×
28.07.2018
218.016.76af

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОТРИЦАТЕЛЬНОГО ЭЛЕКТРОДА ЛИТИЙ-ИОННОГО АККУМУЛЯТОРА

Вид РИД

Изобретение

Юридическая информация Свернуть Развернуть
№ охранного документа
0002662454
Дата охранного документа
26.07.2018
Краткое описание РИД Свернуть Развернуть
Аннотация: Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при изготовлении отрицательных электродов литий-ионных аккумуляторов. Способ изготовления состоит в соединении металлической, преимущественно медной, подложки (для токосъема) и суспензии кремниевого материала. Материал электрода содержит медь и кремниевые микрочастицы и наночастицы. Их формируют одновременно в виде слоя толщины 10-50 мкм гальванически из электролита на гладкой подложке, с которой получаемый композиционный электрод снимают. Изобретение позволяет увеличивать емкость аккумулятора, благодаря увеличению площади поверхности кремния на единицу поверхности. 3 н.п. ф-лы, 2 пр.
Реферат Свернуть Развернуть

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при изготовлении отрицательных электродов литий-ионных аккумуляторов и литий-ионных аккумуляторов.

Известен /1/ материал отрицательного электрода литий-ионного аккумулятора на основе частиц графита и углеродных нанотрубок (как правило, толщиной 1-2 мкм), который наносится на металлический токосъемный электрод (толщиной 10-50 мкм).

Это позволяет увеличить стабильность работы аккумуляторной батареи при увеличении циклов перезарядки. Однако емкость такого материала не превышает 500 мА⋅ч/г.

Материалом, обладающим существенно большей емкостью, является кремний, для которого теоретическая максимальная емкость достигает 4200 мА⋅ч/г. На использование кремния в качестве отрицательного электрода направлено большое количество патентов. Известно использование кремния в качестве активного вещества отрицательных электродов литий-ионных аккумуляторов. Кремний обладает способностью внедрять гораздо большее количество лития, чем графит, что позволяет повысить удельную энергию всего аккумулятора. Например, известен /2/ способ получения наноструктурированного многослойного трехмерного композитного материала для отрицательного электрода литий-ионной батареи, отличающийся тем, что на первом этапе на токопроводящей подложке методом плазмохимического синтеза из газовой фазы в плазме электрического заряда постоянного тока формируют слой пленки нанокристаллического графита в виде трехмерной наноуглеродной структуры, а на втором этапе формируют трехмерный композитный материал, для чего пленку, выращенную на первом этапе, конформно покрывают по меньшей мере одним слоем активного анодного материала, в качестве которого используют кремнийсодержащий материал, наносимый поверх пленки равномерным слоем толщиной 0,03-0,5 мкм. Что касается равномерной пленки кремния толщиной 30 нм и даже толще, то получить можно или в виде островков или с порами из-за энергетических особенностей роста. И толщину делать более 100 нм (0,1 мкм) нецелесообразно, так как ионы лития при работе батареи не проникают на большую глубину. Также при попытке покрыть конформно углеродные наноструктурные элементы толщиной 0,5 мкм и даже менее они срастутся в сплошную кремниевую пленку, так как расстояние между наноструктуными углеродными элементами, как правило, не более 0,1 мкм.

Как было справедливо отмечено, в работе /3/ пленка кремния в литий-ионной батарее распадается на наночастицы с размером около 100 нм.

Известен /4/ способ изготовления тонкопленочного анода литий-ионных аккумуляторов на основе пленок наноструктурированного кремния, покрытого двуокисью кремния, включающий формирование тонкопленочного нанокомпозитного электродного материала на основе наноструктуры кремний-двуокись кремния и его нанесение на подложку, отличающийся тем, что формирование нанокомпозитного электродного материала и его нанесение на подложку осуществляют в одном технологическом цикле методом магнетронного распыления кремниевой мишени в среде аргона, содержащего 1-3% кислорода по объему, при этом содержание двуокиси кремния в пленке должно находиться в пределах 16-41 вес.%.

Недостатком является недостаточная емкость такого слоя, так как структура планарная и рабочая поверхность ограничена. За счет диффузии лития в кремний при комнатной температуре глубина проникновения составит не более 0,1 мкм (100 нм) за разумное время зарядки-разрядки. Поэтому эффективная емкость такой пленочной плоской кремниевой структуры с учетом максимальной емкости кремния 4200 мА⋅ч/г окажется менее 1 мА/см2. Учитывая, что токоподводящий медный электрод имеет толщину 15-50 мкм, то эффективность аккумуляторной батареи на единицу веса уменьшается значительно. Для увеличения емкости аккумулятора необходимо увеличивать площадь поверхности кремния, так чтобы значительно увеличить количество возможного запаса лития. Также необходимо обеспечивать надежный электрический контакт со всеми частицами кремния для обеспечения токосъема.

