Изобретатель запатентовал новинку, основал небольшую компанию HE3DA и даже выпустил более полутора сотен образцов в своей мастерской в пражском районе Летняны. Между тем разработкой Яна Прохазки всерьез заинтересовались крупные инвесторы из Словакии, Германии и Китая. В заочном соревновании на самое выгодное предложение победил китайский миллиардер Ху Юаньпин, уже вложивший в организацию масштабного производства 5 млн евро. Инвестор также выразил готовность выложить в десять раз больше за крупный пакет акций HE3DA. В случае же если проект «выстрелит», китаец вложит еще 50 млн евро в расширение производственной площадки.

По предварительным данным, первый завод по выпуску инновационных аккумуляторов будет построен в чешской Моравии, а затем возможна организация производства в Китае.

http://www.he3da.cz/
http://5thelement.ru/5-th-element/akkumulyatornaya-revolyutsiya.html

http://www.findpatent.ru/patent/251/2519935.html

Изобретение относится к области электротехники. Предложен литиевый аккумулятор, включающий, по крайней мере, два объемных электрода, разделенных сепаратором и помещенных вместе с электролитом, содержащим безводный раствор литиевой соли в органическом полярном растворителе, в корпус аккумулятора, каждый электрод имеет минимальную толщину 0,5 мм, и хотя бы один из этих электродов содержит гомогенный спрессованный раствор электропроводного компонента и активного материала, способного поглощать и выделять литий в присутствии электролита, при этом пористость спрессованных электродов составляет от 25% до 90%, активный материал имеет структуру полых сфер с максимальной толщиной стенки 10 микрометров или структуру агрегатов или агломератов с максимальным размером 30 микрометров, при этом сепаратор содержит высокопористый электроизоляционный керамический материал с открытыми порами и пористостью от 30% до 95%. Повышение емкости малогабаритных аккумуляторных батарей является техническим результатом заявленного изобретения. 2 н. и 22 з.п. ф-лы, 17 ил., 7 пр., 1 табл.

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к литиевым аккумуляторам, включающим, по крайней мере, два объемных электрода, разделенных сепаратором и помещенных в электролит, содержащий безводный раствор литиевой соли в органическом полярном растворителе, размещенных в корпусе аккумулятора. Также изобретение относится к способу изготовления литиевого аккумулятора, содержащего объемные электроды специальной формы.

Предпосылки создания изобретения

Литиевые элементы интенсивно развивались на протяжении двух последних десятилетий, обеспечивая возможность создания многих портативных устройств. Тем не менее, растущие потребности к высокой емкости и безопасности литиевых батарей не всегда остаются удовлетворенными. Это тормозит прогресс в создании многих приложений, включая замещение свинцово-кислотных аккумуляторов литиевыми батареями, которые обладают большим электрическим напряжением, и создание больших аккумуляторных батарей для электромобилей и в целях хранения электрической энергии.

Известные технологии создания аккумуляторов с использованием графита в качестве активного электротехнического материала для отрицательного электрода не позволяют обеспечить безопасность батареи с весом, превышающим 0,5-1,0 кг. Попытки увеличить размеры аккумуляторных батарей такого типа не увенчались успехом, а разработчики этих батарей столкнулись с такими проблемами, как перегрев, образование промежуточного слоя на графите, вспучивание, осаждение металлического лития на поверхности графита, а также риск взрыва или воспламенения. Требования по безопасности не позволяют применять литиевые аккумуляторы большой емкости с графитовыми электродами.

Технологии замены графита другим материалом, например, литий-титановой шпинелью Li₄Ti₅O₁₂, значительно улучшают параметры безопасности литиевых батарей, но, с другой стороны, при этом значительно уменьшается напряжение на зажимах аккумулятора.

Литиевые батареи, изготовленные с применением таких электродов, удовлетворяют требованиям безопасности для использования их в электромобилях, однако весовые параметры таких батарей могут вызвать трудности их применения в малогабаритных средствах передвижения.

