Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОЛИТА ДЛЯ ЛИТИЕВЫХ ХИМИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ ТОКА

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при производстве первичных литиевых химических источников тока.

Известен способ получения электролита для литиевых источников тока, включающий сушку растворителя азеотропной ректификацией с последующим добавлением обезвоженной литиевой соли, при этом проводят сушку смеси органических растворителей с добавлением агента, образующего низкокипящий азеотроп с водой, причем один из растворителей должен иметь температуру кипения ниже температуры начала термического разложения другого растворителя (см. патент РФ на изобретение №2227347, МПК-7 H01M 6/16, H01M 10/40, опубл. 20.04.2004 г.).

Недостатком известного способа является сложная технология сушки с последующим введением обезвоженной литиевой соли в смесь органических растворителей при высокой трудоемкости и энергозатратах при приготовлении электролита, что приводит к возрастанию конечной стоимости первичных литиевых источников тока и батарей на их основе. При этом технологический процесс приготовления электролита по известному способу является небезопасным вследствие добавления обезвоженной соли лития к осушенной смеси растворителей.

Наиболее близким аналогом к предложенному техническому решению является электролит для литиево-диоксидмарганцевого химического источника тока, содержащий раствор соли лития, например лития хлорнокислого, в апротонном диполярном растворителе, например пропиленкарбонате, с остаточной водой, при этом с целью повышения энергоемкости источника тока электролит содержит указанные ингредиенты в следующих количествах, мас.%: перхлорат лития - 8,4-8,6; вода - 0,02-0,08; пропиленкарбонат - остальное (см. патент СССР на изобретение №1667177, МПК-5 H01M 6/16, опубл. 30.07.1991 г.).

Недостатком известного технического решения является то, что в приготовленном электролите имеется достаточно высокое содержание воды, которое влечет за собой снижение коэффициента использования литиевого электрода (% использования лития от его фактической закладки в электрод) и его пассивацию и, как следствие, нестабильность электрохимической системы, падение напряжения при работе литиевого источника тока, а также снижении сохраняемости заряда при длительном промежутке времени.

Задачей настоящего изобретения является разработка экономически эффективного и безопасного способа получения электролита, который впоследствии будет использован для изготовления первичных литиевых источников тока со стабильной электрохимической системой и сохраняемостью заряда при длительном промежутке времени.

Техническим результатом, достигаемым при решении поставленной задачи, является стабильно низкое содержание воды в электролите при отсутствии роста внутреннего давления, что позволяет повысить стабильность электрохимической системы и сохраняемость источника тока до 25 лет.

Указанный технический результат достигается способом получения электролита для литиевых химических источников тока путем растворения лития хлорнокислого в пропиленкарбонате, при котором литий хлорнокислый загружают в реактор навесками через определенные промежутки времени при температуре раствора 45-60°C, при отгонке воды в рубашке реактора используется теплоноситель с температурой 130-160°C, а давление в реакторе в конце отгонки составляет 1,33-1,6 кПа (10-12 мм рт.ст) при массовой доле воды - 0,015-0,025%.

Целесообразно, чтобы литий хлорнокислый загружался в реактор тремя навесками, масса навесок составляла от 2,45 до 2,55 кг, а их загрузка осуществлялась с интервалом от 12 до 16 минут.

Электролит является одной из важнейших составных частей первичных литиевых источников тока. Широкое использование при его приготовлении разнообразных неводных растворителей и растворов на их основе позволило получить ряд принципиально новых результатов и технологических решений. В частности, это позволило реализовать энергетические возможности, заложенные в литии, и разработать химические источники тока различного вида с литиевым анодом, характеризующиеся высокой плотностью энергии и работоспособностью в широком интервале температур. Практически все неводные жидкости, используемые при приготовлении электролита для литиевых источников тока, являются неорганическими или органическими апротонными растворителями. Разнообразие апротонных растворителей накладывает свой отпечаток на свойства образующегося электролита. Самым распространенным и часто используемым апротонным растворителем для приготовления электролита является пропиленкарбонат. С целью предотвращения разложения пропиленкарбоната и связанного с ним образования органических примесей при приготовлении электролита необходимо предусмотреть приготовление концентрированного электролита; применение лития хлорнокислого с нормированной кислотностью и щелочностью; снижение температуры кипения за счет перегонки под вакуумом; максимальное сокращение времени нахождения концентрированного электролита при повышенной температуре; исключение его контакта с воздухом.

В предложенном изобретении выбор температуры раствора, температуры теплоносителя в рубашке реактора, давления в реакторе в конце отгонки, массовой доли воды, а также количества, массы и интервала засыпки лития хлорнокислого продиктованы следующими соображениями.

При температуре раствора меньше 45°C имеет место неполное растворение лития хлорнокислого, что приводит к увеличению технологического цикла и перерасходу материалов, а это снижает экономическую эффективность предложенного способа. При температуре раствора больше 60°C происходит частичное разложение пропиленкарбоната и, как следствие, порча концентрированного раствора.

