початок розділу Виробничі, аматорські радіоаматорські Авіамодельний, ракетомодельного Корисні, цікаві	хитрощі майстру електроніка фізика технології винаходи	таємниці космосу таємниці Землі таємниці Океану хитрощі Карта розділу
Використання матеріалів сайту дозволяється за умови посилання (для сайтів - гіперпосилання)

ВИНАХІД
Патент Російської Федерації RU2295178

ТВЕРДОТІЛЬНИЙ ВТОРИННИЙ ДЖЕРЕЛО СТРУМУ

Ім'я винахідника: Потанін Олександр Аркадійович
Ім'я патентовласника: Товариство з обмеженою відповідальністю "Високоенергетичні батарейні системи" (ТОВ "ВЕБС")
Адреса для листування: 607189, Нижегородська обл., М Саров, вул. Силкіна, 5, кв.40, ТОВ "ВЕБС", А.А. Потаніну
Дата початку дії патенту: 2005.04.21

Винахід відноситься до області електротехніки, а саме до вторинних електрохімічним джерел струму (акумуляторів). Згідно винаходу, твердотільний вторинне джерело струму складається з анода у вигляді металу або сплаву металів, фторування якого призводить до утворення фториду або фторидів з високим Ізобаричний потенціалом освіти, електроліту у вигляді твердотільного фтор-іонного провідника з високою іонною і низькою електронною провідністю і катода у вигляді фториду або твердого розчину фторидів з низьким ізоборним потенціалом освіти, при цьому анод і катод є реверсивними щодо іонів фтору при напружених нижче напруги розкладання твердого електроліту, і анод, електроліт і катод містять в своєму складі щонайменше один компонент, який запобігає руйнуванню твердотільної батареї при заряд-розрядних циклах. Технічним результатом винаходу є підвищення питомих енергетичних характеристик вторинних батарей і тривале збереження електричної енергії.

ОПИС ВИНАХОДИ

Винахід відноситься до області електротехніки, а саме до вторинних електрохімічним джерел струму (акумуляторів), переважні галузі використання яких електронні та мікроелектронні прилади в телекомунікаційних системах і в портативних комп'ютерах, електромобілі та інша техніка, для функціонування якої потрібні високоенергоемкіе і безпечні вторинні електрохімічні джерела струму ( акумулятори) з низьким саморазрядом.

Перспективним рівнем для цих широких застосувань можна вважати наступні параметри вторинних батарей:

• Питома енергоємність 500 Вт · год / кг,
• Щільність електричної енергії 600 Вт · год / л,
• Число циклів заряд / розряд близько 1000,
• Саморозряд 1-3% в рік.

Для досягнення найвищих питомих енергетичних характеристик електрохімічних джерел струму найбільш сприятливими є реалізації токообразующей реакції з найбільш електропозитивні катіоном Li ⁺ і (або) з найбільш електронегативний аніоном F ^-.

При цьому для електрохімічних джерел з високими питомими енергетичними характеристиками актуальною стає проблема безпеки джерел струму. Згідно / 1 / рівень питомої енергії перспективних хімічних джерел струму 500-1000 Вт · год / дм ³ або відповідно 1,8-3,6 кДж / см ³ вже можна порівняти з рівнем енергії вибухового перетворення вибухових речовин, наприклад тротилу (6,7 кДж / см ^3). У зв'язку з цим в групі електрохімічних джерел з високими питомими енергетичними характеристиками найбільш перспективними є твердотільні джерела струму, в яких анод, електроліт і катод є твердими речовинами і реалізується твердофазная токообразующая реакція з стійкими твердофазна катодом і анодом як в процесі заряду, так і розряду. В цьому напрямку як найбільш енергоємні і безпечні виділяються твердотільні фторіонние джерела струму на основі твердих іонних провідників іонів фтору / 1 /. Для широкої групи фторидів і твердих розчинів фторидів з легуючими добавками характерна висока рухливість іонів фтору і відповідно висока фтор-іонна провідність у твердій фазі. При цьому спостерігається кореляційний зв'язок аніонної рухливості з параметрами кристалічної решітки / 2 /.

Двовалентні з'єднання типу MF ₂ (М = Са, Sr, Ba, Cd і Pb) з катіонних координаційним числом 8 - флюорити.

Двовалентні з'єднання типу MF ₂ (М = Mg, Mn і Zn) з'єднання з координаційним числом 6 - Рутили.

