СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СЕПАРАТОРА ДЛЯ ТЕПЛОВОГО ХИМИЧЕСКОГО ИСТОЧНИКА ТОКА
METHOD OF FABRICATING SEPARATOR FOR THERMOCHEMICAL CURRENT SOURCE

Настоящее изобретение относится к области электротехнической промышленности и может быть использовано в тепловых химических источниках тока с расплавленными солевыми электролитами.
2
3
2
3
2
В тепловых химических источниках тока (ТХИТ) с литийсодержащими анодами и расплавленными электролитами из галогенидов щелочных металлов находят применение керамические сепараторы на основе оксидов и нитридов переходных металлов, а именно MgO, YO, AlO, BN, AlN, LiAlO и т.п. Сепараторы должны обеспечивать надежное разделение анодного и катодного пространства, иметь низкое удельное сопротивление и не разрушаться при изменении объемов активных масс анода и катода.
В настоящее время известен способ изготовления керамического сепаратора традиционным методом спекания прессованных изделий из оксидных материалов (патент Австрии №443323, МКИ H01M). Данный способ позволяет получать керамические сепараторы с пористостью ниже 50% и толщиной более 1 мм. Недостатком этого способа является сложность формирования сепаратора, жесткие требования к режиму спекания изделия при высоких температурах и ограничения по площади и форме, связанные с высокими удельными давлениями прессования.
Известен способ изготовления сепаратора из оксидов переходных металлов или их нитридов, основанный на бумажной технологии. Суть способа заключается во введении в суспензию волокнистых материалов (патент Франции №2038011, МКИ Н01М). Этим способом можно получить изделия любой толщины, гибкости и пористости. Недостатком способа является применение волокнистых материалов, имеющих высокую стоимость, и изготовленные данным способом сепараторы обладают малой механической прочностью после обжига.
2
3
2
3
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ изготовления керамического сепаратора экструзией из суспензии β”-AlO в растворе (Amer. Ceram. Soc. Bull., 1982, 61, №9, р.992-995). Суть способа заключается в том, что готовится суспензия β”-AlO в растворителе. Затем формируется изделие под давлением, сушится, и на последней стадии спекается при температуре около 1500°C.
Недостатком этого способа является сложное аппаратурное оформление (пpecca, пpecс-формы сложной конструкции), невозможность изготавливать сепараторы с большой рабочей поверхностью и пластинчатой формы, а также необходимость спекания керамики при высоких температурах. Кроме этого изготовленные сепараторы не обладают гибкостью.
Целью настоящего изобретения является упрощение технологии изготовления керамического сепаратора и расширение возможностей способа, заключающиеся в том, что способ позволяет получать сепараторы гибкие, любой формы и требуемой пористости.
Поставленная цель достигается тем, что в известном способе изготовления сепаратора путем формирования из раствора и с последующим спеканием на предварительно подготовленную сетчатую основу наносят раствор гидроксихлорида алюминия при температуре 25-40°C, затем проводят термообработку при температуре 500-700°C в течение 10-20 сек. Эта операция повторяется неоднократно для того, чтобы получить изделие требуемой толщины. За одну операцию формирования сепаратора наносится слой 25-30 мкм.
Сформированный сепаратор спекается при температуре 730-770°C в течение 15-20 мин.
Для формирования сепаратора применяется раствор гидроксихлорида алюминия с концентрацией 600-700 г/л.
Выбор температурных, временных и концентрационных интервалов изготовления сепаратора обусловлен следующими причинами:
при концентрации гидроксихлорида алюминия ниже 600 г/л происходит непрокрытие сетчатой основы. Получающийся сепаратор имеет дырочные дефекты с размерами 0,5-1,5 мм. При концентрации гидроксихлорида алюминия выше 700 г/л наносится неравномерный слой покрытия, плохо сцепленный с сетчатой основой.
Нанесение гидроксихлорида алюминия на основу проводится при температуре не ниже 25 и не выше 40°C, что обусловлено обеспечением оптимальной вязкости покрывающего раствора. За пределами данного температурного интервала получаются сепараторы с плохим сцеплением с основой и неравномерной толщиной.
2
3
Формирование слоя AlO проводится при температуре не ниже 500°C, что обусловлено разложением гидроксихлорида алюминия при 450°C с требуемой скоростью. При температуре выше 700°C формируется рыхлый осадок.
Временной интервал 10-20 сек связан с необходимостью сохранения частично не разложившегося гидроксихлорида алюминия с целью лучшего формирования сепаратора.
Спекание проводится при температуре не выше 770 и не ниже 730°C, что обеспечивает требуемые свойства сепаратора - пористость, механическую прочность, гибкость и хорошее сцепление с основой. Ниже 730°C сепараторы имеют низкую пористость порядка 30%, а спекание при температуре выше 770°C приводит к разрушению сепаратора при изгибе.
При спекании сепаратора менее 15 мин не обеспечивается требуемая пористость и прочность изделия. При выдержке более 20 мин теряется механическая прочность сепаратора.
Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается тем, что на сетчатую основу наносят раствор гидроксихлорида алюминия и проводят термообработку при 500-700°C в течение 10-20 сек и последующее спекание при 730-770°C в течение 15-20 мин.
Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию "новизна". Из литературных данных нам не известно решение с признаками, отличающими заявляемое решение от прототипа, следовательно, заявляемый способ соответствует критерию "существенные отличия".
2
3
Пример 1. В приготовленный раствор гидроксихлорида алюминия с концентрацией 650 г/л и температурой 30°C погружается вертикально никелевая сетка, предварительно обезжиренная в растворителе (ацетоне, спирте) и просушенная в печи при температуре 200°C. Затем сетка извлекается из раствора. Капли в нижней части сетки удаляются легким встряхиванием и сетка переносится вертикально в печь с температурой 550°C, где выдерживается в течение 15 сек. На сепараторе сформировался слой AlO толщиной 30 мкм. Операция повторяется 10 раз. После десяти повторов толщина сепаратора имела величину 330 мкм.
Сформированный сепаратор помещается в печь с температурой 750±5°C и выдерживается 20 мин. Затем извлекается и охлаждается на воздухе.
Характеристики сепаратора:
толщина
330 мкм
пористость
46%
средний диаметр пор
1-10 мкм
угол изгиба без разрушения
80°