RU2038657C1

RU2038657C1 - Chemical source of electric energy

Info

Publication number: RU2038657C1
Application number: RU9292006203A
Authority: RU
Inventors: С.Г. Атанов; А.Н. Кожевников; А.В. Краснобрыжий; Г.Г. Мазнин; В.Н. Мехоношин; А.И. Молчанов; Б.А. Поспелов; В.Г. Смирнов
Original assignee: Научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический аккумуляторный институт
Priority date: 1992-10-16
Filing date: 1992-10-16
Publication date: 1995-06-27

Abstract

FIELD: electrical engineering. SUBSTANCE: electrodes and separator are placed into multilayer case which layers are produced from polymer film, metal cloth and insulation material. Current taps of electrodes are manufactured from metal cloth, 0.05-0.2 mm thick, are brought out through connection seam of case having thickness of 0.1 mm and are impregnated with solution of polymer material to the extent bigger than seam width. Summary thickness of polymer material at point of feed-through of current tap is greater than thickness of current tap. EFFECT: prolonged storage life, increased reliability thanks to prevention of diffusion of vapors of water and electrolyte. 3 cl, 3 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к электротехнической промышленности, а именно к химическим источникам тока с литиевым анодом и апротонным электролитом. The invention relates to the electrical industry, namely to chemical current sources with a lithium anode and aprotic electrolyte.

Известны плоские литиевые элементы, корпус которых выполнен из двух отформованных из тонкого металла тарельчатых деталей, склеиваемых между собой по периметру термопластичным клеем. Каждая деталь несет либо положительный, либо отрицательный электрод, припрессованный к ее внутренней поверхности. Между положительным и отрицательным электродами располагается сепаратор, пропитанный электролитом. Детали корпуса одновременно являются токоотводами (1). Known flat lithium cells, the housing of which is made of two molded from thin metal plate parts, glued together along the perimeter of thermoplastic adhesive. Each part carries either a positive or a negative electrode pressed to its inner surface. Between the positive and negative electrodes is a separator impregnated with an electrolyte. Housing parts are simultaneously down conductors (1).

В такой конструкции возможна только односторонняя работа каждого из электродов, что и является ее недостатком. In this design, only one-sided operation of each of the electrodes is possible, which is its drawback.

Известен химический источник тока и кожух для него, применяющийся для эксплуатации в атмосферной среде, который изготовляют с гибкими электродными пластинами, между которыми зажаты содержащие электролит сепараторы. Электроды и сепараторы скреплены электроизоляционными зажимами. Каждый из электродов имеет вытянутый металлический полюсный вывод. Корпус представляет собой полимерную деталь, имеющую наружные швы, некоторые из которых выполнены поверх вытянутых металлических полюсных выводов, частично выступающих из корпуса. Этот источник тока может быть выполнен из вспененного полимерного материала или гибкого листового полимера с наполнителем из изоляционного материала (2). Упомянутый элемент наиболее близок по техническому решению к предлагаемому химическому источнику тока и может быть принят за прототип. Известно, что полимерные материалы, например, полиэтилен, проницаемы для паров воды, а чем тоньше материал, тем меньше его сопротивление диффузии. Отсюда следует, что описанный выше источник тока имеет существенный недостаток, вращающийся в ограничении срока сохраняемости. Для источников тока, в которых использованы электрохимические системы, содержащие литий, взаимодействующий с парами воды, и гигроскопичные электролиты, в состав которых входят органические растворители, такой недостаток превращается в принципиальное ограничение. Known chemical current source and casing for it, which is used for operation in the atmospheric environment, which is manufactured with flexible electrode plates, between which the separators containing electrolyte are clamped. Electrodes and separators are fastened with insulating clamps. Each of the electrodes has an elongated metal pole terminal. The housing is a polymer part having external seams, some of which are made on top of elongated metal pole leads partially protruding from the housing. This current source can be made of foamed polymeric material or a flexible sheet polymer with a filler of insulating material (2). The mentioned element is closest in technical solution to the proposed chemical current source and can be taken as a prototype. It is known that polymeric materials, for example, polyethylene, are permeable to water vapor, and the thinner the material, the less its diffusion resistance. It follows that the current source described above has a significant drawback, rotating in limiting the shelf life. For current sources that use electrochemical systems containing lithium, which interacts with water vapor, and hygroscopic electrolytes, which include organic solvents, this drawback turns into a fundamental limitation.

Задача изобретения увеличения срока и повышения надежности путем предотвращения диффузии паров воды извне и паров электролита изнутри источника тока при сохранении возможности двусторонней работы по крайней мере одного из электродов. The objective of the invention is to increase the period and increase reliability by preventing diffusion of water vapor from the outside and electrolyte vapor from the inside of the current source while maintaining the possibility of two-way operation of at least one of the electrodes.

