RU99247U1

RU99247U1 - LITHIUM-ION BATTERY WITH NANOCLUSTER PARTICLES

Info

Publication number: RU99247U1
Application number: RU2010132084/07U
Authority: RU
Inventors: Александр Анатольевич Жуков
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Венчурные инвестиции"
Priority date: 2010-07-29
Filing date: 2010-07-29
Publication date: 2010-11-10

Abstract

Полезная модель относится к электротехнике, в частности к химическим источникам тока с литийсодержащим катодом. Целью предлагаемой полезной модели является увеличение срока эксплуатации. Полезная модель реализуется следующим образом. В процессе эксплуатации устройства происходит заряд и разряд устройства. При заряде устройства анод подключают к отрицательному электроду внешнего источника тока, а катод к положительному электроду внешнего источника тока. При заряде устройства ионы лития отрываются с поверхности катода, проходят через поры сепаратора и внедряются в структуру анода, например раздвигая слои углеродной матрицы и располагаясь между ними. В процессе перехода ионов лития с катода на анод их количество на поверхности катода уменьшается, в результате чего происходит отделение ионов лития от нанокластерных частиц и выход их на поверхность катода, откуда они переходят на анод. После зарядки внешний источник тока отключают. Устройство во время отключения от внешнего источника тока практически не подвержено саморазряду, т.к. в электролите формируется электрическое поле, обратное полю, образованному между катодом и анодом. Во время работы устройство подключают к одноименным электродам внешней цепи. При разряде ионы лития переходят с анода на катод. При этом распределение ионов лития по поверхности катода, предположительно, воспроизводится за счет содержания в приповерхностном слое частей первичных нанокластерных частиц, которые за счет сродства структуры притягивают к себе ионы лития, пришедшие с анода. Равномерное распределение ионов лития в приповерхностном слое и по поверхности катода препятствует образованию дендритов лития на поверхности катода, а следовательно продлевает срок службы устройства. The utility model relates to electrical engineering, in particular to chemical current sources with a lithium-containing cathode. The purpose of the proposed utility model is to increase the lifetime. The utility model is implemented as follows. During operation of the device, the device is charged and discharged. When the device is charged, the anode is connected to the negative electrode of the external current source, and the cathode is connected to the positive electrode of the external current source. When the device is charged, lithium ions come off the surface of the cathode, pass through the pores of the separator and are embedded in the structure of the anode, for example, by expanding the layers of the carbon matrix and located between them. In the process of transition of lithium ions from the cathode to the anode, their number on the cathode surface decreases, resulting in the separation of lithium ions from nanocluster particles and their exit to the cathode surface, from where they transfer to the anode. After charging, the external power source is turned off. The device during disconnection from an external current source is practically not subject to self-discharge, because an electric field is formed in the electrolyte, the inverse of the field formed between the cathode and the anode. During operation, the device is connected to the same electrodes of the external circuit. During the discharge, lithium ions pass from the anode to the cathode. In this case, the distribution of lithium ions over the cathode surface is presumably reproduced due to the content in the surface layer of parts of primary nanocluster particles, which, due to the affinity of the structure, attract lithium ions arriving from the anode. The uniform distribution of lithium ions in the surface layer and on the surface of the cathode prevents the formation of lithium dendrites on the surface of the cathode, and therefore extends the life of the device.

Description

Область техникиTechnical field

Полезная модель относится к электротехнике, в частности к химическим источникам тока с литийсодержащим катодом.The utility model relates to electrical engineering, in particular to chemical current sources with a lithium-containing cathode.

Уровень техникиState of the art

Известно устройство - литиевый химический источник тока (патент РФ №2218634). Литиевый химический источник тока содержит анод из металлического лития, двухслойный сепаратор, катод, электролит, никелевую мембрану, расположенную между сепараторами и гермовывод, расположенный в крышке. При этом литиевый химический источник тока имеет дополнительный гермовывод на корпусе, соединенный с никелевой мембраной. Никелевая мембрана выполнена в виде сетки с размером ячеек (80-120)(80-120) мкм. Литий химический источник тока подвержен возрастным изменениям с ухудшением своих параметров, т.е. эффекту старения.A device is known - a lithium chemical current source (RF patent No. 2218834). The lithium chemical current source contains a lithium metal anode, a two-layer separator, a cathode, an electrolyte, a nickel membrane located between the separators and a pressure relief located in the lid. In this case, the lithium chemical current source has an additional pressure relief on the housing, connected to a nickel membrane. The nickel membrane is made in the form of a mesh with a mesh size of (80-120) (80-120) microns. The lithium chemical current source is subject to age-related changes with the deterioration of its parameters, i.e. the effect of aging.

