RU2173494C2 - Эластичный тонкослойный открытый электрохимический элемент - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к электрохимическим элементам, предназначенным для использования в портативных электроприборах. Техническим результатом изобретения является создание надежного, компактного тонкослойного элемента. Согласно изобретению эластичный тонкослойный открытый жидкостной электрохимический элемент (10), который может быть использован в качестве первичного или перезаряжаемого источника питания для различных миниатюрных и портативных электроприборов компактной конструкции. Элемент (10) состоит из увлажняющего электролита, сохраняющего эластичную, тонкую и открытую конфигурацию, тем самым позволяя исключить накопление газов во время его хранения. Элемент содержит три слоя, первый (14) из которых нерастворимый отрицательный электрод, второй слой (16) - нерастворимый положительный электрод и третий (12) водный электролит; при этом третий слой (12) расположен между первым (14) и вторым (16) слоями и представляет собой вещество, легко впитывающее влагу, что позволяет сохранять открытый элемент (10) на протяжении всего времени во влажном состоянии; электроактивный растворимый материал, предназначенный для получения необходимой ионной проводимости, в то время как растворимый в воде полимер служит для получения нужной вязкости, необходимой для липкого первого слоя (14) и прилипания второго слоя (16) к первому (14). Электрохимический элемент (10) согласно настоящему изобретению предпочтительнее производить, используя соответствующую печатную технологию. 4 с. и 33 з.п.ф-лы, 5 ил.

Description

Область изобретения
Изобретение относится к электрохимическим элементам, используемым в качестве батареечных источников питания, в которых химическая энергия преобразуется в электрическую. Точнее, настоящее изобретение представляет собой обычный или перезаряжаемый электрохимический элемент, который может быть использован как обычная или аккумуляторная батарейка, действие которой основано на преобразовании химической энергии в электрическую и которая использует для этого увлажняющий (в жидком состоянии) электролит; к тому же этот элемент имеет тонкослойную и открытую конструкцию.

Прогресс в развитии миниатюрных и портативных электроприборов компактной формы, таких как, например, мобильные телефоны, звукозаписывающие и звуковоспроизводящие устройства, часы, фото и кинокамеры, дисплеи на жидких кристаллах, электронные калькуляторы, интегральные схемы на платах, тепловые датчики, слуховые приборы, кнопочные зуммеры и т.п., вызывает все увеличивающуюся потребность в компактных тонкослойных батарейках, обеспечивающих их работу. В связи с этим возникает и необходимость в надежных тонкослойных электрохимических элементах, которые можно использовать в качестве батареек питания.

В широком смысле батарейки могут быть разделены на 2 группы: в первую группу входят батарейки с увлажняющим электролитом (т.е. батарейки с жидким электролитом), а во вторую - батарейки с твердым электролитом. И несмотря на то, что батарейки с твердым электролитом обладают рядом преимуществ, они не высыхают и не текут, они тем не менее страдают большими недостатками по сравнению с батарейками с жидким электролитом, т.к. за счет ограниченной скорости диффузии ионов в твердый слой их работа в гораздо большей степени зависит от температуры, и многие из них могут хорошо функционировать только при повышенных температурах, поэтому в батарейках этого типа ограниченная скорость диффузии приводит к низкому коэффициенту преобразования потенциальной химической энергии в электрическую. Обычно тонкослойные батарейки с жидким электролитом состоят из слоев положительных и отрицательных активных нерастворимых веществ, разделенных между собой веществом, пропитанным жидким электролитическим раствором, который и несет функцию жидкого электролитического слоя. Таким образом, батарейки, примером которых могут служить описанные в американском патенте N 4.623.598, Ваки и др., и в японском патенте N JP 61-55866, Фуминобу и др., должны быть загерметизированы в пленочной оболочке с целью предотвращения испарения жидкости, вследствие чего они становятся закрытыми электрохимическими элементами. Являясь закрытыми элементами, эти батарейки при хранении имеют тенденцию разбухать из-за выделения газов, что является фатальной проблемой в тонкослойных батарейках, оснащенных механической опорой, т.к. давление, оказываемое собирающимися газами, приводит к разделению слоев, а это, в свою очередь, нарушает работу батарейки. Для предотвращения этого явления: 1) используется полимер с повышенной вязкостью, такой как гидроксиэтилцеллюлоза, служащий для сцепления (прилипания) слоев батарейки, что позволяет преодолеть проблемы, свойственные батарейкам этого типа из-за недостатка твердой опоры и 2) добавляется ртуть в целях предотвращения образования самих газов и в особенности водорода. Тем не менее полимер все равно имеет ограниченную эффективность, а ртуть является вредным веществом и несет опасность для окружающей среды. Один из способов решения этой проблемы был описан в американском патенте N 3.901.732, Кис и др., где предлагается использовать газопроницаемый, но не проницаемый для электролита полимерный материал, который позволяет удалять нежелательные газы, образующиеся в самой батарейке, и который в то же время предотвращает любые потери электролита из батарейки, будучи использованным в качестве герметизирующей пленки для покрытия всего батареечного элемента.

