способ изготовления аккумулятора системы li/liialcl₄ nso₂/cu, c

Формула изобретения

Способ изготовления аккумулятора системы Li/LiAlCl₄ ·nSO₂/Cu,C с добавкой лития хлорида, заключающийся в сборке, заливке электролитом, герметизации, отличающийся тем, что лития хлорид помещают в процессе сборки в межэлектродное пространство в виде пористой пластины толщиной 0,2-0,5 мм, после герметизации проводят два формировочных цикла, при этом в первом цикле разряжают на 10-20% от С_ном, заряжают на 20-50% от С_ном, а во втором цикле разряд осуществляют до напряжения 2В, с последующим зарядом на 100-110% от С_ном .

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при производстве литиевых аккумуляторов.

Наиболее близким по технической сущности является способ изготовления ХИТ с литиевым анодом, катодом из CuCl₂ и электролитом, представляющим собой раствор LiAlCl₄ в жидком SO ₂, в который с целью обеспечения стабильности разрядного напряжения вводится 3-15 мас.% LiCl (Заявка №4844993 США, МКИ ⁴ Н 01 М 4/58).

Однако данный способ изготовления ХИТ обладает следующими недостатками:

- избыточный лития хлорид не растворяется в электролите (раствор LiAlCl₄ в жидком SO₂), поэтому возникают проблемы при заливке аккумулятора электролитом;

- происходит снижение безопасности эксплуатации ХИТ при циклировании.

Это связано с введением в электролит добавки лития хлорида - при заряде избыток лития восстанавливается на аноде, а на катоде происходит образование молекулярного хлора, который не расходуется на химические реакции с компонентами положительного электрода и, накапливаясь, повышает внутреннее давление в аккумуляторе, что приводит к разгерметизации элементов.

Перед авторами стояла задача повышения безопасности эксплуатации литиевых аккумуляторов при сохранении высоких удельных характеристик путем изготовления аккумулятора с повышенными емкостными характеристиками.

Необходимый технический результат достигается тем, что в известном способе изготовления аккумулятора системы Li/LiAlCl₄·nSO₂/Cu,C с добавкой лития хлорида, заключающемся в сборке, заливке электролитом и герметизации, лития хлорид помещают в процессе сборки в межэлектродное пространство в виде пористой пластины толщиной 0,2-0,5 мм, после герметизации проводят два формировочных цикла, при этом в первом цикле разряжают на 10-20% от С_ном, заряжают на 20-50% С_ном , а во втором цикле разряд осуществляют до напряжения 2 В с последующем зарядом на 100-110% от С_ном.

Сущность изобретения заключается в том, что введение в межэлектродное пространство аккумулятора пористой пластины из лития хлорида в совокупности с проведением формировочных циклов заявляемым режимом приводит к значительному увеличению емкости аккумулятора за счет образования второго активного катодного деполяризатора, т. происходит полное преобразование порошка меди, содержащегося в катодном материале, в меди хлорид (II). Безопасность эксплуатации такого аккумулятора возрастает в несколько раз по сравнению с аккумулятором, изготовленным в соответствии с описанием прототипа, за счет следующих факторов:

- первоначальный разряд емкостью 10-20% от С_ном позволяет восстановить меди хлорид (I), который образуется вследствие электрохимической реакции на границе сажа - медь после заливки ХИТ электролитом, до металлической меди. Это приводит к ускорению процесса формирования положительного электрода аккумулятора;

- при последующем заряде происходит разложение введенной дополнительно соли лития хлорида на литий, который электроосаждается на очищенную поверхность плотным осадком и является электрохимически более активным, и атомарный хлор, который реагирует с частицами меди, образуя меди хлорид (II);

- при введенной пористой пластине из лития хлорида, который расходуется в течение формировочных циклов, в аккумуляторе появляется свободное пространство для постепенного увеличения толщины электродов во время заряда. Мягкий режим формирования активной массы катода с постепенным увеличением зарядной емкости от цикла к циклу позволяет полностью преобразовать медь в меди хлорид (II), не приводя к деформациям внутри аккумулятора.

Целесообразно применять пластину из лития хлорида толщиной не более 0,5 мм из-за снижения удельных характеристик. Нижний предел толщины пластины 0,2 мм обусловлен количеством лития хлорида, которое необходимо для эффективного формирования аккумулятора.

При проведении первого формировочного разряда емкостью менее 10% от С_ном не происходит полного восстановления хлорида меди (I) до металлической меди. Разряд аккумулятора емкостью более 20% от С_ном нецелесообразен, так как происходит забивание пор продуктами разряда сажевого электрода, вследствие чего процесс дальнейшего формирования протекает неэффективно.

Целесообразно первый заряд проводить емкостью 20-50% от С_ном, так как при этом растворение пористой пластины из лития хлорида происходит наиболее равномерно, что, в свою очередь, ведет к образованию плотного осадка из металлического лития на литиевом электроде и способствует переходу металлической меди в меди хлорид по всему объему электрода. Первый заряд емкостью менее 20% от С_ном проводить нецелесообразно, так как переход металлической меди в меди хлорид (II) происходит только на поверхности электрода, вследствие чего дальнейшее формирование происходит неэффективно. Учитывая тот факт, что при заряде происходит образование второго активного вещества, вследствие чего толщина электрода несколько увеличивается, проводить первый заряд емкостью более 50% от С_ном нецелесообразно, так как это может привести к деформациям внутри электродного блока. Второй заряд емкостью менее 100% от С_ном не позволяет полностью растворить пластину из лития хлорида, и при дальнейшем циклировании приводит к снижению характеристик аккумулятора. Так как при перезаряде аккумулятора происходит разложение электролита с выделением хлора, что ведет к снижению безопасности эксплуатации ХИТ, то заряжать более 110% от С_ном нецелесообразно.

