Катодная масса для теплового химического источника тока

 

Использование: производство тепловых химических источников тока со стабильными характеристиками в начале разряда. Сущность изобретения: катодная масса содержит (мас. %): дисульфид железа 57 - 80; гидроксид лития 0,7 - 17; оксид магния 8,3 - 12; солевой электролит 11 - 14. 2 табл.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при изготовлении катодной массы для теплового химического источника тока /ТХИТ/ на основе дисульфида железа.

Известна катодная масса для ТХИТ, содержащая дисульфид железа и солевой электролит [1] Недостатком данной катодной массы является наличие пика напряжения в начале разряда и нестабильность потенциала разомкнутой цепи.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является катодная масса, содержащая дисульфид железа, солевой электролит, загущенный оксидом магния, и стабилизирующую добавку на основе соединений лития [2] Недостаток данной активной массы связан с длительностью технологического процесса изготовления, обусловленной несколькими длительными режимами термообработки.

Целью настоящего изобретения является сокращение длительности изготовления катодной массы.

Указанная цель достигается тем, что в катодной массе для ТХИТ, содержащей дисульфид железа, загущенный солевой электролит и стабилизирующую добавку, в качестве указанной добавки используют гидроксид лития при следующем соотношении компонентов /мас./: дисульфид железа 57 80 гидроксид лития 0,7 17 оксид магния 8,3 12 солевой электролит 11 14 Гидроксид лития /t_пл 462^oC/ является эффективным литирующим агентом. Варьируя содержание LiOH в исходной катодной массе, можно плавно изменять потенциал катода и, соответственно, максимальное напряжение элемента при заданном токе разряда.

LiOH и сплавы LiOH с галогенидами щелочных металлов имеют относительно низкие температуры плавления /например, смесь LiCl KCl LiOH /45 11,5 - 43,5 мас. / имеет t_пл 280^oC, а LiCl LiOH /42 мол. LiCl/ имеет t_пл 268^oC/, и при литировании катодной смеси литирующий агент находится в жидком состоянии, что ускоряет процесс химического взаимодействия лития с дисульфидом железа и обеспечивает однородность катодной массы. Благодаря этому обстоятельству удалось сократить время литирования до 70 180 мин при температуре 400 550^oC, т. е. уменьшить в 2,5 24 раза по сравнению с временем, указанным в [3] и [4] Одновременно отпадает необходимость в промежуточных процессах дробления и перемешивания.

Минимальное количество дисульфида железа в катодной массе составляет 57 мас. Дальнейшее уменьшение этого количества приводит к существенному уменьшению емкости. Кроме того, снижается механическая прочность катодов при рабочей температуре ТХИТ.

Максимальное количество FeS₂ в катодной массе 80 мас. При увеличении количества FeS₂ больше 80 мас. имеет место нестабильность потенциала катода. Кроме того, катодная масса с большим содержанием FeS₂ плохо прессуется.

Количество LiOH в катодной массе непосредственно связано с количеством активного вещества с требуемой удельной емкостью. Для получения Li_xFeS₂, где x 0,05 1,5, необходимо от 0,7 мас. LiOH до 17 мас. LiOH. Уменьшение количества LiOH меньше 0,7 мас. приводит к нестабильности электрических характеристик в связи с трудностью обеспечения равномерного перемешивания, а увеличение количества LiOH больше 17 мас. приводит к значительному уменьшению величины НРЦ и U_max и падению емкости катода. Остальную часть катодной массы составляет загущенная электролитная смесь /от 19,3 до 26 мас./.

Состав солевого электролита строго не регламентируется и может быть изменен в зависимости от состава анода и технических требований, предъявляемых к источнику тока.

