WO2015105434A1 - Композиционный углеродсодержащий материал для химического источника тока и способ его получения - Google Patents

Композиционный углеродсодержащий материал для химического источника тока и способ его получения Download PDF

Info

Publication number
WO2015105434A1
WO2015105434A1 PCT/RU2014/000179 RU2014000179W WO2015105434A1 WO 2015105434 A1 WO2015105434 A1 WO 2015105434A1 RU 2014000179 W RU2014000179 W RU 2014000179W WO 2015105434 A1 WO2015105434 A1 WO 2015105434A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
dispersed
additive
mixture
dispersed filler
carbon
Prior art date
Application number
PCT/RU2014/000179
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Сергей Павлович ГУБИН
Андрей Валерьевич ЧЕГЛАКОВ
Денис Юрьевич КОРНИЛОВ
Марк Михайлович ГЕЛЛЕР
Павел Николаевич ЧУПРОВ
Екатерина Геннадьевна РУСТАМОВА
Валерий Борисович ДУДАКОВ
Николай Иванович ЧИСТЯКОВ
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "АкКо Лаб"
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 Общество с ограниченной ответственностью "АкКо Лаб" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "АкКо Лаб"
Publication of WO2015105434A1 publication Critical patent/WO2015105434A1/ru

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/22—Electrodes
    • H01G11/30—Electrodes characterised by their material
    • H01G11/32—Carbon-based
    • H01G11/38—Carbon pastes or blends; Binders or additives therein
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/22—Electrodes
    • H01G11/30—Electrodes characterised by their material
    • H01G11/32—Carbon-based
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/139—Processes of manufacture
    • H01M4/1393—Processes of manufacture of electrodes based on carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/58—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy; of polyanionic structures, e.g. phosphates, silicates or borates
    • H01M4/581—Chalcogenides or intercalation compounds thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62—Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H01M4/624—Electric conductive fillers
    • H01M4/625—Carbon or graphite
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H01M10/0525—Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/026—Electrodes composed of, or comprising, active material characterised by the polarity
    • H01M2004/027—Negative electrodes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the invention relates to electrically conductive carbon-based composite materials based on mixtures of thermally expanded graphite (TEG) particles homogeneously distributed in the material volume with highly dispersed particles of carbon or mineral filler additives for the use of such materials in the electrochemical industry.
  • TOG thermally expanded graphite
  • the invention also relates to methods for manufacturing the above materials.
  • the prior art there are many electrically conductive composite materials based on a mixture of dispersed low conductive material with a carbon electrically conductive filler and a polymer binder.
  • the electrical conductivity in such materials is ensured by internal contacts between the electrically conductive particles of the carbon filler (carbon black, graphite, etc.), and the mechanical integrity and, accordingly, the strength the material as a whole is achieved by introducing into the mixture a polymer binder, for example, fluoroplastic (I. A. Kedrinsky et al., “Chemical current sources with a lithium electrode”, Krasnoyarsk, publishing house of Krasnoyarsk State University, 1983, p. 248).
  • an electrically conductive carbon-containing composite material comprising a low-conductivity component (fluorocarbon and / or manganese dioxide and / or semiconductors and / or mixtures thereof) forming a homogeneous structure with an electrically conductive carbon filler additive (in particular, aggregated nanoparticles carbon with an oxidized surface) and a dielectric binder, for example, fluoroplastic or polyethylene oxide (RF patent for the invention N ° 2398312, publ. 08.27.2010).
  • a low-conductivity component fluorocarbon and / or manganese dioxide and / or semiconductors and / or mixtures thereof
  • an electrically conductive carbon filler additive in particular, aggregated nanoparticles carbon with an oxidized surface
  • a dielectric binder for example, fluoroplastic or polyethylene oxide
  • a composite carbon-containing material for a chemical (in particular, lithium) current source and a method for producing such a material (prototype) in which a mixture of a low-conductivity component (fluorocarbon and dioxide manganese) with an electrically conductive filler additive and thermally expanded graphite is subjected to mechanical shock treatment, after which a polymer binder (fluoroplastic suspension) is introduced for radiation source of cathode material, which then is subjected to molding and drying (RF patent K 187 177, 8.10.2002).
