RU2339123C1

RU2339123C1 - Cathode of lithium chemical current source

Info

Publication number: RU2339123C1
Application number: RU2007123576/09A
Authority: RU
Inventors: Виталий Михайлович Алашкин (RU); Виталий Михайлович Алашкин; Юрий Александрович Батраков (RU); Юрий Александрович Батраков; Владимир Федорович Ромадин (RU); Владимир Федорович Ромадин; Борис Иванович Туманов (RU); Борис Иванович Туманов
Original assignee: Виталий Михайлович Алашкин; Юрий Александрович Батраков; Владимир Федорович Ромадин; Борис Иванович Туманов
Priority date: 2007-06-25
Filing date: 2007-06-25
Publication date: 2008-11-20

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: invention is attributed to the field of electric engineering, specifically to cathodes of lithium chemical current sources (LCCS). According to the invention LCCS cathode contains titan current tap, two electrodes with active mass on the basis of fluorinated hydrocarbon applied onto opposite sides of current tap, and multilayer separator the inner layer of which is made of nonwoven polypropylene at that current tap is made of perforated titan foil 0.03÷0.06 mm in thickness with perforation total area of 0.4÷0.6 of electrode area, the separator additionally contains porous polypropylene film covered from both sides with porous polyethlene film, and glass fabric layer adjoining the inner layer of nonwoven polypropylene separator. Before applying the electrodes current tap surface can be treated by chemical etching or by chemical etching with applying the coatings of colloidal graphite solution or of compound on the basis of glycan or of titan carbide and/or nitride. Active electrode mass is applied on current tap via dry thermal pressing technique at temperature of 150 to 170 °C, pressure of 80÷480 kg/cm² and time of 25÷60 s. Active electrode mass contains (wt %): fluorocarbon - 80÷90%, fluoroplastic emulsion as binding substance - 2÷5% and carbon black and/or colloidal-graphite preparation as electroconductive additive - the rest.

EFFECT: obtaining of lithium chemical current sources cathodes with improved technical characteristics.

4 cl, 3 dwg, 1 ex

Description

Изобретение относится к области электротехники, а именно к катодам для литиевых химических источников тока (ЛХИТ).The invention relates to the field of electrical engineering, namely to the cathodes for lithium chemical current sources (LHIT).

Известен катод для ЛХИТ, содержащий токоотвод и напрессованный на него электрод с активной массой на основе фторуглерода (АС СССР №584369, кл. Н01М 4/60, 1977). Недостатком указанного известного катода является низкие электрические характеристики из-за высокого омического сопротивления и слабого сцепления активной массы электрода с токоотводом.Known cathode for LHIT, containing a down conductor and an electrode with an active mass pressed on it based on fluorocarbon (USSR AS No. 584369, class H01M 4/60, 1977). The disadvantage of this known cathode is low electrical characteristics due to the high ohmic resistance and weak adhesion of the active mass of the electrode to the collector.

Из известных катодов наиболее близким по совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату является катод, содержащий титановый токоотвод, два электрода с активной массой на основе фторуглерода, нанесенные на противоположные стороны токоотвода, и многослойный сепаратор, внутренний слой которого выполнен из нетканого полипропилена (патент РФ на полезную модель № 33000 U1, кл. A61F 2/70, 10.10.2003). Недостатками данного катода являются малая емкость, низкие разрядные характеристики и недостаточное сцепление активной массы электродов с токоотводом, что снижает стабильность характеристик.Of the known cathodes, the cathode containing the titanium collector, two electrodes with an active mass based on fluorocarbon deposited on opposite sides of the collector, and a multilayer separator, the inner layer of which is made of non-woven polypropylene (the RF patent for Utility Model No. 33000 U1, class A61F 2/70, 10/10/2003). The disadvantages of this cathode are the small capacity, low discharge characteristics and insufficient adhesion of the active mass of the electrodes to the collector, which reduces the stability of the characteristics.

