2.

БК

54

20

3.

Хл

52

10

4.

Ф

65

5

5.

X

51

25-30

6.

t-Ви

56

20

На основании данных экспериментальных исследований была выбрана модифи­цирующая добавка в базовый электролит Ф (фенантренхинон), и начато производство электролита «ЭПИЭЛ-5» по ТУ6-01-04689381-103-93 на базе ИПХФ РАН, г. Черно­головка, для литиевого аккумулятора электрохимической системы: Ы/ЫхУзО8 с органическим электролитом (ЛВБ-316).

Результаты испытаний макетов аккумуляторов типоразмера АА с модифици­рующими добавками приведены в табл. 2 и на рис. 10.

Таблица 2

№№ пп

Характеристика добавок в базовый электролит

НРЦ (В)

Номинальная емкость, мА-ч

Номинальная емкость после 50 циклов заряд-разряд мА-ч

Количество испытанных элементов, шт.

1.

ОХА

3,45

400

—

16

2.

БК

3,45

400

260

16

3.

Хл

3,45

390

—

16

4.

Ф

3,45

410

300

16

5.

X

3,45

400

240

16

6.

t-Ви

3,45

395

150

16

Исследованы два варианта микропористого пленочного сепаратора - на основе полиэтилена с наполнителем из суперионного материала [6] и полипропилена. Показана их эффективность для обеспечения длительного и надежного циклирования литиевого электрода, а также повышения пожаровзрывобезопасности аккумулятора.

Число циклов

Рис. 10. Зависимость изменения разрядной емкости аккумуляторов от количества циклов заряд-разряд с различными модифицирующими добавками.

51

РАСЧЕТ КОНСТРУКЦИИ АККУМУЛЯТОРА ТИПОРАЗМЕРА АА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЕГО

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

Расчет геометрических размеров и емкостных характеристик положительного электрода

Основой для расчета геометрических параметров электродов и блока электродов в габаритах типоразмера АА являются емкостные характеристики литиевого аккуму­лятора. На основании результатов экспериментальных исследований предложен катод­ный материал на базе аморфной и кристаллической литиевой ванадиевой бронзы, которые имеют удельную емкость, соответственно, 300 и 250 мАч/г. Разработанная технология изготовления позволяет создать положительный электрод с относительной пористостью 35 - 40 %. Таким образом, если принять коэффициент использования активного материала Км равным 0,6 при больших плотностях тока, то минимально необходимое количество активного катодного материала в обеспечения требований по емкости составит:

Мак = Q3 /(qaK x KM) = 0,4 : (0,3 х 0,6) = 2,2 г,        (4)

где Мак - масса активного катодного материала, г; qaK - удельная емкость активного реагента, мА-ч/г.

Общая масса катодного материала (Мн) лри соотношении активной массы, электропроводной добавки (сажа, графит) и связующего (Ф4-Д), равном 0,8:0,15:0,5 составит:

Мк= Мак + Мэд + Мсв = 2,2 + 0,41 + 0,14 = 2,75 г,        (5)

где Мэд - масса электропроводной добавки (сажи, графит), г; Мсв - масса связующего по сухому весу, г;

Объем катодной массы при 40% пористости составит:

VK - (MaK/SaK + Мэд /8Ш + Мсв /6СВ) • р,        (6)

где Р - коэффициент пористости, равный 0,4; 8ак - плотность активного вещества, г/см3; бэд -- плотность электропроводной добавки, г/см3; 5СВ - плотность связующего, г /см3:

Vk = (2,2/3,4 + 0,41/0,6 + 0,14/2) • 0,4 = 1,95 см3.        (7)

В реальном электроде размером 170 х 42 х 0,45 см3 объем катодной массы соста­вляет 2,14 см3. На основании экспериментальных данных получено, что общая толщина электрода должна составлять 0,4 - ь 0,5 мм, при этом толщина одного слоя катодной массы составит 0,125 ^ 0,175 мм. Длина электрода рассчитывается по формуле:

Lk=Vk/(hkx2tk),        (8)

где hk - ширина электрода, см; tk - толщина электрода, см.

При постоянной ширине электрода 42 мм, и толщине электрода 0,4 и 0,5 мм длина положительного электрода равна 18,6 и 13,2 см, соответственно. Для расчета длины положительного электрода в составе блока электродов с заданными толщинами катода, сепаратора и анода, выведена следующая формула:

+ (n-0,5)tk +(2n-l)tc+(n-l)ta],  (9)

где г - радиус токоотвода положительного электрода, мм; п - количества витков в блоке электродов; tK - толщина катода, мм; tc - толщина сепаратора, мм; ta - толщина анода, мм.

Количество витков в блоке электродов определяется по формуле:

n = (R-r)/t,        (10)

52

где R - внутренний радиус корпуса, мм; г - радиус токоотвода положительного электрода, мм; t - суммарная толщина пакета электродов с двойным слоем сепаратора.

Подставляя в формулу (6) значения п = 7; tk = 0,5; tc = 0,05; ta = 0,2, получим длину положительного электрода Lk = 151,6 мм, который при плотной скрутке блока электродов с заданными размерами, уместится в корпусе аккумулятора. Расчетная длина положительного электрода LK обеспечивает заданные емкостные характеристики аккумулятора.

Расчет геометрических размеров и емкостных характеристик отрицательного электрода

При разработке конструкции аккумулятора с литиевым анодом закладывается пятикратный запас металлического лития по емкости отрицательного электрода, поскольку эффективность его циклирования в выбранном органическом электролите находится в пределах 80 - 90 %. Отсюда для обеспечения заданной емкости аккуму­лятора, емкость анода должна быть не менее 2 А-ч. Необходимое количество лития вычисляется по формуле:

MLi = QLix^Li=0,518r,        (11)

где Qu - емкость анода, А-ч; цу - электрохимический эквивалент лития, г/А-ч.