Гораздо более простым и эффективным способом исключения явления нежелательного накопления газа в жидкостных тонкослойных батарейках является разработка такой батарейки, которая конструктивно была бы открытой: это облегчает выход газа и позволит одновременно с этим исключить также испарение жидкости и высыхание самой батарейки.

Таким образом, совершенно очевидно, что наибольшими преимуществами будут обладать эластичные тонкослойные электрохимические элементы, в которых исключено как накопление газа, так и ограничено испарение жидкости.

Сущность изобретения.

Настоящее изобретение представляет собой эластичный тонкослойный открытый жидкостной электрохимический элемент, который может быть использован в качестве первичного или перезаряжаемого источника питания для различных миниатюрных и портативных электроприборов компактной конструкции. Далее описывается способ изготовления такого элемента. В эластичном тонкослойном открытом элементе, описываемом в настоящем изобретении, имеется влажный электролит, а сам элемент обладает эластичной, тонкой и открытой конфигурацией, что позволяет избегать накопления газов в процессе его хранения.

В соответствии с заявленным изобретением элемент состоит из первого слоя в виде нерастворимого отрицательного электрода, второго слоя в виде нерастворимого положительного электрода и третьего слоя - в виде водного электролита; причем третий слой расположен между первым и вторым слоями и состоит из: а) легко впитывающего влагу вещества, которое служит для удержания открытого элемента в течение всего времени во влажном состоянии; б) электроактивного растворимого вещества, служащего для получения необходимой ионной проводимости и в) растворимого в воде полимера, который создает требуемую вязкость для прилипаемости первого и второго слоев к указанному третьему слою.

В соответствии с возложенными на него задачами электролитный слой заполнен пористым веществом.

В соответствии с заявленным изобретением пористое вещество представляет собой группу веществ, состоящую из фильтровальной бумаги, пластиковой мембраны, целлюлозной мембраны и ткани.

В соответствии с заявленным изобретением первый слой нерастворимого отрицательного электрода состоит из порошка цинка, а второй слой нерастворимого положительного электрода - из порошка двуокиси марганца.

В соответствии с заявленным изобретением первый слой нерастворимого отрицательного электрода и/или второй слой нерастворимого положительного электрода состоят: из угольного порошка, а электроактивное растворимое вещество состоит из хлорида цинка, бромида цинка, фторида цинка и двуокиси калия. В соответствии с заявленным изобретением первый слой нерастворимого отрицательного электрода состоит из порошка цинка, второй слой нерастворимого положительного электрода - из порошка окиси серебра, а электроактивный растворимый материал представляет собой двуокись калия.

В соответствии с заявленным изобретением первый слой нерастворимого отрицательного электрода состоит из порошка кадмия, второй слой нерастворимого положительного электрода - из порошка окиси никеля, а электроактивный растворимый материал представляет собой двуокись калия.

В соответствии с заявленным изобретением первый слой нерастворимого отрицательного электрода состоит из порошка железа, второй слой нерастворимого положительного электрода - порошка окиси никеля, а электроактивное растворимое вещество представляет собой двуокись калия.

В соответствии с заявленным изобретением первый слой нерастворимого отрицательного электрода и второй слой нерастворимого положительного электрода состоят из порошка окиси свинца, элемент заряжается от напряжения, прикладываемого к электродам, а электроактивное растворимое вещество представляет собой серную кислоту.

В соответствии с заявленным изобретением вещество, легко впитывающее влагу, и растворимое электроактивное вещество являются одним и тем же веществом, которое, в свою очередь, выбирается из группы веществ, состоящей из хлорида цинка, бромида цинка, фторида цинка и двуокиси калия.

В соответствии с заявленным изобретением вещество, легко впитывающее влагу, выбирается из группы веществ, состоящей из хлорида кальция, бромида кальция, бифосфата калия и ацетата калия.