Все перезаряжаемые литиевые аккумуляторы, производимые сегодня, основаны на применении плоских электродов. В них смесь активного вещества, токопроводящего углерода и органического связующего расщепляется в пределах тонкого поверхностного слоя от токопроводящей фольги, как правило, алюминиевой или медной (токосъемника). Толщина этих плоских электродов обычно не превышает 200 мкм. Положительный и отрицательный электроды, расположенные друг за другом, разделены тонким слоем электроизолирующего материала (сепаратором). В качестве такого материала обычно используется перфорированная фольга, изготовленная из органического полимера. Уложенные друг рядом с другом тонкослойные электроды, разделенные сепараторами, спрессовываются и помещаются в корпус аккумулятора, а внутренний объем аккумулятора заполняется электролитом. В качестве электролита используется безводный раствор литиевой соли.

В связи с тем, что в таких аккумуляторах используются плоские электроды, наиболее важным является предотвратить рост образований металлического лития в процессе зарядки и разрядки аккумулятора, например в случаях, когда зарядка и разрядка аккумулятора происходят слишком быстро. Металлический литий осаждается на электродах в виде дендритов, образования которых, увеличиваясь в размерах, приводят к электрическому замыканию электродов. Использование металлического лития в качестве отрицательного электрода в аккумуляторах с плоскими тонкослойными электродами невозможно в таком случае.

Один из разновидностей аккумуляторных батарей с плоскими тонкослойными электродами подробно описан в патенте США 6,127,450. Несмотря на увеличенную емкость, аккумуляторная батарея имеет недостатки, присущие батареям с плоскими электродами, описанные выше.

Один из возможных вариантов исполнения литиевой батареи с тонкослойными плоскими электродами описан в заявке на патент США 2007/0092798. В качестве компонентов электродов здесь использованы активные наноматериалы. Аккумуляторная батарея, выполненная с применением плоских электродов, обладает относительно низкой емкостью, которая, кроме того, ограничена типом материала катода.

В другой заявке на патент США 2007/0134554 описан углеродный проводник первого рода, нанесенный на твердые частицы специального активного вещества. Слой углерода, повышающий электропроводность активного вещества, должен быть нанесен непосредственно на поверхность активного материала с применением весьма сложного процесса пиролиза.

EP 1244168 A описывает процесс формирования тонких слоев гальванических элементов путем нанесения на соответствующую подложку пасты, которая включает активный материал, органические присадки и токопроводящий углерод, без применения спекания. Расчет модельного примера 8, в котором используется пористый сепаратор с пористостью 50-90%, показывает, что имеет место перепад напряжения на электродах и резкое уменьшение электрического заряда при увеличении толщины электродов. Принимая во внимание этот факт, должно быть очевидным, что описанная схема не может быть использована для формирования электродов увеличенной толщины, превышающей, например, 0,5 мм.

Краткое описание сущности изобретения

Основной задачей изобретения является увеличение электрической емкости литиевого аккумулятора и создание элементов аккумулятора, способных работать в широком диапазоне напряжений.

Другой задачей изобретения является достижение самого высокого напряжения на зажимах аккумулятора и значительное увеличение плотности энергии.

Еще одной задачей изобретения является создание аккумулятора, который может быть использован не только для батарей таблеточного типа высокой емкости и микроэлектрических механических систем, но и в целях применения в автомобильной промышленности и хранения электрической энергии, и т.д.

Дополнительной задачей изобретения является обеспечение простого и недорогого процесса производства аккумулятора.

