Патент на изобретение №2157578
|
||||||||||||||||||||||||||
(54) ХИМИЧЕСКИЙ ИСТОЧНИК ТОКА
(57) Реферат: Изобретение относится к области электротехники, а именно к литиевым источникам тока. Техническим результатом изобретения является повышение удельных характеристик. Согласно изобретению химический источник тока содержит прямоугольный корпус из трехслойного композиционного материала, сваренный по двум малым и одной большой сторонам периметра корпуса, с помещенными в него анодом, катодом, сепаратором, электролитом и токовыводами, выведенными через один из сварных швов корпуса. Отношение малой стороны к большой стороне корпуса составляет 0,5. 2 табл. Изобретение относится к электротехнической промышленности, а именно к химическим источникам тока с литиевым анодом и электролитом на основе апротонных органических растворителей. Существует целый ряд конструкций плоских литиевых элементов прямоугольной формы. Известен источник тока, в котором в качестве электродов используются гибкие пластины, между которыми зажаты содержащие электролит сепараторы. Каждый из электролитов имеет втянутый металлический полюсный вывод. Корпус представляет собой полимерную деталь, имеющую наружные швы, некоторые из которых выполнены поверх вытянутых полюсных металлических выводов. Этот источник тока может быть выполнен из вспененного полимерного материала или гибкого листового полимера с наполнителем из изоляционного материала (см. патент США N 3607401, кл. H 01 M 35/32, 1971). Wуд = F(Sполезн./Sполн.). (1) Таким образом, исходя из выражения (1) задача состоит в получении максимального значения полезной площади при минимальном значении полной площади. Таким образом, свое максимальное значение полезная площадь элемента принимает при соотношении ширины источника к его высоте, равном 2. В качестве примера рассмотрим плоский тонкий элемент прямоугольной формы, произведение ширины на высоту которого равно 200 мм, с шириной сварного шва 1 мм. Для простоты вычислений выберем такие соотношения длин сторон источника, чтобы размеры его сторон были целыми числами, и рассчитаем полезную площадь для каждого соотношения (см. таблицу 1). Данная таблица 1 значений в какой-то мере подтверждает правильность проведенных выше теоретических выкладок. Как уже было упомянуто, для получения максимальной удельной энергии необходимо, чтобы полезная площадь была максимальной. Достигнуть этого без ухудшения эксплуатационных характеристик (при фиксированной общей площади элемента) можно сведя к минимуму ширину сварных швов источника. В случае использования в качестве материала корпуса трехслойного материала можно пренебречь диффузионным процессами, идущими через поверхность источника тока (в следствие наличия в материале корпуса слоя алюминиевой фольги), следовательно, основной процесс массопереноса будет проходить через сварные швы, поэтому количество переносимого вещества будет непосредственно связано с шириной и общей длиной сварных швов. Согласно справочным данным (1) наибольшей проницаемостью для компонентов, содержащихся в окружающей атмосфере в наибольшем количестве (O2, N2, CO2, H2O…), полиэтилен обладает по отношению к парам воды. Поэтому ширину сварных швов целесообразно рассчитывать исходя из максимально допустимого количества влаги, диффузия которого через поверхность всех сварных швов элемента в течение заданного периода хранения и эксплуатации источника не приводит к ухудшению эксплуатационных характеристик элемента. Согласно представлениям о диффузии паров через полимерные мембраны, для характеристики процесса в стационарных условиях, с учетом частичной растворимости воды в полимере, можно использовать коэффициент диффузионной проницаемости (Pп): Pп = V  x/ST(P2-P1), (2)где (P2-P1)-разность давления диффундирующего компонента по разные стороны шва, см рт.