2
4
ПРИЗМАТИЧЕСКИЙ ЛИТИЙ-ИОННЫЙ АККУМУЛЯТОР С КАТОДОМ НА ОСНОВЕ LiMnO

Полезная модель относится к электрохимической энергетике, в частности - к литий-ионным аккумуляторам (ЛИА). Одной из актуальных направлений ЛИА является повышение зарядно-разрядных характеристик аккумуляторов.
Известна конструкция ЛИА (патент ПМ RU №193504, опубликовано 31.10.2019, МПК H01M 10/00), содержащего 23 положительных электрода (катода) со следующим содержанием активных масс: 94,2% литий-кобальт диоксида, 2,8% поливинилиденфторида, 2% углерода, 1% графита и 24 отрицательных электрода со следующим содержанием активных масс: 92,7% композитного искусственного графита, 4,8% анионной полимерной дисперсии, 1,5% натрий карбоксиметил целлюлозы, 1% углерода.
Известен призматический литий-ионный аккумулятор (ЛИА) в полимерной упаковке (патент ПМ RU №143064, опубликовано 10.07.2014, МПК Н01М 10/0525, H01M 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.
Недостатками вышеуказанных полезных моделей являются невысокие токи разряда и заряда, относительно короткие сроки службы, низкая термическая стабильность, которые возникают в связи с применением в качестве основного материала положительного электрода - литий-кобальта диоксида, кобальтата лития.
Предлагаемая полезная модель является вариантом решения этих недостатков.
Техническим результатом полезной модели являются повышение зарядных и разрядных токов, увеличение количества циклов заряда/разряда аккумуляторов, повышение термической стабильности и предотвращение роста дендритов.
Указанный технический результат достигается предлагаемой конструкцией ЛИА.
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 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 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% 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.
Повышение зарядных и разрядных токов и увеличение количества циклов заряда/разряда достигается за счет применения литий-диоксид марганца в составе электродных масс положительных электродов и снижением внутреннего сопротивления аккумулятора путем увеличения поверхности контакта катодного и анодного материалов с электролитом, вызванного вакуумированием корпуса с поджатием электродов усилием 5-6 МПа.
Повышение термической стабильности и предотвращение роста дендритов в предложенной полезной модели достигается применением полиэтиленового сепаратора толщиной 16 мкм с керамическим покрытием толщиной 2 мкм с каждой стороны. Керамическое покрытие сепаратора обладает низким коэффициентом теплопроводности и высокой температурой плавления, а также повышенной механической стойкостью, не допускающей в случае роста дендритов, прокалывание сепаратора и внутреннее замыкание между электродов.
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 - полиэтиленовый сепаратор с керамическим покрытием
4 - двухслойного полимерный корпус
5 - отрицательный токовывод
6 - положительный токовывод
7 - токовый коллектор отрицательного электрода
8 - токовый коллектор положительного электрод
9 - гермитизирующая лента токовыводов.
Призматический литий-ионный аккумулятор состоит из блока электродов включающих 18 шт. положительных электродов 1, представляющих 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 и 19 шт. отрицательных электродов 2 представляющих собой медную фольгу с нанесенной на нее анодной активной массой, состоящей из 90,0-96,0% 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 полиэтиленовый сепаратор толщиной 16 мкм с керамическим покрытием 3 пропитанный неводным 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.
6
Были изготовлены 10 образцов литий-ионных аккумуляторов емкостью не менее 1,7 А⋅ч. Состав одного аккумулятора включает 18 шт. положительных электрода размером 89,0×30,0 мм и толщиной 0,122 мм, 19 шт. отрицательных электродов размером 90×30,5 мм. Электроды разделены между собой пористым полиэтиленовым сепаратором толщиной 16 мкм, покрытый с двух сторон керамическим покрытием толщиной 2 мкм, длиной 200 мм. В качестве электролита использовался 1М электролит на основе соли LiPF и растворителей этиленкарбоната, этилметилкарбоната, диметилкарбоната в количестве (12,4±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 1700 мА⋅ч.
Максимальный постоянный ток разряда без значительной просадки напряжения составил ПС (18700 мА). Максимальный импульсный ток в течение не более 1 с составил 20С (34000 мА) Максимальный ток заряда составил 3С (5100 мА) и разрядной емкостью не менее 1500 мА⋅ч.
Наработка циклов при токе 0,2С до емкости 0,6Сн составила не менее 650 циклов.
На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что предлагаемая полезная модель может быть реализована на практике с достижением заявленного технического результата.