  • a low-conductivity component fluorocarbon and dioxide manganese
  • an electrically conductive filler additive and thermally expanded graphite
  • the analogues and prototype described above have the following disadvantages, both in the electrophysical properties of the material and in the method for its preparation.
  • the disadvantage of the above material is that in order to ensure satisfactory mechanical strength, a polymer binder is introduced into the mixture of the electrically conductive composite material, which already in a small amount causes a significant increase in electrical resistivity.
  • the disadvantage of this method is the multi-stage process and, accordingly, the duration of the process, which, in turn, increases the energy consumption and cost of the final product (electrodes for electrochemical current sources).
  • the claimed invention was based on the task of creating such a conductive composite carbon-containing material and, accordingly, a method for its production (manufacturing), which would have the electrophysical properties required by the state of the art with minimal material and time costs for its manufacture.
  • the “method” (claims 3-15 of the claims) is achieved by the fact that in the method for producing a composite carbon-containing material for a chemical current source (for example, lithium), including the formation of a homogeneous mixture of a conductive component in the form of thermally expanded graphite and a dispersed filler additive, followed by molding of this mixture using a binder, according to the invention, highly dispersed carbon and / or mineral powders are used as a dispersed filler additive, molding is carried out by pressing the mixture followed by rolling, and as a binder In the process of pressing and rolling, directly expanded thermally expanded graphite is functionally used.
  • a chemical current source for example, lithium
  • microcellulose is introduced in an amount of May 2.5-17.5. %
  • the claimed composite carbon-containing material (mainly for a lithium current source) is a mixture of homogeneously distributed in the volume of material:
  • the directly conducting component i.e., the material obtained by pressing the initial homogenized mixture followed by rolling
  • the directly conducting component thermally expanded graphite
  • highly dispersed carbon and / or mineral powders are used as a dispersed filler .
  • a method for producing a composite carbon-containing material for a chemical current source includes the following technological operations in the corresponding sequence:
  • one of the methods known from the prior art form a homogenized mixture of a conductive component (in the form of thermally expanded graphite) and a dispersed filler additive;
  • thermally graphite as a binder in the molding process (that is, in this particular case - pressing and rolling) directly expanded thermally graphite is functionally used.
  • microcellulose is introduced in an amount of May 2.5-17.5. %
  • the unique physicochemical property of thermally expanded graphite (TEG) nanoparticles is used to compact under the influence of external pressure due to van der Vaals interactions between the scales of the specified substance with the formation of dense plates of a given size.
  • the claimed method provides the formation of such a solid-phase homogeneous structure in which the homogenization of thermally expanded graphite particles with highly dispersed particles of carbon or mineral components provides mechanical strength and physical integrity of the samples (electrode plates) sufficient for real operating conditions, as well as the necessary electrical conductivity of the obtained composite material.
  • test series of composite carbon-containing plates for electrodes of lithium current sources based on mixtures of homogeneously distributed particles of thermally expanded graphite and microporous carbon material MI 4675 N.
  • the electrodes were obtained by mechanical mixing of thermally expanded graphite (from May 60 to May 95%) with microporous carbon material MI 4675KN (from May 2.5 to 37.5%) and microcellulose (from May 2.5 to May 17.5. %) in a drum-type mixing device.
  • microporous carbon material of the MI 4675KN grade and microcellulose were subjected to joint mixing - abrasion in a ball mill.
  • a mixture of composite carbon-containing material for lithium source electrodes current was pressed at a pressure of 140 kg / cm 2 , followed by rolling the pressed plate on the rolls in a rolling mill.
  • Electrodes were made for an electrochemical capacitor, the characteristics of which are presented in Table 1.
  • microcellulose is used directly in the manufacture of an electrochemical capacitor (see Table 1) as a dielectric separating the plates condenser (see "Polytechnical Dictionary” edited by academician I.I. Artobolevsky, publishing house “Soviet Encyclopedia", 1976, p. 223, “Condenser electric ").

