Литий-ионный аккумулятор

Номер документа 6420170024

РУБРИКА:
6. Патентное дело, изобретательство, рационализаторство

РУБРИКА ГРНТИ:
61.31.59. Электрохимические производства. Электроосаждение. Химические источники тока

АТРИБУТЫ:
Отрасли: химическая
Тепловая энергия:
Электрическая энергия:
Виды топлива:
Водные ресурсы:

РЕКВИЗИТЫ:
Вид документа: Патент
Номер: 2608598
Автор (принявший орган): ООО "Научный центр "АИТ", 410015, г. Саратов, ул. Орджоникидзе, 11; Клюев В.В., Волынский В.В., Тюгаев В.Н. ; E-mail: marketing@zait.ru
Дата: 23.01.2017
Регион: Саратовская область
Источник информации: http://www.zait.ru

ПОЛНЫЙ ТЕКСТ ДОКУМЕНТА:

 Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при производстве литий-ионных аккумуляторов (ЛИА) и батарей на их основе, предназначенных для использования в качестве накопителей энергии для электротранспорта, альтернативной энергетики, источников бесперебойного питания, систем рекуперации электроэнергии и выравнивания сетевых нагрузок. В конструкции предлагаемого литий-ионного аккумулятора сочетается активный материал отрицательного электрода на основе Li4Ti5O12 и активный материал положительного электрода на Li3V2(PO4)3. Активный материал отрицательного электрода на основе Li4Ti5O12 может быть допирован хромом по позициям титана и представляет собой соединение состава Li4Ti5-xCrxO12, где 0<x≤0,2. Активный материал положительного электрода может быть допирован натрием по позициям лития, одним или несколькими металлами из группы, содержащей магний, алюминий, иттрий и лантан по позициям ванадия, фтором или хлором по позициям фосфата, и представляет собой соединение состава Li3-xNaxV2-yMy(PO4)3-zHalz/C, где М - один или несколько металлов из группы, содержащей Mg, Al, Y, La; Г=F, Cl; 0<x≤0,1; 0<y≤0,2; 0<z≤0,16. Кристаллы активных материалов отрицательного и положительного электродов могут быть покрыты поверхностным слоем углерода, который получен за счет введения в смесь исходных реагентов углеродсодержащего прекурсора - крахмала. Изобретение позволяет создать конструкции высокоэнергоемких ЛИА с повышенными мощностью, безопасностью и стабильностью при циклировании.  Задачей заявляемого изобретения являлась разработка ЛИА, сочетающего в своей конструкции активный материал отрицательного электрода на основе титаната лития Li4Ti5O12 и активный материал положительного электрода, обладающий высокими значениями электрохимического потенциала и удельной емкости, и в то же время способный к длительному обратимому циклированию в широком интервале зарядно-разрядных токов и температур. Применение подобного сочетания электродных материалов позволяет сконструировать накопители энергии на основе ЛИА, пригодные для использования в электротранспорте, системах выравнивания сетевых нагрузок, аварийного энергоснабжения и бесперебойного питания. Техническим результатом является создание конструкции высокоэнергоемких ЛИА с повышенными мощностью, безопасностью и стабильностью при циклировании. Указанный технический результат достигается тем, что в конструкции аккумулятора применяется сочетание активного материала отрицательного электрода на основе титаната лития Li4Ti5O12 и активного материала положительного электрода на основе фосфата лития-ванадия (фосфованадата лития) Li3V2(PO4)3. По уровню удельной энергии Li3V2(PO4)3 сопоставим с оксидными активными материалами, а по уровню безопасности, благодаря фосфатной структуре, он близок к LiFePO4, однако имеет ряд отличительных особенностей, обусловливающих его преимущества, к числу которых относятся: высокое теоретическое значение удельной емкости - 198 мАч/г и возможность достижения практических значений удельной емкости, близких к теоретическому; более высокое среднее напряжение на разряде -  4,8 В отн. лития для моноклинной структурной модификации и 4,3 В для ромбоэдрического (насиконоподобного) структурного типа. Таким образом, в сочетании с титанатом лития насиконоподобный Li3V2(PO4)3 дает разность потенциалов порядка 2,8 В, а моноклинный Li3V2(PO4)3 - порядка 3,3 В; - повышенный циклический ресурс - до 2500 циклов заряда-разряда; - высокая удельная мощность - 2000 Вт/кг; - высокие значения разрядных токов - более 40 C. Результаты испытаний макетов ЛИА системы Li4Ti5O12-Li3V2(PO4)3 показывают их приемлемую работоспособность и циклируемость (фиг. 1 и 2).

 

Поставленная задача решается также тем, что активный материал отрицательного электрода на основе Li4Ti5O12 допирован хромом по позициям титана и представляет собой соединение состава Li4Ti5-xCrxO12, где 0<x≤0,2. Частичное замещение титана хромом в указанных количествах вызывает изменение структуры кристаллической решетки активного материала, приводящее к увеличению коэффициента использования, в результате сохранность емкости в ходе циклирования возрастает на 1,3%. Обозначенный технический результат достигается также за счет модифицирования применяемых в конструкции ЛИА активных материалов путем нанесения на поверхность их частиц проводящего углеродного покрытия. В результате уменьшается электрическое сопротивление на границе кристаллов активного вещества, что ведет к увеличению поверхностной электропроводности активного материала, что, в свою очередь, способствует улучшению таких его характеристик, как удельная емкость, коэффициент использования активного материала, мощность и циклируемость. Результат также достигается за счет использования крахмала в качестве углеродного прекурсора, который при синтезе активного материала образует вязкую среду, способствующую образованию частиц особо малого размера. В качестве иллюстрации положительного воздействия обозначенного технического решения на свойства активного материала на фиг. 4 приведены экспериментальные данные, показывающие способность композита фосфата лития-ванадия с углеродом (Li3V2(PO4)3/С) к циклированию экстремально высокими токами (до 320 °C).