СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КАТОДА ДЛЯ ЛИТИЕВЫХ ХИМИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ ТОКА

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КАТОДА ДЛЯ ЛИТИЕВЫХ ХИМИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ ТОКА


RU (11) 2157025 (13) C2

(51) 7 H01M6/16, H01M10/40 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 17.03.2008 - прекратил действие 

--------------------------------------------------------------------------------

(21) Заявка: 96113698/09 
(22) Дата подачи заявки: 1996.07.05 
(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 1996.07.05 
(45) Опубликовано: 2000.09.27 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: Кедринский Н.А., Дмитриенко В.Е., Поваров Ю.М. Грудянов И.И. Химические источники тока с литиевым электродом. - Красноярск, Изд-во Красноярского университета, 1983, с.119- 123. US, патент, 5077150, H 01 M 10-28, 1991. JP, заявка, 2- 170357, H 01 M 6/16, 1990. Harris P., Guentert M., Goebel F.//Proc. 34-th. Int. Power Sources Symp.cherry Hill, N.J.june 25-28, 1990, p.343-345. 
(71) Заявитель(и): Украинский государственный химико-технологический университет (UA) 
(72) Автор(ы): Шембель Елена Моисеевна (UA); Нагирный Виктор Михайлович (UA); Апостолова Раиса Даниловна (UA) 
(73) Патентообладатель(и): Украинский государственный химико-технологический университет (UA) 
Адрес для переписки: 320005, Днепропетровск, пр. Гагарина 8, Украинский государственный химико-технологический университет, патентный отдел 

(54) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КАТОДА ДЛЯ ЛИТИЕВЫХ ХИМИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ ТОКА 

Изобретение относится к химическим источникам тока и может быть использовано при изготовлении катода для литиевых химических источников тока жидким катодным реагентом. Техничесий результат - повышение эксплуатационной надежности. Способ предусматривает в качестве предварительной обработки нанесение на металлическую основу катода электролитического композиционного покрытия на основе никеля толщиной 25-35 мкм с дисперсной фазой графита 5-9 мас. %, размером дисперсных частиц 5-20 мкм, и последующее нанесение на нее слоя массы, содержащей смесь графита, сажи и фторопласта. 2 табл. 


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ



Изобретение относится к химическим источникам тока и может получить применение при изготовлении катодов для химических источников тока с анодом из активного щелочного металла и жидким катодным веществом, например Li/SO2 и Li/SOCl2.

Известен способ изготовления катода для литиевых химических источников тока с жидким катодным реагентом, который заключается в том, что на электропроводную подложку в виде тонкой фольги из никеля или нержавеющей стали наносят смесь графита и сажи со связующим компонентом - фторопластовой суспензией (Кедринский Н. А., Дмитриенко В.Е., Поваров Ю.М., Грудянов И.И. Химические источники тока с литиевым электродом. Красноярск: Изд-во Красноярского ун-та, 1983, 119-123).

Недостатки известного способа связаны со слабой адгезией катодной массы с металлической основой катода, а следовательно, и пониженной его механической устойчивостью. Это существенно осложняет изготовление катода, особенно рулонного типа, и обусловливает возможность осыпания активной массы в процессе эксплуатации ХИТ и его преждевременного выхода из строя. Наряду с этим, повышение внутреннего сопротивления элемента при длительной его работе приводит к уменьшению коэффициента использования активного вещества и удельных характеристик ХИТ.

Известен способ изготовления катода для ХИТ с жидким неводным электролитом, сущность которого состоит в том, что, с целью повышения электропроводности и механической устойчивости катода, содержащего в качестве активного компонента графит, сажу и связующее, в него дополнительно вводят никелевый порошок (Пат. 5077150 США, МКИ5 H 01 M 10/28, 1991).

Недостатки известного способа заключаются в том что введение никелевого порошка в катодную массу при кажущемся увеличении механической прочности одновременно снижает его пластические свойства, это исключает возможность применения данного способа для изготовления катодов рулонного типа.