Недостатком известного технического решения является малый срок службы.A disadvantage of the known technical solution is the short service life.

Наиболее близким техническим решением (прототип) является химический источник тока с литийсодержащим анодом (патент РФ №2122261). Химический источник тока с литийсодержащим анодом содержит сепаратор, органический электролит и катод с активным материалом Li1+x V308. При этом активный материал катода дополнительно содержит фазу состава Li0,33 V2O5 при содержании последней (30-70) об.%. Химический источник тока с литийсодержащим анодом подвержен возрастным изменениям с ухудшением своих параметров, т.е. эффекту старения.The closest technical solution (prototype) is a chemical current source with a lithium-containing anode (RF patent No. 2122261). A chemical current source with a lithium-containing anode contains a separator, an organic electrolyte and a cathode with the active material Li1 + x V308. The active cathode material additionally contains a phase of the composition Li0.33 V2O5 with a content of the latter (30-70) vol.%. A chemical current source with a lithium-containing anode is subject to age-related changes with a deterioration in its parameters, i.e. the effect of aging.

Недостатком прототипа является малый срок службы.The disadvantage of the prototype is the short life.

Целью предлагаемой полезной модели является увеличение срока эксплуатации.The purpose of the proposed utility model is to increase the lifetime.

Поставленная цель достигается за счет того, что литий-ионный аккумулятор с нанокластерными частицами содержит анод, катод, сепаратор, электролит и корпус, причем анод, сепаратор и катод установлены в корпусе, сепаратор установлен между катодом и анодам, пространство между ними заполнено электролитом, отличающийся тем, что в приповерхностном слое катода размещены нанокластерные частицы ионов лития, причем размер нанокластерных частиц ионов лития в направлении ближайшей поверхности более чем в пять раз превышает размер нанокластерных частиц ионов лития в направлении, параллельном указанной ближайшей поверхности, при этом размер нанокластерных частиц ионов лития в направлении ближайшей поверхности составляет не более 100 нм.This goal is achieved due to the fact that the lithium-ion battery with nanocluster particles contains an anode, a cathode, a separator, an electrolyte and a housing, the anode, a separator and a cathode installed in the housing, the separator installed between the cathode and anodes, the space between them is filled with electrolyte, different the fact that nanocluster particles of lithium ions are located in the surface layer of the cathode, and the size of lithium ion nanocluster particles in the direction of the nearest surface is more than five times the size of nanocluster particles stits of lithium ions in the direction parallel to the specified nearest surface, while the size of the nanocluster particles of lithium ions in the direction of the nearest surface is not more than 100 nm.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

Полезная модель поясняется чертежом, на котором схематично показано внутреннее строение устройства.The utility model is illustrated in the drawing, which schematically shows the internal structure of the device.

Раскрытие полезной моделиUtility Model Disclosure

На чертеже обозначены: корпус 1, схема управления 2, датчик температуры 3, анод 4, сепаратор 5, электролит 6, нанокластерные частицы 7, катод 8.The drawing indicates: housing 1, control circuit 2, temperature sensor 3, anode 4, separator 5, electrolyte 6, nanocluster particles 7, cathode 8.

Основными элементами устройства являются анод 4, катод 8 с нанокластерными частицами 7, сепаратор 5 и электролит 6.The main elements of the device are anode 4, cathode 8 with nanocluster particles 7, separator 5 and electrolyte 6.