Это достигается тем, что в источнике тока применен наряду с полимерными материалами еще и гибкий металл, например, алюминиевая фольга. Корпус источника тока снабжен дополнительным металлическим слоем, токоотводы выполнены из металлической ткани с толщиной нити 0,05-0,20 мм, токовывод предварительно пропитан расплавленным или растворенным полимерным материалом на протяжении больше ширины шва, который выполнен шириной не менее 1,00 мм, а исходная суммарная толщина полимерного материала в месте прохода токовывода больше толщины токоотвода, анод выполнен из лития, а в качестве электролита взят апротонный электролит. This is achieved by the fact that a flexible metal, for example, aluminum foil, is used in the current source along with polymeric materials. The case of the current source is equipped with an additional metal layer, the current leads are made of metal fabric with a thread thickness of 0.05-0.20 mm, the current output is pre-impregnated with molten or dissolved polymer material for more than the width of the seam, which is made at least 1.00 mm wide, and the initial total thickness of the polymer material at the point of passage of the current lead is greater than the thickness of the collector, the anode is made of lithium, and an aprotic electrolyte is taken as the electrolyte.

Металлический слой, даже при толщине 10-20 мкм, является непроницаемым для диффузии паров воды и растворителей. Наличие такого слоя в гибком корпусе источника тока обеспечивает его сохранность в течение длительного времени. При незначительной толщине металлического слоя целесообразно применять его в сочетании с полимерными материалами, которые в этом случае обеспечивают необходимую прочность корпуса, а также изоляцию металлического слоя корпуса от электродов и токоотводов. Наиболее целесообразно применять многослойные пленки, например, материал ЛФПЭ ТУ6-19-051-571-85, в котором один из слоев выполнен из металла. The metal layer, even with a thickness of 10-20 microns, is impervious to the diffusion of water vapor and solvents. The presence of such a layer in a flexible housing of a current source ensures its safety for a long time. With a small thickness of the metal layer, it is advisable to use it in combination with polymeric materials, which in this case provide the necessary strength of the housing, as well as insulation of the metal layer of the housing from electrodes and down conductors. It is most advisable to use multilayer films, for example, LFPE material TU6-19-051-571-85, in which one of the layers is made of metal.

Полимерные материалы, как правило, имеют слабую адгезию к металлам, в связи с чем желательно создать наибольшую поверхность соприкосновения полимера с металлом токоотвода, не увеличивая при этом ширину соединительного шва. Это достигается применением в качестве токоотвода полосок плотной металлической ткани или сетки. Экспериментально установлено, что например, для сварки полиэтилена толщиной 0,01-0,2 мм, герметичность шва в месте выхода токоотводов обеспечивается при следующих условиях: диаметр металлической нити ткани 0,1-0,05 мм, толщина по ткани 0,1-0,2 мм, ширина шва не менее 2 мм, суммарная толщина полимерного материала в месте сварки, по крайней мере, вдвое превышает толщину ткани. Применение металлического слоя в оболочке элемента (батареи) приводит к вероятности замыкания одного или обоих токоотводов на этот слой, так как при образовании скрепляющего шва (сварке, склейке), материал полимерного слоя затекает в поры выполненного из металлической ткани токоотвода. Polymeric materials, as a rule, have poor adhesion to metals, in connection with which it is desirable to create the largest contact surface of the polymer with the metal of the collector, without increasing the width of the connecting seam. This is achieved by using strips of dense metal fabric or mesh as a collector. It was experimentally established that, for example, for welding polyethylene with a thickness of 0.01-0.2 mm, the tightness of the seam at the exit point of the down conductors is ensured under the following conditions: the diameter of the metal thread of the fabric is 0.1-0.05 mm, the thickness of the fabric is 0.1- 0.2 mm, the width of the seam is at least 2 mm, the total thickness of the polymer material at the weld site is at least twice the thickness of the fabric. The use of a metal layer in the shell of an element (battery) leads to the likelihood of one or both down conductors shorting to this layer, since when a fastening seam is formed (welding, gluing), the polymer layer material flows into the pores of the collector made of metal fabric.

С целью повышения надежности изоляции элемента (батареи) его токоотвода предварительно пропитывается расплавленным (растворенным) полимером, из которого выполняется шов, на протяжении не менее ширины будущего шва. Пропитанный полимером участок токоотвода при герметизации совмещается со швом. In order to increase the reliability of insulation of the element (battery) of its collector, it is preliminarily impregnated with the molten (dissolved) polymer from which the seam is made, for at least the width of the future seam. The polymer-impregnated section of the collector during sealing is combined with the seam.

На фиг. 1 показано устройство элемента в гибком корпусе (гибкой оболочке); на фиг. 2 источник тока в виде батареи из трех элементов в общем корпусе; на фиг.3 конструкция токоотвода и взаимное расположение токоотвода и шва при герметизации источника тока. In FIG. 1 shows a device of an element in a flexible body (flexible shell); in FIG. 2 current source in the form of a battery of three elements in a common housing; figure 3 the design of the down conductor and the relative position of the down conductor and the seam when sealing the current source.