Тривалентні сполуки MF _2, де М = Al, Se і In; М = Y, Gd і Bi; M = La належать до деформованому ReO ₃ типу, YF ₃ типу і структурам тісонітного типу відповідно, з координаційними катіонними числами 6, 9 і 11 відповідно.

Фторид літію має структуру NaCl з гексагональної координацією. Тетрофторід цирконію і ThF ₄ мають координаційне катіонна число, рівне 8, і відносяться до структури ZrO _4.

При цьому флюарітние і тісонітние структури з катіонними координаційними числами 8, 9 і 11 мають більш високою рухливістю іонів фтору і при підвищенні катіонної поляризуемости спостерігається підвищення анионной провідності, а при збільшенні катіонного радіуса - зниження.

Використовуючи ті чи інші тверді фтор-іонні провідники, відома широка група запатентованих джерел струму.

Відомі твердотільні джерела струму на основі твердих провідників іонів фтору, для яких можливі процеси заряду і розряду, тобто, в якійсь мірі їх можна віднести до вторинних джерел струму. Зокрема, в / 3 / пропонуються джерела струму, які в розрядженому стані являє собою наступну композицію:

• З / PbF ₂ (з добавкою KF) / Ag,
• Pb / PbF ₂ (з добавкою KF) / Ag,
• Pb / PbF ₂ (з добавкою KF) / Cu,
• C / PbF ₂ (з добавкою KF) / Cu,
• З / PbF ₂ (з добавкою KF) / С,

а в зарядженому стані наступну:

• Pb / PbF ₂ (з добавкою KF) / AgF / Ag,
• Pb / PbF ₂ (з добавкою KF) / CuF ₂ / Cu,
• Pb / PbF ₂ (з добавкою KF) / PbF ₂ / С.

У цих джерелах струму твердий електроліт є полікристалічну композицію, що складається з фториду свинцю з добавкою фториду калію. Використання електродної пари свинець - фторид срібла у вторинних батареях характеризується оборотністю електродних процесів, що дозволяє його використовувати і як первинний, і як вторинне джерело струму. Однак це джерело струму при використанні його у варіанті вторинного, тобто у варіанті акумулятора характеризується низькою енергоємністю. Це обумовлено тим, що при заряді батареї відбувається утворення анодного свинцю в результаті електролізу твердого електроліту, і складається з фториду свинцю, що призводить до руйнування електролітного шару. Внаслідок цього у вторинному джерелі зазначеного пристрою при виконанні циклу заряду можлива реалізація низькою зарядної ємності та в підсумку джерело струму має низьку електричну ємність. Наприклад, у відомому твердотільному хімічному джерелі струму / 3 / електрична ємність становить -0.65 мА · год. Підвищення електричної ємності даного пристрою можна досягти тільки шляхом збільшення габаритів, що не завжди допустимо і виправдано, так як джерела струму в цьому випадку мають дуже низькі питомі характеристики. Зокрема, з наведених в / 3 / характеристик гальванічного елемента вторинної батареї (електрична ємність 0.65 мА · год, діаметр 15 мм, товщина близько 1 мм, середня щільність близько 8 г / см ³ і напруга розряду близько 1 В) питома енергоємність становить 0 , 45 Вт · год / кг і щільність електричної енергії 3,6 Вт · год / л. При цьому, якщо перейти до конструкції реальних батарей, то ці параметри знижуються ще на 30-50%. Таким чином, вторинні твердотільні батареї, запропоновані в / 3 /, мають дуже низькі енергетичні параметри. Приміром, у нікель-кадмієвих акумуляторів рівень цих параметрів складає 70 Вт · год / кг, 120 Вт · год / л, а для літій-іонних - 130 Вт · год / кг і 300 Вт · год / л.

У джерелі струму, запропонованому в / 4 /, вдається трохи підвищити питомі енергетичні характеристики і наблизитися до рівня нікель-кадмієвих акумуляторів. Це досягається тим, що в запатентованому джерелі струму, що складається з анода на основі свинцю, з катода, що містить фторид срібла і фтор-іонпровідних електроліту, до складу якого входять фторид редкоземельного металу, наприклад LaF _3, фторид лужного металу, наприклад BaF ₂ , і фторид лужного металу, наприклад KF або LiF, має місце більш глибокий електроліз PbF ₂ в анодному шарі при заряді внаслідок того, що електроліт є більш хімічно стійким і не розкладається при напрузі заряду. З характеристик гальванічного елемента (електрична ємність 80 мА · год, діаметр 20 мм, товщина 1 мм, середня щільність близько 7 г / см ³ і напруга розряду близько 1 В), зазначених в / 4 /, питома енергоємність гальванічних елементів становить 35 Вт · ч / кг і 250 Вт · год / л і відповідно для батарей слід очікувати 20 Вт · год / кг і 130 Вт · год / л. Це досить низькі показники для перспективних застосувань.