ст. V – количество вещества, прошедшее через шов, см3; x – средняя ширина сварных швов, мм; S – площадь поверхности, перпендикулярная потоку диффузии, см2; T – время процесса диффузии, с. Отсюда: x = Pп S T (P2-P1)/V. (3)Для рассматриваемого случая введем следующие допущения: 1. Давление паров воды внутри источника незначительно. (следовательно можно считать (P2-P1)=P2) 2. Пары воды подсчитываются законам идеальных газов. 3. Процесс взаимодействия паров воды с электродами и электролитом элемента ограничен лишь стадией диффузии паров через полимер. Температурная зависимость коэффициента газопроницаемости имеет вид: Pп = Pо EXP(-Eр/Rt), (4)где Pо – коэффициент пропорциональности в уравнении Аррениуса, (см3 мм)/(см2ссм рт.с.);R – универсальная газовая постоянная, ккал/(моль град);t – температура, K; Eр – кажущаяся энергия активации процесса проницаемости, ккал/моль. Согласно литературным данным [2] для литиевого источника тока содержание воды в электролите, не превышающее 10 мг/л, не приводит к ухудшению эксплуатационных характеристик источника при длительном хранении. Однако проведенные эксперименты показали, что концентрация воды, на порядок превышающая указанную выше, не оказывает негативного воздействия на работоспособность литиевого элемента в течение срока сохраняемости. Таким образом, для V получаем: V = 100 (Vэ Vm t)/Mto, (5)где Vэ – объем электролита в элементе, л; Vm – объем моля газа при н.у., л; M – молярная масса воды, мг/моль; t – средняя в течение срока хранения температура, K; to – 273 K. Давление пара перед полимерной мембраной (в нашем случае движущая сила процесса массопереноса) вычисляется следующим образом: P2 = (Pп f)/100%, (6)где f – средняя в течение хранения относительная влажность окружающей среды, %; Pн – парциальное давление насыщенных паров воды при средней в течение хранения температуре, см рт.ст. Подставляя выражения (4), (5) и (6) в выражение (3) получаем выражение для вычисления ширины сварных швов элемента (7): x = Pо EXP(-Eр/Rt)PнfSTMto)/ (10000VэVmt). (7)Таким образом, имея оптимальное соотношение высоты и ширины плоского литиевого источника (при заданной толщине), а также минимальную ширину сварных швов корпуса (для заданных условий хранения и эксплуатации), можем получить оптимизированный источник тока. Пример Литиевый элемент прямоугольной формы с габаритами 24,5 х 49 х 1,5 мм имеет емкость 0,12 А ч, номинальное напряжение 2, 8 В, состоит из одного оксидно-молибденового электрода, обернутого в сепаратор из нетканого полипропилена и пропитанного электролитом, и одного литиевого электрода. Каждый электрод имеет токоотвод в виде полоски металлической ткани из никелевой проволоки. Элемент помещен в корпус из трехслойного пленочного композиционного материала. Трехслойный материал представляет собой последовательно склеенные полиэтиленовую пленку, алюминиевую фольгу и лавсановую пленку. Элемент герметизируют путем сварки внутреннего слоя корпуса (полиэтилен) методом резистивного нагревания по трем сторонам: двум малым и одной большой, ширина швов 1 мм. В случае примера осуществления изобретения отношение высоты корпуса к его ширине составляет 0,5. Для сравнения в таблице 2 приведены данные, показывающие влияние отношения высоты корпуса к его ширине на величину удельной энергии.
Как видно из данных, приведенных в таблице, максимальная величина удельной энергии достигается при отношении высоты корпуса элемента к его ширине, равной 0,5. Незначительное уменьшение величины удельной энергии наблюдается и при отношениях высоты к ширине корпуса в интервале от 0,33 до 0,75.
Литература1. Ю.С.Липатов, А.Е.Нестеров, Т.М.Грищенко, Р.А.Веселовский. Справочник по химии полимеров. – Киев: Наукова думка, 1971. 2. А.А.Капустин, В.С.Левинсон, В.П.Постаногов. Первичные источники тока с литиевым анодом и неводным электролитом. – М.: Информэлектро, 1982. Формула изобретения
РИСУНКИ
MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе
Дата прекращения действия патента: 23.03.2001
Номер и год публикации бюллетеня: 12-2003
Извещение опубликовано: 27.04.2003
|
||||||||||||||||||||||||||