В качестве электролита могут быть использованы такие смеси, как LiCl - KCl, LiCl KCl LiF, LiCl LiB₂ LiF и др. Загустителем этих электролитов должен применяться инертный по отношению к расплавленным щелочам оксид магния. Количество загустителя в смеси электролит-загуститель от ≈ 42 до 46 мас. а в катодной массе от 8,3 до 12 мас. Уменьшение количества MgO в катодной смеси меньше 8,3 мас. приводит к ухудшению механической прочности катодных таблеток, а увеличение количества MgO больше 12 мас. приводит к ухудшению электрических характеристик элементов в результате увеличения омического сопротивления катодных таблеток.

Остальную массу катодной смеси составляет солевой электролит. Если количество солевого электролита в катодной смеси больше 14 мас. то при нагревании элементов до рабочей температуры наблюдаются втеки электролита и деформация катодных таблеток. Уменьшение количества солевого электролита в катодной смеси менее 11,0 мас. приводит к снижению величины U_max, особенно резко это явление наблюдается при разряде элементов высокими плотностями тока и при понижении температуры разряда.

В табл. 1 приведены результаты испытаний элементов электрохимической системы LiSi FeS₂ диаметром 35 мм, катоды которых выполнены из катодной массы различных составов. Масса катодной смеси во всех опытах составляла 2 г /0,208 г катодной смеси/см²/, масса электролитной таблетки 1,3 г /0,135 г электролитной смеси N31/см²/. Аноды представляли собой пластины из сплава литий-кремний /44% Li/ толщиной 0,5 мм, масса сплава 44% Li и 56% Si в аноде составляла ≈ 0,5 г /0,052 г LiSi/см²/.

Разряд проводился до U_кон 1,5 В. Наибольшее время работы показали элементы с составом катодной массы 75 мас. FeS₂ + 5 мас. LiOH + 20 мас. электролитной смеси /8,7 мас. MgO + 11,3 мас. солевого электролита/.

С этим составом катодной массы были проведены испытания элементов плотностями тока от 50 до 500 мА/см² в температурном диапазоне 400 - 640^oC /см. акт испытаний, табл. 2/.

Из результатов испытаний следует, что характеристики элементов с катодами, выполненными из катодной массы предложенного состава, отличаются высокой устойчивостью и стабильностью значений НРЦ и U_раб. Величина НРЦ изменялась в пределах от 2,03 2,13 В /т.е. ΔНРЦ 0,1 В/ в температурном диапазоне 400 640^oC /Dt 240^oC/. Величина U_max для элементов, разряженных токами i 50 100 мА/см², изменялась в этом же диапазоне от 1,98 2,07 /т.е. D U_max ≈ 0,09 В/.

При разряде током i 300 мА/см² U_max изменялась от 1,88 до 2,05 В /DU_max 0,17 В/ в температурном диапазоне 450 640^oC /Dt 190^oC/, а при разряде током i 500 мА/см² от 1,78 до 1,95 В /DU 0,17 В/ в диапазоне 500 640^oC /Dt 140^oC/.

Катоды, изготовленные из катодной массы предложенного состава, позволяют проводить разряды с высокими значениями КПИ активного катодного вещества.

Например, при разряде токами i 300 500 мА/см² до конечного напряжения U_кон 1,5 В значения КПИ активного катодного вещества составляют 35,0 64,6% в диапазонах температур 500 640^oC.

Использование катодной массы предложенного состава позволяет получить элементы, обладающие большой стабильностью электрических характеристик, таких как НРЦ и U_max, а также сократить время продолжительности процесса изготовления катодной массы в 4 -36 раз по сравнению с временем, указанным в работах [3, 4]

Формула изобретения

Катодная масса для теплового химического источника тока, включающаяся дисульфид железа, загущенный солевой электролит и стабилизирующую добавку, отличающаяся тем, что, с целью сокращения длительности изготовления, в качестве указанной добавки использован гидроксид лития при следующем соотношении компонентов, мас.

Сульфид железа 57 80 Гидроксид лития 0,7 17
Оксид магния 8,3 12
Солевой электролит 11 14о

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4

MM4A Досрочное прекращение действия патента из-за неуплаты в установленный срок пошлины заподдержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 07.02.2010

Дата публикации: 10.12.2011

---