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)

Abstract

Композиционный углеродсодержащий материал (преимущественно, для литиевого источника тока) представляет собой смесь из гомогенно распределенных в объеме материала: проводящего компонента в виде терморасширенного графита и дисперсного наполнителя-добавки. В упомянутом прессовано-прокатном материале в качестве связующего функционально используется непосредственно проводящий компонент - терморасширенный графит, а в качестве дисперсного наполнителя-добавки - высокодисперсные углеродные и/или минеральные порошки. Оптимально, чтобы содержание указанного выше дисперсного наполнителя-добавки в упомянутой смеси варьировалось бы в пределах, мас.%: от 2,5 до 37,5. Способ получения вышеупомянутого электропроводного композиционного углеродсодержащего материала включает следующие технологические операции. Одним из известных из уровня техники методом формируют гомогенизированную смесь из проводящего компонента (в виде терморасширенного графита) и дисперсного наполнителя-добавки. Далее осуществляют формовку этой (гомогенизированной) смеси с использованием связующего. В отличие от известных из уровня техники решений в заявленном способе: в качестве дисперсного наполнителя-добавки используют высокодисперсные углеродные и/или минеральные порошки; формовку осуществляют прессованием смеси с последующей прокаткой; в качестве связующего в процессе формовки (то есть, в данном конкретном случае -прессования и прокатки) функционально используют непосредственно терморасширенный графит.

