НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ ЛИТИЙ-ФТОРУГЛЕРОДНЫЙ ЭЛЕМЕНТ
LOW-TEMPERATURE LITHIUM-FLUOCARBON ELEMENT

Настоящее изобретение относится к разработке литий-фторуглеродных элементов (ЛФЭ), обладающих улучшенными разрядными характеристиками при низких температурах.
Известен ЛФЭ с литиевым анодом, фторуглеродным катодом и электролитом с органическим растворителем (см. патент РФ №2187177 С2, кл. Н01М 6/14, 2002).
Недостатком этого ЛФЭ являются низкие разрядные характеристики при отрицательных температурах.
Из известных ЛФЭ наиболее близким по совокупности существенных признаков и достигаемому результату является ЛФЭ с литиевым анодом, фторуглеродным катодом и электролитом, включающим соль, растворенную в смеси растворителей (см. патент РФ №2119699, Кл. Н01М 6/16, 1998). Недостатком этого известного ЛФЭ являются низкие разрядные характеристики при отрицательных температурах.
Техническим результатом изобретения является разработка ЛФЭ, обладающих улучшенными разрядными характеристиками при низких отрицательных температурах.
6
6
Указанный технический результат достигается тем, что ЛФЭ содержит фторуглеродный катод, анод из металлического лития, сепаратор и электролит, включающий соль, растворенную в смеси растворителей, при этом электролит включает соль LiPF в смеси этиленкарбонат/диметилкарбонат/метилэтилкарбонат (1:1:3). Указанный ЛФЭ обладает улучшенными разрядными характеристиками при отрицательных температурах за счет использования в качестве электролита раствора соли LiPF в смеси этиленкарбонат/диметилкарбонат/метилэтилкарбонат (1:1:3).
Целесообразно, чтобы электролит дополнительно содержал добавку краун-эфира в количестве 0,5-50 об. %, при этом в качестве краун-эфира могут использоваться краун-эфиры: 15-краун-5; 3-пентадецил-2,4-диоксо-16-краун-5; 3-пентадецил-2,4-диоксо-16-краун-5; 3-тетрадецил-2,4-диоксо-16-краун-5; 3-тридецил-2,4-диоксо-16-краун-5; 3-додецил-2,4-диоксо-16-краун-5; 3-ундецил-2,4-диоксо-16-краун-5; 3-децил-2,4-диоксо-16-краун-5; 3-нонил-2,4-диоксо-16-краун-5; 3-октил-2,4-диоксо-16-краун-5; 3-гептил-2,4-диоксо-16-краун-5; 3-гексил-2,4-диоксо-16-краун-5; 3-пентил-2,4-диоксо-16-краун-5; 3-бутил-2,4-диоксо-16-краун-5; 3-пропил-2,4-диоксо-16-краун-5; 3-этил-2,4-диоксо-16-краун-5; 3-метил-2,4-диоксо-16-краун-5; 2,4-диоксо-16-краун-5; 18-краун-6; дибензо-18-краун-6.
Добавка краун-эфира приводит к тому, что в условиях пониженных температур она адсорбируется на поверхности электрода и образует подобие твердоэлектролитного слоя, что облегчает электродные процессы и способствует улучшению разрядных характеристик (О.В. Ярмоленко, Г.З. Тулибаева "Прикладные и теоретические аспекты использования краун-эфиров в литиевых электрохимических системах" // Альтернативная энергетика и экология, 2013, №01/1(117), С. 60-72.
Ярмоленко О.В. Влияние краун-эфиров на образование наноструктурированных высокопроводящих слоев на поверхности литиевых электродов / Органические и гибридные наноматериалы: получение, исследование, применение. Под ред. Разумова В.Ф., Клюева М.В. - Иваново: Иван. гос.ун-т.- 2011. - ISBN 978-5-7807-0917-4. - С. 94-113).
x
Кроме этого, во время разряда в объеме катодного материала CF образуется соединение LiF, которое растворяется при участии краун-эфира (патент ЕР 2054961 А2, кл. Н01М 6/16, Н01М 6/04, 2009).
