ГЕЛЬПОЛИМЕРНЫЙ ЭЛЕКТРОЛИТ ДЛЯ ЛИТИЕВЫХ ИСТОЧНИКОВ ТОКА

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при производстве литиевых первичных и вторичных источников тока, а также в суперконденсаторах. Гельполимерный электролит состоит из полимерной матрицы и пластификатора, включающего в себя апротонный диполярный растворитель и соль лития.

Известны гельполимерные электролиты, используемые в литиевых источниках тока, состоящие из смеси полимеров с растворителем и перхлоратом натрия, причем в качестве полимеров используются смеси полиэфиров и краун-эфиров, полиэтиленгликольакрилата и винилиденфторида. Для этих композиций удельная электрическая проводимость лежит в интервале 10^-3-5⋅10^-3 См/см при 20°С. Недостатком их является наличие несвязанного полимером растворителя, который пассивирует литиевые электроды в процессе работы, в результате чего работоспособность источника тока резко снижается [1, 2].

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является гельполимерный электролит, который содержит полимерную матрицу на основе полисульфона, неорганическую ионогенную соль лития и органический растворитель, в качестве которого используют смесь пропиленкарбоната с тетрагидрофураном, взятых в соотношении (об. %) 1:1-1:4, при следующем массовом соотношении компонентов, мас.ч.:

полисульфон - 100,

неорганическая ионогенная соль лития - 5-27,

органический растворитель - 80-140.

Для него удельная электрическая проводимость достигает 10^-2 См/см, что не уступает соответствующим значениям для жидких электролитов, используемых в настоящее время в литиевых источниках тока [3]. Однако было обнаружено ухудшение свойств пленок полисульфона и гельполимерных электролитов на его основе при изменении влажности окружающего воздуха. Так, чем выше влажность окружающей среды, тем более низкой проводимостью характеризовались гельполимерные электролиты. Такое поведение может быть связано с кооптированным взаимодействием соли и полимерной матрицы. Кроме этого, проводимость гельполимерного электролита во времени снижалась.

Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в повышении удельной электрической проводимости гельполимерного электролита и обеспечении его химической и электрохимической стабильности. Технический результат, заключающийся в увеличении гомогенности электролита и повышении коэффициента диффузии лития, достигается тем, что в известном гельполимерном электролите, содержащем полимерную матрицу, органический растворитель и неорганическую ионогенную соль лития, согласно изобретению в качестве полимерной матрицы используется перфторполиэфир средней молекулярной массы (0,5-1,0)⋅10⁵ при следующем массовом соотношении компонентов, мас.ч.:

перфторполиэфир - 100,

неорганическая ионогенная соль лития - 7-30,

органический растворитель - 80-140.

При таких значениях средней молекулярной массы полимер обладает хорошими пленкообразующими свойствами, что позволяет получить гельполимерный электролит с хорошими механическими свойствами.

Обоснование выбранных интервалов компонентов:

- уменьшение количества соли менее нижнего предела приводит к неравномерности распределения ее по полимерной матрице и, соответственно, к ухудшению проводящих свойств; увеличение количества соли лития более верхнего предела приводит к ухудшению электропроводности за счет выпадения кристаллов соли в осадок;

- уменьшение количества растворителя приводит к получению жесткого геля, что снижает его электропроводность, а увеличение количества растворителя приводит к ухудшению механических свойств гельполимерного электролита.

Гельполимерный электролит готовится следующим образом: порошок перфторполиэфира растворяют в диметилацетониде, тщательно перемешивают, выливают на специальное стекло и выдерживают в сушильном шкафу при t=100±5°С до получения пленки толщиной 10÷50 мкм. Затем пленка полимера пропитывается раствором соли лития в смеси пропиленкарбоната и тетрагидрофурана в закрытом бюксе в боксе, заполненном аргоном, в течение 18-20 часов.

В таблице приведены примеры конкретных составов и свойств заявленных гельполимерных электролитов.

Удельная электрическая проводимость прототипа ниже на 12-17%. Гельполимерный электролит прошел успешные испытания в аккумуляторе на основе системы литий-литий-титан фосфат (типоразмер 2325) и первичном элементе системы Li-МnО₂ (типоразмер 2025). На протяжении 250 циклов заряда-разряда аккумулятора и 320 часах разряда первичного элемента током 0,5 мА сохранялись стабильные электрохимические параметры как гельполимерного электролита, так и источников тока в целом.

Преимущества предлагаемого гельполимерного электролита заключаются в его высокой удельной электрической проводимости, электрохимической стабильности и химической инертности, чем он выгодно отличается от известных.

Источники информации

1. Патент РФ №2356131, опубл. 20.05.2009.

2. Патент РФ №2424252, опубл. 20.07.2011.

3. Патент РФ №2190903, опубл. 10.10.2002 г., Бюл. №28.