PL212601B1 - Sposób wytwarzania ogniwa elektrochemicznego - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania ogniwa elektrochemicznego.

Chemiczne akumulatory energii, takie jak ogniwa galwaniczne (do jednorazowego użytku jak i akumulatory) czy kondensatory elektrochemiczne w swoim składzie posiadają dwie elektrody oraz rozdzielający je separator nasączony elektrolitem. Do tego dochodzą kolejne elementy konstrukcyjne jak kolektory elektryczne, będące blachami, foliami, kratkami czy siatkami, wykonywanymi z metalu lub materiału węglowego. Często dla zapewnienia mechanicznej wytrzymałości elektrod umieszcza się je w kolejnych elementach ogniwa, takich jak kieszenie czy pianki (niklowa). Wymienione elementy znajdują się w kolejnym elemencie konstrukcyjnym, jakim jest obudowa, zapewniająca całości wytrzymałość mechaniczną oraz w wielu przypadkach konieczną szczelność, czyli odseparowanie od atmosfery.

W ogniwach obie elektrody, anoda i katoda, wykonane są z różnych materiałów. W kondensatorach elektrochemicznych akumulujących energię w podwójnej warstwie elektrycznej, obie elektrody wykonywane są z węgli aktywnych o dużej powierzchni właściwej, sprasowywanych lub sklejonych polimerem.

Konstrukcja ogniw tego typu, zawierających dużą ilość elementów, powoduje, iż udział masy czynnej elektrod w całości masy ogniwa jest obniżony (zwykle 30-40%), co wpływa na spadek pojemności właściwej ogniwa.

Aby zmniejszyć ilość elementów konstrukcyjnych opracowano elektrolity polimerowe. Są to elektrolity stałe utworzone przez rozpuszczenie soli, kwasów lub zasad w polimerze. Takie elektrolity polimerowe mogą być dodatkowo plastyfikowane dodatkiem substancji nieorganicznych, organicznych, lub wysokowrzących rozpuszczalników, w celu podwyższenia przewodnictwa. Ukazało się wiele prac i patentów opisujących takie układy. Przykładem mogą być elektrolity polimerowe będące połączeniem polimeru z solami litu, plastyfikowane ciekłymi węglanami; tego typu układy stosowane mogący być w ogniwach litowo-jonowych. Zastosowanie elektrolitów polimerowych pozwala zmniejszyć ilość elementów konstrukcyjnych i wytworzyć ogniwo w technice laminowania przez sklejenie trzech folii: elektroda 1 + elektrolit separujący + elektroda 2.

Istotą wynalazku jest sposób wytwarzania ogniwa elektrochemicznego, który polega na tym, że na separator, korzystnie z włókna szklanego, nanosi się obustronnie masę czynną w N-metylopirolidonie ze środkiem wiążącym, korzystnie poli(fluorek winylidenu), którą stanowi zawiesina węgla aktywnego i czerni acetylenowej, lub zawiesina grafitu i czerni acetylenowej i/lub zawiesina LiMn2O4 i czerni acetylenowej, w roztworze poli(fluorku winylidenu), o składzie odpowiednio 5% poli(fluorku winylidenu), 5% czerni acetylenowej, 90% LiMn2O4 lub grafitu lub węgla aktywnego, dalej suszy się próżniowo do odparowania N-metlopirolidonu, następnie nasącza się odpowiednio 2M roztworem tetrafluoroboranu tetraetyloamoniowego w acetonitrylu i/lub 2M roztworem LiPF6 w mieszaninie 1:1 cyklicznych węglanów - węglanu propylenu i węglanu dimetylu, po czym na obie powierzchnie nakłada się folię aluminiową i/lub miedzianą, dalej całość umieszcza się w obudowie.

Dzięki zastosowaniu wynalazku osiągnięto następujące efekty techniczno-użytkowe:

• część podstawowa układu składa się z jednej folii (separator pokryty z obu stron masami czynnymi, zamiast co najmniej trzech, oddzielnie wytwarzanych warstw, • wyeliminowanie konieczności zapewniania wytrzymałości mechanicznej konstrukcji przez masywną obudowę, • możliwość stosowania elektrolitu jako lepiszcza masy czynnej elektrod, • łatwość końcowego montażu urządzenia elektrochemicznego: wystarczy folię skontaktować z kolektorami i umieścić w obudowie, • łatwość budowania stosów operujących przy wyższych napięciach roboczych, • zwiększenie procentowego udziału masy czynnej czyli wzrost pojemności właściwej, • łatwość zmniejszenia grubości układu (elektroda 1/separator/elektroda 2) a tym samym spadek oporu i wzrost mocy właściwej (prądu ładowania i rozładowania).