Description

КОМПОЗИЦИОННЫЙ УГЛЕРОДСОДЕРЖАЩИЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ХИМИЧЕСКОГО ИСТОЧНИКА ТОКА И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к электропроводным композиционным углеродсодержащим материалам на основе смесей из гомогенно распределенных в объеме материала частиц терморасширенного графита (ТРГ) с высокодисперсными частицами углеродных или минеральных наполнителей-добавок для применения таких материалов в электрохимической промышленности.
Например, при изготовлении электродов, используемых в химических источниках тока (ХИТ) с повышенными эксплуатационными характеристиками, то есть:
- низким омическим сопротивлением;
- высокой электрической емкостью;
- высокой механической прочностью в реальных условиях эксплуатации, и, соответственно, длительным сроком службы и высокой надежностью.
Изобретение относится также к способам изготовления вышеуказанных материалов.
Уровень техники
Из уровня техники известно множество электропроводных композиционных материалов на основе смеси дисперсного низкопроводящего материала с углеродным электропроводным наполнителем и полимерным связующим. Электропроводность в таких материалах обеспечивается за счет внутренних контактов между электропроводными частицами углеродного наполнителя (сажи, графита и др.), а механическая целостность и, соответственно, прочность материала в целом, достигается за счет введения в смесь полимерного связующего, например, фторопласта (И.А. Кедринский и др., «Химические источники тока с литиевым электродом», г. Красноярск, изд-во Красноярского Государственного Университета, 1983, с. 248).
Из уровня техники известен, также, электропроводный композиционный углеродсодержащий материал, включающий низкопроводящий компонент (фторуглерод, и/или диоксид марганца, и/или полупроводники и/или их смеси), образующий гомогенную структуру с электропроводным углеродным наполнителем-добавкой (в частности, агрегатированными наночастицами углерода с окисленной поверхностью) и диэлектрическим связующим, например, фторопластом или полиэтиленоксидом (патент РФ на изобретение N°2398312, опубл. 27.08.2010).
Наиболее близкими к заявленным изобретениям, как по решаемой задаче, так и по достигаемому техническому результату являются композиционный углеродсодержащий материал для химического (в частности, литиевого) источника тока и способ получения такого материала (прототип), в котором смесь из низкопроводящего компонента (фторуглерода и диоксида марганца) с электропроводящей добавкой- наполнителем и терморасширенным графитом подвергают ударной механической обработке, после чего вводят полимерное связующее (фторопластовую суспензию) для получения исходного катодного материала, который далее подвергают формованию и сушке (патент РФ на изобретение Ж 187177, 10.08.2002).
Описанные выше аналоги и прототип обладают нижеперечисленными недостатками, как по электрофизическим свойствам материала, так и по способу его получения. В частности, недостатком вышеописанного материала (патент N°2187177) является то, что для обеспечения удовлетворительной механической прочности в состав смеси электропроводного композиционного материала вводится полимерное связующее, которое уже в небольшом количестве вызывает значительное увеличение удельного электрического сопротивления.
Возникает противоречие - чем больше полимерного связующего, тем прочнее материал, но тем меньше его электропроводность.
Так как частицы низкопроводного материала смешивают с электропроводной углеродной добавкой до смешивания со связующим, с целью создания поверхностных электрических углеродных контактов, недостатком способа является многостадийность и, соответственно, длительность технологического процесса, что, в свою очередь, увеличивает энергозатраты и себестоимость конечной продукции (электродов для электрохимических источников тока).
Раскрытие изобретения
В основу заявленного изобретения была положена задача создания такого токопроводящего композиционного углеродсодержащего материала и, соответственно, способа его получения (изготовления), который обладал бы требуемыми на современном уровне техники электрофизическими свойствами при минимальных материальных и временных затратах на его изготовление.
Технический результат, в частности, применительно к материалам электродов, используемых в химических источниках тока (ХИТ), заключается в следующем:
- низкое омическое сопротивление заявленного материала; - высокая электрическая емкость промышленного изделия (например, аккумулятора энергии - конденсатора), изготовленного на основе заявленного материала;
- высокая механическая прочность материала в реальных условиях эксплуатации, и, соответственно, длительный срок службы и, соответственно, высокая надежность, при минимизации затрат на его изготовление (как материальных, так и энергетических).
Поставленный технический результат в отношении объекта изобретения «вещество» (п.1 и п.2 формулы изобретения) достигается посредством того, что в композиционном углеродсодержащем материале (преимущественно, для литиевого источника тока) представляющем собой смесь из гомогенно распределённых в объеме материала проводящего компонента в виде терморасширенного графита и дисперсного наполнителя-добавки, согласно изобретению, в упомянутом прессованно-прокатном материале (то есть, материале, полученном посредством прессования смеси с последующей прокаткой) в качестве связующего функционально используется непосредственно проводящий компонент - терморасширенный графит, а в качестве дисперсного наполнителя- добавки - высокодисперсные углеродные и/или минеральные порошки.