Зазначені відомі джерела струму характеризуються низькою енергоємністю внаслідок низької енергоємності анодного взаємодії фториду зі свинцем. Теоретична енергоємність анодного взаємодії свинцю з фтором відповідає 219 А · год / кг анода або 26,5 А · год / дм ³ анода і джерела струму характеризуються низьким значенням напруги розімкнутого ланцюга (НРЦ) 1,2-1,3 В.

Крім того, у пристрої наведених вторинних твердотільних джерел струму не вирішені проблеми, які виникають в структурах анода і катода, а й на кордонах розділу анод / електроліт і катод / електроліт при протіканні зарядних і розрядних процесів. Ці проблеми пов'язані з тим, що для анодної реакції при заряді PbF ₂ + 2е ^- <-> 2F ^- + Pb через різницю в щільності PbF ₂ і Pb обсяг твердої фази зменшується на 37% (при розряді відповідно збільшується), а для катодного, наприклад, при заряді Ag + 2F ^- <-> AgF ₂ + 2е ^- обсяг твердої фази збільшується на 110% (при розряді відповідно зменшується). Для твердофазних процесів такі зміни є дуже критичними і можуть привести навіть при декількох циклах заряд-розряд до руйнування джерела струму, тому віднесення їх до групи вторинних джерел струму в великій мірі є умовним.

Таким чином, вищенаведені відомі твердотільні джерела струму, в яких може бути реалізований як заряд, так і розряд, мають такі недоліки:

- Низькі питомі енергетичні характеристики, що не дозволяє використовувати джерела струму для таких сегментів ринку як електронні та мікроелектронні прилади в телекомунікаційних системах і в портативних комп'ютерах, електромобілі та інша техніка, для функціонування якої потрібні високоенергоемкіе і безпечні вторинні електрохімічні джерела струму (акумулятори);

- Ці джерела струму не дозволяють реалізувати велику кількість заряд-розрядних циклів, так як в їх пристрої не вирішена задача механічної міцності гальванічного елемента при зміні щільності матеріалів анода і катода в процесі твердофазних реакцій при заряд-розрядних циклах.

Для збільшення питомих енергетичних характеристик твердотільних джерел струму на основі твердих фтор-іонних провідників необхідно використовувати більш високоенергетичні токообразующіе реакції за участю іонів фтору.

Найбільш високі енергетичні характеристики для твердотільних фтор-іонних батарей наведені в / 1 /. Ці результати отримані експериментально, що відповідає критерію практичної реалізованості твердотільних фтор-іонних джерел струму з дуже високою питомою енергоємністю. Досягнутий рівень питомих енергетичних характеристик відповідає необхідному рівню заявляється вторинного твердотільного джерела струму, тому пристрій джерел струму, відоме з / 1 /, розглядається як найбільш близьке і вибрано як прототип.

Відоме пристрій твердотільного джерела струму наступне / 1 /:

1) твердотільний фтор-іонний гальванічний елемент, який представляє собою керамічну багатошарову структуру і складається з твердих анода, електроліту і катода;

2) твердий анод - на основі металу або сплаву, фторування якого призводить до утворення фториду з високим Ізобаричний потенціалом освіти і високою фтор-іонною провідністю;

3) твердий катод - термостійкий фторид металу або твердий розчин фторидів з високою фтор-іонною провідністю і низьким Ізобаричний потенціалом освіти;

4) твердий електроліт - термостійкий фторид металу або твердий розчин фторидів з високою фтор-іонною провідністю і низькою електронною провідністю.

Такий пристрій твердотільного джерела струму дозволяє реалізувати при розряді джерела струму твердофазних високоенергетичну токообразующую реакцію за участю іонів фтору. При замиканні зовнішнього ланцюга іони F ^- дифундують по твердій фазі твердого іонного провідника, що становить основу катода, потім по твердому електроліту. Подальше твердофазної взаємодія іона фтору з металом анода призводить до утворення фториду з високою аніонної рухливістю і переходу електронів в зовнішній ланцюг. Таким чином, в ході розряду область металевого анода, прилегла до електролітного шару, фторується з утворенням твердого іонного провідника і не блокує процес подальшого розряду.

