твердотельный химический источник тока

Формула изобретения

1. Твердотельный химический источник тока, состоящий из анода на основе свинца, катода, содержащего фторид серебра, и электролита, выполненного из фторионопроводящего соединения, отличающийся тем, что в качестве фторионопроводящего соединения он содержит фторид редкоземельного металла.

2. Твердотельный химический источник тока по п.1, отличающийся тем, что в качестве фторида редкоземельного металла он содержит трифторид лантана.

3. Твердотельный химический источник тока по п.1 или 2, отличающийся тем, что электролит дополнительно содержит по крайней мере фторид щелочноземельного металла.

4. Твердотельный химический источник тока по п.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что электролит дополнительно содержит фторид щелочного металла.

5. Твердотельный химический источник тока по п.3, отличающийся тем, что электролит в качестве фторида щелочноземельного металла содержит фторид бария.

6. Твердотельный химический источник тока по п.4, отличающийся тем, что электролит в качестве фторида щелочного металла содержит фторид калия или фторид лития.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области электротехники, в частности к твердотельным химическим источникам тока, и может быть использовано как в качестве первичного, так и вторичного источника тока.

Известен твердотельный химический источник тока [1], в котором анод выполнен из металла группы редкоземельных металлов, например лантана, катод выполнен из ионопроводящего сложного фторида, например трифторида висмута с добавкой фторида калия и окисла металла. В качестве электролита использовано фторионопроводящее соединение на основе фторида редкоземельного металла, например трифторида лантана с добавкой дифторида бария.

Этот химический источник тока работоспособен в диапазоне температур до 500^oС. Он характеризуется высоким значением энергоемкости [1].

Однако он может быть использован только как первичный источник тока, чем значительно снижается область практического использования этого источника тока.

Наиболее близким к заявляемому источнику тока является известный твердотельный химический источник тока [2], в котором анод выполнен из свинца, катод - из фторида серебра, а электролит представляет собой поликристаллическую композицию, состоящую из фторида свинца с добавкой фторида калия. Использование электродной пары свинец - фторид серебра во фторионных батареях характеризуется высокой обратимостью электродных процессов, что позволяет его использовать и как первичный, и как вторичный источник тока. Однако этот источник тока при использовании его в варианте вторичного, то есть в варианте аккумулятора, характеризуется низкой энергоемкостью. Это обусловлено тем, что при заряде батареи происходит электролиз анодного фторида свинца и электролиз твердого электролита также состоящего из фторида свинца, что приводит к разрушению электролитного слоя. Вследствие этого во вторичном источнике указанного устройства при выполнении цикла заряда возможна реализация низкой зарядной емкости и в итоге источник тока имеет низкую электрическую емкость. К примеру, в известном твердотельном химическом источнике тока [2] электрическая емкость составляет 0,65 мАч. В аналогичном по устройству твердотельном источнике тока [3] электрическая емкость источника тока составляет 0,3 мАч. Повышение электрической емкости данного устройства можно достичь только путем увеличения габаритов, что не всегда допустимо и оправдано, так как источники тока в этом случае имеют низкие удельные характеристики.

Кроме того, к существенным недостаткам известного источника тока [2] следует отнести проблему длительной сохранности электрической энергии при использовании его в варианте аккумулятора. Эта проблема обусловлена тем, что при заряде источника тока возможно изменение химического состава электролита вследствие электролиза электролита. При этом образовавшийся в электролите металл вносит значительную электронную составляющую в величину электрической проводимости электролита. Такое изменение в свою очередь приводит к саморазряду источника тока, то есть к снижению сохранности электрической энергии или к непригодности источника тока.

Задачей настоящего изобретения является повышение энергоемкости и увеличение времени сохранности электрической энергии вследствие уменьшения саморазряда твердотельного источника тока при его эксплуатации в режиме аккумулятора.

Технический результат, достигаемый при использовании изобретения, заключается в следующем:

- возможность работы химического источника тока как в режиме первичного, так и в режиме вторичного;

- значительное повышение электрической емкости источника тока при использовании его в режиме вторичного, то есть в режиме аккумулятора (в 4-8 раз);

- снижение величины саморазряда источника тока и, следовательно, увеличение времени сохранности электрической энергии.