Оптимально, чтобы содержание указанного выше дисперсного наполнителя-добавки в упомянутой смеси варьировалось бы в пределах, мае. %: от 2,5 до 37,5.
Поставленный технический результат в отношении объекта изобретения «способ» (п.п. 3-15 формулы изобретения) достигается посредством того, что в способе получения композиционного углеродсодержащего материала для химического источника тока (например, литиевого), включающем формирование гомогенной смеси из проводящего компонента в виде терморасширенного графита и дисперсного наполнителя-добавки с последующей формовкой этой смеси с использованием связующего, согласно изобретению, в качестве дисперсного наполнителя-добавки используют высокодисперсные углеродные и/или минеральные порошки, формовку осуществляют прессованием смеси с последующей прокаткой, а в качестве связующего в процессе прессования и прокатки функционально используют непосредственно терморасширенный графит.
Наиболее эффективно осуществлять прессование смеси в процессе формовки под давлением не менее 140 кг/см .
Допустимо в качестве дисперсного наполнителя-добавки использовать:
- графен;
- углеродные нанотрубки;
- сажу;
- высокопористые угли (древесный и/или кокосовый);
- синтетический высокопористый углерод с площадью эффективной поверхности не менее 2000 м /г;
- фуллерен;
- нанометаллические порошки;
- шпинели различного химического состава;
- ферриты различного состава;
- взрывной наноалмаз.
В качестве дополнительного компонента к перечисленным выше дисперсным компонентам-добавкам вводится микроцеллюлоза в количестве 2,5-17,5 мае. %.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленных технических решений, позволил установить, что не обнаружены аналоги, характеризующиеся признаками и связями между ними, идентичными или эквивалентными всем существенным признакам заявленных технических решений, а выбранный из выявленных аналогов прототип (как наиболее близкий по совокупности признаков аналог) позволил выявить совокупность существенных (по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату) отличительных признаков в заявленных объектах изобретения, изложенных в формуле.
Следовательно, заявленные технические решения соответствуют условию патентоспособности «новизна» по действующему законодательству.
Для проверки соответствия заявленных технических решений требованию условия патентоспособности «изобретательский уровень» заявитель провел дополнительный поиск известных из уровня техники сходных решений, с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленных технических решений, результаты которого показывают, что заявленные технические решения не следует (для специалиста) явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники (определенного заявителем) не выявлено влияния предусматриваемых существенными признаками заявленных технических решений преобразований на достижение усматриваемого заявителем технического результата.
В частности, заявленными техническими решениями не предусматриваются следующие преобразования известного объекта- прототипа:
дополнение известного объекта каким-либо известным признаком, присоединяемым к нему по известным правилам, для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно таких дополнений;
- замена какого-либо признака известного объекта другим известным признаком для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такой замены;
- исключение какого-либо признака известного объекта с одновременным исключением обусловленной наличием этого признака функции и достижением при этом обычного для такого исключения результата;
- увеличение количества однотипных признаков в известном объекте для усиления технического результата, обусловленного наличием в объекте именно таких признаков;
- выполнение известного объекта или его части из известного материала для достижения технического результата, обусловленного известными свойствами материала;
- создание объекта, включающего известные признаки, выбор которых и связь между ними осуществлены на основании известных правил и достигаемый, при этом, технический результат обусловлен только известными свойствами признаков этого объекта и связей между ними.
Следовательно, заявленные технические решения соответствуют требованию условия патентоспособности «изобретательский уровень» по действующему законодательству.
Далее физико-химические свойства заявленного композиционного материала и, соответственно, особенности способа его изготовления раскрываются более подробно. Осуществление изобретения
Таким образом, заявленный композиционный углеродсодержащий материал (преимущественно, для литиевого источника тока) представляет собой смесь из гомогенно распределённых в объеме материала:
- проводящего компонента в виде терморасширенного графита;
- и дисперсного наполнителя-добавки.
В упомянутом прессовано-прокатном материале (т.е., материале, полученном посредством прессования исходной гомогенизированной смеси с последующей ее прокаткой) в качестве связующего функционально используется непосредственно проводящий компонент - терморасширенный графит, а в качестве дисперсного наполнителя — высокодисперсные углеродные и/или минеральные порошки.
