RU2696479C1 - Method of making electrodes of a chemical current source - Google Patents

Method of making electrodes of a chemical current source Download PDF

Info

Publication number
RU2696479C1
RU2696479C1 RU2018135271A RU2018135271A RU2696479C1 RU 2696479 C1 RU2696479 C1 RU 2696479C1 RU 2018135271 A RU2018135271 A RU 2018135271A RU 2018135271 A RU2018135271 A RU 2018135271A RU 2696479 C1 RU2696479 C1 RU 2696479C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
positive
negative electrodes
cathode
electrode
current source
Prior art date
Application number
RU2018135271A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Владимирович Слепцов
Дмитрий Юрьевич Кукушкин
Анна Олеговна Дителева
Павел Александрович Щур
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)"
Priority to RU2018135271A priority Critical patent/RU2696479C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2696479C1 publication Critical patent/RU2696479C1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M6/00Primary cells; Manufacture thereof
    • H01M6/14Cells with non-aqueous electrolyte

Abstract

FIELD: manufacturing technology.
SUBSTANCE: invention relates to design of a chemical current source (CCS) with a cathode made using thin-film technology. According to the invention, in the method of manufacturing a chemical current source with a thin-film electrode cathode, in which the positive and negative electrodes are made in the form of a carbon matrix of a roll material having high porosity, porous matrices of positive and negative electrodes are filled with chemically active material with layer thickness of 20 nm to 2 mcm, which is uniformly distributed on surface of carbon matrix, current collector of positive and negative electrodes is made in the form of metal layer with thickness of 2 to 10 mcm, which is applied on vacuum thin-film technology on porous carbon matrix, wherein planar electrode with annular spraying zone is used, at sputtering magnetron source is used, which is current-conducting plate from any conducting material, which is target cathode, anode is made in the form of hollow metal tube with water cooling, cathode and anode are connected to high-voltage direct current source, as working material for primary metallization titanium (Ti) is used, titanium nitride (Ti) is used for finish metallization, active material layer is applied by means of a liquid paste application onto metallized electrode material, by vacuum impregnation or by means of a vacuum printer, current collector of positive and negative electrodes is made in the form of tape titanium foil, which is coated with titanium nitride, part of which is used for tight outward output of CCS housing, and most part is fixed to current collector using ultrasonic or spot welding.
EFFECT: increased power and fire-explosion safety, reduced heat dissipation in CCS due to reduced electric resistance of electrode materials.
1 cl, 6 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к созданию конструкции химического источника тока (ХИТ) с катодом, изготовленным по тонкопленочной технологии. Авторы решали задачу повышения мощности и пожаровзрывобезопасности снижая тепловыделение в ХИТ за счет уменьшения электрического сопротивления электродных материалов. Поставленная техническая задача решается за счет снижения электрического сопротивления контакта токосборник - химически активный слой и более чем на порядок снижения электрического сопротивления химически активного слоя за счет изготовления электродных материалов по тонкопленочной технологии. Увеличение мощности ХИТ обеспечивает конструкция электродных материалов, которая позволяет развивать рабочую поверхность электродов. В результате уменьшения внутреннего сопротивления ХИТ повышается его пожаробезопасность.The invention relates to the construction of a chemical current source (CIT) with a cathode made by thin-film technology. The authors solved the problem of increasing power and fire and explosion safety by reducing heat release in the HIT by reducing the electrical resistance of electrode materials. The stated technical problem is solved by reducing the electrical resistance of the contact of the collector - the chemically active layer and by more than an order of magnitude lowering the electrical resistance of the chemically active layer due to the manufacture of electrode materials using thin-film technology. An increase in the power of HIT is provided by the design of electrode materials, which allows one to develop the working surface of electrodes. As a result of a decrease in the internal resistance of HIT, its fire safety increases.

