Элемент термоактивируемого химического источника тока
ELEMENT OF THERMALLY ACTIVATED CHEMICAL CURRENT SOURCE

Изобретение относится к области электротехники, а именно к термоактивируемым химическим источникам тока (ТХИТ) и может быть использовано в качестве источника электропитания, как для средств управления, так и для активного питания силовых электрических агрегатов.
Из уровня техники известны элементы термоактивируемых химических источников тока, каждый из которых выполнен в виде набора  дисков, последовательно соединенных между собой (R. Guidotti, P. Masset. Thermally activated («thermal») battery technology Part I: An overview//J. of Power Sources, 161(2006) 1443-1449) [1]. Конструкция такого элемента содержит последовательно расположенные катодный токосъем, катодный диск, содержащий активный компонент с добавлением электроно – и ионопроводящих материалов, диск из электролитной смеси, анодный диск и анодный токосъем. Такая конструкция технологична, но из-за  балластного содержания в ней электрон- и ионопроводящих материалов удельные электрические характеристики элемента ТХИТ имеют низкие значения.
Наиболее близким к заявляемому является элемент  химического источника тока, известный из RU 2105392, опубл.20.02.1998 [2]. Данный элемент содержит анодный полуэлемент, выполненный из пористой металлической пластины, размещенной на поверхности анода, обращенной к катоду. Пористая металлическая пластина выполнена из пористой никелевой фольги толщиной 20 - 250 мкм, пористостью 30 - 60% и размером пор 1 - 40 мкм. Никель стоек при рабочих условиях литиевого ХИТ и широко используется в технологии производства. Пластина, расположенная на рабочей поверхности анода, препятствует образованию и росту литиевых дендритов и одновременно выполняет роль токоотвода. Металлический литий размещенный в порах и/или на поверхности анодного полуэлемента, увеличивает прочность сцепления активного компонента с токоотводом, что уменьшает внутреннее сопротивление и повышает разрядные характеристики. Инертный катодный полуэлемент также  выполнен из пористой металлической пластины, в порах и/или на поверхности которой помещен активный компонент катода – тионилхлорид в растворе электролита. Предполагается, что катодный полуэлемент, обладающий высокой пористостью и развитой поверхностью, пропитанный раствором активного компонента в электролите, будет обеспечивать высокие разрядные токи.
Таким образом, известный элемент химического источника тока содержит катодный и анодный полуэлементы, помещенные в поры металлической пластины, приваренной к токосъемам. Тионилхлорид, используемый в известном элементе в качестве активного компонента, в процессе электрохимической реакции не образует электронопроводящего компонента, поэтому для работы известного элемента требуется не менее 30% электронопроводящего и не менее 20% – ионопроводящего компонентов по отношению к общей массе катодного полуэлемента. Балластные электронопроводящий и ионопроводящий компоненты снижают массу активного компонента катода, размещаемого в порах металлических пластин, что является причиной незначительной удельной электрической емкости известного  элемента ТХИТ.
Задача изобретения заключается в разработке конструкции элемента термоактивируемого химического источника с повышенной удельной электрической емкостью.
Для этого предложен элемент термоактивируемого химического источника тока, который, как и прототип, содержит катодный полуэлемент с галогенидсодержащим активным компонентом, помещенный во внутрь металлического материала, литийсодержащий анодный полуэлемент, а также электролит. Новый элемент отличается тем, что диск катодного полуэлемента с активным компонентом из галогенидов, оксидов переходных металлов или их смесей помещен в  металлическую сетчатую обечайку.
Сущность предложенного решения заключается в том, что в процессе разряда, без использования электроно – и ионопроводящих материалов, компоненты катодного полуэлемента, помещенного в металлическую сетчатую обечайку, восстанавливаются до электропроводящего металла в виде губчатой структуры, которая растет в направлении невосстановленного катодного материала. Электропроводная обечайка в этом решении выполняет функцию токосъемника. При этом внутреннее сопротивление элемента ТХИТ изменяется незначительно в процессе разряда и определяется сопротивлением электролитной смеси. Исключение из катодного полуэлемента балластных электрон – и ионопроводящих материалов, а также снижение его внутреннего сопротивления, позволяет повысить удельную электрическую емкость и удельные электрические характеристики  элемента термоактивируемого химического источника тока.
Новый технический результат, достигаемый изобретением, заключается в повышении удельной электрической емкости элемента и удельных электрических характеристик термоактивируемого химического источника тока.
Изобретение иллюстрируется рисунками, где на фиг.1 изображен элемент термоактивируемого химического источника тока; на фиг.2 представлены разрядные кривые, соответствующие номерам нижеприведенных примеров.
Элемент термоактивируемого химического источника тока содержит металлическую сетчатую обечайку 1, помещенный в нее диск катодного полуэлемента 2 а также диск из электролита 3 и диск анодного полуэлемента 4. Сетчатая обечайка 1 может быть изготовлена из любого металла, например, никеля, кобальта, железа, меди и др, совместимого с активными компонентами элемента ТХИТ.
Для обоснования осуществимости предлагаемого решения проведены сравнительные разряды макетов элементов ТХИТ с общепринятой конструкцией катодного полуэлемента (пример 1) и с предлагаемой конструкцией, катодный диск которой выполнен с различными составами активного вещества (примеры 2-6).