В соответствии с заявленным изобретением растворимый в воде полимер выбирается из группы веществ, состоящей из поливинилалкоголя, полиакриламида, полиакриловой кислоты, поливинилпирролидона, окиси полиэтилена, агар-агара, агарозы, крахмала, гидроксиэтилцеллозы, их соединений и сополимеров.

В соответствии с заявленным изобретением растворимый в воде полимер и легко впитывающее влагу вещество являются одним и тем же веществом, которое выбирается из группы, состоящей из декстрана, сульфата декстрана, их соединений и сополимеров.

В соответствии с заявленным изобретением элемент содержит выводы, каждый из которых входит в электрический контакт с первым или вторым электродным слоями.

В соответствии с заявленным изобретением выводы изготавливают из графита или металла.

В соответствии с заявленным изобретением металл выбирают из группы, состоящей из железа, никеля, титана, меди, нержавеющей стали и их соединений; выводы крепят к элементу путем соответствующей печатной технологии, такой как трафаретная печать, офсетная печать, струйная печать, ламинирование, напыление материалов или диспергирование порошка. В соответствии с заявленным изобретением элемент содержит по меньшей мере один проводящий слой, улучшающий электронную проводимость хотя бы одного из электродных слоев - первого или второго.

В соответствии с заявленным изобретением проводящий слой выбирают из группы веществ, состоящей из графитной бумаги и углеродной ткани.

В соответствии с заявленным изобретением элемент имеет наружный слой, состоящий из группы, в которую входит липкий слой-подложка, пластинчатый защитный слой и сочетание липкого слоя-подложки и пластинчатого защитного слоя.

В соответствии с заявленным изобретением источник электрической энергии состоит из по меньшей мере двух элементов, соответствующих вышеописанному, при этом эти элементы соединяют по биполярной схеме.

В соответствии с заявленным изобретением соединение осуществляют за счет адгезива, представленного группой веществ, состоящей из проводящей двусторонней липкой ленты и проводящего липкого слоя, наносимых печатной технологией.

В соответствии с заявленным изобретением элемент содержит первый слой нерастворимого отрицательного электрода, второй слой нерастворимого положительного электрода и третий слой водного электролита, при этом третий слой расположен между первым и вторым слоями и включает в себя:
а) растворимый в воде полимер, необходимый для получения нужной вязкости, обеспечивающей необходимую влажность открытого элемента в течение всего времени и б) электроактивный растворимый материал, служащий для получения необходимой ионной проводимости.

В соответствии с заявленным изобретением метод создания эластичного тонкослойного открытого жидкостного электрохимического элемента состоит из нескольких ступеней:
а) смачивание пористого вещества с обеих сторон водным раствором, содержащим легко впитывающее влагу вещество, электроактивное растворимое вещество и растворимый в воде полимер; б) наложение на первую сторону слоя отрицательного электрода и в) наложение на вторую сторону слоя положительного электрода.

В соответствии с заявленным изобретением смачивание проводят погружением или печатной технологией.

В соответствии с заявленным изобретением слои отрицательного и положительного электродов содержат активные нерастворимые порошковые материалы в смеси с веществом, легко впитывающим влагу, электроактивным растворимым веществом и растворимым в воде полимером; нанесение слоев отрицательного и положительного электродов производится при помощи печатной технологии.

Настоящее изобретение успешно справляется с недостатками существующих конструкций благодаря тому, что представляет собой эластичный тонкослойный открытый электрохимический элемент, в котором газы не аккумулируются в процессе хранения и который к тому же поддерживается все время влажным и неповрежденным благодаря использованию вещества, легко впитывающего влагу, которое отвечает за поддержание заданной влажности в течение всего времени, а также благодаря растворимому в воде полимеру, служащему для обеспечения необходимой вязкости, которая нужна для прилипания электродных слоев к слою водного электролита. Среди других преимуществ данного элемента надо отметить отсутствие жесткого литого корпуса, что делает его легким и эластичным и позволяет изготавливать элементы любой формы, в самой разнообразной цветовой гамме, вследствие чего такой элемент является подходящим источником питания для самых разных устройств, он обладает низкой стоимостью, не использует для своего производства вредных для человека материалов и не портит окружающую среду, и кроме того, такой элемент очень легко прикрепляется к нужному месту благодаря своей липкой подложке.