- повышение габаритных характеристик источника тока.

Для решения поставленной задачи и достижения указанного технического результата в известном твердотельном химическом источнике тока, содержащем анод на основе свинца, катод на основе фторида серебра и электролит, выполненный из фторионопроводящего соединения, согласно изобретению в качестве фторионопроводящего соединения он содержит по крайней мере фторид редкоземельного металла. В качестве фторида редкоземельного металла может быть использован трифторид лантана. Дополнительно электролит может содержать фторид щелочноземельного металла, например дифторид бария, и (или) фторид щелочного металла, например фторид калия или фторид лития.

Изобретение соответствует критерию "новизна", так как сопоставительный анализ с прототипом показал, что оно имеет отличительные признаки.

При проверке технического решения на соответствие критерию "изобретательский уровень" установлено, что в патенте РФ 2136083 [1] известно применение в твердотельном источнике тока электролита из фторионопроводящего соединения, содержащего фторид редкоземельного металла. Однако в известном устройстве не обеспечивается технический результат, который достигается в заявляемом изобретении. Известный химический источник работает только в режиме первичного, а заявляемый источник тока работает как в режиме первичного, так и вторичного источника тока, и при этом получены высокие характеристики по энергоемкости при работе в режиме вторичного источника тока.

На основании проведенного анализа можно сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию "изобретательский уровень".

В заявляемом источнике тока электролит представляет собой твердый фторионный проводник на основе фторидов редкоземельных металлов, характеризующийся высокой проводимостью по иону фтора и низкой электронной проводимостью. Введение во фториды редкоземельных металлов дифторидов щелочноземельных металлов приводит к повышению ионной проводимости, а дополнительное введение фторидов щелочных металлов способствует дальнейшему повышению фторионной проводимости. Используя обратимые электроды - анод на основе свинца и катод на основе фторида серебра, и размещая между ними твердый электролит, выполненный из фторионопроводящего твердого соединения на основе фторида редкоземельного металла, реализуется устройство заявляемого источника тока. Этот источник тока может использоваться как в варианте первичного, так и в варианте вторичного источника тока.

При заряде заявляемого источника, то есть при использовании его в варианте вторичного, происходит электролиз только анода, состоящего в основном из фторида свинца. Твердый электролитный слой, выполненный из фторионопроводящего твердого соединения на основе фторида редкоземельного металла, электролизу не подвергается в широком диапазоне зарядного напряжения.

В результате такой устойчивости твердого электролита заявляемый источник тока имеет более высокую электрическую емкость по сравнению с прототипом (табл. 1). Использование в источнике тока электролита в виде фторионопроводящего твердого соединения на основе фторида редкоземельного металла обеспечивает не только химическую устойчивость электролита при заряде источника тока, но и сохранение физических свойств этого материала. В частности сохраняется низкая величина электронной проводимости. Без изменения химического состава фторионопроводящие твердые соединения на основе фторида редкоземельного металла имеют электронную удельную проводимость на уровне 110^-8-110^-7 Ом^-1 см^-1 Этот уровень электронной проводимости позволяет обеспечить низкий саморазряд заявляемого источника тока и соответственно высокую сохранность электрической энергии.

Таким образом, использование в заявляемом источнике тока электролита в виде фторионопроводящего твердого соединения на основе фторида редкоземельного металла позволяет улучшить характеристики и этим значительно расширить область практического использования источника тока как в режиме первичного, так и в режиме вторичного, то есть в режиме аккумулятора. При этом имеет место значительное повышение энергоемкости источника тока, снижение величины саморазряда и увеличение времени сохранности электрической энергии при использовании его в режиме аккумулятора.

На чертеже приведена схема заявляемого твердотельного источника тока. Он представляет собой установленные в контакте три слоя:

1 - металлический анод на основе свинца,

2 - твердый фторионопроводящий электролит, содержащий, по крайней мере, фторид редкоземельного металла,

3 - твердый катод на основе фторида серебра.

Принцип работы предлагаемого источника тока состоит в следующем.

