Литий-воздушный аккумулятор и способ его получения

Изобретение относится к литий-воздушному аккумулятору, состоящему из металлического литиевого анода, находящегося в герметичной камере, заполненной неводным литий-проводящим электролитом, катода, находящегося в катодной камере, имеющей доступ к кислороду и заполненной неводным литий-проводящим электролитом. Аккумулятор характеризуется тем, что токосъемник катода покрыт восстановленным оксидом графита с соотношением углерода к кислороду от 5 до 10, при этом разделительная перегородка выполнена из твердого литий-проводящего электролита, катод и анод прижимаются к мембране с помощью поршня (перфорированного в случае катода) и пружины. Также изобретение относится к способу получения аккумулятора. Использование настоящего изобретения позволяет достичь высокой удельной емкости аккумулятора 6000 мАч/г катодного материала при плотности тока 0,01 мА/см2, что позволяет увеличить время работы аккумулятора без подзарядки. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Литий-воздушный аккумулятор и способ его получения

Настоящее изобретение относится к области перезаряжаемых химических источников тока и применяется для обеспечения электропитанием различных устройств, включая портативную электронику, электроинструмент, медицинскую технику и электротранспорт.

Из существующего уровня техники известен литий-воздушный аккумулятор, который состоит из металлического литиевого анода, находящегося в герметичной камере, заполненной неводным литий-проводящим электролитом, устойчивым к металлическому литию (алкилкарбонаты, ионные жидкости, диоксолан и т.д.), и пористого катода, находящегося в катодной камере, имеющей доступ к кислороду и заполненной неводным литий-проводящим электролитом (глимы, эфиры, лактоны, сульфоны, ионные жидкости и т.д.). Катод и анод разделены твердым газоплотным литий-проводящим электролитом (стеклокерамическим, керамическим, полимеркерамическим и т.д.). Катод представляет собой токосъемник (никелевая или нержавеющая сетка или фольга), на который нанесен слой пористого активного материала: смеси или композита проводящей углеродной матрицы (графита, ацетиленовой сажи, активированного угля, углеродных нанотрубок и т.д.) с каталитическими оксидами переходных металлов, благородными металлами (US 20110223494, опубл. 15.09.2011), макроциклическими комплексами переходных металлов (US 20110305974, опубл. 15.12.2011). Недостатками данного технического решения является то, что каталитические добавки зачастую имеют низкую электронную проводимость и рабочая площадь поверхности катода сокращается до площади границы фазового раздела между каталитическим и углеродным материалом, что значительно снижает эффективность работы катода.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является литий-воздушный аккумулятор, в котором в качестве каталитического катодного материала используется непосредственно углеродная матрица (ацетиленовая сажа, графит, углеродные нанотрубки, мезопористый углерод и т.д.; US 20110305974, опубл. 15.12.2011), которая обладает одновременно электронной проводимостью, пористостью и способностью к адсорбции и восстановлению молекулярного кислорода. Недостатком данного технического решения является то, что коммерчески доступные углеродные материалы зачастую не обладают достаточно высокой каталитической активностью, и их использование в литий-воздушном аккумуляторе не позволяет достичь высокой удельной емкости. Это может быть связано с недостаточным количеством находящихся на поверхности углеродных материалов кислородных функциональных групп, являющихся активными центрами, на которых происходит восстановления кислорода.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является увеличение времени работы аккумулятора без подзарядки за счет увеличения емкости аккумулятора.

Указанная задача достигается тем, что в литий-воздушном аккумуляторе, состоящем из металлического литиевого анода, находящегося в герметичной камере, заполненной неводным литий-проводящим электролитом, катода, находящегося в катодной камере, имеющей доступ к кислороду и заполненной неводным литий-проводящим электролитом,

токосъемник катода покрыт восстановленным оксидом графита с соотношением углерода к кислороду от 5 до 10, при этом разделительная перегородка выполнена из твердого литий-проводящего электролита, катод и анод прижимаются к мембране с помощью поршня (перфорированного в случае катода) и пружины;

анодная камера заполнена неводным литий-проводящим электролитом, представляющим собой 1 М раствор LiClO4 в смеси пропиленкарбоната и 1,2-диметоксиэтана;