При температуре теплоносителя в рубашке реактора меньше 130°C имеет место неполный отгон воды из концентрата, что приводит к невозможности его использования при изготовлении электролита для источников тока, а при температуре теплоносителя в рубашке реактора больше 160°C происходит разогрев теплоносителя, который приводит к поломке оборудования и порче продукта.

При давлении в реакторе в конце отгона меньше 1,33 кПа (10 мм рт.ст). и массовой доле воды меньше 0,015% имеет место выход из строя дорогостоящего технологического оборудования, что приводит к длительному простою и невозможности изготовления электролита для первичных источников тока, а при давлении в реакторе в конце отгона больше 1,6 кПа (12 мм рт.ст) и массовой доле воды больше 0,025% происходит неполное проведение процесса отгона воды из концентрата и, как следствие, в дальнейшем приготовление электролита для первичных литиевых источников тока с нестабильными химическими характеристиками.

При количестве засыпок меньше трех, массе лития хлорнокислого меньше 2,45 кг и интервале засыпки меньше 12 минут имеет место неравномерное и неполное растворение лития хлорнокислого в апротонном растворителе, что приводит к нерациональному использованию дорогостоящих материалов и небезопасному ведению технологического процесса, а при количестве засыпок больше трех, массе лития хлорнокислого больше 2,55 кг и интервале засыпки больше 16 минут происходит увеличение технологического цикла и трудовых затрат процесса растворения и, как следствие, конечное увеличение себестоимости изделия.

Предложенный способ получения электролита для литиевых химических источников тока осуществляется следующим образом.

Взвешивается 30-42,5 кг пропиленкарбоната. В дальнейшем взвешенное количество пропиленкарбоната при помощи вакуумного насоса перекачивается в вакуумно-выпарной аппарат (реактор). Затем включается блок нагрева реактора и устанавливается температурный режим в пределах 50-110°C. После чего взвешивается три навески лития хлорнокислого по 2,45-2,55 кг каждая. Далее каждая навеска лития хлорнокислого загружается в реактор с интервалом 12-16 минут. При этом контролируется температура раствора в реакторе, которая должна находиться в диапазоне 45-60°C. Время растворения лития хлорнокислого после загрузки последней навески составляет 25-30 минут. После завершения процесса растворения проводится отгонка воды из раствора, для чего включается вакуумный насос и открывается кран подачи аргона в реактор для барботажа. Расход аргона устанавливается по ротаметру в пределах 60-75 л/ч. Далее переключается температурный режим блока нагрева реактора и устанавливается значение в пределах 110-160°C. Затем подается теплоноситель в рубашку реактора и контролируется его температура, которая должна находиться в диапазоне 130-160°C. Давление в реакторе постепенно снижается и в конце отгонки должно быть в диапазоне 1,33-1,6 кПа (10-12 мм рт.ст), при этом количество отгона должно составлять 6-10 литров, а массовая доля воды должна находиться на уровне 0,015-0,025%. После завершения отгона воды выключается блок нагрева, отключается вакуумный насос, реактор заполняется аргоном и закрывается кран подачи аргона на барботаж. В дальнейшем в рубашку реактора подается вода и проводится охлаждение готового раствора до температуры 40-50°C. По завершении процесса охлаждения раствор передавливается с помощью аргона в контейнер для готового продукта, при этом давление аргона в контейнере должно быть 0,2-0,6 кгс/см².

Анализ электролита на содержание основных компонентов проводится от каждой партии готового продукта. Партией считается количество электролита, приготовленного в одних и тех же условиях за один раз. Электролит должен соответствовать следующим показателям:

внешний вид - слабоокрашенная жидкость, не содержащая механических примесей;

вода - не более 0,025%;

литий хлорнокислый - 17-20%;

пропиленкарбонат - 79-83%;

сумма метанола, пропиленгликоля и дипропиленгликоля - не более 0,3%;

сумма остальных органических примесей - не более 0,3%.

При несоответствии результатов анализа требованиям, предъявляемым к электролиту, допускается проводить его доработку с последующим контролем качества. Доработка может проводиться либо путем разбавления пропиленкарбонатом или концентрированным электролитом, либо путем повторной отгонки, при этом общая загрузка реактора не должна превышать 40 кг.

Преимущества способа заключаются в повышении качества и стабильности состава приготавливаемого электролита, а также получении электролита для литиевых источников тока с низким содержанием воды, которое позволит повысить стабильность электрохимической системы и сохраняемость источника тока до 25 лет при отсутствии роста внутреннего давления.

Использование данного изобретения в промышленности позволяет повысить качество приготовленного электролита, что влечет за собой изготовление первичных литиевых источников тока и батарей на их основе с улучшенными характеристиками.