Поиск патентов
ПАТЕНТНЫЙ ПОИСК В РФ

способ изготовления катода литиевого источника тока

Классы МПК:H01M4/04 способы изготовления вообще
H01M10/052 литиевые аккумуляторы
Автор(ы):, , , ,
Патентообладатель(и):федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВПО "НИУ МЭИ") (RU)
Приоритеты:
подача заявки:
2012-06-04
публикация патента:

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано в производстве литиевых источников тока. Повышение технологичности процесса изготовления катода при увеличении его разрядной емкости является техническим результатом предложенного изобретения. Указанный результат достигается за счет увеличения гомогенности активной массы электрода и повышения коэффициента диффузии литии, для чего в предложенном способе проводят смешение активной массы с электропроводной добавкой, пропитку полученной массы раствором полимерного электролита, сушку катодной массы, размол в шаровой мельнице и напрессовку на токоотвод, при этом после сушки проводят дополнительную обработку катодной массы в процессе пластического течения, при кручении под давлением не менее 1.7 ГПа и относительной деформации 22-24. 1 ил., 5 пр. способ изготовления катода литиевого источника тока, патент № 2488196

Рисунки к патенту РФ 2488196

способ изготовления катода литиевого источника тока, патент № 2488196

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при производстве литиевых источников тока. Катоды литиевых источников тока являются композиционными материалами: они представляют собой смесь активной массы, электропроводной добавки и связующего. В качестве активной массы катода в настоящее время широко применяется оксиды металлов (MnO2), фторированный углерод (CF4), литий-металл фосфаты (LiFePO4 , LiTi2(РО4)3), литий-ванадиевые бронзы (LiV3O8), а связующим служит фторопласт. Эти катоды являются пористыми материалами, а их поры при работе литиевых источников тока заполняют раствором жидкого электролита [1]. Его химическая агрессивность и деструкция во время хранения приводят к снижению энергетических параметров литиевых источников тока. Поэтому в последнее время предлагается использовать полимерный электролит в качестве связующего и одновременно, электролита в порах катода.

Известен способ изготовления катода, который заключается в смешении CF4 и сажи с раствором полимерного электролита в ступке, нанесении катодной смеси на токоотвод и сушке в течение 2 часов при 80°С [2]. К недостаткам данного способа можно отнести плохую технологичность, вызванную многоступенчатостью процесса и длительностью каждой операции и низкую разрядную емкость катодов.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемым результатам является способ изготовления катодов на основе литий-ванадиевой бронзы, включающий в себя следующие операции: перемешивание в ступке порошкообразной LiV3O8 с электропроводной добавкой (типа пирографит марки PR-3), пропитку полученной массы раствором полимерного электролита (перхлорат лития и полисульфон при массовом соотношении компонентов 20:100) в диметилацетамиде, сушку катодной массы, размол в шаровой мельнице и напрессовку на токоотвод. Недостатками данного способа являются плохая воспроизводимость результатов и невысокие емкостные параметры при интенсивных разрядах.

Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в повышении технологичности процесса изготовления катода и увеличении его емкости. Технический результат, заключающийся в увеличении гомогенности активной массы электрода и повышении коэффициента диффузии лития достигается тем, что в известном способе изготовления катода, заключающемся в том, что проводят смешение активной массы с электропроводной добавкой, пропитку полученной массы раствором полимерного электролита, сушку катодной массы, размол в шаровой мельнице и напрессовку на токоотвод, согласно изобретению, проводят дополнительную обработку катодной массы в процессе пластического течения при кручении по давлением не менее 1.7 ГПа и величинах относительной деформации 22-24.

На рисунке схематично представлено устройство для осуществления способа, включающее активную массу электрода 1, пуансон 2, наковальню Бриджмена.

Способ осуществляют следующим образом. Активную массу (MnO2, CF4, LiFePO4, LiTi 2(PO4)3, LiV3O8 ) насыпают в керамическую чашку, куда добавляют электропроводную добавку(сажа, пирографит), пропитывают смесь раствором полимерного электролита, сушат в муфельной печи. Полученную массу 1 насыпают на наковальню 2, прижимают сверху пуансоном 3 и помещают под пресс. Затем массу подвергают относительной деформации величиной 22-24 при давлении не менее 1.7 ГПа. Схематически это представлено на чертеже. В результате получается плоский диск, толщиной от 1,0 до 1,5 мм, который размалывают в шаровой мельнице и полученную массу напрессовывают на токоотвод.