Задачи изобретения достигаются, а описанные выше недостатки преодолеваются тем, что литиевый аккумулятор включает, по крайней мере, два объемных электрода, разделенных сепаратором и помещенных в электролит, содержащий безводный раствор литиевой соли в органическом полярном растворителе, размещенных в корпусе аккумулятора, отличающийся тем, что оба электрода имеют минимальную толщину 0,5 мм, и, по крайней мере, один из электродов включает однородную сжатую смесь электропроводящего компонента и активного материала, способного к абсорбированию и экстрагированию лития в присутствии электролита, причем пористость спрессованных электродов составляет от 25% до 90%, активный материал имеет конструкцию полых сфер с максимальной толщиной стенок 10 микрометров или агрегатов, или агломератов с максимальными размерами до 30 микрометров, а сепаратор состоит из высокопористого электроизоляционного керамического материала с открытыми порами и пористостью от 30% до 95%.

Ниже описаны другие варианты изобретения различных модификаций, отдельные подробности и способ производства литиевого аккумулятора.

Электропроводящий компонент, активный материал и сепаратор – неорганические материалы, не содержащие органического связующего. Этот отличительный признак изобретения основан на новых знаниях, полученных в ходе разработки этого изобретения. А именно это знание заключается в том, что любое присутствие органического связующего в указанных компонентах отрицательным образом влияет на диффузию ионов лития в пределах толщины слоя, превышающего несколько микрометров. Способ изготовления путем прессования позволяет создать аккумуляторы, которые не требуют применения каких-либо органических связующих и являются виброустойчивыми.

Электропроводящий компонент может быть выполнен из токопроводящего углерода и его модификаций, проводящего металла и электропроводящих оксидов.

Помимо прочего, активный материал может быть выполнен из смешанных оксидов или фосфатов лития, марганца, хрома, ванадия, титана, кобальта, алюминия, никеля, железа, лантана, ниобия, бора, церия, тантала, олова, магния, иттрия, циркония.

В тонкослойном электроде частицы активного материала способны, в пределах их полезной емкости, полностью абсорбировать и экстрагировать ионы лития в пределах интервала времени до 30 минут.

Активный материал предпочтительно содержит наночастицы размером до 250 нанометров в шпинелях литий-марганцевых оксидов или шпинелях литий-титановых оксидов, чистых или с содержанием примесей.

Положительный электрод содержит 40-85% массы активного материала и может содержать токосъемник в форме фольги, сетки, решетки, проволоки, волокон или порошка.

Токосъемник может быть выполнен из алюминия, меди, серебра, титана, кремния, платины, углерода или из материала со стабильными характеристиками в пределах диапазона напряжений данного аккумулятора.

Электрод состоит из сжатой однородной смеси активного материала, электропроводящего компонента и токосъемника.

Сепаратор представляет собой набор слоев или листов высокопористого порошкового или керамического материала, преимущественно основанного на соединениях Al₂O₃ и ZrO₂.

Предпочтительно, чтобы сепаратор имел неориентированную структуру продуктов пиролиза или стекловолокна, или керамических волокон с открытым типом пористости и мог изготавливаться путем прессования порошка продуктов пиролиза или керамических нетканых волокон в набор слоев. Толщина сепаратора изменяется от 0,1 мм до 10 мм, а сам сепаратор может быть изготовлен путем прессования порошка непосредственно на поверхности электрода, либо путем прессования порошка в листы, таблетки вне поверхности электрода, оптимальной термической обработки и последующего помещения на поверхность электрода.

Обе описанные конструкции с полностью неорганическим сепаратором с толщиной, которая во много раз превосходит толщину сепараторов описанных выше аккумуляторов, позволяют использовать металлический литий в качестве отрицательного электрода. Это позволяет увеличить напряжение на зажимах аккумулятора и его электрическую емкость вплоть до теоретических пределов.

Отрицательный электрод может быть изготовлен из металлического лития в форме листов или фольги, либо комбинации спрессованных листов или фольги лития и дендритов, либо только из дендритов лития как таковых. Дендритная структура лития может быть сформирована на месте из литиевой фольги или листов путем циклирования литиевого аккумулятора. Кроме того, размер дендритов и их поверхность могут быть сформированы путем введения других компонентов, например токопроводящего углерода или композиции электролита, либо добавлением различных компонентов в электролит, например, стабильных фосфатов.