Принцип действия элемента
Настоящее изобретение представляет собой эластичный тонкослойный открытый электрохимический элемент, предназначенный для использования его в качестве первичного или перезаряжаемого источника питания для миниатюрных и портативных электроприборов компактной конструкции. Эластичный тонкослойный открытый электрохимический элемент, представляемый настоящим изобретением, включает увлажняющий электролит, имеет тонкую, эластичную и открытую конструкцию, которая исключает накопление в нем газов в процессе хранения. Принцип действия эластичного тонкослойного открытого электрохимического элемента, являющегося предметом данного изобретения, становится более понятным при рассмотрении чертежей и сопровождающих их описаний.

На фиг. 1 представлена основная конструкция эластичного тонкослойного открытого электрохимического элемента, являющегося предметом настоящего изобретения, обозначенного позицией 10. Элемент 10 состоит из трех слоев следующего вида: первый слой 14 нерастворимого отрицательного электрода, второй слой 16 нерастворимого положительного электрода и третий слой 12 в виде водного электролита. В данном случае на отрицательно заряженном электроде происходит окисление, в то время, как на положительном электроде имеет место восстановление. Слой 12 водного электролита представляет собой легко впитывающее влагу вещество (т.е. гигроскопичное), служащее для поддержания открытого элемента 10 все время во влажном состоянии, электроактивное растворимое вещество, служащее для получения необходимой ионной проводимости, и растворимый в воде полимер, служащий для создания нужной вязкости, отвечающей за прилипаемость электродных слоев 14 и 16 к водному электролиту. Далее следует более подробное описание каждого из слоев 14, 16 и 12 и их назначение в открытом элементе 10.

Слой 12 водного электролита обычно состоит из пористого нерастворимого вещества, такого как (но не только именно этого) фильтровальная бумага, пластиковая мембрана, целлюлозная мембрана, ткани и т.п., т.е. пористое вещество смачивается водным раствором, состоящим из трех компонентов: легко впитывающего влагу вещества, электроактивного растворимого вещества и растворимого в воде полимера.

Легко впитывающее влагу вещество, будучи гигроскопичным, отвечает за поддержание влажности элемента 10 на протяжении всего времени его функционирования. Уровень влажности может меняться в зависимости от выбора вещества, легко впитывающего влагу, от его концентрации и влажности воздуха. К подходящим веществам, легко впитывающим влагу, относятся, но не ограничиваются только ими, хлорид кальция, бромид кальция, бифосфат калия, ацетат калия и их соединения.

Электроактивное растворимое вещество выбирается в соответствии с материалом, из которого выполнены отрицательный и положительный электроды. В перечень наиболее часто используемых электроактивных растворимых веществ, пригодных для использования в предмете данного изобретения, входят такие вещества, как хлорид цинка, бромид цинка и фторид цинка для различных первичных элементов и двуокись калия и серная кислота - для перезаряжаемых элементов.

Растворимый в воде полимер используется в качестве адгезивного веществ, которое скрепляет путем прилипания (т.е. склеивает) слои 14 и 16 электродов со слоем 12 водного электролита. Для этой цели пригодны многие виды полимеров, например поливинилалкоголь, полиакриламид, полиакриловая кислота, поливинилпирролидон, полиэтиленоксид, агар-агар, агароза, крахмал, гидроксиэтилцеллюлоза и их соединения и сополимеры.

Каждый из слоев 14 и 16 отрицательного и положительного электродов включает в себя смесь подходящего (отрицательных или положительных соответственно) активного нерастворимого порошкового вещества с водным раствором, аналогичным вышеописанному, в состав которого входят вещество, легко впитывающее влагу, электроактивное растворимое вещество и растворимый в воде полимер.

Для имеющих опыт в этой области очевидно, что в то время как электроактивное растворимое вещество не должно меняться, вещество, легко впитывающее влагу, и растворимый в воде полимер, наоборот, могут выбираться из раствора, другими словами, электроактивное растворимое вещество должно поддерживаться одним и тем же во всех трех слоях 12, 14 и 16, в то время как вещество, легко впитывающее влагу, и растворимый в воде полимер могут меняться между слоями в зависимости от назначения.

Для тех, кто имеет достаточный опыт в этой области, понятно также и то, что одно и то же вещество может функционировать как вещество, легко впитывающее влагу, и как растворимый в воде полимер. Такое вещество должно обладать соответствующими гигроскопическими и адгезионными свойствами. Подходящими для этих целей являются декстрин, сульфат декстрана, их соединения и сополимеры (но этим этот список не ограничивается).

Три слоя 12, 14 и 16, изображенные на фиг. 1 и описанные выше, могут выпускаться тонкими и эластичными, поэтому и сам элемент 10 получается эластичным и имеет толщину 0,5-1,5 мм и менее. Предпочтительнее (и далее это будет рассмотрено подробнее) выпускать элементы 10 путем использования подходящей печатной технологии. Такой технологией может быть трафаретная печать, офсетная печать, струйная печать, ламинирование, напыление и диспергирование порошка.