Як конкретної реалізації подібного пристрою такого джерела струму відомі наступні виконання пристрою. В якості електроліту твердотільного фтор-іонного елемента використані тверді розчини фторидів LaF ₃ -BaF ₂ і CeF ₃ -SrF ₂ з вмістом BaF ₂ і SzF ₂ близько 6% (мол.).

При цьому пристрій джерела струму має вигляд (анод / електроліт / катод):

• La / LaF ₃ -BaF ₂ / BiF ₃ -KF,
• La / LaF ₃ -BaF ₂ / PbF ₂ -KF,
• Ce / CeF ₃ -SrF ₂ / BiF ₃ -KF,
• Се / CeF ₃ -SrF ₂ / PbF ₂ -KF.

При розряді електрохімічного джерела струму типу La / LaF ₃ -BaF ₂ / BiF ₃ -KF протікають наступні реакції:

На аноді: La + 3F ^- ---> LaF ₃ + 3е ^-

На катоді: BiF ₃ + 3е ^- -> Bi + 3F ^-.

У разі використання в катоді PbF ₂ -KF має місце наступна основна катодна реакція:

Реалізація таких хімічних перетворень підтверджена відповідністю термодинамічних розрахункових значень ЕРС і експериментальних значень напруги розімкнутого ланцюга джерела струму.

Питома енергоємність подібних джерел струму підвищується при введенні в катод на основі твердих розчинів BiF ₃ або PbF ₂ ряди оксидів металів: CuO, V ₂ О _5, MnO _3, Ag ₂ O, PbO ₂ [5, 6]. В цьому випадку при розряді джерела струму в катодному шарі реалізується додаткова екзотермічна окислювально-відновна реакція з утворенням твердофазних продуктів.

Зокрема, на анод і катод:

На аноді: 2La + 6F ^- -6е ^- -> 2LaF _3,

На катоді:

Сумарна реакція, визначальна ЕРС джерела струму, має вигляд:

Питомі енергетичні характеристики відомих джерел струму у вигляді одиничного гальванічного елемента наведені в табл.1.

Зазначені твердотільні джерела струму з високими питомими енергетичними характеристиками мають такі недоліки:

Ці джерела відносяться тільки до первинних батарей. В їх пристрої, описаному вище, визначені необхідні вимоги тільки для протікання процесу розряду, коли під дією ЕРС іон фтору переноситься з катода за допомогою дифузії по твердій фазі через електроліт в область анода, де протікає анодна реакція. Це відноситься тільки до первинних джерел струму. Циклирование процесів заряд / розряд, характерне для вторинних батарей в такому джерелі, реалізувати неможливо з наступних причин:

1. Якщо після розряду цих джерел струму спробувати зробити заряд, то в початковий період заряду може відбуватися електроліз фториду анодного матеріалу з утворенням в твердій фазі фториду нітеподобних електрон-провідних структур, спрямованих до електролітного шару. Ці структури називають дендрити і їх освіту визначено неоднорідністю іонною провідністю анодного шару. Це властиво для всіх твердофазних процесів. При підході подібних дендритів до електроліту починається електроліз електролітного шару і при досягненні дендритів катодного шару джерело струму або виходить з ладу або реалізується дуже низька зарядна ємність (одиниці відсотків від розрядної) і високі питомі енергетичні характеристики, одержувані при розряді первинного джерела струму, стають практично недоступними .

2. Так як ці відомі твердотільні джерела струму з високими питомими енергетичними характеристиками є тільки первинними, то в їх пристрої не вирішені питання збереження механічної міцності твердотільних джерел, зокрема анода, катода, а й кордонів розділу анод / електроліт і катод / електроліт при протіканні зарядних і розрядних процесів в твердотільних джерелах струму. Наприклад, для анодної реакції 2La + 6F ^- -6е ^- -> 2LaF ₃ при розряді обсяг твердої фази збільшується на 31%, а для катодного реакції зменшується на 37%. Для первинних відомих джерел струму / 1 / ця проблема не проявляється при одному циклі розряду, тим більше що відомі джерела струму були випробувані тільки при високій температурі і механічні напруги релаксували в більш сприятливих умовах. Для твердофазних процесів при реалізації циклів заряд-розряд такі зміни дуже критичні і можуть привести навіть при декількох циклах зоря-розряд до руйнування твердотільного джерела струму.