Использование металлического лития, преимущественно в форме дендритов, значительно уменьшает массу и размеры литиевого аккумулятора, что более подробно раскрыто при описании вариантов изобретения; наряду с этим достигается повышение безопасности аккумулятора по сравнению с вариантами аккумуляторов с использованием графита. С этой целью используется комбинация дендритов металлического лития и вышеописанного сепаратора из органического материала. Сепаратор защищает дендриты лития от пенетрации, таким образом, дендриты могут быть использованы в качестве отрицательного электрода. Кроме этого указанная комбинация обеспечивает высокую безопасность работы аккумулятора в случае короткого замыкания.

Литиевая соль электролита может быть выбрана из одного из следующих вариантов: LiPF₆, LiPF₄(CF₃)₂, LiPF₄(CF₄SO₂)₂, LiPF₄(C₂F₅)₂, LiPF₄(C₂F₅SO₂)₂, LiN(CF₃SO₂)₂, LiN(C₂F₅SO₂)₂, LiCF₃SO₃, LiC(CF₃SO₂)₃, LiBF₄, LiBF₂(CF₃)₂, LiBF₂(C₂F₅)₂, LiBF₂(CF₃SO₂)₂, LiBF₂(C₂F₅SO₂)₂ и LiClO₄. Электролит может также содержать компоненты, улучшающие работу аккумулятора при высоких температурах и/или исключающие продукты распада, и/или предохраняющие аккумулятор от перезаряда, и/или вещества, контролирующие размеры дендритов металлического лития.

В соответствии с одним из вариантов исполнения изобретения литиевый аккумулятор содержит полый корпус, имеющий верхнюю открытую часть и нижнюю часть для формирования первого полюса аккумулятора, первый электрод, расположенный в нижней части корпуса и имеющий электрический контакт с внутренней поверхностью корпуса, второй электрод в верхней части корпуса, отделенный от внутренней поверхности корпуса изолирующей прокладкой, сепаратор, расположенный между первым и вторым электродами, крышку, закрывающую верхнюю открытую часть и имеющую электрический контакт со вторым электродом для формирования второго полюса аккумулятора, а также герметизирующее покрытие для изоляции поверхности крышки от корпуса.

В соответствии с другим вариантом исполнения изобретения литиевый аккумулятор содержит верхнюю часть корпуса и нижнюю часть корпуса, соединенные вместе и образующие внутреннюю область аккумулятора, и соединенные с первым полюсом аккумулятора, первый электрод, запрессованный во внутреннюю область верхней и нижней частей корпуса аккумулятора и формирующий центральную внутреннюю область, и имеющий электрический контакт с частями корпуса, второй электрод, расположенный внутри центральной области, второй полюс аккумулятора, имеющий электрический контакт со вторым электродом и расположенный снаружи корпуса аккумулятора, а также сепараторы, отделяющие первый электрод от второго.

В соответствии с еще одним вариантом исполнения изобретения литиевый аккумулятор содержит верхний корпус с первым полюсом аккумулятора, нижний корпус со вторым полюсом аккумулятора, соединенные между собой и определяющие внутреннюю полость аккумулятора, первый электрод, расположенный во внутренней области верхней части корпуса, второй электрод, расположенный во внутренней области нижней части корпуса, сепаратор, отделяющий первый электрод от второго, и прокладку, размещенную между верхней и нижней частями корпуса для электрической изоляции первого полюса аккумулятора от второго полюса аккумулятора.