катодная камера заполнена неводным литий-проводящим электролитом, представляющим собой 1 М раствор бис-трифторметилсульфонилимида лития в тетраглиме;

для этого оксид графита, полученный методом Хаммерса, восстанавливают химически раствором аскорбиновой кислоты, отфильтровывают, промывают дистиллированной водой и высушивают при температуре в диапазоне от 60° до 80°С, затем сухой восстановленный оксид графита при помощи ультразвуковой обработки диспергируют в органическом растворителе (например, ацетон, гептан, N-метил-2-пирролидон), наносят полученную суспензию на токосъемник катода и высушивают при температуре в диапазоне от 60° до 80°С, что позволяет получить большее количество функциональных кислородных групп.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых

На фиг. 1 представлено схематическое изображение предлагаемого аккумулятора,

где 1 - катод;

2 - токосъемник;

3 - литиевый анод;

4 - анодная камера;

5 - катодная камера;

6 - твердый литий-проводящий электролит;

7 - перфорированный поршень;

8 - поршень;

9 - пружина;.

На фиг. 2 - микрофотография РЭМ восстановленного оксида графита;

На фиг. 3 - гальваностатическая разрядная кривая литий-воздушного аккумулятора с катодом, содержащим восстановленный оксид графита (плотность тока 0.01 мА/см2).

Работает устройство следующим образом. При заряде аккумулятора литиевый анод 3 растворяется и ионы лития посредством электролитов поступают в катод 1. Кислород воздуха восстанавливается на катоде, в присутствии ионов лития образуя пероксид лития. При заряде образовавшийся пероксид лития электрохимически разлагается с выделением в электролит ионов лития и молекулярного кислорода. Образовавшиеся ионы лития восстанавливаются на аноде до металлического лития.

В результате применения в качестве катода электрода из восстановленного оксида графита с соотношением углерода к кислороду 7, полученного диспергированием восстановленного оксида графита в N-метилпирролидоне, нанесенного на токосъемник и высушенного при 80°С, и использовании в качестве твердого литий-проводящего электролита стеклокерамической мембраны на основе фосфатов германия и алюминия, достигнута высокая удельная емкость аккумулятора (6000 мАч/г катодного материала при плотности тока 0.01 мА/см2), что позволяет увеличить время работы аккумулятора без подзарядки.

1. Литий-воздушный аккумулятор, состоящий из металлического литиевого анода, находящегося в герметичной камере, заполненной неводным литий-проводящим электролитом, катода, находящегося в катодной камере, имеющей доступ к кислороду и заполненной неводным литий-проводящим электролитом,
отличающийся тем, что токосъемник катода покрыт восстановленным оксидом графита с соотношением углерода к кислороду от 5 до 10, при этом разделительная перегородка выполнена из твердого литий-проводящего электролита, катод и анод прижимаются к мембране с помощью поршня (перфорированного в случае катода) и пружины.

2. Литий-воздушный аккумулятор по п. 1, отличающийся тем, что анодная камера заполнена неводным литий-проводящим электролитом, представляющим собой 1 М раствор LiClO4 в смеси пропиленкарбоната и 1,2-диметоксиэтана.

3. Литий-воздушный аккумулятор по п. 1, отличающийся тем, что катодная камера заполнена неводным литий-проводящим электролитом, представляющим собой 1 М раствор бис-трифторметилсульфонилимида лития в тетраглиме.

4. Способ получения литий-воздушного аккумулятора по пп. 1, 2, 3, отличающийся тем, что оксид графита, полученный методом Хаммерса, восстанавливают химически раствором аскорбиновой кислоты, отфильтровывают, промывают дистиллированной водой и высушивают при температуре в диапазоне от 60 до 80°С, затем сухой восстановленный оксид графита при помощи ультразвуковой обработки диспергируют в органическом растворителе, наносят полученную суспензию на токосъемник катода и высушивают при температуре в диапазоне от 60 до 80°С, что позволяет получить большее количество функциональных кислородных групп.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к определенным актуальным областям нанотехнологий (В82В 3/00 - изготовление или обработка наноструктур), технической физики и водородной энергетики.