Оптимально, чтобы содержание указанного выше дисперсного наполнителя-добавки в упомянутой смеси варьировалось бы в пределах, мае. %: от 2,5 до 37,5.
Способ получения композиционного углеродсодержащего материала, для химического источника тока (например, литиевого), включает следующие технологические операции в соответствующей последовательности:
- одним из известных из уровня техники методом формируют гомогенизированную смесь из проводящего компонента (в виде терморасширенного графита) и дисперсного наполнителя-добавки;
- далее осуществляют формовку этой (гомогенизированной) смеси с использованием связующего.
В отличие от известных из уровня техники решений в заявленном способе: - в качестве дисперсного наполнителя-добавки используют высокодисперсные углеродные и/или минеральные порошки;
- формовку осуществляют прессованием смеси с последующей прокаткой;
- в качестве связующего в процессе формовки (то есть, в данном конкретном случае — прессования и прокатки) функционально используют непосредственно терморасширенный графит.
Наиболее эффективно осуществлять прессование смеси в процессе формовки под давлением не менее 140 кг/см .
Допустимо в качестве дисперсного наполнителя-добавки использовать:
- графен;
- углеродные нанотрубки;
- сажу;
- высокопористые угли (древесный и/или кокосовый;
- синтетический высокопористый углерод с площадью эффективной поверхности более 2000 м /г;
- фуллерен;
- нанометаллические порошки;
- шпинели различного химического состава;
- ферриты различного состава;
- взрывной наноалмаз.
В качестве дополнительного компонента к перечисленным выше дисперсным компонентам-добавкам вводится микроцеллюлоза в количестве 2,5-17,5 мае. %.
Таким образом, согласно изобретению, используется уникальное физико-химическое свойство наночастиц терморасширенного графита (ТРГ) компактировать под влиянием внешнего давления за счёт Ван-дер- Ваальсовых взаимодействий между чешуйками указанного вещества с образованием плотных пластин заданного типоразмера.
Экспериментально доказано, что это свойство сохраняется даже при введении в межслоевое пространство рассматриваемого вещества (ТРГ) высокодисперсных наполнителей - углеродных или минеральных, вплоть до 25,0 мае. % и выше.
Заявленный способ, обеспечивает формирование такой твердофазной гомогенной структуры, в которой гомогенизация частиц терморасширенного графита с высокодисперсными частицами углеродных или минеральных компонентов обеспечивает достаточную для реальных условий эксплуатации механическую прочность и физическую целостность образцов (пластин-электродов), а также необходимую электропроводность полученного композиционного материала.
Вышеописанным способом были изготовлены испытательные серии композиционных углеродсодержащих пластин для электродов литиевых источников тока на основе смесей из гомогенно распределенных частиц терморасширенного графита и микропористого углеродного материала марки МИ 4675 Н.
Электроды были получены путем механического смешения терморасширенного графита (от 60 до 95 мае. %) с микропористым углеродным материалом марки МИ 4675КН (от 2,5 до 37,5 мае. %) и микроцеллюлозой (от 2,5 до 17,5 мае. %) в смесительном устройстве барабанного типа.
Предварительно микропористый углеродный материал марки МИ 4675КН и микроцеллюлоза подвергались совместному смешению - истиранию в шаровой мельнице. Смесь из композиционного углеродсодержащего материала для электродов литиевого источника тока подвергалась прессованию под давлением 140 кг/см2, с последующей прокаткой спрессованной пластины на валках в прокатном стане.
Из приготовленных по вышеописанному примеру композиционных углеродсодержащих изделий (пластин) были изготовлены электроды для электрохимического конденсатора, характеристики которого представлены в таблице 1. Здесь следует отметить, что микроцеллюлоза используется непосредственно при изготовлении электрохимического конденсатора (см. табл. 1) в качестве диэлектрика, разделяющего обкладки конденсатора (см. «Политехнический словарь» под редакцией академика И.И. Артоболевского, изд-во «Советская энциклопедия», 1976 г., стр. 223, «Конденсатор электрический»).
Таким образом, техническим результатом заявленных технических решений является существенное улучшение эксплуатационных параметров промышленно реализуемых объектов техники (конденсаторов электрических) с использованием заявленного изобретения (см. табл. 1).
Следовательно, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленных технических решений следующей совокупности условий:
- объекты, воплощающие заявленные технические решения при их промышленной реализации, предназначены для использования в промышленности, а именно, в области производства электроэнергии экологически чистым способом посредством автономных источников тока;
- для заявленных объектов в том виде, как они охарактеризованы в независимых пунктах нижеизложенной формулы, подтверждена возможность их осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;
- объекты, воплощающие заявленные технические решения при их осуществлении, способны обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Следовательно, заявленные технические решения соответствуют требованию условия патентоспособности «промышленная применимость» по действующему законодательству.
Таблица 1 - Характеристики электрохимического конденсатора с электродами на основе заявленного композиционного углеродсодержащего материала
Figure imgf000014_0001