Анод 4 представляет собой положительный электрод химического источника тока, на котором протекают окислительные процессы. Анод 4 выполнен из углеродосодержащих материалов, например из графита, кокса или других материалов. Возможно также использование для изготовления анода 4 материалов на основе олова, серебра или других материалов. Анод 4, в частном случае, выполнен в виде прямоугольной пластины. Размеры анода 4 выполнены с обеспечением возможности его размещения в корпусе 1, описанном далее.Anode 4 is a positive electrode of a chemical current source, on which oxidative processes occur. The anode 4 is made of carbon-containing materials, for example, graphite, coke or other materials. It is also possible to use 4 materials based on tin, silver or other materials for the manufacture of the anode. The anode 4, in the particular case, is made in the form of a rectangular plate. The dimensions of the anode 4 are made with the possibility of its placement in the housing 1, described below.

Катод 8 представляет собой отрицательный электрод химического источника тока, на котором протекают восстановительные процессы. Катод 8 выполнен из материалов на основе смешанных оксидов или фосфатов, например из литированных оксидов кобальта или никеля, в которых ионы лития равномерно распределены непосредственно по всему материалу катода. При этом в состав катода 8 из литированных оксидов кобальта или никеля дополнительно введены ионы лития. Дополнительно введенные ионы лития расположены в приповерхностном слое катода в виде нанокластерных частиц 7. Нанокластерные частицы - это безлигандные металлические кластеры в виде ультрадисперсных металлических систем. Нанокластерные частицы представляют собой группу ультрадисперсных металлических частиц или ионов расположенных близко друг к другу и тесно связанных друг с другом. Это особое состояние вещества между кластерными соединениями и коллоидными частицами, (определение кластеров приведено, например на сайте http://www.xumuk.ru/encyklopedia/2008.html, определение нано- приведено, например на сайте http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9D%D0%B0%D0%BD%D0%BE-). Катод 8, в частном случае, выполнен в виде прямоугольной пластины. Нанокластерные частицы 7 расположены в приповерхностном слое, т.е. на глубине от ближайшей поверхности от 20 нм до 200 им. При этом нанокластерные частицы 7 ориентированы перпендикулярно этой поверхности, т.е. размер нанокластерных частиц 7 ионов лития в направлении ближайшей поверхности более чем в пять раз превышает размер нанокластерных частиц 7 ионов лития в направлении, параллельном указанной ближайшей поверхности. Размер нанокластерных частиц 7 ионов лития в направлении ближайшей поверхности составляет не более 100 нм. Размеры катода 8 выполнены с обеспечением возможности его размещения в корпусе 1, описанном далее. Катод 8 расположен параллельно аноду 4. При этом катод 8 обращен к аноду 4 поверхностью, в приповерхностном слое которой расположены нанокластерные частицы 7.The cathode 8 is a negative electrode of a chemical current source, on which recovery processes occur. The cathode 8 is made of materials based on mixed oxides or phosphates, for example, lithiated cobalt or nickel oxides, in which lithium ions are uniformly distributed directly throughout the cathode material. In this case, lithium ions are additionally introduced into the cathode 8 of lithiated cobalt or nickel oxides. Additionally introduced lithium ions are located in the surface layer of the cathode in the form of nanocluster particles 7. Nanocluster particles are ligandless metal clusters in the form of ultrafine metal systems. Nanocluster particles are a group of ultrafine metal particles or ions located close to each other and closely connected to each other. This is a special state of matter between cluster compounds and colloidal particles, (the definition of clusters is given, for example, on the site http://www.xumuk.ru/encyklopedia/2008.html, the definition of nano- is given, for example, on the site http: //ru.wikipedia .org / wiki /% D0% 9D% D0% B0% D0% BD% D0% BE-). The cathode 8, in the particular case, is made in the form of a rectangular plate. Nanocluster particles 7 are located in the near-surface layer, i.e. at a depth from the nearest surface from 20 nm to 200 im. In this case, nanocluster particles 7 are oriented perpendicular to this surface, i.e. the size of the nanocluster particles of 7 lithium ions in the direction of the nearest surface is more than five times the size of the nanocluster particles of 7 lithium ions in the direction parallel to the specified nearest surface. The size of the nanocluster particles of 7 lithium ions in the direction of the nearest surface is not more than 100 nm. The dimensions of the cathode 8 are made with the possibility of its placement in the housing 1, described below. The cathode 8 is parallel to the anode 4. In this case, the cathode 8 faces the anode 4 with a surface, in the surface layer of which nanocluster particles 7 are located.