При этом объем лития составит:

VLi = MLl/yLi= 0,97 см3,        (12)

где уи - плотность лития.

Длину литиевого электрода при толщине, равной 0,2 мм, определяем по формуле:

La = 2л (г + ntK + (2n -1) tc + (п - 0,5) ta).        (13)

При заданных выше параметрах электродов и сепаратора и числа витков длина литиевого электрода составляет La = 180 мм, а объем литиевого электрода с габаритами (180 х 3,8 х 0,02) равен 1,36 см3.

При сравнении результатов экспериментальных испытаний макетов с результатом, вычисленным по формуле (11), получено, что расчетная длина литиевого электрода дает увеличение емкости анода на 30 %. Это обеспечивает семикратный запас литиевого электрода по емкости и, даже при эффективности циклирования лития порядка 80 %, позволяет получить требуемое количество циклов заряд-разряда.

Расчет блока электродов

Полученная площадь блока электродов с двумя слоями сепаратора и выбранными геометрическими размерами электродов должна быть меньше или равна внутреннему поперечному сечению корпуса элемента:

SK-ST>S6jl,        (14)

S6^SK+Sa+Sc,        (15)

где  Sk - поперечное сечение корпуса, мм2;  ST - поперечное сечение токовывода отрицательного электрода, мм2; 8бЛ. - поперечное сечение блока электродов, мм2.

При внутреннем диаметре корпуса, равном 13,21 мм, диаметре токоотвода 1,5 мм, геометрических размерах положительного и отрицательного электродов, соответственно, равных 180 х 0,5 и 150 х 0,2 мм, при длине сепаратора 400 мм и его толщине 0,05 мм, данное неравенство будет следующим: 135 мм > 131 мм. Отсюда видно, что блок электродов при плотной скрутке разместится в корпусе элемента, выполненном с максимальным допуском - (13,1 +0,11) мм. Если скрутка не является

53

идеальной и имеет разброс в 10 %, то введя в неравенство (14) поправочный коэффици-

9        9

ент плотности скрутки К = 1,1, получим следующее неравенство: 135 мм < 141,1 мм, т. е. блок электродов не войдет в корпус аккумулятора. Исходя из этого, проведены расчеты оптимального варианта блока электродов с различными вариациями толщин электродов, соотношений компонентов катодной массы и поправочных коэффициен­тов. Требование по емкости с учетом сборки обеспечиваются только при толщине катода 0,5 мм, толщине анода 0,16  0,18 мм и ширине электродов 42 и 40 мм, соответственно. Разрядные характеристики макета данного аккумулятора приведены на рис. 11, 12.

4

Рис. 11. Сравнительные разряд­ные характеристики аккумуля­тора типоразмера АА при Т =

25° С, -20° С, -40° С.

3        4        5

Время разряда, ч

1,5

Рис. 12. Сравнительные разряд­ные характеристики аккумуля­тора типоразмера АА при различных плотностях тока разряда.

3        4        5

Время разряда, ч

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При  разработке  аккумулятора электрохимической  системы Ы/ЫхУзО8  были решены следующие задачи:

    синтезирован катодный материал на основе литий-ванадиевой бронзы амор­
    фной и кристаллической модификаций; разработана технология получения положительного электрода, обеспечиваю­
    щая энергетические характеристики аккумулятора;

54


    проведены исследования по применению двух вариантов микропористого
    пленочного  сепаратора (на основе  полиэтилена с  наполнителем  из  суперионного
    материала  [6]  и  полипропилена)  для  обеспечения  эффективного  циклирования
    литиевого электрода и повышения пожаровзрывобезопасности аккумулятора; выбран  базовый  электролит  и  модифицирующие  добавки  к  нему,
    обеспечивающие требуемое количество циклов разряд-заряда в заданном интервале
    рабочих температур; определены расчетные и экспериментальные характеристики элементов конст­
    рукции аккумулятора; выбрана конструктивная схема и материалы элементов конструкции аккуму­
    лятора.

На основании проведенных исследований показана реальная возможность создания литиевого аккумулятора на электрохимической системе Li/LixV^Og с органическим электролитом.

Литература

Портативные химические источники тока. М. Изд-во «Компания
Спутник+». 2008. 220 с. Cocciantelli J.-M., Doumerc J.-P., Pouchard M., Broussely M., Labta J., Crystal chemistry of
electrochemically inserted LixV2O5. J. Power Sources 34 (1991) 103-111.   Проблемы литиевых аккумуляторов и некоторые пути их разрешения//
Литиевые источники тока. Теория, практика и их производство. Киев: 1977. (Труды I
конф. Междун. Ассоциации «Интербат» по литиевым источникам тока). , , Орлов СБ.. Герметичные химические источники тока.
Элементы и аккумуляторы. Оборудование для испытаний и эксплуатации. Справочник. -
СПб.: ХИМИЗДАТ, 2005. 244 с. АС № 000. «Способ изготовления катода для ХИТ с органическим
электролитом». 1990. АС №  1730994. «Микропористый сепаратор для ХИТ с органическим
электролитом». 1992.

Сдано в набор 09.06.2010 г. Подписано в печать 15.12.2010 г.

Формат 60 х 84 1/8. Бумага писчая № 0.

Гарнитура «Тайме нью роман».

Отпечатано на ризографе.

Печ. л. 7. Уч.-изд. л. 6,62.

Заказ № 19.

□

Адрес редакции: 129 626, Москва, 3-я Мытищинская ул., д. 16. Телефон редакции: 687-9844 Отпечатано в НПП «Квант»


Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6 7 8