Claims

Формула изобретения
1. Композиционный углеродсодержащий материал для химического источника тока представляющий собой смесь из гомогенно распределённых в объеме материала проводящего компонента в виде терморасширенного графита и дисперсного наполнителя-добавки, отличающийся тем, что в прессовано-прокатном материале, в качестве связующего функционально используется непосредственно проводящий компонент - терморасширенный графит, а в качестве дисперсного наполнителя-добавки - высокодисперсные углеродные и/или минеральные порошки.
2. Композиционный углеродсодержащий материал по п. 1 , отличающийся тем, что содержание указанного высокодисперсного наполнителя-добавки в упомянутой смеси варьируется в пределах, мае. %: от 2,5 до 37,5.
3. Способ получения композиционного углеродсодержащего материала для химического источника тока, включающий формирование гомогенной смеси из проводящего компонента в виде терморасширенного графита и дисперсного наполнителя-добавки с последующей формовкой этой смеси с использованием связующего, отличающийся тем, что в качестве дисперсного наполнителя-добавки используют высокодисперсные углеродные и/или минеральные порошки, формовку осуществляют прессованием смеси с последующей прокаткой, а в качестве связующего в процессе прессования и прокатки функционально используют непосредственно терморасширенный графит.
4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что прессование смеси в процессе формовки осуществляют под давлением не менее 140 кг/см2.
5. Способ по п. 3, отличающийся тем, что в качестве дисперсного наполнителя-добавки используют графен.
6. Способ по п. 3, отличающийся тем, что в качестве дисперсного наполнителя-добавки используют углеродные нанотрубки.
7. Способ по п. 3, отличающийся тем, что в качестве дисперсного наполнителя-добавки используют сажу.
8. Способ по п. 3, отличающийся тем, что в качестве дисперсного наполнителя-добавки используют высокопористые угли - древесный и/или кокосовый,
9. Способ по п. 3, отличающийся тем, что в качестве дисперсного наполнителя-добавки используют синтетический высокопористый углерод с площадью эффективной поверхности не менее 2000 м /г.
10. Способ по п. 3, отличающийся тем, что в качестве дисперсного наполнителя-добавки используют фуллерен.
11. Способ по п. 3, отличающийся тем, что в качестве дисперсного наполнителя-добавки используют нанометаллические порошки.
12. Способ по п. 3, отличающийся тем, что в качестве дисперсного наполнителя используют шпинели различного химического состава.
13. Способ по п. 3, отличающийся тем, что в качестве дисперсного наполнителя-добавки используют ферриты различного состава.
14. Способ по п. 3, отличающийся тем, что в качестве дисперсного наполнителя-добавки используют взрывной наноалмаз.
15. Способ по п.п. 2-14, отличающийся тем, что в качестве дополнительного компонента к перечисленным в этих пунктах дисперсным компонентам-добавкам вводится микроцеллюлоза в количестве 2,5-17,5 мае. %.
PCT/RU2014/000179 2014-01-09 2014-03-21 Композиционный углеродсодержащий материал для химического источника тока и способ его получения WO2015105434A1 (ru)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014100604/07A RU2554933C1 (ru) 2014-01-09 2014-01-09 Композиционный углеродсодержащий материал для химического источника тока и способ его получения
RU2014100604 2014-01-09

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2015105434A1 true WO2015105434A1 (ru) 2015-07-16

Family

ID=53524170

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2014/000179 WO2015105434A1 (ru) 2014-01-09 2014-03-21 Композиционный углеродсодержащий материал для химического источника тока и способ его получения

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2554933C1 (ru)
WO (1) WO2015105434A1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018031230A1 (en) * 2016-08-10 2018-02-15 Energizer Brands Llc Alkaline battery cathode structures incorporating multiple carbon materials and orientations

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU175936U1 (ru) * 2017-05-31 2017-12-25 Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Новосибирский Государственный Технический Университет" Суперконденсатор
RU2706015C1 (ru) * 2019-02-08 2019-11-13 Андрей Валерьевич Чеглаков Первичный химический источник тока на основе графена

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2259616C1 (ru) * 2004-08-17 2005-08-27 Общество с ограниченной ответственностью "Омега-Холдинг" Отрицательный электрод литий-ионного аккумулятора
CN101060038A (zh) * 2007-04-20 2007-10-24 哈尔滨工程大学 膨胀石墨/金属氧化物复合材料及其制备方法
RU2398312C2 (ru) * 2008-11-05 2010-08-27 Валентин Николаевич Митькин Электропроводный композиционный углеродсодержащий материал и способ его получения
RU116270U1 (ru) * 2011-07-26 2012-05-20 Общество с ограниченной ответственностью "Прорыв" (ООО "Прорыв") Конденсатор высокой удельной энергоемкости
US20120219719A1 (en) * 2009-11-03 2012-08-30 Jong-Sam Yu Method of manufacturing composite carbon sheet using expanded graphite sheet and mixed dispersion solution

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2187177C2 (ru) * 2000-05-11 2002-08-10 Открытое акционерное общество "Новосибирский завод химконцентратов" Катодный материал для литиевого источника тока и способ его изготовления
EP2304827A1 (en) * 2008-06-20 2011-04-06 Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. Use of a superfine expanded graphite and preparation thereof