Przedmiot wynalazku uwidoczniono na następujących przykładach:

P r z y k ł a d 1

Na separator będący papierem z włókna szklanego o grubości 0,1 mm nanosi się obustronnie metoda natrysku, lub przy pomocy wałka, zawiesinę węgla aktywnego (AC, powierzchnia właściwa ca. ₂

2000 m²/g) i czerni acetylenowej (AB) w roztworze poli(fluorku winylidenu) - o składzie: 5% AB, 5% poli(fluorku winylidenu), 90% AC w N-metylopirolidonie (NMP). Otrzymana substancja przypomina

PL 212 601 B1 wyglądem czarną farbę drukarską. Ilość NMP dobiera się w stosunku do składników stałych (AB, poli(fluorek winylidenu), AC) tak, aby zawiesina miała konsystencję farby malarskiej odpowiednią do danego urządzenia stosowanego do nanoszenia. Następnie należy pokryć np. poprzez naniesienie wałkiem obustronnie folię (separator) zawiesiną. Pokryty obustronnie separator suszy się próżniowo w celu odparowania NMP. Otrzymaną obustronnie czarną folię nasącza się 2M roztworem tetrafluoroboranu tetraetyloamoniowego w acetonitrylu. Następnie przykłada się do obu powierzchni folie aluminiowe o grubości 0.05 mm (kolektory) i całość umieszcza w obudowie (np. przez zwinięcie do obudowy). W ten sposób otrzymuje się kondensator elektrochemiczny.

P r z y k ł a d 2

Na separator będący papierem z włókna szklanego o grubości 0,1 mm nanosi się z jednej strony zawiesinę grafitu (G) i czerni acetylenowej (AB) w roztworze poli(fluorku winylidenu) - (PVdF) w stosunku wagowym: 5 % AB, 5 % poli(fluorku winylidenu), 90 % G w N-metylopirolidonie (NMP). Drugą stronę pokrywa się zawiesiną LiMn2O4 i czerni acetylenowej (AB) w roztworze poli(fluorku winylidenu) - PVdF o składzie: 5% AB, 5% poli(fIuorku winylidenu), 90% LiMn2O4 w N-metylopirolidonie (NMP). Ilość NMP dobiera się w stosunku do składników stałych tak, aby zawiesina miała konsystencję farby malarskiej odpowiednią do danego urządzenia stosowanego do nanoszenia. Pokryty obustronnie separator wysusza się próżniowo w celu odparowania NMP. Dalsze operacje prowadzi się w atmosferze pozbawionej wilgoci. Otrzymaną folię nasącza się 2M roztworem LiPF6 w mieszaninie (1:1) cyklicznych węglanów węglanu propylenu i węglanu dimetylu. Następnie do powierzchni pokrytej grafitem nakłada się folię miedzianą o grubości 0.05 mm a do powierzchni pokrytej LiMn2O4 folię aluminiową o grubości 0,05 mm (kolektory prądowe), po czym całość umieszcza się w obudowie (np. przez zwinięcie do obudowy). W ten sposób powstaje akumulator litowo-jonowy.

Claims (1)

1. Sposób wytwarzania ogniwa elektrochemicznego, znamienny tym, że na separator, korzystnie z włókna szklanego, nanosi się obustronnie masę czynną w N-metylopirolidonie ze środkiem wiążącym, korzystnie poli(fluorek winylidenu), którą stanowi zawiesina węgla aktywnego i czerni acetylenowej, lub zawiesina grafitu i czerni acetylenowej i/lub zawiesina LiMn2O4 i czerni acetylenowej, w roztworze polichlorku winylidenu), o składzie odpowiednio 5% poli(fluorku winylidenu), 5% czerni acetylenowej, 90% LiMn2O4 lub grafitu lub węgla aktywnego, dalej suszy się próżniowo do odparowania Ν-metylopirolidonu, następnie nasącza się odpowiednio 2M roztworem tetrafluoroboranu tetraetyloamoniowego w acetonitrylu i/lub 2M roztworem LiPF6 w mieszaninie 1:1 cyklicznych węglanów - węglanu propylenu i węglanu dimetylu, po czym na obie powierzchnie nakłada się folię aluminiową i/lub miedzianą, dalej całość umieszcza się w obudowie.