2
2
3
2
Пример 1. Изготовлен макет элемента ТХИТ с катодным полуэлементом состава NiCl–VO (30 мас.%) без металлической сетчатой обечайки. Элемент содержит электролитную смесь на основе LiF–LiCl–LiBr (60 мас.%), загущенную γ–LiAlO. Анодный полуэлемент представляет собой литий-борный композит с содержанием бора 24 мас.%. В качестве активного компонента катода, макет содержит дихлорид никеля и триоксид ванадия при следующем  соотношении компонентов  элемента ТХИТ, г:
Дихлорид никеля
2,5
Триоксид ванадия
1, 07
Электролитная смесь
4,0
Литий-борный композит
1,0
2
2
Разряд проводили при температуре 550°С плотностью тока 0,4 А/см в гальваностатическом режиме. Площадь рабочей поверхности катодного, электролитного и анодного дисков составила 4,8 см.
2
2
Пример 2. Изготовлен макет элемента ТХИТ с катодным полуэлементом из NiCl, помещенным в металлическую сетчатую обечайку. Элемент содержит электролитную смесь на основе LiF–LiCl–LiBr (60 мас.%), загущенную γ–LiAlO. Анодный полуэлемент представляет собой литий-борный композит с содержанием бора 24 мас.%.
В качестве активного компонента катода, макет содержит дихлорид никеля при следующем соотношении  компонентов  элемента ТХИТ, г:
Дихлорид никеля
2,5
Электролитная смесь
4,0
Литий-борный композит
1,0
2
2
Разряд проводили при температуре 550°С плотностью тока 0,4 А/см в гальваностатическом режиме. Площадь рабочей поверхности катодного, электролитного и анодного дисков составила 4.8 см.
2
2
5
2
Пример 3. Изготовлен макет элемента ТХИТ с катодным полуэлементом состава  NiCl–VO (30 мас.%), помещенным в сетчатую металлическую обечайку. Элемент содержит электролитную смесь на основе LiF–LiCl–LiBr (60 мас.%), загущенную γ–LiAlO. Анодный полуэлемент представляет собой литий-борный композит с содержанием бора 24 мас.%.
В качестве активного компонента катода, макет содержит дихлорид никеля и триоксид ванадия при следующем соотношении  компонентов элемента ТХИТ, г:
Дихлорид никеля
2,5
Пятиокись ванадия
1, 07
Электролитная смесь
4,0
Литий-борный композит
1,0
2
2
Разряд проводили при температуре 550°С плотностью тока 0,4 А/см в гальваностатическом режиме. Площадь рабочей поверхности катодного, электролитного и анодного дисков составила 4,8 см.
2
3
2
Пример 4. Изготовлен макет элемента ТХИТ с катодным полуэлементом состава  NiF– MoO (20 мас.%),  помещенным в сетчатую металлическую обечайку. Элемент содержит электролитную смесь на основе LiF–LiCl–LiBr (60 мас.%), загущенную γ–LiAlO. Анодный полуэлемент представляет собой литий-борный композит с содержанием бора 24 мас.%.
В качестве активного компонента катода, макет содержит дифторид никеля и оксид молибдена при следующем соотношении  компонентов  элемента ТХИТ, г:
Дифторид никеля
2,5
Оксид молибдена
0,625
Электролитная смесь
4,0
Литий-борный композит
1,0
2
2
Разряд проводили при температуре 550°С плотностью тока 0,4 А/см в гальваностатическом режиме. Площадь рабочей поверхности катодного, электролитного и анодного дисков составила 4,8 см.
2
Пример 5. Изготовлен макет элемента ТХИТ с катодным полуэлементом состава NiO, помещенным в сетчатую металлическую обечайку. Элемент содержит электролитную смесь на основе  LiF–LiCl–LiBr (60 мас.%), загущенную γ–LiAlO. Анодный полуэлемент представляет собой литий-кремний сплав.
В качестве активного компонента катода, макет содержит оксид никеля при следующем соотношении  компонентов  элемента ТХИТ, г:
Оксид никеля
1,0
Электролитная смесь
4,0
Литий-кремний сплав
2,0
2
2
Разряд проводился при температуре 550°С плотностью тока 0,4 А/см в гальваностатическом режиме. Площадь рабочей поверхности катодного, электролитного и анодного дисков составляла 4,8 см.
2
3
2
Пример 6. Изготовлен макет элемента ТХИТ с катодным полуэлементом состава  CoCl– WO (20 мас.%),  помещенным в сетчатую металлическую обечайку. Элемент содержит электролитную смесь на основе LiF–LiCl–LiBr (60 мас.%), загущенную γ–LiAlO. Анодный полуэлемент представляет собой литий-борный композит с содержанием бора 24 мас.%.
В качестве активного компонента катода, макет содержит дифторид никеля и оксид молибдена при следующем соотношении  компонентов  элемента ТХИТ, г:
Дихлорид кобальта
2,5
Оксид вольфрама
0,625
Электролитная смесь
4,0
Литий-борный композит
1,0
2
2
Разряд проводили при температуре 520°С плотностью тока 0,4 А/см в гальваностатическом режиме. Площадь рабочей поверхности катодного, электролитного и анодного дисков составила 4,8 см.
Как видно из приведенных данных, использование заявленного изобретения повышает разрядное напряжение на элементе ТХИТ при снижении количества катодной массы, что увеличивает удельные электрические и емкостные характеристики элемента ТХИТ.