Сепаратор 5 - ионопроницаемое устройство из диэлектрического материала, расположенное между анодом 4 и катодом 8 (определение сепаратора приведено, например в ГОСТ 15596-82). Сепаратор 5 выполнен из пористого материала, например из пористого полипропилена. Сепаратор 5, в частном случае, выполнен в виде прямоугольной пластины. Размеры сепаратора 5 выполнены больше или равными размерам катода 8 и анода 4. Сепаратор 5 предназначен для исключения контакта между анодом 4 и катодом 8. При этом в сепараторе 5 выполнены поры или отверстия, предназначенные для прохода через них ионов лития.The separator 5 is an ion-permeable device made of dielectric material located between the anode 4 and cathode 8 (the definition of the separator is given, for example, in GOST 15596-82). The separator 5 is made of porous material, for example, of porous polypropylene. The separator 5, in the particular case, is made in the form of a rectangular plate. The dimensions of the separator 5 are made greater than or equal to the dimensions of the cathode 8 and the anode 4. The separator 5 is designed to exclude contact between the anode 4 and the cathode 8. At the same time, pores or holes are made in the separator 5 for the passage of lithium ions through them.

Электролит 6 - жидкое, твердое или гелеобразное вещество, содержащее подвижные ионы, обеспечивающие его ионную проводимость и протекание электрохимических реакций на границе с электродом (анодом или катодом). В случае использования жидкого электролита 6 им пропитывают сепаратор 5. В случае использования твердого электролита 6 его часть фактически выполняет роль сепаратора 5.Electrolyte 6 is a liquid, solid or gel-like substance containing mobile ions, providing its ionic conductivity and the occurrence of electrochemical reactions at the interface with the electrode (anode or cathode). In the case of using liquid electrolyte 6, the separator 5 is impregnated with it. In the case of using solid electrolyte 6, its part actually acts as a separator 5.

Датчик температуры 3 предназначен для контроля над температурой устройства.Temperature sensor 3 is designed to control the temperature of the device.

Схема управления 2 предназначена для регулирования напряжения и тока при заряде и разряде устройства. Схема управления 2 выполнена с обеспечением возможности ограничения максимального напряжения при заряде и предохранения устройства от слишком низкого понижения напряжения при разряде. Схема управления 2 выполнена с обеспечением возможности предохранения устройства от перегрева, в случае получения соответствующего сигнала от датчика температур 3.The control circuit 2 is designed to control voltage and current during charge and discharge of the device. The control circuit 2 is configured to limit the maximum voltage during charging and protect the device from too low undervoltage during discharge. The control circuit 2 is made with the possibility of protecting the device from overheating, in case of receiving the corresponding signal from the temperature sensor 3.

Корпус 1 выполнен по форме параллелепипеда. Корпус 1 может быть выполнен из любых материалов, способных выдержать химические реакции, протекающие внутри него, а также удерживать форму и не допускать деформации устройства. Корпус 1 выполнен с обеспечением возможности размещения в нем анода 4, катода 8, сепаратора 5, электролита 6, схемы управления 2 и датчика температуры 3. Возможно выполнение в корпусе 1 соответствующих отверстий для выводов от катода 8 и анода 4.The housing 1 is made in the shape of a parallelepiped. The housing 1 can be made of any materials capable of withstanding the chemical reactions taking place inside it, as well as retaining its shape and preventing deformation of the device. The housing 1 is configured to accommodate the anode 4, the cathode 8, the separator 5, the electrolyte 6, the control circuit 2 and the temperature sensor 3. It is possible to make the corresponding holes in the housing 1 for the leads from the cathode 8 and the anode 4.

