Способ получения электролита для первичных литиевых источников тока



Способ получения электролита для первичных литиевых источников тока
Способ получения электролита для первичных литиевых источников тока
Способ получения электролита для первичных литиевых источников тока

 


Владельцы патента RU 2585170:

Открытое акционерное общество "Литий-Элемент" (RU)

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при производстве первичных литиевых источников тока. Способ получения электролита для первичных литиевых источников тока осуществляется путем смешения лития хлорнокислого, диметоксиэтана и пропиленкарбоната. Предварительно готовят концентрированный раствор лития хлорнокислого в пропиленкарбонате с пониженным содержанием воды при следующем соотношении, мас.%: литий хлорнокислый - 17-21; пропиленкарбонат - 79-83, затем смешивают концентрированный раствор диметоксиэтан и пропиленкарбонат под давлением 20-60 кПа (0,2-0,6 кгс/см2) в течение 2-5 мин при следующем соотношении, мас.%: концентрированный раствор - 27-38; диметоксиэтан - 10-19; пропиленкарбонат - 52-54. Снижение роста внутреннего давления источника тока, нормализация растворимости литиевого электрода и, как следствие, повышение срока службы источника тока является техническим результатом изобретения. 3 табл.

 

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при производстве первичных литиевых химических источников тока.

Известен электролит для химического источника тока системы диоксид марганца - литий (патент на полезную модель RU 90263, МПК H01M 6/16), включающего тетрагидрофуран либо диоксолан в качестве функциональной добавки для увеличения электропроводности электролита при работе в интервале пониженных температур от -10 до - 40 °С. Способ включает смешивание компонентов при следующем соотношении, мас.%: перхлорат лития - 5÷8,5; диметоксиэтан - 18÷45; тетрагидрофуран либо диоксолан - 15÷42; пропиленкарбонат - остальное.

Однако недостатками данного способа являются, во-первых, добавка тетрагидрофурана способствует улучшению работы источника тока только при низких температурах и наоборот снижает его электрические характеристики при работе в нормальных условиях, во-вторых, низкое содержание неорганической соли приведет к нестабильной работе источника тока из-за снижения электропроводности электролита, в-третьих, высокое содержание диметоксиэтана в электролите приведет к увеличению себестоимости источников тока и батарей на их основе из-за его высокой стоимости, а также к снижению электрических характеристик источника тока из-за снижения растворимости литиевого электрода.

Известен электролит для литиево-диоксидмарганцевого химического источника тока (патент СССР на изобретение №1667177, МПК-5 H01M 6/16), содержащий раствор соли лития, например лития хлорнокислого, в апротонном диполярном растворителе, например пропиленкарбонате, с остаточной водой, при этом с целью повышения энергоемкости источника тока электролит содержит указанные ингредиенты в следующих количествах, мас.%: перхлорат лития - 8,4-8,6; вода - 0,02-0,08; пропиленкарбонат - остальное.

Недостатками данного способа являются, во-первых, в приготовленном электролите имеется достаточно высокое содержание воды, которое влечет за собой снижение коэффициента использования литиевого электрода (% использования лития от его фактической закладки в электрод) и его пассивацию, и, как следствие, нестабильность электрохимической системы, падение напряжения при работе литиевого источника тока, а также снижение сохраняемости заряда при длительном промежутке времени, во-вторых, отсутствие диметоксиэтана в электролите приводит к возрастанию обменных процессов между катодом и анодом, что отрицательно сказывается на сроке службы литиевых источников тока.

Наиболее близким к заявляемому решению является способ получения неводного электролита для химического источника тока (авторское свидетельство на изобретение SU 1828344, МПК H01M 6/14, H01M 6/16), включающий смешивание компонентов в следующем соотношении, мас.%: перхлорат лития - 5,1-8,0; пропиленкарбонат - 43,0-48,0; конденсированный полициклический ароматический углеводород - 0,05-0,4; макроциклический полиэфир - 0,02-0,6; диметоксиэтан - остальное.

Недостатками прототипа являются, во-первых, при изготовлении электролита используются определенные макроциклические полиэфиры и конденсированные полициклические ароматические углеводороды, что приводит к зависимости от конкретного производителя и увеличению себестоимости электролита, во-вторых, сложная технология изготовления, так как общее количество компонентов конечного электролита составляет более трех, что приводит к возрастанию трудовых затрат и соответственно к возрастанию конечной стоимости первичных литиевых источников тока и батарей на их основе, в-третьих, количество диметоксиэтана должно быть определенное, так как при высоком или низком содержании его в электролите снижаются электрические характеристики или срок службы источников тока из-за снижения или увеличения растворимости литиевого электрода соответственно.

Задачей настоящего изобретения является разработка экономически эффективного и безопасного способа получения электролита, который впоследствии будет использован для изготовления первичных литиевых источников тока с низким саморазрядом.