Завданням цього винаходу є створення вторинного твердотільного, безпечного джерела струму з високими питомими енергетичними характеристиками і великим числом циклів заряд-розряд.

Технічний результат, досягнутий при використанні заявляється вторинного твердотільного джерела струму, полягає в наступному:

- Досягнення високих питомих енергетичних характеристик вторинних батарей до рівня 500 Вт · год / кг і 600 Вт · год / л, забезпечуючи безпеку використання таких батарей;

- Досягнення числа циклів заряд / розряд до 1000 і

- Високою збереження електричної енергії в джерелі струму внаслідок дуже низького саморозряду на рівні 1-3% на рік.

Для досягнення зазначеної задачі і технічного результату, а саме пристрої вторинного твердотільного джерела струму з високими питомими енергетичними характеристиками, пропонується наступне його пристрій;

1. Твердотільний джерело струму складається з анода (An ^0), у вигляді металу або сплаву металів, фторування якого призводить до утворення фториду або фторидів з високим Ізобаричний потенціалом освіти, електроліту у вигляді твердотільного фтор-іонного провідника з низькою електронною провідністю і катода (KtF ⁰⁾ у вигляді фториду або твердого розчину фторидів з низьким Ізобаричний потенціалом освіти з катодного реакцією при розряді KtF ⁰ + е ^- -> F ^- + Kt 'і анодної при розряді An ⁰ + F ^- -> An'F + е ^- , відповідно до винаходу анод і катод є реверсивними щодо іонів фтору з катодного реакцією при заряді-розряді: Kt ⁰_F x + Хе ^- <---> XF ^- + Kt 'і анодної при заряді-розряді An ⁰ + XF ^- <- -> _An'F x + Хе ^- при напружених нижче напруги розкладання твердого електроліту, і анод, електроліт і катод містить в своєму складі щонайменше один компонент, який запобігає руйнуванню твердотільної батареї при заряд-розрядних циклах.

2. Для отримання високих питомих енергетичних характеристик і одночасно безпеки в заявляється твердотільному джерелі струму на основі твердих фтор-іонних провідників реалізуються високоенергетичні токообразующіе твердофазні анодні і катодні реакції.

Для цього:

Анод в розрядженому стані джерела струму може бути виконаний з металів Li, K, Na, Sr, Ba, Ca, Mg, Al, Ce, La або з їх сплавів, або з їх сплавів з Pb, Cu, Bi, Cd, Zn, Co, Ni, Cr, Sn, Sb, Fe, а в зарядженому стані джерела струму відповідно з їх фторидів.

Твердий електроліт може бути виконаний:

• з фторидів La, Се або зі складних фторидів на їх основі, що містять додатково фторид або фториди лужноземельних металів (CaF ₂ SrF _2, BaF ₂₎ і (або) фториди лужних металів (LiF, KF, NaF) і (або) хлориди лужних металів (LiCl, KCl, NaCl),
• або може бути виконаний зі складних фторидів на основі фторидів лужноземельних металів (CaF _2, SrF _2, BaF _2), додатково містять фториди рідкісноземельних металів або (і) фториди лужних металів (LiF, KF, NaF),
• або може бути виконаний на основі PbF _2, що містять SrF ₂ або BaF _2, або CaF ₂ або SnF ₂ і добавку KF,
• або може бути виконаний на основі BiF _2, що містять SrF ₂ або BaF _2, або CaF ₂ або SnF ₂ і добавку KF.

Катод, який в зарядженому стані джерела струму, може бути виконаний з простих фторидів: MnF _2, MnF _3, TaF _5, NdF _5, VF _3, VF _5, CuF, CuF _2, AgF, AgF _2, BiF _3, PbF _4, PbF _4, CdF _2, ZnF _2, CoF _2, CoF _3, NiF _2, CrF _3, CrF _3, CrF _5, GaF _3, InF _2, InF _3, GeF _2, SnF _2, SnF _4, SbF _3, MoF ₅ , WF _5, фторований графіт або з їх сплавів, або з їх сумішей, а розрядженому стані джерела струму з Mn, Та, Nd, VF, Cu, Ag, Bi, Pb, Cd, Zn, Co, Ni, Cr, Ga, In, Ge, Sn, Sb, Mo, W, графіт або з їх сплавів або з їх сумішей.

У табл.2 наведені розрахункові значення енергетичних параметрів твердотільних фтор-іонних джерел струму з різними складами анода і катода.