Устройство содержит токоотвод катода 1, выполненный из металлической ткани (сетки); наружный полимерный слой 2 гибкой оболочки (корпуса); металлический слой 3 гибкой оболочки; внутренний слой гибкой оболочки из полиэтилена 4; анод 5, выполненный из металлического лития; сепаратор 6, пропитанный электролитом; катод 7, выполненный из диоксида марганца или другого окислителя и пропитанный электролитом; токоотвод анода 8, выполненный из металлической ткани (сетки); межэлементные соединения 9, токоотводы батареи 10, выполненные из металлической ткани (сетки); зону 11, пропитанную полимерным материалом; оболочку 12; шов 13 из полимерного материала. The device contains a down conductor of the cathode 1, made of metal fabric (mesh); the outer polymer layer 2 of a flexible shell (body); metal layer 3 of a flexible shell; inner layer of flexible sheath made of polyethylene 4; anode 5 made of lithium metal; an electrolyte impregnated separator 6; a cathode 7 made of manganese dioxide or another oxidizing agent and impregnated with an electrolyte; down conductor of the anode 8, made of metal fabric (mesh); interconnects 9, down conductors of a battery 10 made of metal fabric (mesh); zone 11 impregnated with a polymeric material; shell 12; seam 13 made of polymeric material.

П р и м е р 1. Элемент с габаритами 30 х 40 х 1,5 мм имеет емкость 0,1 А.ч, номинальное напряжение 3 В, сохраняемость 3 года. Состоит из одного оксидмарганцевого электрода, обернутого в сепаратор и пропитанного электролитом, и одного литиевого электрода. Каждый электрод имеет токоотвод в виде полоски ткани из нержавеющей стали. Элемент имеет внутреннюю полиэтиленовую оболочку и наружную оболочку из трехслойного материала. Трехслойный материал представляет собой последовательно склеенные полиэтиленовую пленку, алюминиевую фольгу и лавсановую пленку (фиг.3). PRI me R 1. An element with dimensions of 30 x 40 x 1.5 mm has a capacity of 0.1 A.h, rated voltage of 3 V, shelf life of 3 years. It consists of one manganese oxide electrode wrapped in a separator and impregnated with an electrolyte, and one lithium electrode. Each electrode has a down conductor in the form of a strip of stainless steel fabric. The element has an inner polyethylene sheath and an outer sheath of a three-layer material. The three-layer material is a sequentially glued plastic film, aluminum foil and mylar film (figure 3).

П р и м е р 2. Батарея из трех последовательно соединенных элементов электрохимической системы литий-диоксид марганца, номинальное напряжение 9 В, емкость 1,2 А˙ч, сохраняемость 3 года. Каждый элемент имеет полиэтиленовую оболочку, все три элемента помещены в трехслойную оболочку, средний слой которой выполнен из алюминиевой фольги (фиг.2), внутренний из полиэтиленовой пленки, а внешний из лавсановой пленки, склеенных между собой. Срок сохраняемости литиевых элементов непосредственно зависит от герметичности элементов. PRI me R 2. Battery of three series-connected elements of the lithium manganese dioxide electrochemical system, rated voltage 9 V, capacity 1.2 A˙h, shelf life 3 years. Each element has a polyethylene shell, all three elements are placed in a three-layer shell, the middle layer of which is made of aluminum foil (figure 2), the inner one is made of plastic film, and the outer one is made of lavsan film glued together. The shelf life of lithium cells directly depends on the tightness of the cells.

В таблице приведены данные о зависимости герметичности элементов от параметров материала токоотвода. The table shows data on the dependence of the tightness of the elements on the material parameters of the collector.

Таким образом, применение предлагаемого технического решения позволяет осуществить тонкий эластичный (гибкий) элемент, а также различные комбинации элементов в виде батарей и обеспечить сохранность не менее трех лет. Thus, the application of the proposed technical solution allows you to implement a thin elastic (flexible) element, as well as various combinations of elements in the form of batteries and ensure the safety of at least three years.

Claims

1. A CHEMICAL CURRENT SOURCE, comprising a flexible multilayer casing made of a polymer film and insulating material, an anode, a cathode, a separator, a liquid electrolyte and metal down conductors passing through the connecting seam of the casing, characterized in that the casing is provided with an additional metal layer, the down conductors are made of metal fabric and impregnated with a melt or a solution of polymeric material for more than the width of the seam, the anode is made of lithium, and an aptronic electrolyte is taken as the electrolyte.

2. The current source according to claim 1, characterized in that the metal fabric of the collector has a thickness of 0.05 to 0.2 mm

3. The current source according to claim 1, characterized in that the connecting seam of the housing has a width of at least 0.1 mm, and the total thickness of the polymer material in the passage of the collector is greater than the thickness of the collector.