Технический результат заключается:

во-первых, в использовании, при приготовлении электролита, концентрированного раствора лития хлорнокислого в пропиленкарбонате с пониженным содержанием воды, что приводит в дальнейшем к отсутствию роста внутреннего давления в источниках тока,

во-вторых, введение в электролит необходимого количества диметоксиэтана, что позволяет нормализовать растворимость литиевого электрода и тем самым повысить срок службы источника тока до 25 лет.

Электролит является одной из важнейших составных частей первичных литиевых источников тока. Основное требование, предъявляемое к органическим электролитам (или растворам неорганической соли в органическом растворителе), - их химическая и электрохимическая устойчивость, которая должна исключать взаимодействие электролитов или примесей в них с материалами электродов и сепарации корпуса источника тока, а также разложение растворов в условиях их хранения и эксплуатации. Наличие примесей в органических электролитах может вызывать увеличение растворимости катодных масс, снижение коррозионной устойчивости литиевого электрода и уменьшение области потенциалов электрохимической стабильности электролитов. Следствием указанных процессов является саморазряд, уменьшение разрядного напряжения и неустойчивость характеристик разряда. Накопление газообразных и легколетучих продуктов разложения электролитов в условиях хранения и эксплуатации может вызывать разгерметизацию источников тока. В настоящее время пропиленкарбонатные электролиты наиболее широко применяются для изготовления первичных литиевых источников тока и по этой причине представляют собой большой интерес для изучения и модернизации.

Сущность изобретения

Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения электролита для литиевых химических источников тока, включающем смешивание лития хлорнокислого, диметоксиэтана и пропиленкарбоната, согласно заявляемому решению предварительно готовят концентрированный раствор лития хлорнокислого в пропиленкарбонате с пониженным содержанием воды при следующем соотношении, мас.%:

литий хлорнокислый - 17-21

пропиленкарбонат - 79-83,

затем смешивают концентрированный раствор диметоксиэтан и пропиленкарбонат под давлением 20-60 кПа в течение 2-5 мин при следующем соотношении, мас.%:

концентрированный раствор - 27-38

диметоксиэтан - 10-19

пропиленкарбонат - 52-54.

Описание способа

Все компоненты электролита подготавливают к дозированию и хранят в емкостях-накопителях из нержавеющей стали 12Х18Н10Т или титанового сплава ВТ 1-00. В процессе хранения в емкостях-накопителях поддерживают давление аргона 20-60 кПа (0,2-0,6 кгс/см2) при допустимой погрешность измерения давления ±0,07 кгс/см2.

Вначале готовят концентрированный раствор лития хлорнокислого в пропиленкарбонате при следующем соотношении, мас.%:

литий хлорнокислый - 17-21

пропиленкарбонат - 79-83.

При этом количество примесей в концентрате не превышает 1 мас.%, в том числе воды - не более 0,025 мас.%.

После этого начинают приготовление партии электролита. Партией считается электролит, приготовленный в одном контейнере. Электролит готовят в контейнере из нержавеющей стали 12Х18Н10Т. Во время приготовления электролита в помещении не допускается проводить приготовление концентрата.

Рассчитывают массу концентрированного раствора, необходимую для приготовления электролита, исходя из содержания хлорнокислого лития в концентрированном растворе, взятом для приготовления данной партии электролита. Передавливают аргоном в контейнер расчетное количество концентрированного раствора (ориентировочно 15-18 кг с погрешностью взвешивания ±100 г), контролируя его массу по циферблату весов. Затем в контейнер с концентрированным раствором аргоном передавливают диметоксиэтан (ориентировочно 7-9 кг с погрешностью взвешивания ±100 г), контролируя его массу по циферблату весов. Затем рассчитывают массу пропиленкарбоната, необходимого для приготовления электролита, после чего расчетное количество пропиленкарбоната передавливают аргоном в контейнер (ориентировочно 25-28 кг с погрешностью взвешивания ±100 г), контролируя его массу по циферблату весов.

Итоговая смесь содержит, мас.%:

концентрированный раствор - 27-38

диметоксиэтан - 10-19

пропиленкарбонат - 52-54.

Далее контейнер с итоговой смесью заполняют аргоном до давления 20-60 кПа (0,2-0,6 кгс/см2). Допустимая погрешность измерения давления ±0,07 кгс/см2. Затем проводится перемешивание электролита в контейнере, применяя приспособление для перемешивания или вручную. Длительность процесса перемешивания составляет 2-5 минут.