В соответствии с другими вариантами исполнения изобретения литиевый аккумулятор включает два крайних набора компонентов и, по крайней мере, один внутренний набор компонентов, каждый из которых содержит первые электроды, вторые электроды, сепараторы, токосъемники и полюсы аккумулятора, которые содержат: полый крайний верхний корпус, имеющий закрытую внешнюю поверхность и открытую внутреннюю поверхность, определяющую пространство для размещения первого электрода, полый крайний нижний корпус, имеющий закрытую внешнюю поверхность и открытую внутреннюю поверхность, определяющую пространство для размещения первого электрода, внутренние корпусы для размещения первых электродов, внутренние корпусы для размещения вторых электродов, сепараторы, размещенные между соседними первым и вторым электродами, токосъемники, служащие для создания контакта с первыми электродами и соединенные с первым полюсом аккумулятора, токосъемники, служащие для создания контакта со вторыми электродами и соединенные со вторым полюсом аккумулятора, по крайней мере один внутренний набор указанных компонентов, в которых внешний корпус заменен внутренним корпусом.

В соответствии с одним из заявляемых способов производства литиевого аккумулятора по крайней мере один набор листов первого электрода, сепаратор, и по крайней мере один лист второго электрода уложены прессованием поверх друг друга, корпус аккумулятора заполнен электролитом, закрыт и к нему присоединены токосъемники.

В качестве альтернативы отдельные листы электродов могут быть последовательно запрессованы один поверх другого.

В качестве другой альтернативы спрессованные между собой листы, по крайней мере, одного электрода, сепаратор и, по крайней мере, один лист второго электрода уложены поверх друг друга, корпус аккумулятора заполнен электролитом, закрыт и к нему присоединены токосъемники.

Что касается химического состава, то возможно использование только активных материалов с быстрой электрической диффузией ионов лития для этого типа батарей (ввиду того, что реакции поглощения и выделения лития протекают очень быстро). Оптимальными с этой точки зрения шпинельные структуры, обладающие способностью быстрого поглощения и выделения лития при любых ориентациях кристаллов. Возможно использование шпинелей литий-марганцевых оксидов LiMn₂O₄(LMS), http://LiMn1.5Nio.5O4(LNMS) или литий-титановых оксидов Li₄Ti₅O₁₂(LTS) как чистых, так и с примесями.

Структура порошкообразного активного материала, способного к быстрому поглощению и выделению лития, играет важную роль и должна удовлетворять некоторым основным требованиям. Оптимальный размер частиц активного материала может изменяться, но он должен удовлетворять требованиям способности осуществлять зарядку и разрядку (поглощение и выделение ионов лития) частиц за 30 минут. Оптимальными частицами активного материала являются те, которые могут быть полностью заряжены и разряжены менее чем за 1 минуту, а еще лучше – несколько секунд. Преимущественно могут быть использованы кристаллы шпинели наноразмеров. Литий-титановый оксид со шпинельной структурой и частицами с размером 200-250 нм может быть заряжен и разряжен в течение 30 минут, но тот же самый материал с размерами частиц 30-50 нм может быть заряжен и разряжен за период времени до 30 секунд. Литий-марганцевый оксид со шпинельной структурой и частицами размером порядка 150 нм может быть заряжен и разряжен в течение 1 минуты.

В оптимальном случае активные нанокристаллические материалы имеют строение полых сфер с толщиной стенки до 10 микрометров, предпочтительно от 1 до 3 микрометров. Такое строение может быть получено сушкой распылением суспензий активного материала. Предпочтительный диаметр этих полых сфер от 1 до 50 микрометров.

При использовании компактных соединений или агломератов активного материала, изготовленных, например, путем измельчения сухого материала, размер этих соединений должен быть меньше 30 микрометров и предпочтительно меньше 5 микрометров.

Толщина каждого отдельного электрода литиевого аккумулятора в соответствии с изобретением, по крайней мере, в 5 раз больше, а емкость обычно на два порядка больше емкости электрода, используемого в литиевых аккумуляторах с тонкослойными плоскими электродами. Следовательно, заявляемый литиевый аккумулятор позволяет получить напряжение на зажимах по величине в 5 раз большее, чем свинцовый аккумулятор при тех же емкости и размерах.