Известны конструкции рулонных литиевых источников тока, электрическое соединение электродных блоков которых с выводами ХИТ осуществляют токовыводы электродных пластин, выходящие из торцов рулона, токосборник, с которым соединяют токовыводы, и гермовывод, проходящий сквозь крышку источника тока. Токовыводы часто выполняют в виде узких металлических полосок, расположенных по концам пластин или по всей их длине через определенные интервалы (Пат. 6376121 (США), МПК7 H01M 6/10. Spirally wound lithium secondary cell having a plurality of current collector tabs and method of manufacture / Inomata Hideyki, Nakanishi Naoya, Nogami Mitsuzo, Yonezu Ikuo, Nishio Koji; Sanyo Electric Co., Ltd. - №09/485172; Заявл. 28.09.1998; Опубл. 23.04.2002; Приор. 30.09.1997, №9-266171 (Япония); НПК 429/94). В качестве токовыводов используют также и края ленточных пластин, выступающие по торцам рулонного блока (Пат. 4322484 (США), МКИ H01M 6/10, НКИ 429/94. Spiral wound electrochemical cell having high capacity / Sugalski Raymond K.; General Electric Co. - №187743; Заявл. 16.09.80; Опубл. 30.03.82). Токосборники располагают над рулонным блоком электродов под крышкой или под электродным блоком у дна корпуса ХИТ, или токосборником одного из электродов является внутренняя поверхность корпуса или крышки источника тока. Токосборники соединяют с выводами ХИТ, одним из которых может быть корпус или крышка источника тока, а другой гермовывод, проходящий сквозь крышку источника тока, электрически изолированный от нее.Known are the designs of rolled lithium current sources, the electrical connection of the electrode blocks of which with the terminals of the HIT carry out the current leads of the electrode plates coming out of the ends of the roll, the collector, to which the current leads are connected, and a pressure lead passing through the cover of the current source. Current leads are often made in the form of narrow metal strips located at the ends of the plates or along their entire length at certain intervals (Pat. 6376121 (USA), IPC 7 H01M 6/10. Spirally wound lithium secondary cell having a plurality of current collector tabs and method of manufacture / Inomata Hideyki, Nakanishi Naoya, Nogami Mitsuzo, Yonezu Ikuo, Nishio Koji; Sanyo Electric Co., Ltd. - No. 09/485172; Declared 09/28/1998; Published on 04/23/2002; Prior. September 30, 1997, No. 9-266171 (Japan); NPK 429/94). The edges of the strip plates protruding at the ends of the roll block are also used as current leads (Pat. 4322484 (USA), MKI H01M 6/10, NKI 429/94. Spiral wound electrochemical cell having high capacity / Sugalski Raymond K .; General Electric Co - No. 187743; Declared September 16, 1980; Published March 30, 82). The collectors are placed above the coil block of electrodes under the cover or under the electrode block at the bottom of the HIT housing, or the collector of one of the electrodes is the inner surface of the housing or cover of the current source. The collectors are connected to the HIT terminals, one of which may be a housing or a cover of a current source, and the other is a hermetic outlet passing through the cover of a current source, electrically isolated from it.

Наиболее близким по технической сути является патент №2335828 (Пат. 2335828 (Россия), МПК H01M 6/14, H01M 10/40. Литиевый химический источник тока с рулонной электродной сборкой. - Заявка №2007113240/09, заявл. 09.04.2007; Опубл. 10.10.2008, бюл. №28). Изобретение касается цилиндрических ХИТ, которые изготавливают свертыванием в рулон электродов противоположной полярности, содержащих по несколько ленточных электродных пластин, разделенных сепараторами. Однако такой способ формирования конструкция ХИТ, имеет определенные недостатки, ограничивающие мощность источников тока и способствующие возникновению внутренних возгораний.The closest in technical essence is patent No. 23355828 (Pat. 2335828 (Russia), IPC H01M 6/14, H01M 10/40. Lithium chemical current source with a coil electrode assembly. - Application No. 2007113240/09, filed April 9, 2007; Published on October 10, 2008, Bulletin No. 28). The invention relates to a cylindrical chit, which is made by rolling into a roll of electrodes of opposite polarity, containing several tape electrode plates separated by separators. However, this method of forming a CIT design has certain disadvantages that limit the power of current sources and contribute to the occurrence of internal fires.

В патентуемом способе изготовления тонкопленочного электрода ХИТ предложены решения, снижающие выделение тепла при работе и опасного нагрева при разряде и перезаряде в течении заданного времени и емкости.In a patented method for manufacturing a thin-film HIT electrode, solutions are proposed that reduce heat generation during operation and dangerous heating during discharge and overcharge for a given time and capacity.