Известен /5/ способ изготовления отрицательного электрода литий-ионного аккумулятора, состоящий в соединении металлической, преимущественно медной подложки (для токосъема), и суспензии кремниевого материала.

В этом случае толщина подложки 10-50 мкм (с целью обеспечения достаточной проводимости и необходимых механических свойств при изготовлении аккумулятора). Толщина активного кремниевого слоя составляет не более 2 мкм (так как в случае большей толщины ухудшается проводимость слоя за счет большого электрического сопротивления между границами кремниевых частиц) и токосъем с отдельных кремниевых частиц.

Кремниевый анодный слой покрывает медный электрод, а литийсодержащий оксидный катодный слой покрывает алюминиевый электрод. Между электродами расположен пористый сепаратор. Электролит заполняет пространство между электродами. При зарядке элемента аккумуляторной батареи происходит перенос ионов лития от оксида металла, содержащего литий, через электролит в кремнийсодержащий слой. За счет диффузии лития в кремний при комнатной температуре глубина проникновения составит не более 0,1 мкм (100 нм) за разумное время зарядки-разрядки. Поэтому эффективная емкость такой пленочной плоской кремниевой структуры с учетом максимальной емкости кремния 4200 мА⋅ч/г окажется менее 1 мА/см2. Учитывая, что токоподводящий медный электрод имеет толщину 15-50 мкм, то эффективность аккумуляторной батареи на единицу веса уменьшается значительно. Для увеличения емкости аккумулятора необходимо увеличивать площадь поверхности кремния на единицу поверхности так, чтобы значительно увеличить количество возможного запаса лития. Также необходимо обеспечивать надежный электрический контакт со всеми частицами кремния для обеспечения токосъема. И для повышения удельной эффективности батареи на единицу веса необходимо совместить увеличение поверхности кремния, токопроводящую функцию электрода с функцией токосъема с отдельных кремниевых частиц и функцией удержания этих частиц в электроде. При увеличении площади поверхности кремния в десятки и сотни раз значительно возрастет емкость батареи. А совмещение функции и проводящей подложки и активного электрода значительно улучшит удельную эффективность батареи на единицу веса.

Указанные цели достигаются тем, что:

П.1. Способ изготовления отрицательного электрода литий-ионного аккумулятора, состоящий в соединении металлической, преимущественно медной, подложки (для токосъема) и суспензии кремниевого материала, отличающийся тем, что материал электрода, содержащий и медь и кремниевые микронаночастицы, формируют одновременно в виде слоя толщины 10-50 мкм гальванически из электролита на гладкой подложке, с которой получаемый композиционный электрод снимают.

П.2. Способ изготовления отрицательного электрода литий-ионного аккумулятора по п. 1, отличающийся тем, что кремниевые частицы размера 0,05-1 мкм вводят в электролит при его перемешивании для создания необходимой плотности кремния в объеме электролита и на поверхности электрода.

П.3. Способ изготовления отрицательного электрода литий-ионного аккумулятора по п. 1, отличающийся тем, что электрод помещают в печь в инертной среде или вакууме и выдерживают до 1 ч при температуре 500-700°С.

П.4. Способ изготовления отрицательного электрода литий-ионного аккумулятора по п. 1, отличающийся тем, что содержание частиц кремния достигает 50 об.% от объема электрода.

Способ формирования электрода осуществляют в электролитической ванне с электролитом на основе сернокислой меди с добавками, например, хлористых солей меди, крахмала, желатина, тиомочевины, или без добавок. В такой электролит вводят кремний с размерами 0,05…1 мкм путем перемешивания механическими мешалками или барботирования газами, например воздухом. Размеры частиц кремния выбирают исходя из диффузионных параметров лития в кремний и прогнозируемых времени зарядки и времени работы батареи. Кремний может быть получен путем измельчения в мельницах с последующим сепарированием в центробежных сепараторах. Окончательный отбор размеров частиц осуществляют подбором режимов перемешивания электролита. Медно-кремниевый электрод изготавливают промышленным способом на вращающемся барабанном катоде, изготовленным, например, из нержавеющей стали. Медь осаждается на вращающемся барабанном катоде; в процессе роста на шероховатую поверхность осаждаются также микронаночастицы кремния, вокруг которых непрерывно осаждается медь и новые кремниевые частицы из раствора. Медные контактные столбики растут вдоль линий тока при электролизе, то есть к катоду и вдоль кремниевых частиц. Осажденный медно-кремниевый электрод непрерывно отдирается от барабана катода и наматывается на накопительный барабан. В результате роста толщины электрода формируется медно-кремниевый композит, в котором каждая частица кремния имеет контакт с медью и эффективная кремниевая поверхность электрода возрастает в сотни и тысячи раз. Таким образом, для ионов лития при работе батареи будет доступна большая поверхность кремния. И при той же толщине электрода эффективная емкость аккумулятора на единицу веса будет значительно больше. Механические свойства электрода на разрыв, пористость и шероховатость зависят от состава (концентрации компонентов) электролита, плотности тока, и от вводимых добавок.