Другая возможная конструкция элемента представлена на фиг. 2. Здесь изображен элемент, обозначенный цифрой 20. Так же, как и элемент 10, этот элемент 20 состоит из слоев 12, 14 и 16 (заштрихованная зона), которые образуют основную часть элемента. Помимо перечисленных слоев, в элементе 20 имеются дополнительные 1-2 проводящих слоя 22 и 24, служащих для улучшения электронной проводимости слоев 14 отрицательного и/или положительного 16 электродов. Подходящими проводящими слоями являются графитовая бумага, углеродная ткань и др. Элемент 20 включает также, и отрицательный 26, и положительный 28 выводы, которые входят в электрический контакт либо с соответствующими электродными слоями 14 и 16, либо с соответствующими проводящими слоями 22 и 24, или с теми и с другими. Выводы 26 и 28 выполняются из любых подходящих материалов, таких как, но и не только, графит, или металлов, таких как, например, никель, железо, титан, медь, нержавеющая сталь и их соединения, но только перечисленными материалами список не ограничен. Выводы к элементу 20 предпочтительнее наносить соответствующей печатной технологией, любой из перечисленных ранее. Выводы 26 и 28 служат для электрического подсоединения элемента 20 к нагрузке в виде электроприбора. Выводы 26 и 28 могут быть расположены в любом месте элемента 20, могут иметь любую форму и размеры, а также, в зависимости от назначения, могут проходить сквозь поверхность элемента 20. Помимо перечисленного, элемент 20 может быть оснащен по меньшей мере одним расположенным снаружи адгезионным слоем (подложкой), при помощи которого элемент 20 может прикрепляться к различным поверхностям, и/или по меньшей мере одним расположенным снаружи пластинчатым защитным слоем 30, назначение которого - предохранить от физического воздействия все другие слои. Еще один вариант конструкции элемента предоставлен на фиг. 3а-б. Два или более элементов 10, как показано на фиг. 3а, или элементы 20, как показано на фиг. 3б, могут электрически соединяться по биполярной схеме для дополнительного увеличения электрической энергии, получаемой от образованных таким образом источников 40 и 50 питания соответственно. С этой целью два и более элемента прикрепляются друг к другу по кольцевой схеме ("голова-хвост"), как показано на фиг. 3а-б, слоями 22, 14, 12, 16 и 24 при помощи проводящей двухсторонней липкой ленты или проводящего слоя клея 42, наносимого соответствующей печатной технологией, что позволяет электронам проходить между соседними элементами. Очевидно, что источники 40 и/или 50 питания могут иметь расположенную снаружи адгезионную подложку, подобную поверхности 29 на фиг. 2, и/или находящийся также снаружи пластичный защитный слой (слои), аналогичный слою 30 на фиг. 2. Из дальнейшего становится очевидным, что источники 40 и 50 питания могут иметь отрицательный и положительный выводы, аналогичные выводам 26 и 28 соответственно (см. фиг 2).

Настоящее изобретение рассматривает способ изготовления пластичного тонкослойного открытого жидкостного электрохимического элемента, аналогичного описанному выше. Метод состоит из нескольких этапов:
а) смачивание пористого вещества водным раствором, состоящим из вещества, легко впитывающего влагу, электроактивного растворимого материала и растворимого в воде полимера; смачивание проводят либо погружением, либо путем печатной технологии;
б) нанесение на одну сторону пористого вещества слоя, создающего отрицательный электрод;
в) нанесение на другую сторону пористого вещества слоя, создающего положительный электрод.

В состав слоев положительного и отрицательного электродов входят активные нерастворимые порошковые вещества, смешанные с веществом, легко впитывающим влагу; в качестве электроактивного растворимого вещества и растворимого в воде полимера лучше всего использовать один и тот же тип вещества (см. а), а для нанесения этих слоев предпочтительнее использовать любой вид печатной технологии, упомянутой в вышеуказанном списке. Метод может включать добавочное нанесение слоев и частей, таких как, но и не только, наружной адгезионной подложки (подложек) и/или пластинчатого защитного слоя (слоев) и отрицательного и положительного выводов. Кроме того, можно биполярно соединить два и более элементов, например, с проводящей двухсторонней адгезивной лентой или проводящим слоем клея, наносимым, например, соответствующим видом печатной технологии с тем, чтобы получить источник питания с повышенной мощностью (например, удвоенной, утроенной и т.д.). В соответствии с настоящим изобретением такое биполярное соединение можно осуществить путем единения по кольцевой схеме ("голова-хвост") двух или более уже изготовленных элементов или же, наоборот, производя сразу два или более элементов, ориентированных таким образом, нанося соответствующие слои один за другим, предпочтительнее используя один из перечисленных ранее видов печатной технологии.