Эффективность предлагаемого технического решения подтверждается приведенным ниже примером.

Пример. Для испытаний было собрано 6 серий лабораторных образцов типоразмера R6 (по 3 шт. в каждой серии) ХИТ с литиевым и медно-сажевым электродами, двухслойным сепаратором и электролитом LiAlCl₄·nSO₂.

Серия №1 изготовлена в соответствии с описанием прототипа.

Серии №2-4 изготовлены в соответствии с описанием заявляемого технического решения.

Серия №5 изготовлена без введения пластины из лития хлорида, формировочные циклы проведены в соответствии с описанием формулы изобретения.

Серия №6 изготовлена с введением пластины из лития хлорида, но без проведения формировочных циклов.

Испытания проводили на автоматическом заряд-разрядном стенде. Плотность тока заряда и разряда 1 мА/см².

Результаты испытаний макетов приведены в таблице 1.

Таблица 1
№	Толщина пластины из LiCl, мм	Отличительные признаки	Qуд, А·ч/м3	Количество циклов	Заявляемый эффект	Примечание
1.1	-	Изготовлено в соответствии с прототипом	250	15	нет	КЗ во время 15 заряда
1.2	-		220	18	нет	Взрыв во время 18 заряда
1.3	-		200	13	нет	Взрыв во время 13 заряда
2.1	0,20	Изготовлено в соответствии с заявляемым техническим решением	550	68	есть	Циклирование прекращали при снижении емкости до 50%
2.2	0,20		520	63	есть
2.2	0,20		530	65	есть
3.1	0,35		560	71	есть	-- Оптимальный вариант
3.2	0,35		570	78	есть
3.3	0,35		568	73	есть
4.1	0,50		540	63	есть	Циклирование прекращали при снижении емкости до 50%
4.2	0,50		545	65	есть
4.3	0,50		537	70	есть
5.1	-	Изготовлены без введения пластины LiCl	310	15	нет	Взрыв во время 15 заряда
5.2	-		315	20	нет	КЗ во время 20 заряда
5.3	-		312	19	нет	КЗ во время 19 заряда
6.1	0,35	Без проведения формировочных циклов	275	8	нет	КЗ во время 8 заряда
6.2	0,35		270	12	нет	КЗ во время 12 заряда
6.3	0,35		272	9	нет	Взрыв во время 9 заряда

Для исследования влияния режима формирования были собраны макеты с пластиной из лития хлорида толщиной 0,35 мм. Результаты испытаний представлены в таблице 2.

Таблица 2
№	Режим формирования			Qуд, А·ч/м3	Количество циклов	Заявляемый эффект	Примечание
	разряд	1 заряд	2 заряд
1.1	В соответствии с прототипом			180	10	нет	КЗ во время 10 заряда
1.2	В соответствии с прототипом			210	14	нет	Взрыв во время 14 заряда
1.3	В соответствии с прототипом			200	16	нет	Взрыв во время 16 заряда
2.1	0,10	0,2	1	510	68	есть	Циклирование прекращали при снижении емкости до 50%
2.2	0,10	0,2	1	520	63	есть
2.2	0,10	0,2	1	530	65	есть
3.1	0,15	0,35	1,05	560	71	есть	-- Оптимальный вариант
3.2	0,15	0,35	1,05	570	78	есть
3.3	0,15	0,35	1,05	568	73	есть
4.1	0,20	0,5	1,1	540	63	есть	Циклирование прекращали при снижении емкости до 50%
4.2	0,20	0,5	1,1	545	65	есть
4.3	0,20	0,5	1,1	537	70	есть

Из данных таблиц 1 и 2 следует, что положительный эффект увеличения удельных характеристик и повышения безопасности эксплуатации достигается только при соблюдении совокупности существенных признаков, описанных в изобретении: введения в межэлектродное пространство пластины из лития хлорида толщиной 0,2-0,5 мм и проведения формировочных циклов.

Таким образом, приведенные примеры изготовления аккумуляторов в соответствии с признаками, изложенными в формуле изобретения, а также испытания этих аккумуляторов на зарядно-разрядном стенде подтверждают возможность практической реализации заявляемого изобретения с достижением указанного технического результата. На основании изложенного можно сделать заключение о соответствии заявляемого изобретения критерию «промышленная применимость». Проведенный анализ уровня техники дает основание утверждать, что заявляемая нами совокупность существенных признаков, изложенная в формуле изобретения, неизвестна, что отвечает одному из критериев - «новизна».

Изучение технических решений с целью выявления существенных признаков нашего изобретения, совпадающих с признаками прототипа, показало, что заявленное нами изобретение не следует явно для специалиста в данной области из известного уровня техники. Считаем, что предлагаемое решение соответствует критерию «изобретательный уровень».

На основании вышеизложенного считаем, что предлагаемое нами техническое решение может быть признано изобретением и защищено патентом Российской Федерации.