Проведенный анализ уровня техники показал, что заявленная совокупность существенных признаков, изложенная в формуле изобретения, неизвестна. Это позволяет сделать вывод о ее соответствии критерию «новизна».
Сущность изобретения поясняется чертежами и примером практической реализации.
4
4
На фиг. 1 представлена разрядная характеристика ячеек при -45°C с электролитами: 1 - 1 М LiBF в ГБЛ; 2 - 1 М LiBF в ГБЛ+2 об. % краун-эфира.
6
6
На фиг. 2 представлена разрядная характеристика ячеек при -50°C с электролитами: 1 - 1М LiPF в ЭК/ДМК/МЭК (1:1:3); 2 - 1М LiPF в ЭК/ДМК/МЭК (1:1:3)+2 об. % краун-эфира.
6
6
На фиг. 3 представлены ДСК-диаграммы электролитов: 1 - 1 М LiPF в ЭК/ДМК/МЭК (1:1:3); 2 - 1 М LiPF в ЭК/ДМК/МЭК (1:1:3)+2 об. % 15-краун-5.
4
4
На фиг. 4 представлены ДСК-диаграммы электролитов: 1 - 1 М LiBF в ГБЛ; 2 - 1 М LiBF в ГБЛ+2 об. % 15-краун-5
Пример практической реализации
2
Для проведения сравнительных испытаний были изготовлены две экспериментальные ячейки. В качестве катодного материала в ячейках использовали порошкообразный фторированный углерод марки ИТГ-О-1, изготовленный в ОАО НИИЭИ с содержанием фтора 63 масс. % с размером частиц менее 40 мкм. Катодную массу напрессовывали на титановый токосъем. Двусторонний катод с рабочей поверхностью 12 см оборачивали микропористой трехслойной мембраной Celgard 2325, используемой как сепаратор.
В качестве анода использовали металлический литий, раскатанный на вальцах в фольгу толщиной 250 мкм, которой оборачивали катод с 2-х сторон.
В качестве электролита использовали следующие составы:
4
1) 1 М LiBF в гамма-бутиролактоне;
6
2) 1 М LiPF в этиленкарбонате/диметилкарбонате/метилэтилкарбонате в соотношении 1:1:3.
В каждый из электролитов добавляли 2 об. % 15-краун-5.
Исследование электрохимических ячеек проводили при комнатной температуре и при температуре -45°C (для электролита состава 1, фиг. 1), при -50°C (для электролита состава 2, фиг. 2).
6
Электролит для ячейки (2) на основе 1 М LiPF в смеси этиленкарбонат/диметилкарбонат/метилэтилкарбонат (1:1:3), который, как показывает метод дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) (фиг. 3), не замерзает вплоть до ~ -100°C. Добавка 15-краун-5 не только меняет физико-химические параметры самого электролита, но также улучшает электродную реакцию, особенно при низких температурах, что подтверждается в разрядных кривых экспериментальных ячеек при -45÷-50°C.
Сравнительные испытания ячеек показали, что для ячейки (1) на ДСК-диаграмме (фиг. 4) наблюдаются пики 1-го рода кристаллизации и плавления. При -49°C электролит замерзает и становится непроводящим.
Для ячейки (2) на ДСК-диаграмме (фиг. 3) наблюдаем только переход 2-го рода, что говорит о гомогенности системы и сохранении ее в жидком состоянии до -105÷-113°C.
6
Исследования разрядных характеристик при -50°C показали, что ячейка с электролитом 1 М LiPF в ЭК/ДМК/МЭК (1:1:3)+2 об. % 15-краун-5 в отличие от ячейки без добавки краун-эфира имеет плато разрядной кривой при 1,35 В и ее разрядная емкость составляет 113 мАч/г.
На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что заявленный ЛФЭ может быть реализован на практике с достижением заявленного технического результата, т.е. он соответствует критерию «промышленная применимость».