2457585 - Катодный материал для литиевого источника тока

Катодный материал для литиевого источника тока

Иллюстрации

Показать все

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в качестве катодного материала в пленочных литиевых источниках тока многоразового действия с пленочным электролитом на основе ионогенной соли. Уменьшение толщины катодного материалы при использовании его в виде тонких экологически чистых пленок в миниатюрных источниках тока с твердым электролитом является техническим результатом изобретения. Предложенный катодный материал содержит слоистое соединение графита с оксидом хрома (VI) - (C₈CrO₃), электропроводную добавку и полимерное связующее, при этом в качестве электропроводной добавки используется графит, а в качестве полимерного связующего вторичный ацетат целлюлозы (ВАЦ) при следующем содержании компонентов, мас.%: слоистое соединение графита с оксидом хрома (VI) - C₈CrO₃ - 5,0-70,0, графит - 2,0-63,0, вторичный ацетат целлюлозы (ВАЦ) - 9,0-90,0. Получены гибкие сверхтонкие пленочные электроды (0,2-1 см), электропроводность которых изменяется в интервале (2-20)·10^-3 См·см^-1. 2 ил., 2 табл., 6 пр.

Реферат

Изобретение относится к области электротехники, а именно к катодным материалам для литиевых аккумуляторов.

Известны катодные материалы на основе слоистых соединений графита с оксидом хрома (VI) [1], они мало растворимы в апротонных органических растворителях, отличаются простотой технологической сборки, но их изготовление связано с экологическим риском и значительными энергетическими затратами.

Известен катодный материал [2] на основе слоистого соединения графита с оксидом хрома (VI) типа C₈CrO₃, обладающий хорошей обратимостью по ионам лития при заряде и разряде в неводном литийсодержащем электролите. При этом образуется ряд соединений переменного состава Li_xC₈CrO₃.

Образование непрерывного ряда соединений переменного состава Li_xC₈CrO₃ при разряде катода сопровождается монотонным изменением потенциала электрода и не позволяет обеспечить стабильность разрядных характеристик во времени.

Известен также катодный материал, в котором для повышения разрядных характеристик катода и реализации более пологого хода кривой разряда предложено вводить активирующие добавки из группы: оксид ванадия V₂O₅, диоксид марганца MnO₂, триоксид серы SO₃. Цель достигается при введении активирующей добавки в состав C₈CrO₃ катода при следующем соотношении компонентов (прототип) [3]:

слоистое соединение графита
с оксидом хрома (VI), C₈CrO₃	45-50%
сажа	10-20%
фторопласт	10-15%
активирующая добавка	20-30%

При введении активирующей добавки разряд катода более длителен во времени и происходит при более высоком потенциале.

Сажа играет роль электропроводной добавки. Фторопласт используется как полимерное связующее.

Катод представляет собой таблетки толщиной 2-3 мм и предназначен для использования в источниках тока с жидким апротонным растворителем.

Задача изобретения - уменьшить толщину катодного материала, получить экологически чистый и экономически более выгодный катодный материал, а также расширить область применения катодного материала на химические источники тока с твердым электролитом.

Такой катодный материал может быть получен, например [4], если использовать в качестве циклируемого катода органические полимеры: (полиацетилен, политиофен, полипиррол и др), подвергнутые предварительной обработке путем допирования катионов. В процессе разряда катионы лития внедряются по межслоевым пространствам в структуру катодного материала, а при заряде покидают ее.

Катодный материал на основе допированных полимеров способен к обратимому интеркалированию катионов в области потенциалов на 2-3 В положительнее потенциала литиевого электрода. При некоторой минимальной степени допирования они приобретают достаточную электронную проводимость, чтобы служить катодным материалом, способным к интеркалированию катионов Li⁺.

Поставленная задача решается тем, что в катодном материале для литиевого источника тока, включающем слоистое соединение графита с оксидом хрома (VI) - С₈СrО₃, электропроводную добавку и полимерное связующее, в качестве электропроводной добавки содержится графит и в качестве полимерного связующего вторичный ацетат целлюлозы (ВАЦ) при следующих соотношениях компонентов, мас.%:

слоистое соединение графита
с оксидом хрома (VI) - C₈CrO₃	5,0-70,0
графит	2,0-63,0
вторичный ацетат целлюлозы (ВАЦ)	9,0-90,0

Для формования катодного материала ВАЦ использовали в виде раствора в ацетоне. Для этого 10 г ВАЦ растворяли в 90 г (113 мл) ацетона. Графит тщательно перетирали в фарфоровой ступке 20 минут, смешивали с 10 мл 10% раствора ВАЦ в ацетоне и оставляли в специальном бюксе для полного смачивания на 10 минут, затем добавляли C₈CrO₃.

Суспензию, содержащую C₈CrO₃, графит и раствор ВАЦ, выливали в специальные формы, установленные на гладкой, ровной стеклянной поверхности. Горловины форм тщательно пришлифовывали к стеклянной подложке.

Формы с суспензией выдерживали 48 часов в вытяжном шкафу при Т=19-20°С.

При испарении ацетона происходило формование структуры пленки. Полученные пленки высушивали до постоянного веса (при этом ацетон полностью испарялся) и вырубали образцы для испытаний.

Оптимального состава катодного материала для литиевого источника тока добивались варьированием содержания графита - «С» и C₈CrO₃ в образце от 5% до 70% от массы сухой пленки.

Получали композиции следующего состава:

I серия - 5% «С», II серия - 10% «С», III серия - 20% «С», IV серия - 30% «С», V серия - 40% «С», VI серия - 50% «С», VII серия - 60% «С», VIII серия - 70% «С».

При каждом содержании «С» варьировали содержание C₈CrO₃ от массы «ВАЦ+С». Получали композиции с содержанием C₈CrO₃ от 5% до 70% при каждом содержании «С». При более высоком содержании C₈CrO₃ и «С» пленочный катодный материал теряет механическую прочность, а при меньшем содержании невозможно получить однородную композицию.

Вычисляли процентное содержание каждого компонента в трехкомпонентном катодном материале по схеме, приведенной в примерах 1-6.

Пример 1 Серия 1, содержание графита составляет 5%.

Содержание ВАЦ в 10 мл ацетона (0,88 г) в сухой пленке составит 95%. Отсюда масса сухого образца - 0,93 г и для приготовления суспензии на 10 мл раствора необходимо взять (0,93-0,88)=0,05 г «С». Оставляя содержание «С» и ВАЦ постоянным, варьируем C₈CrO₃. Процент C₈CrO₃ считаем от массы «ВАЦ+С». Например, если C₈CrO₃ составляет 5%, это значит, что нужно добавить в суспензию 5% C₈CrO₃ - серия 1.