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2259616C1 (ru) * 2004-08-17 2005-08-27 Общество с ограниченной ответственностью "Омега-Холдинг" Отрицательный электрод литий-ионного аккумулятора
CN101060038A (zh) * 2007-04-20 2007-10-24 哈尔滨工程大学 膨胀石墨/金属氧化物复合材料及其制备方法
RU2398312C2 (ru) * 2008-11-05 2010-08-27 Валентин Николаевич Митькин Электропроводный композиционный углеродсодержащий материал и способ его получения
US20120219719A1 (en) * 2009-11-03 2012-08-30 Jong-Sam Yu Method of manufacturing composite carbon sheet using expanded graphite sheet and mixed dispersion solution
RU116270U1 (ru) * 2011-07-26 2012-05-20 Общество с ограниченной ответственностью "Прорыв" (ООО "Прорыв") Конденсатор высокой удельной энергоемкости

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018031230A1 (en) * 2016-08-10 2018-02-15 Energizer Brands Llc Alkaline battery cathode structures incorporating multiple carbon materials and orientations
US10177375B2 (en) 2016-08-10 2019-01-08 Energizer Brands, Llc Alkaline battery cathode structures incorporating multiple carbon materials and orientations

Also Published As

Publication number Publication date
RU2554933C1 (ru) 2015-07-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Šedajová et al. Nitrogen doped graphene with diamond-like bonds achieves unprecedented energy density at high power in a symmetric sustainable supercapacitor
Navarro‐Suárez et al. 2D titanium carbide/reduced graphene oxide heterostructures for supercapacitor applications
Wu et al. Anchoring hydrous RuO2 on graphene sheets for high‐performance electrochemical capacitors
JP5969126B2 (ja) キャパシタ用電極材及びその製造方法、並びに電気二重層キャパシタ
JP4417886B2 (ja) 燃料電池分離板成型用素材の製造方法
Le Fevre et al. Systematic comparison of graphene materials for supercapacitor electrodes
RU2471711C2 (ru) Порошки
Gnedenkov et al. Hydrolysis lignin: Electrochemical properties of the organic cathode material for primary lithium battery
Lee et al. Bacterial cellulose as source for activated nanosized carbon for electric double layer capacitors
Zhang et al. Readily Exfoliated TiSe2 Nanosheets for High‐Performance Sodium Storage
Vadiyar et al. Utilizing Waste Thermocol Sheets and Rusted Iron Wires to Fabricate Carbon–Fe3O4 Nanocomposite‐Based Supercapacitors: Turning Wastes into Value‐Added Materials
JP2018045820A (ja) 炭素導電材スラリー
Zhu et al. Shaped-controlled synthesis of porous NiCo 2 O 4 with 1-3 dimensional hierarchical nanostructures for high-performance supercapacitors
WO2015105434A1 (ru) Композиционный углеродсодержащий материал для химического источника тока и способ его получения
WO2018092721A1 (ja) 電気二重層キャパシタ用炭素質材料およびその製造方法
TW201721679A (zh) 電容器用電極材及電容器
Singh et al. Graphene and graphite oxide based composites for application in energy systems
Cheng et al. Evolution of dielectric relaxation under elevated electric field of polypropylene-based films
KR20180065296A (ko) 고성능 다공성 활성탄 및 그의 제조방법
Thi Thanh Dang et al. Biomimetic Mesoporous Cobalt Ferrite/Carbon Nanoflake Helices for Freestanding Lithium‐Ion Battery Anodes
Lu et al. Enhanced electrochemical energy storage performance of reduced graphene oxide by incorporating oxygen-rich in-plane pores
KR20120124068A (ko) 식물 소성물을 이용한 열전도 부재 및 흡착재
Fragal et al. Nitrogen and Phosphorus Co‐doped Nanoporous Carbons from Phosphoprotein/Silica Self‐Assemblies for Energy Storage in Supercapacitors
EP0218278B1 (en) Process for producing a catalytic layer for a fuel cell electrode
KR101556397B1 (ko) Pei 처리된 그래핀 옥사이드 용액을 이용한 그래핀 함유 카본 에이로겔 제조방법

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 14877814

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 14877814

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1