ХИМИЧЕСКИЙ ИСТОЧНИК ТОКА

Полезная модель относится к электротехнической промышленности и может быть использована при производстве литиевых источников тока и батарей, в частности к первичным источникам тока системы литий - диоксид марганца.
Известен первичный химический источник тока, содержащий анод, катод из окисла или соли с электропроводящей добавкой из металла и неводный электролит с ионопроводящей солью. В одном из вариантов исполнения источник тока содержит положительный электрод из олова и свинцового сурика, отрицательный электрод из лития, а в качестве электролита взят раствор перхлората лития в диоксолане (см. авторское свидетельство на изобретение SU №697063, МПК Н01М 6/16, Н01М 4/48, опубл. 1975.10.14).
4
Известен первичный химический источник тока, содержащий катод из двуокиси свинца с покрытием из окиси свинца, литиевый анод, электролит, представляющий собой раствор LiClO в смеси диоксолана и диметоксиэтана (см. авторское свидетельство SU №698561, МПК Н01М 6/14, Н01М 4/56, опубл. 1977.12.26).
Известен неводный малополярный электролит, содержащий неорганическую соль щелочного металла, краун-эфир и органический растворитель, в одном варианте которого в качестве неорганической соли использован трииодид натрия, а в качестве растворителя взят тетрагидрофуран, в другом варианте использованы соль перхлорат лития и растворитель хлористый метилен (см. авторское свидетельство SU №1787299, МПК Н01М 6/14, Н01М 6/16, Н01М 10/40, опубл. 1993.01.07).
Известен химический источник тока с неводным электролитом, содержащий корпус, литиевый анод, катод, сепаратор и апротонный электролит, включающий перхлорат лития, пропиленкарбонат, конденсированный полициклический ароматический углеводород, макроциклический полиэфир и диметоксиэтан (см. авторское свидетельство на изобретение SU №1828344, МПК Н01М 6/16, опубл. 1996.06.27).
Известен химический источник тока, содержащий литиевый анод, катод на основе углерода и фторида лития в качестве модифицирующей добавки, электролит, представляющий собой раствор перхлората лития в смеси пропиленкарбоната и диметоксиэтана (см. патент на изобретение RU №2119699, МПК Н01М 6/16, опубл. 1998.09.27).
Известен гельполимерный электролит для литиевых источников тока, состоящий из полимерной матрицы, органического растворителя и неорганической ионогенной соли лития, причем в качестве органического растворителя используют смесь пропиленкарбоната с тетрагидрофураном (см. патент на изобретение RU 2190903, МПК Н01М 6/18, Н01М 10/40, опубл. 2002.10.10).
Однако указанные источники тока имеют ограниченный температурный интервал эксплуатации, особенно в области пониженных температур, за счет низкой электропроводности органического электролита.
Наиболее близким техническим решением к заявляемой полезной модели является химический источник тока (ХИТ) системы диоксид марганца - литий, состоящий из герметичного корпуса с установленными в нем положительными и отрицательными электродами, разделенными сепаратором. На поверхности положительных электродов расположены дополнительные термочувствительные прокладки, выполненные из пористого термостойкого материала и нанесенного на него тонкого слоя легкоплавкого инертного вещества. Межэлектродное пространство заполнено электролитом, включающим (масс.%) перхлората лития - 9,5, пропиленкарбонат - 66÷72 и диметоксиэтан - 19÷25 (см. патент на изобретение RU №2195051, МПК Н01М 06/16, опубл. 2002.12.20).
Такое исполнение термочувствительных прокладок позволяет обеспечить рабочий температурный диапазон до -5°С. Однако электролит на основе апротонных диполярных растворителей имеет невысокую электрическую проводимость, кроме того внутреннее сопротивление элемента с электролитом на основе пропиленкарбоната (ПК) сильно возрастает с понижением температуры, поэтому элемент теряет работоспособность при температуре -10°С.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение является повышение удельных электрохимических характеристик химического источника тока (ХИТ) системы литий - диоксид марганца при пониженных температурах эксплуатации.
Технический результат заключается в увеличении электропроводности электролита при пониженных температурах в интервале от -10°С до -40°С и повышении значения реализуемой емкости за счет добавления в электролит органического растворителя с температурой кипения ниже 100°С и снижения концентрации неорганической соли.