В результате получается электрод, в котором содержание кремния может достигать 50 об.%.

Более надежный контакт меди с кремниевыми частицами может быть достигнут при отжиге в вакуумной или газовой атмосфере при температурах 500-700°С.

Пример. 1

Состав электролита

Сернокислая медь 200 г/л

Серная кислота 50 г/л

Добавлен кремний металлургический КР 00 размолотый в шаровой мельнице и отобранный на сепараторе (с размерами 0,1...1 мкм) в количестве 50 г/л. Включают перемешивание электролита с целью получения взвеси частиц.

Плотность тока электролита 30 А/дм2.

Получена фольга толщиной 30 мкм. Кремниевые частицы расположены и вблизи поверхности и в объеме фольги в узких порах. Поры и микрочастицы кремния соединяются между собой и углубляются в объем фольги.

Пример 2

Состав электролита

Сернокислая медь 200 г/л

Серная кислота 50 г/л

Добавлен кремний металлургический КР 00 размолотый в шаровой мельнице и отобранный на сепараторе с размерами 0,1…1 мкм в количестве 50 г/л.

Включают перемешивание электролита с целью получения взвеси частиц.

Плотность тока электролита 30 А/дм2.

Получена фольга толщиной 30 мкм. Кремниевые частицы расположены и вблизи поверхности и в объеме фольги в узких порах.

Проведен отжиг фольги с кремнием при температуре 600°С в течение часа. Заметно взаимодействие частиц кремния с медью в некоторых местах пор.

Литература.

1. Патент РФ №2282919. Углеродсодержащий материал для литий-ионного аккумулятора и литий-ионный аккумулятор. Филиппов А.К., Федоров М.А., Филиппов Р.А. опубл. 27.08.2006.

2. Патент РФ №2459319. Суетин Н.В., Рахимов А.Т., Иткис Д.М., Кривченко В.А., Евлашин С.А., Пилевский А.А., Семененко Д.А. Способ получения наноструктурированного многослойного трехмерного композитного материала для отрицательного электрода литий-ионной батареи, композитный материал, отрицательный электрод и литий-ионная батарея.

3. Кулова Т.Л. Необратимые процессы на электродах литий-ионного аккумулятора. Автореферат диссертации. 2011 г. Москва.

4. Способ изготовления тонкопленочного анода литий-ионных аккумуляторов на основе пленок наноструктурированного кремния, покрытого двуокисью кремния. Рудый А.С., Бердников А.Е., Мироненко А.А.), Гусев В.Н., Геращенко В.Н., Метлицкая А.В., Скундин А.М., Кулова Т.Л. опубл. 27.01.2013.

5. Патент РФ 2451368, ГРИН Мино (GB), ЛЮ Фэн-Мин (GB) Способ изготовления структурированных частиц, состоящих из кремния или материала на основе кремния, и их применение в перезаряжаемых литиевых батареях, кл. Н01М 4/38, опубл. 20.05.2012 г.

Источник поступления информации: Роспатент

Показаны записи 1-4 из 4.
25.08.2017
№217.015.9de0

Способ адаптивной передачи информации по каналу связи в реальном времени и система для его осуществления

Изобретение относится к области радиосвязи. Технический результат заключается в повышении пропускной способности при передаче данных. В способе на передающей стороне запоминают в массиве передаваемые блоки данных, накапливая оптимальный объем блока, в другом массиве - запросы на повтор от...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002610686
Дата охранного документа: 14.02.2017
26.07.2018
№218.016.758c

Способ изготовления полупроводниковой структуры, содержащей p-n-переход под пленкой пористого кремния для реализации фотоэлектрического преобразователя

Изобретение относится к области изготовления полупроводниковых структур с p-n-переходом и может быть использовано для изготовления фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) солнечной энергии. Предложен способ изготовления полупроводниковой структуры, содержащей p-n-переход под пленкой пористого...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002662254
Дата охранного документа: 25.07.2018
08.03.2019
№219.016.d3f1