Аппаратура, на которой проводилось дополнительное перемешивание, позволяет подвергать исследуемые вещества одновременному воздействию одноосного сжатия и сдвиговым напряжениям, величина которых не превышает предела текучести материала при данном давлении. Особенностью аппаратуры данного типа является то, что по мере увеличения давления напряжение, необходимое для поддержания постоянной скорости пластического деформирования, увеличивается. При постоянном давлении напряжение, необходимое для удержания постоянной скорости пластического деформирования, остается постоянным. Пластическое течение на аппаратуре данного типа реализуется в том случае, когда сила поверхностного трения больше или равна пределу текучести обрабатываемого материала. Такое соотношение для исследуемых смесей возникает при давлениях порядка 1.7 ГПа, при меньших давлениях сжимающие вещества наковальня и пуансон проскальзывают по поверхности вещества и исходные порошкообразные материалы так и остаются в виде порошка. При давлениях выше 1.7 ГПа порошкообразные материалы компактируются, т.е. составляющие части подвергаются пластическому деформированию. При данной методике можно развивать в исследуемых материалах при давлении выше пороговых пластические деформации в большом диапазоне без нарушения сплошности образцов. В нашем случае пластическая деформация относится не к единичным частицам, из которых состоит смесь, а ко всему образцу, который представляет собой цилиндр. Для данной схемы воздействия и геометрии образцов необходимо применять представления о деформациях кручения при воздействии скручивающих напряжений на цилиндрическое тело: Указанные деформации можно охарактеризовать отношением длины винтовой линии, в которую при деформировании трансформируется образующая цилиндра, к начальной высоте цилиндра [4]. При относительной деформации менее 17 единиц получается недостаточное равномерное перемешивание компонентов, что приводит ухудшению электрохимических характеристик катода. При относительной деформации менее 22 единиц получается недостаточно равномерное распределение компонентов катода, что приводит к снижению его электрохимических характеристик. При относительной деформации более 24 единиц MnO2, CF4, LiFePO4, LiTi2(PO4 )3, LiV3O8 переходят в фазу высокой упорядоченности, т.е. характеризуется малым количеством структурных дефектов, что усложняет процесс диффузии иона лития по твердой фазе в процессе разряда источника тока и, соответственно, приводит к снижению разрядной емкости катода. Она отличается невысокими коэффициентами диффузии иона лития и, соответственно, повышенными поляризационными потерями. Таким образом, выход вышеописанных параметров за указанные пределы приводит к снижению эффективности способа.

Реализация указанного способа позволяет увеличить емкость катодов и их ресурс на 20-25%, а также значительно повысить воспроизводимость результатов при массовом производстве. Для осуществления способа необходимы пресс, пуансон, наковальня и муфельная печь.

Пример 1. 400 мг MnO2 перемешивали с 50 мг сажи в сухом виде, пропитывали 10 мл 5% раствора полимерного электролита, сушили 1 час при температуре 100°С, проводили дополнительную обработку при кручении по давлением 1.7 ГПа и относительной деформации 22, размалывали и напрессовывали на токоотвод под давлением 10 МПа. После сборки элементы Li-MnO2 в типоразмере CR-2025 отдавали емкость 140 мА*ч.

Пример 2. 200 мг CF4 перемешивали с 25 мг сажи в. сухом виде, пропитывали 5 мл 5% раствора полимерного электролита, сушили 1 час при температуре 100°С, проводили дополнительную обработку при кручении по давлением 1.8 ГПа и относительной деформации 23, размалывали и напрессовывали на токоотвод под давлением 10 МПа. После сборки элементы Li-CF 4 в типоразмере BR-2016 отдавали емкость 80 мА*ч.

Пример 3. 4100 мг LiFePO4 перемешивали с 520 мг сажи в сухом виде, пропитывали 104 мл 5% раствора полимерного электролита, сушили 1 час при температуре 100°С, проводили дополнительную обработку при кручении по давлением 1.7 ГПа и относительной деформации 23, размалывали и напрессовывали на токоотвод под давлением 10 МПа. После сборки аккумулятора Li-LiFePO4 в типоразмере АА его разрядная емкость составила 750 мА*ч.

Пример 4. 4100 мг LiTi2(PO4)3 перемешивали с 520 мг сажи в сухом виде, пропитывали 104 мл 5% раствора полимерного электролита, сушили 1 час при температуре 100°С, проводили дополнительную обработку при кручении по давлением 1.8 ГПа и относительной деформации 24, размалывали и напрессовывали на токоотвод под давлением 10 МПа. После сборки аккумулятора Li-LiTi 2(PO4)3 в типоразмере АА его разрядная емкость составила 720 мА*ч.