Известен способ изготовления ХИТ с неводным электролитом, в котором для повышения эксплуатационной надежности и, в частности, предотвращения осыпания катода внутреннюю боковую поверхность корпуса ХИТ покрывают волокнистым фторированным полимером в виде трехмерной сетки (заявка 2-170357, Япония, МКИ5 H 01 М 6/16, 1990).

К недостаткам этого способа следует отнести локализованный характер защитного эффекта, достигаемого благодаря указанному покрытию боковой поверхности корпуса ХИТ. Это связано с соприкосновением только части поверхности катода с соответствующим участком внутренней стенки корпуса ХИТ. Кроме того, использование такого покрытия резко ухудшает условия сборки ХИТ вследствие увеличения трения и возможного истирания соприкасающихся поверхностей.

Прототипом изобретения является способ изготовления катода для литиевого химического источника тока с тионилхлоридным катодным реагентом, в котором для улучшения сцепления катодной массы, состоящей из смеси гранита, сажи и фторопласта, металлической основе катода придавали дополнительную шероховатость глубоким химическим травлением (Harris P. Guentert M., Goebel F. // Proc. 34-th. Int. Power Sources. Symp. Cherry Hill, N.J. June: 25-28, 1990. c. 343-345).

Недостатки прототипа заключаются в том, что химическое или электрохимическое травление, в т.ч. и глубокое, не обеспечивает создание на обрабатываемой поверхности требуемой макрошероховатости без нарушения качества основы. Создаваемая химическим травлением шероховатость на поверхности катодной основы может приводить к улучшению адгезии тонкослойных покрытий, но недостаточна для обеспечения удовлетворительного сцепления и удержания толстых 0,4-0,6 мм слоев катодного вещества. Кроме того, процесс химического травления трудно управляем, связан с быстрым нарушением стабильности травильных ванн и вредными условиямм труда.

Задачей изобретения является улучшение характеристик литиевых химических источников тока с жидким активным реагентом путем повышения качества катода за счет увеличения механической устойчивости и адгезированности катодной массы.

Решение этой задачи достигается тем, что в способе, включающем нанесение на металлическую основу катода катодной массы, содержащей смесь графита, сажи и связующего компонента - фторопласта, согласно изобретению на металлическую основу катода перед покрытием ее катодной массой наносят электролитическое композиционное покрытие на основе никеля, содержащее 5-9 мас.% дисперсных частиц графита размером 5-20 мкм, толщиной с учетом выступающих пиков и граней соосажденных частиц дисперсной фазы 20 - 35 мкм.

Положительный эффект в изобретении обусловливается образованием на металлической основе катода рельефной макрошероховатой поверхности осажденным на нее прочно адгезированным электролитическим композиционным никель-графитовым покрытием. При этом возрастают эксплуатационная стабильность ХИТ и разрядная емкость /на 5-10%/ благодаря уменьшению внутреннего электросопротивления.

Способ осуществляют по следующей технологической схеме применительно к изготовлению инертных катодов на металлической основе из нетканой никелевой сетки или фольги / основные операции /:

1. Обезжиривание / органические растворители, венская известь /.

2. Активация химическая в концентрированной соляной кислоте.

3. Нанесение композиционного покрытия из сернокислых и сульфаминовых электролитов никелирования, например, г/л:

никеля сульфат - 450-650

никеля хлорид - 12-15

кислота борная - 30-35

порошок гранита дисперсностью 5-20 мкм - 25-35

при pH - 3,2 - 3,5

температуре, oC - 50-60

плотности тока, А/дм2 - 2,5-3,5

и перемешивании очищенным сжатым воздухом.

4. Удаление наростов, дендритов.

5. Термообработка при температуре 250-300oC в среде воздуха и выдержке 1-1,5 ч.

