катод литиевого источника тока

Формула изобретения

1. Катод литиевого источника тока, представляющий собой композицию активной массы, электропроводной добавки и связующего, отличающийся тем, что в качестве связующего используют твердополимерный электролит, состоящий из полимерной матрицы и неорганической ионогенной соли лития.

2. Катод литиевого источника тока по п.1, отличающийся тем, что в качестве полимерной матрицы используют полиарилсульфон средней молекулярной массы (0,2-1,0)·10⁵ при следующем массовом соотношении компонентов, мас.ч.:

полиарилсульфон 100, неорганическая соль лития не более 30.

Описание изобретения к патенту

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. Эти катоды являются пористыми материалами, а их поры при работе литиевых источников тока заполняют раствором жидкого электролита. В качестве активной массы катода в настоящее время широко применяются оксиды металлов [1].

Известен катод, используемый в литиевых источниках тока, который представляет собой композицию из диоксида марганца, сажи и фторопласта, взятых в следующем массовом соотношении - 85:10:5. Для этих композиций удельная электрическая емкость лежит в интервале 150-220 мА·ч/г при 20°С, что значительно ниже его теоретического значения [2]. В качестве связующего вещества в этом катоде используют непроводящий фторопласт, который частично экранирует поверхность активных частиц, делая их недоступными для процесса интеркаляции иона лития, тем самым снижая удельную емкость катода.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемым результатам является катод, используемый в литиевых источниках тока, который представляет собой композицию из диоксида марганца, сажи и полипиролла, взятых в следующем массовом соотношении - 85:10:5. Использование в качестве связующего проводящего полимера-полипиролла позволило увеличить емкость до 280 мА·ч/г при 20°С. К недостаткам этого катода следует отнести высокий саморазряд (20% в месяц) из-за деструкции полипиролла, а также коррозионных процессов из-за наличия в порах катода жидкого электролита [3].

Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в повышении емкости и снижении саморазряда катодов литиевых источников тока. Поставленная техническая задача достигается тем, что в известном катоде литиевого источника тока, представляющем собой композицию активной массы, электропроводной добавки и связующего, предлагается в качестве связующего использовать твердополимерный электролит (ТПЭ), состоящий из полимерной матрицы и неорганической ионогенной соли лития.

Кроме того, в качестве полимерной матрицы может быть использован полиарилсульфон средней молекулярной массы (0,2-1,0)·10⁵ при следующем массовом соотношении компонентов, мас.ч:

полиарилсульфон - 100, неорганическая соль лития - не более 30.

При таких значениях средней молекулярной массы полимер обладает хорошими пленкообразующими свойствами, что позволяет получить твердополимерный электролит с хорошими механическими свойствами.

Обоснование выбранных интервалов компонентов: уменьшение количества соли менее нижнего предела приводит к неравномерности распределения ее по полимеру и соответственно к ухудшению проводящих свойств;

увеличение количества соли лития более верхнего предела приводит к разрушению структуры полимера и, как следствие, твердополимерный электролит становится гомогенно неоднородным, что также приводит к снижению проводящих свойств.

Катод изготавливают следующим образом. Порошок диоксида марганца MnO₂ перемешивают с сажей в соотношении 85:10 и пропитывают 5 (мас.) % раствором твердополимерного электролита в диметилацетамиде. Твердополимерный электролит состоит из перхлората лития и полиарилсульфона при массовом соотношении компонентов: полиарилсульфон - 100, перхлорат лития - 20. Объем раствора выбирают таким образом, чтобы соотношение MnO₂:сажа:ТПЭ составляло 85:10:5. Затем полученную смесь высушивают в сушильном шкафу при температуре 100°С в течение часа в вакууме и напрессовывают на контактную часть токоотвода катода. Прессование осуществляют под давлением 10 МПа.

Процесс сушки готового катода проводят в сушильном шкафу при температуре 100°С в течение двух часов в вакууме.

В таблице приведены примеры конкретных составов и свойств заявленных катодов.

№	Диоксид марганца, мг	LiClO4 , мг	Полимерная матрица, мг	Графит, мг	Удельная емкость, мА·ч/г	Саморазряд, %/год
1	9,00	0,05	0,45	0,50	287	0,5
2	9,00	0,10	0,40	0,50	294	0,5
3	9,00	0,15	0,35	0,50	285	0,5
4	8,50	0,10	0,90	0,50	304	0,5
5	8,50	0,20	0,80	0,50	310	0,5
6	8,50	0,30	0,70	0,50	298	0,5
7	8,00	0,15	1,35	0,50	288	0,5
8	8,00	0,30	1,20	0,50	293	0,5
9	8,00	0,45	1,05	0,50	290	0,5

Предлагаемый катод имеет преимущество по емкости и саморазряду перед существующими аналогами.

Указанный эффект объясняется тем, что в качестве связующего катода и электролита в его порах используется твердополимерный электролит. Таким образом в данном катоде полностью отсутствует жидкая фаза, т.е он является твердофазным композиционным материалом. При использовании электропроводного ТПЭ в качестве связующего компонента экранирования поверхности частиц активного материала не возникает. Кроме того, равномерность распределения ТПЭ в структуре твердофазного электрода по данным растровой электронной микроскопии выше, чем у электродов-прототипов. Как показали эксперименты, по длительным режимам разряда твердофазных катодов и их разряда после хранения ТПЭ в отличие от жидкого электролита является полностью инертным по отношению к материалам положительного электрода. Вследствие чего саморазряд твердофазного катода значительно меньше, чем катода, поры которого заполнены жидким электролитом.

Источники информации

1. Химические источники тока: Справ. / Под ред. Н.В.Коровина и A.M.Скундина. М.: Изд-во МЭИ, 2003. 799 с.

2. Lithium Batteries: Science and Technology / Nazri G.A., Pistoia G., eds. Boston. Kluwer Academic, 2004. 375 р.

3. Gemeay A.H., Nishiyama, Kuwabata S., Yoneyama H. // J. Electrochem. Soc. - 1995. - V.142, N12. - P.4190-4195.