Металлический корпус аккумулятора описанной конструкции делает возможным быстрое охлаждение и нагрев аккумулятора. Если вместо обычно используемого графита в качестве отрицательного электрода использовать литий, то становится возможным осуществлять зарядку аккумулятора быстрее и с большей разницей потенциалов. Заявляемый литиевый аккумулятор может быть заряжен и разряжен в период времени от 1 до 24 часов, в то время как 50% емкости заряженного аккумулятора может быть разряжено меньше чем за 2 часа. Возможно заряжать и разряжать заявляемый литиевый аккумулятор 100 и более раз при сохранении 80% его суммарной емкости. Применение металлического лития в форме дендритов значительно увеличивает плотность тока по сравнению с применением компактной литиевой фольги.

В процессе изготовления активный материал равномерно перемешивается с компонентом с высокой электронной проводимостью, например с токопроводящим углеродом. Соотношение активного материала и электропроводящего углерода может быть различным, в зависимости от химического состава смеси. Смесь обычно содержит от 40 до 85% массы активного материала. Наиболее часто массовое содержание электропроводящего углерода колеблется от 25 до 40%. Смесь не содержит каких-либо органических связующих агентов, таких как поливинилиденфторид и других веществ. Полученная смесь спрессовывается в листы толщиной 0,5-50 мм. Листы сепаратора и второго электрода последовательно спрессовываются с листом первого электрода, аккумулятор заполняется электролитом и закрывается. Начальная структура сепаратора, входящего в состав аккумулятора, может быть в виде порошка, который может быть запрессован непосредственно на электрод или может быть в виде компактного блока, спрессованного отдельно от электрода, имеющего форму, соответствующую форме электрода, а также может быть подвержен дальнейшей термической обработке. Толщина сепаратора может изменяться от нескольких десятков микрометров до нескольких миллиметров.

При изготовлении блоков электродов больших размеров с большей емкостью возможно добавление токосъемника в виде проволоки, металлических опилок, волокон, сетчатых структур к смеси электропроводящего компонента и активного материала для того, чтобы обеспечивать прохождение токов больших величин и спрессовать их вместе в компактные блоки электродов таким образом, чтобы токосъемник был присоединен к полюсу электрода. Полюс электрода, электрически соединенный с периферийным проводником, обычно выполняющий также роль корпуса электрода, выполнен из алюминия или другого токопроводящего материала. В качестве материала этого токосъемника могут быть использованы алюминий, медь, серебро, титан, золото, платина, кремний или другие токопроводящие металлы, проявляющие стабильность в заданном диапазоне напряжений. Также возможно использование углеродных волокон и нанотрубок. Смесь спрессовывается, возможно с применением ударных нагрузок, в лист или блок до достижения толщины в несколько сантиметров. Пористость электрода, изготовленного таким способом, лежит в диапазоне от 25 до 80%, как правило от 30 до 50%.

Изготовление многоэлектродного литиевого аккумулятора с высокой емкостью запаса энергии желательно производить посредством многократного прессования отдельных листов электродов и сепараторов повторно на поверхности каждого последующего слоя и соединения полюсов соответствующих электродов. То есть объемный блок положительного электрода отделяется посредством сепаратора от литиевого или объемного блока отрицательного электрода, а затем осуществляется электрическое соединение соответствующих электродов вместе.

Технология производства аккумуляторных батарей путем прессования отдельных порошкообразных компонентов перспективна и малозатратна. Этот способ изготовления также обеспечивает получение аккумуляторов с высокой виброустойчивостью, что очень важно при эксплуатации его в условиях воздействия вибрационных нагрузок.

Заявляемый литиевый аккумулятор предназначен для использования в качестве источника энергии высокой емкости или напряжения и может быть использован в автомобильной промышленности или как средство хранения энергии.

http://www.findpatent.ru/patent/251/2519935.html
© FindPatent.ru – патентный поиск, 2012-2016