Эластичный тонкослойный открытый электрохимический элемент, представленный настоящим изобретением, обладает очень важным преимуществом по сравнению с выпускаемыми ранее тонкослойными элементами. Так как это открытый элемент, газы не накапливаются в процессе хранения, в нем поддерживается влажность и он остается целым, благодаря использованию вещества, легко впитывающего влагу, отвечающего за поддержание ее на наружном уровне в течение всего времени, а также растворимому в воде полимеру, необходимому для получения нужной вязкости для обеспечения прилипаемости слоев электродов к слою водного электролита.

Эластичный тонкослойный открытый электрохимический элемент согласно изобретению имеет и другие положительные качества. Прежде всего у него нет наружного жесткого литого корпуса, поэтому его конструкция легкая и эластичная, может быть изготовлена в любом цвете, любых размеров и формы, что позволяет использовать этот элемент в самых разных областях. Во-вторых, применение соответствующей печатной технологии для производства такого элемента снижает его стоимость настолько, что после использования он может просто выбрасываться, поскольку сама по себе такая технология недорогая и к тому же позволяет выпускать элементы в виде больших листов, которые по мере необходимости можно нарезать на нужные размеры. В-третьих, этот элемент изготавливается из материалов, не представляющих опасность для человека и окружающей среды (чаще всего ртуть и тяжелые металлы не используются). И наконец, он может выпускаться самоклеющимся благодаря своей адгезионной подложке. Далее рассмотрим ряд примеров, иллюстрирующих все вышесказанное.

ПРИМЕР 1
Приготавливался раствор, содержащий 120 мг поливинилалкоголя (водного растворимого полимера) и 1680 мг хлорида цинка (вещества, легко впитывающего влагу и электроактивного растворимого полимера) в 1,2 мл воды. Полученный раствор обладал вязкостью клея.

Полоска фильтровальной бумаги смачивалась в этом растворе путем погружения или печатной технологией. Далее приготавливалась смесь из 300 мг порошка цинка с вышеназванным раствором и наносилась на одну сторону бумажной полоски, образуя при этом слой отрицательного электрода. На вторую сторону в качестве положительного электрода наносился слой из смеси, получаемой из 250 мг двуокиси марганца, 50 мг проводящего угольного порошка и описанного выше раствора. После приложения к обеим сторонам электрических контактов и подсоединения нагрузки проводилось измерение тока. В комнатных условиях ток в 12 мА. на квадратный сантиметр при напряжении 1,7-1,2В без каких-либо усилий поддерживался в течение 5 дней.

ПРИМЕР 2
Открытый элемент был изготовлен указанным в ПРИМЕРЕ 1 способом и подсоединен к вольтметру. Как показано на графике (фиг. 4), элемент в комнатных условиях показывал напряжение 1,7-1,2B в течение 9 дней.

ПРИМЕР 3
Готовили насыщенный раствор двуокиси калия и смешивали с растворимым в воде полимером до вязкости клея. Пористое вещество (например, фильтровальная бумага) равномерно смачивали этим раствором, далее смесь полученного раствора и порошка окиси никеля наносили на одну сторону пористого вещества, в результате образовывали слой положительного электрода; аналогичную смесь с порошком кадмия наносили на вторую сторону пористого вещества, тем самым образуя слой отрицательного электрода. После подсоединения вольтметра к обеим сторонам измеряли напряжение 1,2B, а при подключении нагрузки фиксировали достаточно сильный ток. Элемент не высыхал, будучи открытым, и при желании мог быть перезаряжен.

ПРИМЕР 4
Готовили точно такой же раствор из двуокиси калия, как описано в ПРИМЕРЕ 3, и в нем смачивали пористое вещество. Смесь раствора и порошка цинка наносили на одну сторону пористого вещества, тем самым образуя слой отрицательного электрода; аналогичную смесь с порошком окиси серебра и некоторой доли угольного порошка (по желанию) наносили на вторую сторону пористого вещества для образования слоя положительного электрода. После подсоединения вольтметра к обеим сторонам было получено напряжение 1,5B и при подключении нагрузки к слоям был замерен ток. Элемент не высыхал, несмотря на то, что представлял собой открытую конструкцию и при желании мог быть перезаряжен.