Согласно заявляемому способу были изготовлены конкретные составы электролита. Оптимальным является электролит, соответствующий следующим показателям:

внешний вид - бесцветная или светло-желтая жидкость, не содержащая механических примесей;

массовая доля воды - не более 0,02%;

массовая доля лития хлорнокислого (ПХЛ) - 6,0±0,5%;

массовая доля пропиленкарбоната (ПК) - 78±3%;

массовая доля диметоксиэтана (ДМЭ) - 16±3%;

массовая доля суммы метанола, пропиленгликоля и дипропиленгликоля - не более 0,15%;

массовая доля суммы остальных органических примесей - не более 0,15%;

массовая доля калия - не более 0,001%;

массовая доля натрия - не более 0,01%;

массовая доля кальция - не более 0,001%;

массовая доля железа - не более 0,0005%;

массовая доля никеля - не более 0,0005%.

Анализ электролита на содержание основных компонентов производят для каждой приготовленной партии.

Примеры результатов реализации заявляемого способа для содержания ПХЛ 6,0±0,5% приведены в таблице 1.

Таблица 1

Примеры результатов реализации заявляемого способа для содержания ПК 78±3% приведены в таблице 2.

Таблица 2

Примеры результатов реализации заявляемого способа для содержания ДМЭ 16±3% приведены в таблице 3.

Таблица 3

При массовой доли лития хлорнокислого меньше 5,5 % имеет место недостаточная электропроводимость электролита, что приводит к нестабильной работе первичного источника тока и снижению его электрических характеристик. При массовой доли лития хлорнокислого больше 6,5 % происходит перерасход и нерациональное использование дорогостоящих материалов и, как следствие, снижение экономической эффективности предложенного способа.

Массовая доля пропиленкарбоната, равная 75-81 %, является оптимальной для проведения процесса приготовления электролита и обеспечивает рациональное использование дорогостоящих материалов при приготовлении, а также снижает риск изготовления первичных источников тока с нестабильными электрическими характеристиками.

При массовой доли диметоксиэтана меньше 13 % имеет место возрастание обменных процессов между катодом и анодом, что отрицательно сказывается на сроке службы литиевых источников тока, а при массовой доли диметоксиэтана больше 19 % происходит увеличение себестоимости источников тока и батарей на их основе из-за его высокой стоимости и, как следствие, в дальнейшем снижение электрических характеристик источника тока из-за снижения растворимости литиевого электрода.

Преимущества способа заключаются в повышении качества приготавливаемого электролита, а также получение электролита для литиевых источников тока с низким содержанием воды и необходимым количеством диметоксиэтана, которое позволит повысить сохраняемость источника тока до 25 лет при отсутствии роста внутреннего давления.

Использование данного изобретения в промышленности позволяет повысить качество приготовленного электролита, что влечет за собой изготовление первичных литиевых источников тока и батарей на их основе с улучшенными характеристиками.

Способ получения электролита для литиевых химических источников тока, включающий смешивание лития хлорнокислого, диметоксиэтана и пропиленкарбоната, отличающийся тем, что предварительно готовят концентрированный раствор лития хлорнокислого в пропиленкарбонате с пониженным содержанием воды при следующем соотношении, мас.%:
литий хлорнокислый - 17-21
пропиленкарбонат - 79-83,
затем смешивают концентрированный раствор диметоксиэтан и пропиленкарбонат под давлением 20-60 кПа (0,2-0,6 кгс/см2) в течение 2-5 мин при следующем соотношении, мас.%:
концентрированный раствор - 27-38
диметоксиэтан - 10-19
пропиленкарбонат - 52-54.



 

Похожие патенты:

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники, в частности к производству первичных химических источников тока (ХИТ) на основе сплава лития, и может быть использовано в качестве источника автономного питания бортовой аппаратуры и специальной техники.
Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при производстве первичных литиевых источников тока. Способ получения электролита для литиевых химических источников тока осуществляется путем растворения лития хлорнокислого в пропиленкарбонате.

Изобретение относится к композиционным электролитам и химическим источникам электрической энергии. .

Изобретение относится к области электротехники, в частности к батареям на основе литиевых химических источников тока (ЛХИТ). .

Изобретение относится к области электротехники, в частности к литиевым химическим источникам тока (ЛХИТ). .

Изобретение относится к области электротехники, а именно к катодам литиевых химических источников тока (ЛХИТ). .

Изобретение относится к литиевым источникам тока, а именно к разработке литий-фторуглеродных элементов (ЛФЭ), обладающих улучшенными разрядными характеристиками при низких температурах. Низкотемпературный ЛФЭ содержит фторуглеродный катод, анод из металлического лития, сепаратор и электролит, содержащий соль, растворенную в смеси растворителей, при этом электролит включает соль LiPF6 в смеси этиленкарбонат/диметилкарбонат/метилэтилкарбонат (1:1:3). Электролит дополнительно может содержать добавку краун-эфира в количестве 0,5-50 об. %. В качестве добавки электролит может содержать «15-краун-5». Улучшение разрядных характеристик литиевой батареи в условиях пониженных температур является техническим результатом изобретения. 2 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 пр.
Наверх