Таблица №1
Параметры компонентов в литий-ионном аккумуляторе
Напряжение 3,7 В
Массы сепаратора, электролита, активных компонентов, токоотводов из корпуса не менялись.
2
В первом варианте для положительного электрода была использована алюминиевая подложка толщиной 10 мкм, а для отрицательного электрода была использована медная подложка толщиной 20 мкм. Во втором варианте для положительного и отрицательного электродов были использованы углеродные волокна толщиной 80 мкм и поверхностной плотностью 80г/м.
Таким образом, предлагаемый литий-ионный аккумулятор, за счет замены подложек в положительных и отрицательных электродах на углеродные волокна, позволяет уменьшить массу литий-ионного аккумулятора и увеличить их удельную энергоемкость.