ПРИМЕР 5
Пористое вещество смачивали в растворе, приготовленном, как описано в ПРИМЕРЕ 3. Смесь раствора с порошком цинка наносили на одну из сторон пористого вещества и таким образом образовывали слой отрицательного электрода; аналогичную смесь с порошком двуокиси марганца, в которую по желанию мог быть добавлен угольный порошок, наносили на вторую сторону пористого вещества и таким образом образовывали слой положительного электрода.

Подсоединенный вольтметр показывал напряжение 1,5B, а при подключении нагрузки фиксировали соответствующий ток. Элемент, несмотря на то, что был открыт, не высыхал, но перезарядка такого элемента была довольно проблематична.

ПРИМЕР 6
Пористое вещество смачивали в растворе двуокиси калия, аналогичном описанному в ПРИМЕРЕ 3. Смесь раствора и порошка окиси никеля наносили на одну из сторон пористого вещества, в результате чего получали слой положительного электрода; аналогичную смесь с порошком железа наносили на другую сторону пористого вещества и в результате получали слой отрицательного электрода. Подсоединенный вольтметр показывал напряжение 0,9B, а при подключении нагрузки появлялся и ток. Элемент не высыхал, хотя и был открытым, а при желании его можно было и перезарядить.

ПРИМЕР 7
Приготовленный 30%-ный раствор серной кислоты с вязкостью клея смешивали с растворимым в воде полимером. Далее пористое вещество (например, фильтровальную бумагу) равномерно смачивали в этом растворе и смесь из раствора с окисью свинца наносили на обе стороны этого пористого вещества. После этого обе стороны подсоединяли к источнику питания и подавали напряжение величиной несколько более 2 Вольт. От этого напряжения происходила зарядка элемента. Зарядка и перезарядка могли повторяться неоднократно и при этом открытый элемент не высыхал.

Несмотря на то, что здесь приведено всего несколько примеров использования предмета, согласно настоящему изобретению существует множество его модификаций и самых разных способов его применения.

Claims (36)

1. Эластичный тонкослойный открытый жидкостной электрохимический элемент, содержащий три слоя, первый из которых является нерастворимым отрицательным электродом, второй нерастворимым положительным электродом и третий - водным электролитом, расположенным между первым и вторым слоями и включающим: (а) легко впитывающее влагу вещество, поддерживающее открытый элемент все время во влажном состоянии; (б) электроактивное растворимое вещество, служащее для получения необходимой ионной проводимости; (с) растворимый в воде полимер, служащий для получения требуемой вязкости для прилипаемости первого и второго слоев к третьему.

2. Элемент по п.1, в котором третий слой заполнен пористым веществом.

3. Элемент по п.2, в котором пористое вещество выбирают из группы веществ, в которую входит фильтровальная бумага, пластиковая мембрана, целлюлозная мембрана и ткань.

4. Элемент по п.1, в котором в состав первого слоя нерастворимого отрицательного электрода входит порошок цинка, а в состав второго слоя нерастворимого положительного электрода входит порошок двуокиси марганца.

5. Элемент по п.4, в котором в состав первого слоя нерастворимого отрицательного электрода входит угольный порошок.

6. Элемент по п.4, в котором в состав второго слоя нерастворимого положительного электрода входит угольный порошок.

7. Элемент по п.4, в котором электроактивное растворимое вещество выбирают из группы веществ, содержащих хлорид цинка, бромид цинка, фторид цинка и двуокись калия.

8. Элемент по п.1, в котором в состав первого слоя нерастворимого отрицательного электрода входит порошок цинка и в состав второго слоя нерастворимого положительного электрода входит порошок окиси серебра.

9. Элемент по п.8, в котором применено электроактивное растворимое вещество в виде двуокиси калия.

10. Элемент по п.1, в котором в состав первого слоя нерастворимого отрицательного электрода входит порошок кадмия, а в состав второго слоя нерастворимого положительного электрода входит порошок окиси никеля.

11. Элемент по п.10, в котором применено электроактивное растворимое вещество в виде двуокиси калия.

12. Элемент по п.1, в котором в состав первого слоя нерастворимого отрицательного электрода входит порошок железа и в состав второго слоя нерастворимого положительного электрода входит порошок окиси никеля.

13. Элемент по п.12, в котором применено электроактивное растворимое вещество в виде двуокиси калия.