Заявленный технический результат достигается тем, что химический источник тока системы диоксид марганца - литий содержит герметичный металлический корпус с размещенными в нем положительными и отрицательными электродами, изолированными от корпуса и отделенными друг от друга полипропиленовым сепаратором, при этом между сепаратором и положительными электродами расположены термочувствительные прокладки, выполненные из пористого термостойкого материала, покрытого слоем легкоплавкого инертного вещества, а межэлектродное пространство заполнено электролитом, включающем пропиленкарбонат, диметоксиэтан и соль перхлората лития, согласно техническому решению электролит дополнительно содержит органический растворитель, выбранный из группы, включающей тетрагидрофуран и диоксолан. В состав электролита входят компоненты в следующем соотношении (масс.%):
перхлорат лития - 5÷8,5;
диметоксиэтан - 18÷45;
тетрагидрофуран либо диоксолан - 15÷42;
пропиленкарбонат - остальное.
В качестве легкоплавкого инертного вещества использован полиэтиленовый воск в виде порошка с равномерной структурой и пористостью.
Полезная модель поясняется чертежами, где следующими позициями обозначены:
1 - корпус;
2 - крышка;
3 - клемма;
4 - отверстие;
5 - положительный электрод;
6 - отрицательный электрод;
7 - изоляционный чехол;
8 - сепаратор;
9 - термочувствительная прокладка;
10 - электролит.
На фиг.1 представлена конструкция заявляемого химического источника тока, на фиг.2 - взаимное расположение электродов, сепараторов и прокладок, на фиг.3 - графики, иллюстрирующие улучшение характеристик заявляемого ХИТ по сравнению с прототипом.
ХИТ содержит корпус 1, выполненный в виде прямоугольного параллелепипеда, снабженного крышкой 2, герметично соединенной с корпусом. На крышке с внешней стороны закреплены две клеммы 3, предназначенные для подключения потребителя тока, при этом одна клемма соединена с положительными 5, а другая с отрицательными 6 электродами, представляющими собой прямоугольные пластины, вертикально расположенные в корпусе. Катод, выполненный из диоксида марганца, и литиевый анод изолированы от корпуса изоляционным чехлом 7, а между электродами расположены пористые сепараторы 8 из пропилена, пропитанные электролитом 10. Непосредственно на поверхностях положительных электродов 5, обращенных к отрицательным электродам 6, расположены термочувствительные прокладки 9, выполненные из пористого термостойкого материала с нанесенным на его поверхность тонким слоем легкоплавкого вещества. В качестве инертного легкоплавкого вещества может быть использован полиэтиленовый воск в виде порошка с равномерной структурой и пористостью, например, 30-35%. В крышке 2 выполнены два заливочных отверстия 4 для заполнения источника тока электролитом. Отверстия герметично закрыты.
Электролит, применяемый в устройстве, выполненном по патенту RU №2195051, являющимся прототипом к заявляемой полезной модели, позволяет эксплуатировать ХИТ в интервале пониженных температур до -5°С без существенного уменьшения величины электрических характеристик. При этом величина электропроводности электролита, состоящего из перхлората лития, пропиленкарбоната и диметоксиэтана, при температуре минус 10°С в два раза ниже электропроводности электролита при температуре плюс 25°С, а при температуре минус 30°С электропроводность снижается в шесть раз.
Для сохранения значения электрической проводимости в широком температурном интервале необходимо использовать растворители с малой зависимостью вязкости от температуры. Пропиленкарбонат (ПК) имеет значительную энергию активации вязкого течения, поэтому внутреннее сопротивление элементов с электролитами на основе ПК возрастает с понижением температуры таким образом, что элементы теряют работоспособность уже при температуре минус 10°С. В заявляемом решении использована смесь растворителей, один из которых имеет высокую диэлектрическую проницаемость, а другой низкую вязкость, что позволяет получить малое возрастание вязкости с понижением температуры при сохранении высокого значения диэлектрической проницаемости и расширить температурный диапазон работоспособности источников тока.
Заявляемый ХИТ в качестве электролита содержит композицию, включающую перхлорат лития, пропиленкарбонат, диметоксиэтан и дополнительный растворитель, выбранный из группы химических веществ, включающей тетрагидрофуран и диоксолан. Значения вязкости и диэлектрической постоянной применяемых растворителей приведены в таблице 1.