В заявляемом источнике тока под действием ЭДС электродной пары свинец фторид серебра при замыкании внешней цепи происходит перенос иона фтора по катоду, затем по твердому электролиту с последующим анодным взаимодействием иона фтора со свинцом и образованием фторида свинца. При этом вследствие высокой химической устойчивости используемый твердый электролит не претерпевает изменений, чем обеспечивается стабильность разрядных характеристик при использовании заявляемого источника тока в качестве первичного.

Заявляемый источник тока также работоспособен в режиме вторичного источника тока, то есть аккумулятора. При подаче на источник тока внешнего напряжения обратной полярности с величиной больше ЭДС происходит устойчивый заряд источника тока. В этом случае в аноде имеет место электролиз фторида свинца. Образовавшийся ион фтора проходит анодный слой, далее диффундирует по твердой фазе фторионнопроводящего электролита, содержащего по крайней мере фторид редкоземельного металла, с последующим взаимодействием с серебром в катоде с образованием фторида серебра и переходом электрона во внешнюю зарядную цепь. Так как используемый электролит значительно превосходит по химической устойчивости фторид свинца, в частности имеет значительно более высокий потенциал разложения, то в процессе заряда электролит не изменяет своего химического состава и сохраняет свои электрические свойства: высокую фторионную проводимость и низкую электронную проводимость. Вследствие этого реализуется устойчивый процесс заряда заявляемого источника тока и его работоспособность в режиме вторичного источника тока. При этом устойчивость электролита в заявляемом источнике тока при работе в режиме как первичного, так и вторичного определяет высокую сохранность электрической энергии вследствие низкого саморазряда.

Для подтверждения критерия "промышленная применимость" были изготовлены опытные образцы заявляемого твердотельного источника тока в виде трехслойных элементов:

- анод - на основе свинца с добавками фторида свинца и фторида калия;

- электролит - на основе фторида лантана с добавкой фторида бария;

- катод - на основе фторида серебра.

Для сравнения рабочих характеристик заявляемого источника тока и прототипа были также изготовлены опытные образцы источника тока - прототипа в виде трехслойных элементов:

- анод - на основе свинца с добавками фторида свинца и фторида калия;

- электролит - на основе фторида свинца и фторида калия;

- катод - на основе фторида серебра.

Проведенные заряд-разрядные испытания источников тока заявляемого устройства и устройства-прототипа при одинаковых условиях испытаний и габаритах источников позволили провести сопоставление электрической емкости источников (см. таблицу).

В результате проведенных испытаний было получено, что заявляемый источник превосходит прототип по электрической емкости в 4-8 раз, при этом значительно возросли удельные характеристики с единицы объема; а следовательно, улучшились габаритные характеристики источника тока. В заявляемом источнике тока твердый электролит не изменил своих свойств при заряд-разрядных циклах, обеспечивая низкий саморазряд и сохранность электрической энергии. В заявляемом источнике тока могут быть использованы электролиты на основе трифторидов других редкоземельных металлов, в частности трифторида церия. Схожесть химических свойств твердых ионных проводников на их основе позволяет решить поставленную задачу и достичь указанного технического результата при использовании фторионопроводящего твердого соединения на основе различных фторидов редкоземельных металлов.

Важным преимуществом заявляемого источника тока также является то, что электролит в виде фторионопроводящего твердого соединения на основе фторида редкоземельного металла значительно превосходит по термостойкости электролит в виде фторионопроводящего твердого соединения на основе фторида свинца. Если соединения на основе фторида редкоземельного металла в заявляемом источнике тока термически устойчивы до 1500^oС, то соединения на основе фторида свинца, используемые в прототипе, термически устойчивы до 400-600^oС. Это обстоятельство выделяет заявляемый источник тока как более термостойкий и безопасный при эксплуатации.

Источники информации

1. Патент РФ 2136083, Н 01 М 6/18, опубл. БИ, 24, 1999.

2. Патент Великобритании 1524126, Н 01 М 6/18,10/36, опубл. 06.09.78 (прототип).

3. Патент РФ 1804252, Н 01 М 4/22, опубл. БИ 6, 1995.