Поставленная цель в способе изготовления электродов ХИТ достигается тем, что положительный и отрицательный электроды изготавливают в виде углеродной матрицы из рулонного материала, имеющего высокую пористость. Пористые матрицы положительного и отрицательный электродов заполняют химически активным материалом с толщиной слоя от 20 нм до 2 мкм, который равномерно распределяют по поверхности углеродной матрицы. Токосборник положительного и отрицательного электродов изготавливают в виде слоя металла толщиной от 2 до 10 мкм, который наносят по вакуумной тонкопленочной технологии на пористую углеродную матрицу. При этом используют планарный электрод с кольцевой зоной распыления. При напылении применяют магнетронный источник, представляющий собой токопроводящую пластину из любого проводящего материала, которая является катодом - мишенью, анод выполняют в виде полой металлической трубки с водяным охлаждением, положительный и отрицательный электроды подсоединяют к источнику постоянного тока высокого напряжения, в качестве рабочего материала для первичной металлизации используют титан (Ti), для финишной металлизации применяют нитрид титана (Ti), нанесение слоя активного материала выполняют методом намазывания жидкой пасты на металлизированный электродный материал, вакуумной пропиткой или с помощью вакуумного принтера. Токоотвод положительного и отрицательного электродов выполняют в виде ленточной титановой фольги, которую покрывают нитридом титана часть которой используют для герметичного вывода наружу корпуса ХИТ, а большую часть крепят к токосборнику с помощью ультразвуковой или точечной сварки.The goal in a method for manufacturing HIT electrodes is achieved by the fact that the positive and negative electrodes are made in the form of a carbon matrix from a roll material having high porosity. The porous matrixes of the positive and negative electrodes are filled with chemically active material with a layer thickness of 20 nm to 2 μm, which is evenly distributed over the surface of the carbon matrix. The collector of the positive and negative electrodes is made in the form of a metal layer with a thickness of 2 to 10 μm, which is deposited by a thin-film vacuum technology on a porous carbon matrix. In this case, a planar electrode with an annular spray zone is used. When sputtering, a magnetron source is used, which is a conductive plate of any conductive material, which is the target cathode, the anode is made in the form of a water-cooled hollow metal tube, the positive and negative electrodes are connected to a high voltage direct current source, as a working material for the primary metallization use titanium (Ti), for the finish metallization use titanium nitride (Ti), the deposition of a layer of active material is carried out by spreading Coy metallized paste on the electrode material, vacuum impregnation or by vacuum printer. The current collector of the positive and negative electrodes is in the form of a titanium tape foil, which is coated with titanium nitride, part of which is used to hermetically discharge the CIT outward, and most of it is attached to the collector by ultrasonic or spot welding.

В патентуемом способе в качестве пористой матрицы используют рулонный материал (фиг. 1), имеющий высокую пористость, например, ткань типа Бусофит, из которого выкраиваются заготовки электродов ХИТ (фиг. 2). Слой металла, который наносится на углеволокно типа Бусофит повышает электрическую проводимость электродного материала, что ведет также к снижению тепловыделения. На фигуре 3 показаны заготовка электрода до и после обработки металлом. На фиг. 4 показана структура материала заготовки до нанесения слоя металла, а на фиг. 5 - после напыления. Применение планарного электрода с кольцевой зоной распыления при нанесении пленки токосборника ионно-плазменным способом с помощью магнетронной распылительной системы обеспечивает равномерное нанесение покрытия на большие площади.In the patented method, a roll material (Fig. 1) having high porosity, for example, Busofit-type fabric, from which blanks of electrodes of HIT electrodes are cut out (Fig. 2), is used as a porous matrix. A metal layer that is applied to a Busofit type carbon fiber increases the electrical conductivity of the electrode material, which also leads to a decrease in heat generation. The figure 3 shows the workpiece of the electrode before and after metal treatment. In FIG. 4 shows the structure of the workpiece material before applying the metal layer, and FIG. 5 - after spraying. The use of a planar electrode with an annular spray zone when applying the current collector film by the ion-plasma method using a magnetron sputtering system ensures uniform coating over large areas.

Токоотвод положительного и отрицательного электродов выполняют в виде ленточной титановой фольги, покрытой нитридом титана, часть которой выходит наружу электрода, а большую часть крепят к токосборнику электрода с помощью ультразвуковой или точечной сварки (фиг. 6).The collector of the positive and negative electrodes is in the form of a titanium tape foil coated with titanium nitride, part of which extends to the outside of the electrode, and most of it is attached to the electrode collector using ultrasonic or spot welding (Fig. 6).

Результаты эксперимента по влиянию материала контактов на их электрическое сопротивление представлены в таблице 1.The results of the experiment on the influence of the material of the contacts on their electrical resistance are presented in table 1.

Figure 00000001
Figure 00000001

Из таблицы видно, что минимальное сопротивление имеют токосборные элементы на основе напыленного металла (напыленный Ti 2÷10 мкм. - 0,5÷1 Ом). Поэтому, для снижения внутреннего сопротивления электродного материала использовали технологию металлизации «Бусофита».The table shows that the current collector elements based on the sprayed metal (sprayed Ti 2 ÷ 10 μm. - 0.5 ÷ 1 Ohm) have the minimum resistance. Therefore, to reduce the internal resistance of the electrode material, Busofit metallization technology was used.