Пример 5. 4100 мг LiV3O8 перемешивали с 520 мг пирографита PR-3 в сухом виде, пропитывали 104 мл 5% раствора полимерного электролита, сушили 1 час при температуре 100°С, проводили дополнительную обработку при кручении по давлением 1.7 ГПа и относительной деформации 22, размалывали и напрессовывали на токоотвод под давлением 10 МПа. После сборки аккумулятора Li-LiV 3O8 в типоразмере АА его разрядная емкость составила 740 мА*ч.

Во всех случаях элементы и аккумуляторы удовлетворяли требованиям ГОСТ по емкости, разрядному напряжению и ресурсу.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ, ПРИНЯТЫЕ ВО ВНИМАНИЕ

1. Suzuki S., Miyayama M. // J.Power Sources. 2011. V.196. № 4. Р.2269-2273.

2. Тулибаева Г.З., Ярмоленко О.В., Ишмухаметова К.Г. // Материалы 18-го Менделеевского съезда по общей и прикладной химии. 2007. М. С.225.

3. Смирнов С.С., Жорин В.А., Киселев М.Р. // Журнал прикладной химии. 2010. Т.83. № 7. С.1109-1113.

4. Жорин В.А., Усиченко В.М., Епиколонян Н.С. // Высокомолекулярные соединения. 1982. Т.24. № 9, С.1889-1893.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Способ изготовления катода литиевого источника тока, в котором проводят смешение активной массы с электропроводной добавкой, пропитку полученной массы раствором полимерного электролита, сушку катодной массы, размол и напрессовку на токоотвод, отличающийся тем, что проводят дополнительную обработку катодной массы в процессе пластического течения при кручении под давлением не менее 1,7 ГПа и величинах относительной деформации 22-24.


Скачать патент РФ Официальная публикация
патента РФ № 2488196

patent-2488196.pdf
Патентный поиск по классам МПК-8:

Класс H01M4/04 способы изготовления вообще

Патенты РФ в классе H01M4/04:
способ формирования электропроводящих слоев на основе углеродных нанотрубок -  патент 2522887 (20.07.2014)
способ формования массы активатора анодных заземлителей и устройство для его осуществления -  патент 2516731 (20.05.2014)
тонкодисперсно осажденный порошок металлического лития -  патент 2513987 (27.04.2014)
способ создания пористого покрытия на металлическом электропроводящем носителе -  патент 2499332 (20.11.2013)
электрод и способ его производства -  патент 2497239 (27.10.2013)
анод химического источника тока и способ его изготовления -  патент 2487441 (10.07.2013)
способ получения катодного материала со структурой оливина для литиевой автономной энергетики -  патент 2482572 (20.05.2013)
способ изготовления тонкопленочного анода литий-ионных аккумуляторов на основе пленок наноструктурированного кремния, покрытого двуокисью кремния -  патент 2474011 (27.01.2013)
новый высокостабильный водный раствор, электрод с нанопокрытием для приготовления раствора и способ изготовления этого электрода -  патент 2472713 (20.01.2013)
способ и устройство для сушки электродного материала -  патент 2435253 (27.11.2011)

Класс H01M10/052 литиевые аккумуляторы

Патенты РФ в классе H01M10/052:
способ получения положительного электрода литий-ионного аккумулятора и литий-ионный аккумулятор -  патент 2526239 (20.08.2014)
биполярный электрод, биполярная аккумуляторная батарея с его использованием и способ изготовления биполярного электрода -  патент 2524572 (27.07.2014)
литиевый аккумулятор и способ его изготовления -  патент 2519935 (20.06.2014)
твердый полимерный электролит для литиевых источников тока -  патент 2503098 (27.12.2013)
электролит для химического источника тока -  патент 2499334 (20.11.2013)
электрохимическое устройство, имеющее различные типы сепараторов -  патент 2451367 (20.05.2012)
анодный активный материал ядерно-оболочечного типа для литиевых вторичных батарей, способ приготовления этого материала и литиевые вторичные батареи, содержащие этот материал -  патент 2436201 (10.12.2011)
электродно-активный материал и литиевая вторичная батарея -  патент 2433509 (10.11.2011)
химический источник электрической энергии -  патент 2431908 (20.10.2011)
активный катодный материал для перезаряжаемых литиевых батарей -  патент 2430449 (27.09.2011)

Наверх