14. Элемент по п.1, в котором в состав первого слоя нерастворимого отрицательного электрода и второго слоя нерастворимого положительного электрода входит порошок окиси свинца, элемент заряжают от напряжения, прикладываемого к вышеназванным электродам.

15. Элемент по п.14, в котором применено электроактивное растворимое вещество в виде серной кислоты.

16. Элемент по п.1, в котором вещество, легко впитывающее влагу, и электроактивное растворимое вещество представляет собой одно и то же вещество.

17. Элемент по п.16, в котором указанное одно и то же вещество выбирают из группы веществ, в состав которой входят хлорид цинка, бромид цинка, фторид цинка и двуокись калия.

18. Элемент по п. 1, в котором в состав вещества, легко впитывающего влагу, входят хлорид кальция, бромид кальция, биофосфат калия и ацетат калия.

19. Элемент по п. 1, в котором растворимый в воде полимер выбирают из группы веществ, в которую входят поливинилалкоголь, полиакриламид, полиакриловая кислота, поливинилпирролидон, полиэтиленоксид, агар-агар, агароза, крахмал, гидроксиэтилцеллюлоза и их соединения и сополимеры.

20. Элемент по п.1, в котором растворимый в воде полимер и вещество, легко впитывающее влагу, представляет собой одно и то же вещество.

21. Элемент по п.20, в котором одно и то же вещество выбирают из группы, в состав которой входит декстран, сульфат декстрана и их соединения и сополимеры.

22. Элемент по п. 1, содержащий выводы, каждый из которых входит в электрический контакт с одним из первых и вторых слоев электродов.

23. Элемент по п.22, в котором вывод выполнен из металла.

24. Элемент по п.22, в котором вывод выполнен из графита.

25. Элемент по п.23, в котором металл выбирают из группы, в состав которой входят железо, никель, титан, медь, нержавеющая сталь и их соединения, а также выводы подсоединяют к элементу путем печатной технологии.

26. Элемент по п.1, содержащий, по меньшей мере, один проводящий слой, улучшающий электронную проводимость, по меньшей мере, одного из упомянутых первых и вторых слоев электродов.

27. Элемент по п.26, в котором проводящий слой выбирают из группы, в состав которой входят графитовая бумага и карбоновая ткань.

28. Элемент по п.1, содержащий наружный слой, выбираемый из группы, в состав которой входят липкий слой-подложка, защитный пластинчатый слой и комбинации липкого слоя-подложки и защитного пластинчатого слоя.

29. Источник питания, состоящий из двух элементов, по п.1, имеющих биполярное соединение и скрепленных с ориентацией "голова-хвост".

30. Источник питания по п.29, в котором соединение осуществляют липким веществом, которое выбирают из группы, в состав которой входят проводящая двусторонняя липкая лента и проводящий слой клея.

31. Источник питания по п.30, в котором проводящую двустороннюю липкую ленту и проводящий слой клея наносят путем печатной технологии.

32. Эластичный тонкослойный открытый жидкий электрохимический элемент, содержащий первый слой нерастворимого отрицательного электрода, второй слой нерастворимого положительного электрода и третий слой водного электролита, расположенный между первым и вторым слоями и включающий: (а) растворимый в воде полимер, служащий для обеспечения определенной вязкости, необходимой для хорошей прилипаемости первого и второго слоев к упомянутому третьему слою и для поддержания требуемой гигроскопичности, нужной для сохранения открытого элемента все время во влажном состоянии; (б) электроактивное растворимое вещество, служащее для обеспечения необходимой ионной проводимости.

33. Способ изготовления эластичного тонкослойного открытого жидкостного электрохимического элемента, включающий несколько этапов: (а) смачивание пористого вещества с обеих сторон водным раствором, содержащим вещество, легко впитывающее влагу, электроактивное растворимое вещество и растворимый в воде полимер; (б) нанесение на одну сторону пористого вещества слоя отрицательного электрода; (в) нанесение на вторую сторону пористого вещества слоя положительного электрода;
34. Способ по п.33, в котором операцию смачивания осуществляют погружением.

35. Способ по п. 33, в котором операцию смачивания осуществляют путем печатной технологии.

36. Способ по п.33, в котором слои отрицательного и положительного электродов включают активные нерастворимые порошковые материалы, смешанные с вышеуказанным веществом, легко впитывающим влагу, электроактивным растворимым веществом и растворимым в воде полимером.

37. Способ по п.36, в котором соединение слоев отрицательного и положительного электродов производят путем печатной технологии.

Images