Техническим результатом изобретения является создание катода ЛХИТ, обладающего высокими стабильными во времени характеристиками. Указанный технический результат достигается тем, что катод ЛХИТ содержит титановый токоотвод, два электрода с активной массой на основе фторуглерода, нанесенные на противоположные стороны токоотвода, и многослойный сепаратор, внутренний слой которого выполнен из нетканого полипропилена, при этом токоотвод выполнен из перфорированной титановой фольги толщиной 0,03÷0,06 мм с общей площадью перфорации 0,4÷0,6 от площади электрода, сепаратор дополнительно содержит пористую полипропиленовую пленку, покрытую с обеих сторон пористой полиэтиленовой пленкой, и слой стеклоткани, примыкающий к внутреннему слою сепаратора из нетканого полипропилена.The technical result of the invention is the creation of a cathode LHIT with high stable over time characteristics. The specified technical result is achieved by the fact that the LHIT cathode contains a titanium down conductor, two electrodes with an active mass based on fluorocarbon deposited on opposite sides of the down conductor, and a multilayer separator, the inner layer of which is made of non-woven polypropylene, while the down conductor is made of perforated titanium foil with a thickness of 0 , 03 ÷ 0.06 mm with a total perforation area of 0.4 ÷ 0.6 of the electrode area, the separator additionally contains a porous polypropylene film coated on both sides of a porous polyethylene film, and a layer of fiberglass adjacent to the inner layer of the non-woven polypropylene separator.

Использование перфорированного токоотвода позволяет повысить емкость на 10÷15%, введение полиэтиленовой пленки обеспечивает безопасность ЛХИТ при коротком замыкании, а введение стеклоткани повышает прочность сепаратора, особенно в случае размягчения при коротком замыкании.The use of perforated collector allows increasing the capacity by 10-15%, the introduction of a polyethylene film ensures the safety of LHIT during a short circuit, and the introduction of fiberglass increases the strength of the separator, especially in case of softening during a short circuit.

Целесообразно, что поверхность токоотвода перед нанесением электродов была обработана методом химического травления или методом химического травления и нанесения покрытий из раствора коллоидного графита, или из препарата на основе полисахарида, или из карбида и/или нитрида титана. Указанная обработка токоотвода исключает его окисление при напрессовывании активной массы электрода и обеспечивает стабильность характеристик.It is advisable that the surface of the collector before applying the electrodes was treated by chemical etching or by chemical etching and coating from a solution of colloidal graphite, or from a preparation based on a polysaccharide, or from titanium carbide and / or nitride. The specified processing of the collector eliminates its oxidation when pressing the active mass of the electrode and ensures the stability of the characteristics.

Целесообразно, чтобы активная масса электрода на токоотвод наносилась методом сухого термопрессования при температуре от 150 до 170°С, давлении 80÷480 кг/см² и времени прессования 25÷60 с. Указанные режимы нанесения активной массы являются оптимальными, т.к. обеспечивают прочность сцепления с токоотводом и предотвращает окисление токоотвода, приводящего к увеличению омического сопротивления и снижению разрядных характеристик.It is advisable that the active mass of the electrode on the collector was applied by dry thermal pressing at a temperature of from 150 to 170 ° C, a pressure of 80 ÷ 480 kg / cm ² and a pressing time of 25 ÷ 60 s. The indicated modes of applying the active mass are optimal, because provide adhesion to the down conductor and prevents oxidation of the down conductor, leading to an increase in ohmic resistance and a decrease in discharge characteristics.

Целесообразно, чтобы активная масса электрода содержала (мас.%): фторуглерод - 80÷90%, фторопластовую эмульсию в качестве связующего - 2÷5% и технический углерод и/или коллоидно-графитовый препарат в качестве электропроводной добавки - остальное. Указанный состав активной массы электродов обеспечивает стабильные высокие разрядные характеристики катода.It is advisable that the active mass of the electrode contains (wt.%): Fluorocarbon - 80 ÷ 90%, fluoroplastic emulsion as a binder - 2 ÷ 5% and carbon black and / or colloidal graphite as an electrically conductive additive - the rest. The specified composition of the active mass of the electrodes provides stable high discharge characteristics of the cathode.