Таблица 1
Название растворителя
Вязкость, η, 10<sup>-3</sup> Па·с
Диэлектрическая постоянная, ε
Пропиленкарбонат
2,48
65,1
1,2-Диметоксиэтан
0,46
5,5
Тетрагидрофуран
0,47
7,5
1,3-Диоксолан
0,57
7
Выбор определенного соотношения растворителей позволяет достичь малого возрастания вязкости с понижением температуры и увеличить электропроводность электролита при пониженных температурах до минус 40°С.
Заявленное устройство содержит электролит следующего состава:
1) 5÷8,5% массы электролита - перхлората лития (ПХЛ),
2) 30÷60% массы электролита - низковязкого компонента, представляющего собой смесь
а) 1,2 диметоксиэтана (ДМЭ) с
б) тетрагидрофураном (ТГФ) или диоксоланом (ДОЛ),
3) остальное - пропиленкарбонат (ПК).
Смесь ДМЭ с ТГФ, либо ДМЭ с ДОЛ, входящая в состав электролита, включает компоненты в следующем соотношении (масс.%):
диметоксиэтан - 15÷50;
тетрагидрофуран либо диоксолан - 50÷85.
Введение дополнительного компонента (ТГФ или ДОЛ) позволяет увеличить электропроводность электролита. Значения электропроводности электролитов при различных температурах приведены в таблице 2. Электролит без введения дополнительных компонентов содержит только ПХЛ, ДМЭ и ПК и соответствует электролиту, приведенному в описании изобретения к патенту RU №2195051, который является прототипом заявляемого технического решения.
Таблица 2
Температура, Т, °С
Электропроводность, æ, 10<sup>-3</sup>·Ом<sup>-1</sup>см<sup>-1</sup>
Без дополнительных компонентов
с ТГФ
с ДОЛ
+25
7,725
7,213
9,957
+10
6,190
6,305
8,315
0
4,970
5,708
7,493
-10
3,805
5,112
6,549
-20
2,755
4,560
5,204
-25
2,471
4,045
4,948
-30
1,789
3,756
4,804
-40
3,351
3,916
В процессе изготовления в прямоугольном корпусе 1 размещают изоляционный чехол 7, сепаратор 8 с термочувствительными прокладками 9 и электродами - анодами 5 и катодами 6. Корпус закрывают крышкой 2, через отверстия 4 которой заливают электролит, положительные и отрицательные электроды соединяют с соответствующими клеммами 3, расположенными на крышке. Соединение крышки с корпусом выполняют неразъемным, а отверстия после заливки электролита герметично закрывают. При необходимости клеммы химического источника тока подсоединяют проводами к электрическим устройствам - потребителям. После полной реализации емкости ХИТ утилизируют, так как он является первичным и не предназначен для перезарядки.
2
2
2
Проведены испытания заявленного технического решения на базе источников тока системы литий - диоксид марганца с емкостью 600 А·ч. Предлагаемое решение при температуре -20°С и потреблении тока плотностью 0,05-0,2 мА/см реализует более 70% емкости; при температуре -30°С и потреблении тока плотностью 0,05-0,2 мА/см реализует до 50% емкости; при температуре -40°С и потреблении тока плотностью 0,05-0,2 мА/см реализует до 20% емкости в гладком режиме разряда и более 40% в прерывистом режиме разряда. Сравнительные испытания ХИТ предлагаемой конструкции и прототипа показали, что введение низковязкого растворителя в электролит позволяет увеличить емкостные характеристики при отрицательных температурах в следующем диапазоне: при минус 20°С - в 5-6 раз, при минус 30°С - в 8-10 раз, при минус 40°С прототип неработоспособен, однако заявляемый источник тока пригоден к эксплуатации при данной температуре.
Результаты электрических испытаний источников тока с различными вариантами выполнения электролита представлены в таблице 3. Электролит без дополнительных компонентов содержит только ПХЛ, ДМЭ и ПК.
Таблица 3
Условия разряда
Электрическая емкость, А·ч
Т°С
Плотность тока, мА/см<sup>2</sup>
Без дополнительных компонентов
с ТГФ
с ДОЛ
-20
0,2
6,7
373,6
0,1
58,3
403,6
0,06
92,0
443,5
-30
0,2
5,2
307,9
258,1
0,1
32,4
345,8
480
0,06
42,5
386,9
0,1 в прерывистом режиме разряда
543,7
-40
0,2
32,0
34,8
0,1
3,2
55,9
347,7
0,06
120
0,06 в прерывистом режиме разряда
450