Розрахунки отримані виходячи з наступного:

Для спрощеної твердофазной токообразующей електрохімічної реакції типу протікає в джерелі струму, де

Анод: метал - Me

Електроліт: твердий провідник іонів фтору з низькою електронною провідністю;

Катод: фторид металу - ; і реакції на електродах мають вигляд:

Анод: z · Me + y · F ^- -> Me _z F _y + y · e ^-

катод:

E - напруга електрохімічної системи, або електрорушійна сила електрохімічної системи (ЕРС) розраховувалася за рівнянням (1):

де n - сумарна кількість електронів, що беруть участь в потенціалообразующей реакції; F - число Фарадея (F = 96485 Кл / моль); - Зміна енергії Гіббса реакції, яка розраховується з рівняння Гіббса-Гельмгольца (2):

де - Зміна ентальпії і ентропії хімічної реакції при температурі Т відповідно

W - питома енергоємність, що представляє собою електричну енергію при розряді, віднесену до одиниці маси (Вт · год / кг) (3):

де Е - ЕРС, Cm - питома електрична ємність (А · год / кг), розрахована з · Y · F, де - Кількість молей активної речовини (моль), у - число електронів, що беруть участь в анодної реакції, F - число Фарадея (F = 96485 Кл / моль або 26,8 А · год / моль).

W - Величина питомої об'ємної електричної енергії (щільність електричної енергії), що представляє собою електричну енергію при розряді, віднесену до одиниці об'єму джерела струму (Вт · год / дм ³⁾ (4):

де V - габаритний об'єм джерела струму, дм ^3.

У таблиці 2 в якості зіставлення наведені параметри відомого раніше розглянутого джерела струму зі свинцевим анодом і катодом з AgF.

З результатів, наведених у таблиці 2, слід, що для заявляється вторинного твердотільного джерела струму пропоновані склади анода і катода дозволяють досягти дуже високих питомих енергетичних характеристик.

3. Пристрій твердого анода є реверсивним щодо іонів фтору і дозволяє реалізувати анодний оборотну твердофазних реакцію (в узагальненому вигляді: An 0 + XF - <---> An'F x + Хе -), для чого відновлена форма анодного матеріалу An 0 має високу електронну провідність, фторування якого призводить до утворення фториду An'F x з високою провідністю іонів фтору у твердій фазі; або для забезпечення дифузії іонів фтору до анодному матеріалу (An 0 + XF -) і виходу електронів в зовнішній ланцюг джерела струму (An'F x + Хе -) анодний матеріал додатково містить добавки, що забезпечують необхідну для оборотної реакції як іонну, так і електронну провідність. 4. Пристрій твердого катода є реверсивним щодо іонів фтору і дозволяє реалізувати оборотну катодний твердофазних реакцію (в узагальненому вигляді: Kt 0F x + Хе - <---> XF - + Kt '), для чого відновлена форма катодного матеріалу Kt' має високу електронну провідність, тверда фторовмісна фаза Kt 0F x має високу провідність іонів фтору або для забезпечення дифузії іонів фтору по катодного матеріалу (XF - + Kt ') і підведення електронів із зовнішнього кола джерела струму (Kt 0F x + Хе -) катодний матеріал додатково містить добавки, що забезпечують необхідну для оборотної катодного реакції як іонну, так і електронну провідність. 5. Пристрій твердого електроліту дозволяє реалізувати високу провідність іонів фтору у твердій фазі при дуже низькій або практично відсутньої електронної провідності. Напруга розкладу твердого електроліту при зарядному процесі має бути вище, ніж напруга твердофазного електролізу окисленої форми анодного матеріалу. Це досягається оптимізацією хімічного складу твердого електроліту або (і) додатковими добавками в електроліт матеріалів з низькою або практично відсутньої електронну провідність, що підвищують напругу розкладання електроліту. 6. Пристрій твердотільного вторинного джерела струму включає в себе додатковий компонент або компоненти, які входять до складу анода, електроліту і катода і запобігають руйнуванню твердотільної батареї через механічної напруги при заряд-розрядних циклах.

У таблиці 3 наведені зміни обсягів анода і катода при заряд-розрядних циклах деяких твердотільних джерел струму з ряду заявлених в наведеному вище пункті 2.