6. Нанесение слоя катодной массы толщиной 0,45-0,50 км, состоящей из смеси гранита, сажи и фторопласта при различном весовом соотношении, например 1:10:2 мас.%, в пастообразном виде.

7. Сушка в среде воздуха последовательно при обычной температуре и температуре 25010oC.

Примеры конкретного применения.

1. По прототипу с приданием металлической основе катода дополнительной шероховатости травлением в растворе смеси соляном и азотной кислот 100-120 и 15-20 г/л соответственно.

2. По предлагаемому способу.

2.1. При суммарной толщине покрытия 20-35 мкм и содержании дисперсных частиц гранита размером 5-20 мкм, мас.%:

2.1.1 - 1-5; 2.1.2 - 5-9; 2.1.3 - выше 9.

2.2. При суммарной толщине покрытия 20-35 мкм и содержании дисперсной фазы графита 5-9 мас.% с размером частиц, мкм:

2.2.1 - меньше 5; 2.2.2 - 5-20; 2.2.3 - больше 20.

Испытания проводились в лабораторных и полупромышленных условиях при изготовлении катодов для литиевых ХИТ типоразмера диаметром 16х20 мм. Покрытия наносились на заготовки металлической основы катодов из никелевой сетки толщиной нити 0,05 мм и размером ячейки 0,6-0,8 мм в виде полосок размером 75х15 мм. Для нанесения покрытий применялась термостатированная ванна из винипласта емкостью 3,5 дм3. Параметры процессов подготовки и нанесения покрытия, а также концентрации соответствующих растворов и электролита поддерживались согласно приведенной выше технологической схеме при средних их значениях.

Разрядная емкость ХИТ определялась с помощью потенциостата ПИ-50-1,1 в мАч/см2 при плотности тока разряда 2 мА/см2 только для элементов, укомплектованных катодами, полученными при оптимальных вариантах изготовления (по данным предварительных испытаний). В качестве эталона сравнения принималась соответствующая величина, отвечающая параметрам прототипа.

Катоды изготовлялись путем нанесения катодной массы на заготовки металлической основы, полученные в соответствии с указанными примерами. Катодная масса готовилась из смеси дисперсных порошков сажи, графита и фторопластового связующего, взятых в данном случае в весовом соотношении 10:1:2. Смесь сажи и графита предварительно тщательно перемешивалась в специальном смесителе, а затем к ней добавлялась суспензия фторопласта, разбавленная в смеси воды и ацетона при объемном их соотношении 1:1. Полученная однородная суспензия подвергалась сушке в среде воздуха при температуре 705oC и выдержке 6 ч. Высушенная смесь обрабатывалась затем гептаном до получения пластичной легкоформирующейся массы. Последняя наносилась на металлическую подложку и прокатывалась через валки до получения равномерного покрытия толщиной 0,460,02 мм, после чего катодные заготовки последовательно сушились в среде воздуха при обычной температуре (13-15 ч) и температуре 25010oC (2 ч). Упаковав опытных катодов в ХИТ и их сборка производились в среде аргона в перчаточном боксе.

Сравнительная оценка качества исследуемых катодов осуществлялась по результатам определения разрядной емкости соответствующих элементов и визуального контроля их состояния после механических испытаний путем 3-кратного свертывания-развертывамия спиралеобразного рулона наружным диаметром 15 мм. Результаты испытаний предоставлены в таблицах 1, 2.

Приведенные данные (табл. 1, 2) свидетельствуют о том, что предлагаемый способ обеспечивает улучшение качества инертных катодов для ХИТ с жидким активным веществом благодаря повышению их механической устойчивости и компактности (примеры 2.1.2, 2.2.2). Положительную роль в этом случае играет образование на металлической основе катода рельефной макрошероховатой поверхности за счет осажденного слоя никель-графитового композита. Соосажденные в этом слое частицы графита создают на его поверхности своеобразный трехмерный каркас, способствующий значительному появлению адгезированности заполняющего его покрытия катодной массой и придающий ему дополнительную механическую устойчивость. Однако повышенное (более 9 мас.%) и пониженное (менее 5 мас. %) содержание графита в дисперсной фазе никелевого композита снижает достигаемый при его использовании положительный эффект. В первом случае вследствие нарушения равномерности покрытия, а во втором - из-за недостаточной его шероховатости. Аналогичное отрицательное влияние оказывает также пониженная (меньше 5 мкм) и повышенная (больше 20 мкм) зернистость частиц графита, а также отклонения от установленной оптимальной толщины покрытия.