Проведенный анализ уровня техники показал, что заявленная совокупность существенных признаков, изложенная в формуле изобретения, неизвестна. Это позволяет сделать вывод о ее соответствии критерию "новизна".The analysis of the prior art showed that the claimed combination of essential features set forth in the claims is unknown. This allows us to conclude that it meets the criterion of "novelty."

Для проверки соответствия заявленного изобретения критерию "изобретательский уровень" проведен дополнительный поиск известных технических решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного технического решения. Установлено, что заявленное техническое решение не следует явным образом из известного уровня техники. Следовательно, заявленное изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень".To verify the conformity of the claimed invention with the criterion of "inventive step", an additional search was carried out for known technical solutions in order to identify features that match the distinctive features of the claimed technical solution from the prototype. It is established that the claimed technical solution does not follow explicitly from the prior art. Therefore, the claimed invention meets the criterion of "inventive step".

Сущность изобретения поясняется чертежами, описанием конструкции и примером практической реализации катода.The invention is illustrated by drawings, a description of the design and an example of a practical implementation of the cathode.

На фиг.1 представлен разрез катода.Figure 1 shows a section of the cathode.

На фиг.2 представлена конструкция перфорированного токоотвода.Figure 2 presents the design of the perforated down conductor.

На фиг.3 представлена разрядная характеристика ЛХИТ при коротком замыкании выводов.Figure 3 presents the discharge characteristic of LHIT during short circuit conclusions.

Катод (фиг.1) состоит из перфорированного титанового токоотвода 2, на который напрессованы электроды 6, помещенного в конверт из нескольких слоев сепарационного материала 1, 3, 4, 5. Слой 1 из нетканого полипропилена предназначен для создания буферной емкости по электролиту, слои 3, 4, 5 обеспечивают безопасность элемента при коротком замыкании электровыводов. Слой 3 представляет собой пористую полипропиленовую пленку, на которую с обеих сторон нанесено пленочное покрытие из пористого полиэтилена 5 (объемная пористость слоев 3 и 5 равна 40-60%, суммарная толщина 20-30 мкм). При разогреве элемента вследствие короткого замыкания полиэтилен плавится, закрывая поры в слое 3, при этом при повышении температуры t наблюдается резкое падение тока I, фиг.3. Слой 4 из стеклоткани толщиной 20-30 мкм предназначен для обеспечения дополнительной механической прочности, особенно в случае размягчения сепаратора при коротком замыкании. Токоотвод 2 (фиг.2) выполнен из титановой фольги толщиной 0,03÷0,06 мм.The cathode (Fig. 1) consists of a perforated titanium collector 2, onto which electrodes 6 are pressed, placed in an envelope of several layers of separation material 1, 3, 4, 5. Layer 1 made of non-woven polypropylene is used to create a buffer capacity for electrolyte, layers 3 , 4, 5 ensure the safety of the element with a short circuit of the electrical leads. Layer 3 is a porous polypropylene film, on which a film coating of porous polyethylene 5 is applied on both sides (bulk porosity of layers 3 and 5 is 40-60%, total thickness is 20-30 microns). When the element is heated up due to a short circuit, the polyethylene melts, closing the pores in layer 3, while with an increase in temperature t, a sharp drop in current I is observed, Fig. 3. Layer 4 of fiberglass with a thickness of 20-30 microns is designed to provide additional mechanical strength, especially in the case of softener separator during short circuit. The collector 2 (figure 2) is made of titanium foil with a thickness of 0.03 ÷ 0.06 mm

Токоотвод имеет перфорацию в виде овальных или круглых отверстий и лепесток, предназначенный для коммутации катодов с элекровыводом.The down conductor has perforations in the form of oval or round holes and a petal designed for switching cathodes with an electrical outlet.