Наведені результати показують, що у вторинного твердотільного джерела струму при заряд-розрядних циклах має місце зміни обсягів анода і катода, що викликає механічні напруження в області анода, катода і на кордонах розділу анод / електроліт і катод / електроліт. Введення додаткового компонента або компонентів дозволить зміцнити структуру джерела струму. Цей компонент або компоненти можуть бути виконані з полімерів, наприклад фторопластов, можуть бути виконані з іонних провідників або (і) стекол. Працездатність заявляється вторинного твердотільного джерела струму полягає в наступному: При розряді джерела струму реалізується твердофазная високоенергетична токообразующая реакція за участю іонів фтору: при замиканні зовнішнього ланцюга на кордоні струмознімання / катод надходять електрони ініціюють під впливом внутрішньої ЕРС дифузію іонів F - по твердій фазі катода з утворенням відновленої форми катода, потім після дифузійного переносу іонів фтору по твердому електроліту і перенесення їх в зону анода на аноді відбувається твердофазної взаємодія іонів фтору з анодом і утворенням фториду (окислена форма анода) з подальшим перенесенням електронів в зовнішній ланцюг. При заряді джерела струму під впливом зовнішнього електричного поля на оборотних електродах - анод і катод - відбуваються такі процеси. Під впливом зовнішнього електричного поля відбувається твердофазний електроліз окисленої форми анода з подальшою дифузією іонів фтору через електроліт і фторированием відновленої фази катода з переходом електронів в зовнішній ланцюг. Заявляється пристрій вторинного твердотільного джерела струму дозволяє реалізувати цей процес і досягти технічного результату, а саме високих питомих енергетичних характеристик вторинних батарей з великим числом циклів заряд / розряд до рівня, забезпечуючи безпеку їх використання та тривале збереження електричної енергії.

використання літератури

1. Потанін А.А. «Твердотільний хімічне джерело струму на основі іонного провідника типу фториду лантану». Ріс. Хім. Ж. (Ж .. Ріс. Хім. Об. Ім. Д. І. Менделєєва) 2001, т.45, №5-6, стр.58-63. (Прототип).

2. SSPrasad. Deffect structures and anion conducting solid electrolytes. У книзі Handbook pp550-552.

3. Патент Великобританії №1524126, Н 01 М 6/18, 10/36, опубл. 06.09.78.

4. Патент РФ №2187178 Н 01 М 6/18, 10/36, опубл. 10.08.02.

5. Патент РФ №2136083, Н 01 М 6/18, опубл. БІ №24, 1999 г.

6. Патент США №6,379,841 В1, Н 01 М 4/58, 30.04.02.

ФОРМУЛА ВИНАХОДУ

1. Твердотільний вторинне джерело струму, що складається з анода, у вигляді металу або сплаву металів, фторування якого призводить до утворення фториду або фторидів з високим Ізобаричний потенціалом освіти, електроліту у вигляді твердотільного фтор-іонного провідника з високою іонною і низькою електронною провідністю і катода в вигляді фториду або твердого розчину фторидів з низьким Ізобаричний потенціалом освіти, що відрізняється тим, що анод і катод є реверсивними щодо іонів фтору при напружених нижче напруги розкладання твердого електроліту, і анод, електроліт і катод містять в своєму складі, щонайменше, один компонент, запобігає руйнування твердотільної батареї при зарядно-розрядних циклах.

2. Твердотільний вторинне джерело струму по п.1, що відрізняється тим, що матеріали анода і катода обрані з умови здійснення оборотної катодного реакції при заряді-розряді: KtFx ⁰ + Xe ^- <---> XF ^- + Kt ', і оборотної анодної реакції при заряді-розряді: An ⁰ + XF ^- <---> _An'F x + Xe ^-, де An ⁰ і _KtF x ⁰ - позначення матеріалу анода і катодного матеріалу у вигляді фториду зарядженого джерела струму; _An'F x і Kt 'відповідного розрядженого, е ^-, F ^- - електрон і іон фтору відповідно; Х - число носіїв заряду.

3. Твердотільний вторинне джерело струму по п.1, що відрізняється тим, що оборотність анода і катода забезпечується додатковим включенням до їх складу твердих фторіонних провідників з високою іонною провідністю.

4. Твердотільний вторинне джерело струму по п.1, що відрізняється тим, що оборотність анода і катода забезпечується додатковим включенням до їх складу твердих провідників з високою електронною провідністю.

5. Твердотільний вторинне джерело струму по п.1 або 2, який відрізняється тим, що анод в розрядженому стані джерела струму виконаний з металів Li, K, Na, Sr, Ba, Ca, Mg, Al, Ce, La, або з їх сплавів , або із сплавів цих металів з Pb, Cu, Bi, Cd, Zn, Co, Ni, Cr, Sn, Sb, Fe, а в зарядженому стані джерела струму відповідно з їх фторидів.