Использование дополнительного никель-графитового композиционного покрытия наряду с улучшением механических свойств катода способствует повышению его химической активности в процессе работы ХИТ, что является следствием уменьшения внутреннего сопротивления элемента. Об этом свидетельствует соответствующее /до 10%/ увеличение разрядной емкости ХИТ с катодами, изготовленными по предлагаемому способу, по сравнению с прототипом. Эти факторы в итоге влияют на удельные характеристики ХИТ с жидким активным веществом.

Предлагаемый способ достаточно прост в осуществлении, технологичен, не требует дорогостоящих и дефицитных материалов, поддается механизации и автоматизации и может быть реализован в условиях любого гальванического или опытно-производственного участка. Его применение позволит резко повысить надежность и работоспособность литиевых ХИТ, работающих на жидких электролитах, в т. ч. и их безопасность, благодаря снижению вероятности короткого замыкания при осыпании катода.

Экономический эффект от использования предлагаемого способа определяется исходя из улучшенных удельных и эксплуатационных характеристик соответствующих ХИТ по сравнению с известными промышленными аналогами, а также снижения затрат за счет передела при изготовлении.

Способ прошел стадию лабораторных и полупромышленных испытаний на товарных литиевых ХИТ с положительными результатами и намечен к внедрению в IV кв. 1995 - II кв. 1996 г.г. 


ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ



Способ изготовления инертного катода для литиевых химических источников тока с жидким активным катодным реагентом, включающий нанесение на металлическую основу катода слоя катодной массы, содержащей смесь графита, сажи и связующего компонента - фторопласта, отличающийся тем, что на металлическую основу катода перед покрытием ее катодной массой наносят электролитическое композиционное покрытие на основе никеля максимальной толщиной 20 - 35 мкм с дисперсной фазой графита 5 - 9 мас.% и размером дисперсных частиц 5 - 20 мкм.




ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян



Независимый научно технический портал

Подборка патентов изобретений и технологий относящихся к ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ:
Гелиоэнергетика - Солнечные электростанции, Солнечные батареи. Солнечные коллекторы;
Ветроэнергетика - Ветроэнергетические установки. Ветродвигатели;
Волновые электростанции. Гидроэлектростанции;
Термоэлектрические источники тока;
Химические источники тока;
Нетрадиционные устройства и способы получения, преобразования и передачи ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ;
Устройства и способы экономии и сохранения электроэнергии;
Генераторы постоянного электрического тока. Электрические машины.



Устройства и способы получения, преобразования, передачи, экономии и сохранения электрической энергии




СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "И" означает, что будут найдены только те страници, где встречается каждое из ключевых слов. При использовании режима "или" результатом поиска будут все страници, где встречается хотя бы одно ключевое слово.

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+электрический -генератор".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "генератор" будут найдены слова "генераторы", "ренераторов" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу ("генератор!").


Солнечные электростанции. Гелиоэнергетика | Ветроэнергетические установки. Ветродвигатели. Ветрогенераторы | Волновые, геотермальные и гидроэлектростанции | Термоэлектрические источники тока | Химические источники тока. Накопители электроэнергии. Батареи и аккумуляторы | Нетрадиционные устройства и способы получения, преобразования и передачи электрической энергии | Устройства и способы экономии и сохранения электроэнергии | Генераторы постоянного и переменного электрического тока. Электрические машины


Рейтинг@Mail.ru