Способ изготовления сепаратора для теплового химического источника тока

 

Изобретение относится к области электротехнической промышленности и может найти применение в процессе изготовления тепловых химических источников тока (ТКИТ). Техническим результатом изобретения является упрощение технологии и снижение стоимости изготовления сепаратора. Согласно изобретению способ изготовления включает неоднократное нанесение на сетчатую основу раствора гидроксихлорида алюминия и последующую термообработку после каждого нанесения при температуре 500-700°C в течение 15-20 мин. 2 з.п. ф-лы.

Настоящее изобретение относится к области электротехнической промышленности и может быть использовано в тепловых химических источниках тока с расплавленными солевыми электролитами.

В тепловых химических источниках тока (ТХИТ) с литийсодержащими анодами и расплавленными электролитами из галогенидов щелочных металлов находят применение керамические сепараторы на основе оксидов и нитридов переходных металлов, а именно MgO, Y₂ O₃, Al₂O₃, BN, AlN, LiAlO ₂ и т.п. Сепараторы должны обеспечивать надежное разделение анодного и катодного пространства, иметь низкое удельное сопротивление и не разрушаться при изменении объемов активных масс анода и катода.

В настоящее время известен способ изготовления керамического сепаратора традиционным методом спекания прессованных изделий из оксидных материалов (патент Австрии №443323, МКИ H01M). Данный способ позволяет получать керамические сепараторы с пористостью ниже 50% и толщиной более 1 мм. Недостатком этого способа является сложность формирования сепаратора, жесткие требования к режиму спекания изделия при высоких температурах и ограничения по площади и форме, связанные с высокими удельными давлениями прессования.

Известен способ изготовления сепаратора из оксидов переходных металлов или их нитридов, основанный на бумажной технологии. Суть способа заключается во введении в суспензию волокнистых материалов (патент Франции №2038011, МКИ Н01М). Этим способом можно получить изделия любой толщины, гибкости и пористости. Недостатком способа является применение волокнистых материалов, имеющих высокую стоимость, и изготовленные данным способом сепараторы обладают малой механической прочностью после обжига.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ изготовления керамического сепаратора экструзией из суспензии β”-Al₂O₃ в растворе (Amer. Ceram. Soc. Bull., 1982, 61, №9, р.992-995). Суть способа заключается в том, что готовится суспензия β”-Al₂O₃ в растворителе. Затем формируется изделие под давлением, сушится, и на последней стадии спекается при температуре около 1500°C.

Недостатком этого способа является сложное аппаратурное оформление (пpecca, пpecс-формы сложной конструкции), невозможность изготавливать сепараторы с большой рабочей поверхностью и пластинчатой формы, а также необходимость спекания керамики при высоких температурах. Кроме этого изготовленные сепараторы не обладают гибкостью.

Целью настоящего изобретения является упрощение технологии изготовления керамического сепаратора и расширение возможностей способа, заключающиеся в том, что способ позволяет получать сепараторы гибкие, любой формы и требуемой пористости.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе изготовления сепаратора путем формирования из раствора и с последующим спеканием на предварительно подготовленную сетчатую основу наносят раствор гидроксихлорида алюминия при температуре 25-40°C, затем проводят термообработку при температуре 500-700°C в течение 10-20 сек. Эта операция повторяется неоднократно для того, чтобы получить изделие требуемой толщины. За одну операцию формирования сепаратора наносится слой 25-30 мкм.

Сформированный сепаратор спекается при температуре 730-770°C в течение 15-20 мин.

Для формирования сепаратора применяется раствор гидроксихлорида алюминия с концентрацией 600-700 г/л.

Выбор температурных, временных и концентрационных интервалов изготовления сепаратора обусловлен следующими причинами:

при концентрации гидроксихлорида алюминия ниже 600 г/л происходит непрокрытие сетчатой основы. Получающийся сепаратор имеет дырочные дефекты с размерами 0,5-1,5 мм. При концентрации гидроксихлорида алюминия выше 700 г/л наносится неравномерный слой покрытия, плохо сцепленный с сетчатой основой.

Нанесение гидроксихлорида алюминия на основу проводится при температуре не ниже 25 и не выше 40°C, что обусловлено обеспечением оптимальной вязкости покрывающего раствора. За пределами данного температурного интервала получаются сепараторы с плохим сцеплением с основой и неравномерной толщиной.

Формирование слоя Al₂O ₃ проводится при температуре не ниже 500°C, что обусловлено разложением гидроксихлорида алюминия при 450°C с требуемой скоростью. При температуре выше 700°C формируется рыхлый осадок.

Временной интервал 10-20 сек связан с необходимостью сохранения частично не разложившегося гидроксихлорида алюминия с целью лучшего формирования сепаратора.

Спекание проводится при температуре не выше 770 и не ниже 730°C, что обеспечивает требуемые свойства сепаратора - пористость, механическую прочность, гибкость и хорошее сцепление с основой. Ниже 730°C сепараторы имеют низкую пористость порядка 30%, а спекание при температуре выше 770°C приводит к разрушению сепаратора при изгибе.

При спекании сепаратора менее 15 мин не обеспечивается требуемая пористость и прочность изделия. При выдержке более 20 мин теряется механическая прочность сепаратора.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается тем, что на сетчатую основу наносят раствор гидроксихлорида алюминия и проводят термообработку при 500-700°C в течение 10-20 сек и последующее спекание при 730-770°C в течение 15-20 мин.

Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию "новизна". Из литературных данных нам не известно решение с признаками, отличающими заявляемое решение от прототипа, следовательно, заявляемый способ соответствует критерию "существенные отличия".

Пример 1. В приготовленный раствор гидроксихлорида алюминия с концентрацией 650 г/л и температурой 30°C погружается вертикально никелевая сетка, предварительно обезжиренная в растворителе (ацетоне, спирте) и просушенная в печи при температуре 200°C. Затем сетка извлекается из раствора. Капли в нижней части сетки удаляются легким встряхиванием и сетка переносится вертикально в печь с температурой 550°C, где выдерживается в течение 15 сек. На сепараторе сформировался слой Al₂O₃ толщиной 30 мкм. Операция повторяется 10 раз. После десяти повторов толщина сепаратора имела величину 330 мкм.

Сформированный сепаратор помещается в печь с температурой 750±5°C и выдерживается 20 мин. Затем извлекается и охлаждается на воздухе.

Характеристики сепаратора:

толщина330 мкм пористость 46% средний диаметр пор 1-10 мкм угол изгиба без разрушения 80°

Формула изобретения

1. Способ изготовления сепаратора для теплового химического источника тока путем формирования их раствора и последующего спекания, отличающийся тем, что, с целью упрощения технологии, на сетчатую основу неоднократно наносят раствор гидроксихлорида алюминия с последующей после каждого нанесения термообработкой при температуре 500-700°C в течение 15-20 мин.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют раствор гидроксихлорида алюминия с концентрацией 600-700 г/л.

3. Способ по пп.1, 2, отличающийся тем, что температуру раствора гидроксихлорида алюминия при нанесении поддерживают в интервале 25-40°C.