Высоковольтное реле

Изобретение относится к области электротехники, а именно к высоковольтным вакуумным реле, и может быть использовано также для переключения различных высоковольтных слаботочных цепей. Техническим результатом, достигаемым при этом, является увеличение величины коммутируемого напряжения....
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002681200
Дата охранного документа: 05.03.2019
12.10.2019
№219.017.d4f5

Способ упрочнения металлических поверхностей

Изобретение относится к упрочнению поверхности металлической детали. Поверхность детали обрабатывают ударами тел массой от 0,1 до 1000 граммов механическим импульсом с кинетической энергией до 10 Дж. В зону обработки подают упрочняющие микронаночастицы. В результате обеспечивается создание на...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002702670
Дата охранного документа: 09.10.2019
Показаны записи 1-10 из 10.
10.04.2015
№216.013.3b3a

Магнитоуправляемый герметизированный контакт

Изобретение относится к области электротехники, в частности к конструкции магнитоуправляемых герметизированных контактов, и может быть использовано при промышленном производстве этих приборов. Техническим результатом изобретения является повышение стабильности работы магнитоуправляемого...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002546650
Дата охранного документа: 10.04.2015
20.08.2015
№216.013.7210

Способ производства взрывчатых веществ

Изобретение относится к области производства промышленных взрывчатых веществ. Способ включает подготовку исходных компонентов в необходимых соотношениях, загрузку в смеситель, смешение компонентов, выгрузку и упаковку готового продукта. При этом дозирование и загрузка осуществляется в...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002560770
Дата охранного документа: 20.08.2015
13.01.2017
№217.015.6cab

Способ легирования кремния

Изобретение относится к технике, связанной с процессами ионно-плазменного легирования полупроводников и может быть использовано в производстве солнечных элементов, полупроводниковых приборов и интегральных микросхем на основе кремния. Способ легирования кремния заключается в том, что пластину...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002597389
Дата охранного документа: 10.09.2016
13.01.2017
№217.015.74dc

Способ легирования полупроводниковых пластин

Изобретение относится к технологии, связанной с процессами легирования и диффузии примесей в полупроводники, а именно к способам диффузионного перераспределения примеси с поверхности по глубине полупроводниковых пластин, и может быть использовано в производстве солнечных фотоэлементов,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002597647
Дата охранного документа: 20.09.2016
22.08.2018
№218.016.7e2a

Способ изготовления геркона с азотированными и наноструктурированными контактными поверхностями

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электронной промышленности при изготовлении герметизированных магнитоуправляемых контактов (герконов). Техническим результатом является ограничение объема массопереноса при каждом срабатывании и создание условий на...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002664506
Дата охранного документа: 20.08.2018
05.09.2018
№218.016.832e

Способ изготовления геркона с азотированными контактными площадками

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в электронной промышленности при изготовлении герметизированных магнитоуправляемых контактов (герконов). Техническим результатом является повышение качества и ресурса работы за счет локализации азотируемых контактных площадок в...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002665689
Дата охранного документа: 04.09.2018
08.03.2019
№219.016.d3f1

Высоковольтное реле

Изобретение относится к области электротехники, а именно к высоковольтным вакуумным реле, и может быть использовано также для переключения различных высоковольтных слаботочных цепей. Техническим результатом, достигаемым при этом, является увеличение величины коммутируемого напряжения....
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002681200
Дата охранного документа: 05.03.2019
04.04.2019
№219.016.fcbc

Способ изготовления магнитоуправляемого герметизированного контакта

Изобретение относится к области электротехники, в частности к способам создания магнитоуправляемых герметизированных контактов, и может быть использовано в промышленном производстве этих приборов. Техническим результатом изобретения является повышение стабильности его работы в разных режимах в...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002459303
Дата охранного документа: 20.08.2012
12.10.2019
№219.017.d4f5

Способ упрочнения металлических поверхностей

Изобретение относится к упрочнению поверхности металлической детали. Поверхность детали обрабатывают ударами тел массой от 0,1 до 1000 граммов механическим импульсом с кинетической энергией до 10 Дж. В зону обработки подают упрочняющие микронаночастицы. В результате обеспечивается создание на...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002702670
Дата охранного документа: 09.10.2019
23.05.2023
№223.018.6e4e

Устройство для массового изготовления герконов с азотированными контактными площадками

Заявленное изобретение предназначено для использования в электронной промышленности при изготовлении герметизированных магнитоуправляемых контактов (герконов) с азотированными контактными поверхностями. Технический результат изобретения заключается в повышении производительности оборудования...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002795947
Дата охранного документа: 15.05.2023
+ добавить свой РИД