6. Твердотільний вторинне джерело струму по п.1 або 2, який відрізняється тим, що катод в зарядженому стані джерела струму виконаний з фторидів: MnF _2, MnF _3, TaF _5, NdF _5, VF _3, VF _5, CuF, CuF _2, AgF, AgF _2, BiF _3, PbF _2, PbF _4, CdF _2, ZnF _2, CoF _2, CoF _3, NiF _2, CrF _2, CrF _3, CrF _5, CaF _3, InF _2, InF _3, GeF _2, SnF _2, SnF _4, SbF _3, MoF _5, WF ₅ фторований графіту, або з їх сплавів, або з їх сумішей, а розрядженому стані джерела струму з Mn, Та, Nd, VF, Cu, Ag, Bi, Pb, Cd , Zn, Co, Ni, Cr, Ga, In, Ge, Sn, Sb, Mo, W, графіту, або з їх сплавів, або з їх сумішей.

7. Твердотільний вторинне джерело струму по п.1, що відрізняється тим, що твердий електроліт виконаний з фторидів La, Се або зі складних фторидів на їх основі, що містять додатково фторид або фториди лужноземельних металів (CaF _2, SrF _2, BaF _2), і (або) фториди лужних металів (LiF, KF, NaF), і (або) хлориди лужних металів (LiCl, KCl, NaCl).

8. Твердотільний вторинне джерело струму по п.1, що відрізняється тим, що твердий електроліт виконаний зі складних фторидів на основі фторидів лужноземельних металів (CaF _2, SrF _2, BaF _2), додатково містять фториди рідкісноземельних металів, і (або) фториди лужних металів (LiF, KF, NaF), і (або) хлориди лужних металів (LiCl, KCl, NaCl).

9. Твердотільний вторинне джерело струму по п.1, що відрізняється тим, що твердий електроліт виконаний з фторидів на основі PbF _2, що містять SrF _2, або BaF _2, або CaF _2, або SnF ₂ і добавку KF.

10. Твердотільний вторинне джерело струму по п.1, що відрізняється тим, що твердий електроліт виконаний з фторидів на основі BiF _3, що містять SrF _2, або BaF _2, або CaF _2, або SnF ₂ і добавку KF.

11. Твердотільний вторинне джерело струму по п.1, що відрізняється тим, що твердий електроліт складається з суміші двох або декількох твердих електролітів.

12. Твердотільний вторинне джерело струму по п.1, що відрізняється тим, що в якості компонентів, що запобігають руйнування твердотільної батареї при зарядно-розрядних циклах використані полімерні матеріали, хімічно стійкі по відношенню до матеріалів електроліту анода і катода при зарядно-розрядних циклах.

13. Твердотільний вторинне джерело струму по п.12, що відрізняється тим, що в якості полімерних матеріалів, хімічно стійких по відношенню до матеріалів анода і катода при зарядно-розрядних циклах, обрані фторвмісні полімери або їх суміші.

14. Твердотільний вторинне джерело струму по п.1, що відрізняється тим, що в якості компонентів, що запобігають руйнування твердотільної батареї при зарядно-розрядних циклах, обрані тверді фторіонние провідники.

15. Твердотільний вторинне джерело струму по п.1, що відрізняється тим, що в якості компонента, що запобігає руйнування твердотільної батареї при зарядно-розрядних циклах, обраний матеріал твердого фторіонного провідника у вигляді електроліту, який використовується в батареї.

16. Твердотільний вторинне джерело струму по п.1, що відрізняється тим, що в якості компонентів, що запобігають руйнування твердотільної батареї при зарядно-розрядних циклах, обрані скла або склоподібних матеріали.

Версія для друку
Дата публікації 17.03.2007гг

НОВІ СТАТТІ ТА ПУБЛІКАЦІЇ
	Технологія виготовлення універсальних муфт для бесварочного, безрезьбовиє, бесфлянцевого з'єднання відрізків труб в трубопроводах високого тиску (мається відео)
	Технологія очищення нафти і нафтопродуктів
	Про можливість переміщення замкнутої механічної системи за рахунок внутрішніх сил
	Світіння рідини в тонких діелектричних каналох
	Взаємозв'язок між квантової і класичної механікою
	Міліметрові хвилі в медицині. Новий погляд. ММВ терапія
	магнітний двигун
	Джерело тепла на базі нососних агрегатів