Приведенные иллюстративный пример изготовления электродов химических источников тока и проведенные исследования параметров полученных образцов в соответствии с признаками, изложенными в формуле изобретения, а также сравнительные испытания электродов в изготовленных источниках тока подтверждают возможность практической реализации заявленного изобретения с достижением указанного технического результата. На основании изложенного можно сделать заключение о соответствии заявляемого изобретения критерию - «промышленная применимость».The illustrative example of the manufacture of electrodes of chemical current sources and the study of the parameters of the obtained samples in accordance with the characteristics set forth in the claims, as well as comparative tests of the electrodes in the manufactured current sources confirm the possibility of practical implementation of the claimed invention with the achievement of the specified technical result. Based on the foregoing, we can conclude that the claimed invention meets the criterion of “industrial applicability”.

Таким образом, проведенный анализ уровня техники дает нам право утверждать, что заявленная нами совокупность существенных признаков, изложенных в формуле изобретения, неизвестна, что отвечает критерию - «новизна».Thus, the analysis of the prior art gives us the right to assert that the claimed combination of essential features set forth in the claims is unknown, which meets the criterion of "novelty."

Изучение технических решений с целью выявления существенных признаков нашего изобретения, совпадающих с признаком прототипа, показало, что заявленное нами изобретение не следует явно для специалиста в данной области из известного уровня техники. Считаем, что предлагаемое решение соответствует критерию «изобретательский уровень».The study of technical solutions in order to identify the essential features of our invention, coinciding with the sign of the prototype, showed that the claimed invention does not explicitly for a person skilled in the art from the prior art. We believe that the proposed solution meets the criterion of "inventive step".

На основании вышеизложенного считаем, что предлагаемое нами техническое решение может быть признано изобретением и защищено патентом Российской Федерации.Based on the foregoing, we believe that our proposed technical solution can be recognized as an invention and protected by a patent of the Russian Federation.

Claims (1)

Способ изготовления химического источника тока с тонкопленочным электродным катодом, в котором положительный и отрицательный электроды изготавливают в виде углеродной матрицы из рулонного материала, имеющего высокую пористость, пористые матрицы положительного и отрицательный электродов заполняют химически активным материалом с толщиной слоя от 20 нм до 2 мкм, который равномерно распределяют по поверхности углеродной матрицы, токосборник положительного и отрицательного электродов изготавливают в виде слоя металла толщиной от 2 до 10 мкм, который наносят по вакуумной тонкопленочной технологии на пористую углеродную матрицу, при этом используют планарный электрод с кольцевой зоной распыления, при напылении применяют магнетронный источник, представляющий собой токопроводящую пластину из любого проводящего материала, которая является катодом-мишенью, анод выполняют в виде полой металлической трубки с водяным охлаждением, катод и анод подсоединяют к источнику постоянного тока высокого напряжения, в качестве рабочего материала для первичной металлизации используют титан (Ti), для финишной металлизации применяют нитрид титана (Ti), нанесение слоя активного материала выполняют методом намазывания жидкой пасты на металлизированный электродный материал, вакуумной пропиткой или с помощью вакуумного принтера, токоотвод положительного и отрицательного электродов выполняют в виде ленточной титановой фольги, которую покрывают нитридом титана, часть которой используют для герметичного вывода наружу корпуса ХИТ, а большую часть крепят к токосборнику с помощью ультразвуковой или точечной сварки.A method of manufacturing a chemical current source with a thin film electrode cathode in which the positive and negative electrodes are made in the form of a carbon matrix from a roll material having high porosity, porous matrixes of the positive and negative electrodes are filled with a chemically active material with a layer thickness of 20 nm to 2 μm, which evenly distributed over the surface of the carbon matrix, the collector of the positive and negative electrodes are made in the form of a metal layer with a thickness of 2 to 10 m km, which is applied by a vacuum thin-film technology to a porous carbon matrix, using a planar electrode with an annular spray zone, when spraying a magnetron source is used, which is a conductive plate of any conductive material that is a target cathode, the anode is made in the form of a hollow metal water-cooled tubes, the cathode and anode are connected to a high-voltage direct current source, using t as a working material for primary metallization tan (Ti), titanium nitride (Ti) is used for the final metallization, the active material layer is applied by spreading the liquid paste onto the metallized electrode material, vacuum impregnation or using a vacuum printer, the current collector of the positive and negative electrodes is in the form of a titanium foil tape, which they are coated with titanium nitride, part of which is used for airtight output of the HIT casing, and most of it is attached to the collector using ultrasonic or spot welding.
RU2018135271A 2018-10-08 2018-10-08 Method of making electrodes of a chemical current source RU2696479C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018135271A RU2696479C1 (en) 2018-10-08 2018-10-08 Method of making electrodes of a chemical current source