Осуществление полезной моделиUtility Model Implementation

Полезная модель реализуется следующим образом. Пользователь изготавливает из соответствующих материалов анод 4, сепаратор 5 и корпус 1 необходимой формы. Пользователь изготавливает схему управления 2 и датчик температуры 3.The utility model is implemented as follows. The user makes the anode 4, the separator 5 and the housing 1 of the necessary shape from the appropriate materials. The user makes a control circuit 2 and a temperature sensor 3.

Пользователь изготавливает катод 8. Для этого пользователь изготавливает пластину необходимого размера, например из литированного оксида кобальта. Затем пользователь создает нанокластерные частицы 7 ионов лития в приповерхностном слое указанной пластины, по крайней мере, со стороны одной из его поверхностей. Создание нанокластерных частиц 7 производят при помощи ионной пушки, напротив которой располагают указанную пластину. Создание нанокластерных частиц 7 ионов лития производят в электрическом поле. Для этого указанную пластину и ионную пушку подключают к противоположным полюсам источникам тока. Ионная пушка выстреливает ионы лития в определенное место в поверхности указанной пластины. Ион лития проходит в поверхность указанной пластины на некоторую глубину. Далее ионная пушка выстреливает следующий ион(ы) лития, который попадает в углубление (дефект структуры в виде вакансий или группы дислокации), проделанное предшествующим ионом, и соединяется с ним с образованием нанокластерных частиц 7 ионов лития. Таким образом некоторое количество ионов лития выстреливают ионной пушкой в одно углубление с образованием нанокластерных частиц 7 необходимой величины. При этом получают вытянутые нанокластерные частицы 7 ионов лития, расположенные перпендикулярно поверхности указанной пластины, со стороны которой происходит внедрение ионов лития. Далее ионную пушку перемещают для внедрения ионов лития и образования следующей нанокластерной частицы 7. Таким образом производят внедрение нанокластерных частиц по всей поверхности указанной пластины.The user makes the cathode 8. For this, the user makes the plate of the required size, for example, of lithium cobalt oxide. Then the user creates nanocluster particles 7 of lithium ions in the surface layer of the specified plate, at least from one of its surfaces. The creation of nanocluster particles 7 is carried out using an ion gun, opposite which the specified plate is placed. The creation of nanocluster particles of 7 lithium ions is produced in an electric field. To do this, the specified plate and the ion gun are connected to the opposite poles of the current sources. An ion cannon shoots lithium ions at a specific location on the surface of a specified plate. Lithium ion passes into the surface of the specified plate to a certain depth. Next, the ion gun fires the next lithium ion (s) that falls into the recess (a structural defect in the form of vacancies or a dislocation group) made by the previous ion and combines with it to form 7 lithium ion nanocluster particles. Thus, a certain amount of lithium ions is fired by an ion gun into one recess with the formation of nanocluster particles 7 of the required size. In this case, elongated nanocluster particles of 7 lithium ions are obtained, which are perpendicular to the surface of the indicated plate, on the side of which lithium ions are introduced. Next, the ion gun is moved to introduce lithium ions and the formation of the next nanocluster particle 7. Thus, the introduction of nanocluster particles on the entire surface of the specified plate.