Изобретение относится к спиртовым топливным элементам прямого действия, использующим твердые кислотные электролиты и катализаторы внутреннего риформинга. .

Изобретение относится к устройствам, преобразующим теллурическую энергию земной коры в электрический ток. .

Изобретение относится к функциональным вспомогательным системам обслуживания топливных элементов, в частности к способам и устройствам для очистки воздуха, потребляемого в топливном элементе, от двуокиси углерода.

Изобретение относится к функциональным вспомогательным системам обслуживания топливных элементов, в частности к способам и устройствам для очистки синтез-газа, получаемого паровой конверсией метанола или углеводородов и содержащего потребляемый в топливном элементе водород, от двуокиси углерода.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к системе топливного элемента. .

Изобретение относится к аккумуляторным батареям на основе железа. .

Изобретение относится к технологии получения материала на основе смешанного оксида лития и марганца со структурой шпинели для использования его во вторичных батареях.

Литий-алюминиевые аноды применяются в литиевых источниках тока (ЛИТ), которые используются в качестве источников питания длительного хранения и поддержки памяти; в сложном технологическом оборудовании, работающем по заданной программе; в системах учета и анализа расхода жидкостей и газов; в медицинской технике как наиболее надежные и компактные.

Группа изобретений относится к электрическим тяговым системам транспортных средств с питанием от собственных источников энергоснабжения. Предложены силовая установка электромобиля, электромобиль с такой силовой установкой и способ обогрева аккумуляторной батареи электромобиля.

Изобретение относится к подаче электроэнергии к вспомогательному оборудованию транспортных средств с электротягой. Система контроля работы электромобиля содержит: обогревательный контур (11), нагрузочный конденсатор (С12), распределительное устройство (20) и модуль управления переключателями (200).

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано для производства улучшенного катодного активного материала литий-ионных аккумуляторных батарей.

Изобретение относится к способу получения высокоемких анодных материалов на основе соединений включения лития в графитную спель и способу изготовления из них отрицательных электродов для литий-ионных аккумуляторов.

Изобретение относится к силовым установкам гибридного автомобиля. Технический результат - повышение эксплуатационных параметров аккумуляторной батареи.
Изобретение относится к способам получения керамических твердых электролитов с высокой проводимостью по иону лития и может быть использовано в электротехнической промышленности, преимущественно при изготовлении твердотельных литий-ионных аккумуляторов.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к способу получения поверхностно-модифицированного литированного оксида кобальта (LiCoO2), используемого в качестве катодного материала для литий-ионных аккумуляторов.

Настоящее изобретение относится к литий-ионной вторичной батарее, имеющей электродный элемент, в котором положительный электрод и отрицательный электрод размещены таким образом, чтобы быть напротив друг друга, раствор электролита и наружный корпус контейнера для содержания электродного элемента и раствора электролита, в которой: отрицательный электрод формируют с использованием второго активного материала отрицательного электрода, который получают легированием литием первого активного материала отрицательного электрода, который содержит металл (а), способный образовывать сплав с литием, оксид (b) металла, способный абсорбировать и десорбировать ионы лития, и углеродсодержащий материал (с), способный абсорбировать и десорбировать ионы лития; и раствор электролита содержит соединение на основе фторированного простого эфира, представленное предварительно заданной формулой, в которой содержатся алкильная группа или фторзамещенная алкильная группа.

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.

Изобретение относится к литий-воздушному аккумулятору, состоящему из металлического литиевого анода, находящегося в герметичной камере, заполненной неводным литий-проводящим электролитом, катода, находящегося в катодной камере, имеющей доступ к кислороду и заполненной неводным литий-проводящим электролитом. Аккумулятор характеризуется тем, что токосъемник катода покрыт восстановленным оксидом графита с соотношением углерода к кислороду от 5 до 10, при этом разделительная перегородка выполнена из твердого литий-проводящего электролита, катод и анод прижимаются к мембране с помощью поршня и пружины. Также изобретение относится к способу получения аккумулятора. Использование настоящего изобретения позволяет достичь высокой удельной емкости аккумулятора 6000 мАчг катодного материала при плотности тока 0,01 мАсм2, что позволяет увеличить время работы аккумулятора без подзарядки. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Наверх