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018135271A RU2696479C1 (en) 2018-10-08 2018-10-08 Method of making electrodes of a chemical current source

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2696479C1 true RU2696479C1 (en) 2019-08-02

Family

ID=67586542

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018135271A RU2696479C1 (en) 2018-10-08 2018-10-08 Method of making electrodes of a chemical current source

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2696479C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2749904C1 (en) * 2020-10-19 2021-06-18 МСД Текнолоджис С.а.р.л. Method for preparing anode paste for lithium-ion battery, anode paste, method for manufacture of anode (variants), anode (variants) and lithium-ion battery (variants)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2316801A (en) * 1996-08-27 1998-03-04 Univ New York State Res Found Gas diffusion electrodes based on poly(vinylidene fluoride)carbon blends
US6376121B1 (en) * 1997-09-30 2002-04-23 Sanyo Electric Co., Ltd. Spirally-wound lithium secondary cell having a plurality of current collector tabs and method of manufacture
RU2335828C1 (en) * 2007-04-09 2008-10-10 Закрытое акционерное общество Инженерная фирма "Орион-ХИТ" Lithium chemical current source with roll electrode packaging
RU2352029C2 (en) * 2004-07-27 2009-04-10 Оксис Энерджи Лимитед Electrode, method of manufacturing, accumulator including it

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2316801A (en) * 1996-08-27 1998-03-04 Univ New York State Res Found Gas diffusion electrodes based on poly(vinylidene fluoride)carbon blends
US6376121B1 (en) * 1997-09-30 2002-04-23 Sanyo Electric Co., Ltd. Spirally-wound lithium secondary cell having a plurality of current collector tabs and method of manufacture
RU2352029C2 (en) * 2004-07-27 2009-04-10 Оксис Энерджи Лимитед Electrode, method of manufacturing, accumulator including it
RU2335828C1 (en) * 2007-04-09 2008-10-10 Закрытое акционерное общество Инженерная фирма "Орион-ХИТ" Lithium chemical current source with roll electrode packaging

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2749904C1 (en) * 2020-10-19 2021-06-18 МСД Текнолоджис С.а.р.л. Method for preparing anode paste for lithium-ion battery, anode paste, method for manufacture of anode (variants), anode (variants) and lithium-ion battery (variants)
WO2022086371A1 (en) * 2020-10-19 2022-04-28 МСД Текнолоджис С.а р.л. Method for producing anode paste for a lithium-ion battery

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5434021A (en) Secondary electrolytic cell and electrolytic process
RU2314599C2 (en) Storage-battery carbon-coated plates
JP2017509100A5 (en)
FR2982086B1 (en) METHOD FOR MANUFACTURING MICRO-BATTERIES IN THIN LITHIUM ION LAYERS, AND MICRO-BATTERIES OBTAINED THEREBY
US20130302674A1 (en) Battery electrode and a method for producing same
TW446754B (en) Process for providing a metal layer on the surface of a metal oxide substrate
RU2696479C1 (en) Method of making electrodes of a chemical current source
KR20120139363A (en) Secondary battery
US2527576A (en) Flat primary cell
KR101558702B1 (en) High-voltage battery for vehicle
KR20170082819A (en) Secondary battery
EP0053163A1 (en) Electrochemical cell.
KR101515672B1 (en) Electrode assembly including anode and cathod electrode more than 2 and electrochemical device using the same
KR101741302B1 (en) Secondary battery
TW201143190A (en) Lithium ion battery assembly
RU191063U1 (en) Chemical current source with thin-film collector
US20160310748A1 (en) Sealed separator and tab insulator for use in an electrochemical cell
KR20000039287A (en) Secondary lithium ion battery
JP2018500725A5 (en)
MX2022007485A (en) Aluminum anode current collectors for lithium ion batteries.
KR20150083633A (en) Jelly-roll electrode assembly and lithium secondary battery including the same
RU2218634C2 (en) Lithium cell
RU2335828C1 (en) Lithium chemical current source with roll electrode packaging
JP6499043B2 (en) Electrochemical devices
KR20150109509A (en) Current collector substrate and battery cell having the same

Legal Events

Date Code Title Description
PC41 Official registration of the transfer of exclusive right

Effective date: 20200911