Пример практической реализации. Из титановой фольги 0,05 мм вырезан токоотвод размером 80×140 мм. Затем его подвергли перфорации (фиг.2) на электроэрозионной установке. Поверхность обработали методом химического травления и нанесли графитовое покрытие из раствора коллоидно-графитового препарата. Приготовили активную массу состава: фторуглерод - 88%, суспензия фторопластовая в качестве связующего - 4% (по сухому остатку) и технический углерод и/или коллоидно-графитовый препарат в качестве электропроводной добавки -остальное. Массу напрессовывали на обе стороны при температуре 170°С, давлении 90,0 кг/см ² в течение 25 с.An example of practical implementation. A current collector measuring 80 × 140 mm was cut from titanium foil 0.05 mm. Then it was subjected to perforation (figure 2) in an EDM installation. The surface was treated by chemical etching and a graphite coating was applied from a solution of a colloidal graphite preparation. An active mass of the composition was prepared: fluorocarbon - 88%, fluoroplastic suspension as a binder - 4% (based on solids) and carbon black and / or colloidal graphite as an electrically conductive additive - the rest. The mass was pressed onto both sides at a temperature of 170 ° C, a pressure of 90.0 kg / cm ² for 25 s.

Катод обернули сепарационными материалами в последовательности:The cathode was wrapped with separation materials in the sequence:

полипропиленовый нетканый - 0,1 мм, стеклоткань - 25 мкм, трехслойный полиэтилен-полипропилен-полиэтилен - 20 мкм (фиг.1).polypropylene non-woven - 0.1 mm, fiberglass - 25 microns, three-layer polyethylene-polypropylene-polyethylene - 20 microns (figure 1).

Электрохимические испытания катода в составе элемента фторуглерод-литий показали высокие стабильные разрядные характеристики. При плотности тока 1...1,5 mA/см₂, напряжении элемента 2,5-2,6 В, удельная емкость катодной массы составила 0,67 А·ч/г. Коэффициент использования по фтору - 90%.Electrochemical tests of the cathode as part of a fluorocarbon-lithium element showed high stable discharge characteristics. At a current density of 1 ... 1.5 mA / cm ₂ , the cell voltage of 2.5-2.6 V, the specific capacity of the cathode mass was 0.67 A · h / g. The fluorine utilization rate is 90%.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что заявленный катод может быть реализован на практике с достижением заявленного технического результата, т.е. он соответствуют критерию «промышленная применимость».Based on the foregoing, we can conclude that the claimed cathode can be implemented in practice with the achievement of the claimed technical result, i.e. It meets the criterion of “industrial applicability”.

Claims

1. The cathode of a lithium chemical current source (LHIT), containing a titanium down conductor, two electrodes with an active mass based on fluorocarbon, deposited on opposite sides of the down conductor and a multilayer separator, the inner layer of which is made of non-woven polypropylene, characterized in that the down conductor is made of perforated titanium foil with a thickness of 0.03 ÷ 0.06 mm with a total perforation area of 0.4 ÷ 0.6 of the electrode area, the separator additionally contains a porous polypropylene film coated on both sides with porous polyethylene a new film, and a layer of fiberglass adjacent to the inner layer of the non-woven polypropylene separator.

2. The cathode according to claim 1, characterized in that the surface of the collector before applying the electrodes is treated by chemical etching, or by chemical etching and coating from a solution of colloidal graphite, or from a preparation based on a polysaccharide, or from titanium carbide and / or nitride.

3. The cathode according to claim 1, characterized in that the active mass of the electrode on the down conductor is applied by dry thermal pressing at a temperature of from 150 to 170 ° C, a pressure of 80 ÷ 480 kg / cm ² and a pressing time of 25 ÷ 60 s.

4. The cathode according to claim 1, characterized in that the active mass of the electrode contains, wt.%: Fluorocarbon - 80 ÷ 90%, fluoroplastic emulsion as a binder - 2 ÷ 5% and carbon black and / or colloidal graphite as conductive additives - the rest.