В процессе эксплуатации устройства происходит заряд и разряд устройства. При заряде устройства анод 4 подключают к отрицательному электроду внешнего источника тока, а катод 8 к положительному электроду внешнего источника тока. При заряде устройства ионы лития отрываются с поверхности катода 8, проходят через поры сепаратора 5 и внедряются в структуру анода 4, например раздвигая слои углеродной матрицы и располагаясь между ними. В процессе перехода ионов лития с катода на анод их количество на поверхности катода уменьшается, в результате чего происходит отделение ионов лития от нанокластерных частиц 7 и выход их на поверхность катода, откуда они переходят на анод. После зарядки внешний источник тока отключают. Устройство во время отключения от внешнего источника тока практически не подвержено саморазряду, т.к. в электролите 6 формируется электрическое поле, обратное полю, образованному между катодом 8 и анодом 4. Во время работы устройство подключают к одноименным электродам внешней цепи. При разряде ионы лития переходят с анода 4 на катод 8. При этом распределение ионов лития по поверхности катода 8, предположительно, воспроизводится за счет содержания в приповерхностном слое частей первичных нанокластерных частиц 7, которые за счет сродства структуры притягивают к себе ионы лития, пришедшие с анода 4. Равномерное распределение ионов лития в приповерхностном слое и по поверхности катода 8 препятствует образованию дендритов лития на поверхности катода 8, а следовательно продлевает срок службы устройства.During operation of the device, the device is charged and discharged. When the device is charged, the anode 4 is connected to the negative electrode of the external current source, and the cathode 8 to the positive electrode of the external current source. When the device is charged, lithium ions come off the surface of the cathode 8, pass through the pores of the separator 5 and are embedded in the structure of the anode 4, for example, by expanding the layers of the carbon matrix and located between them. In the process of transition of lithium ions from the cathode to the anode, their number on the cathode surface decreases, resulting in the separation of lithium ions from nanocluster particles 7 and their exit to the cathode surface, from where they transfer to the anode. After charging, the external power source is turned off. The device during disconnection from an external current source is practically not subject to self-discharge, because In the electrolyte 6, an electric field is formed, the inverse of the field formed between the cathode 8 and the anode 4. During operation, the device is connected to the electrodes of the same name with an external circuit. During the discharge, lithium ions pass from anode 4 to cathode 8. In this case, the distribution of lithium ions over the surface of cathode 8 is presumably reproduced due to the content in the surface layer of parts of primary nanocluster particles 7, which, due to the structural affinity, attract lithium ions that come from anode 4. The uniform distribution of lithium ions in the surface layer and on the surface of the cathode 8 prevents the formation of lithium dendrites on the surface of the cathode 8, and therefore extends the life of the device.

Экспериментально установлено, что выполнение устройства описанным выше образом с указанными размерами нанокластерных частиц 7 и их расположением в приповерхностном слое, перпендикулярно ближайшей поверхности приводит к получению положительно эффекта, т.е. к увеличению срока службы (увеличение числа циклов заряда-разряда на 10%). Приведенное выше объяснение получения положительного эффекта является наиболее вероятным из существующих, однако не является полностью и окончательно установленным. Экспериментально установлено что положительный эффект наблюдается при выполнении следующих условий: размер нанокластерных частиц в направлении ближайшей поверхности более чем в пять раз превышает размер нанокластерных частиц ионов лития в направлении, параллельном указанной ближайшей поверхности, при этом размер нанокластерных частиц ионов лития в направлении ближайшей поверхности составляет не более 100 нм.It was experimentally established that the implementation of the device in the manner described above with the indicated sizes of nanocluster particles 7 and their location in the near-surface layer, perpendicular to the nearest surface, leads to a positive effect, i.e. to increase the service life (increase in the number of charge-discharge cycles by 10%). The above explanation of the positive effect is the most probable of the existing ones, but it is not fully and definitively established. It has been experimentally established that a positive effect is observed when the following conditions are met: the size of the nanocluster particles in the direction of the nearest surface is more than five times the size of the nanocluster particles of lithium ions in the direction parallel to the nearest surface, while the size of the nanocluster particles of lithium ions in the direction of the nearest surface is not more than 100 nm.

Таким образом, выполнение устройства из анода 4, сепаратора 5 с электролитом 6 и катода 8 с нанокластерными частицами 7 ионов лития обеспечивает увеличение срока службы устройства, вследствие равномерного распределения лития по поверхности катода 8.Thus, the implementation of the device from the anode 4, the separator 5 with the electrolyte 6 and the cathode 8 with nanocluster particles 7 of lithium ions provides an increase in the service life of the device, due to the uniform distribution of lithium on the surface of the cathode 8.

Claims

A lithium-ion battery with nanocluster particles, containing an anode, a cathode, a separator, an electrolyte and a casing, the anode, a separator and a cathode installed in the casing, a separator installed between the cathode and anodes, the space between them is filled with electrolyte, characterized in that in the near-surface layer of the cathode placed lithium ion nanocluster particles, and the size of lithium ion nanocluster particles in the direction of the nearest surface is more than five times the size of lithium ion nanocluster particles in the direction parallel to the specified nearest surface, while the size of the nanocluster particles of lithium ions in the direction of the nearest surface is not more than 100 nm.