Литиевые источники тока



Рисунок 3.2 Разрядные характеристики макетов литий-диоксид марганцевых элементов



Рисунок 3.3 Разрядные характеристики литиевых электродов



Рисунок 3.4 Разрядные характеристики макетов литий-диоксид марганцевых элементов



4. РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

Элемент с ГПЭ (использованы чертежи CR2325 ОАО “Энергия”)

а) Полный объем положительного электрода:

V+= (р•d2)•L/4= 3,14•1,92•0,1498/4= 0,425 см3

б) Объем твердой фазы электрода (в качестве оптимальной пористости выбрана пористость 50%):

Vтв= V+•(1-ч) = 0,425?(1-0,5)= 0,2125 см3

в) Определение массы твердого вещества в объеме положительного электрода:

mакт=mMnO2+mток пров. доб +mфп.=mакт•0,8 +mакт•0,1 +mакт•0,1

Vтв = mакт•0,8/с MnO2+ mакт•0,1/сток пров. доб + mакт•0,1/с фп

0,2125 = mакт•0,8/5,36+ mакт•0,1/2,2+ mакт•0,1/1,43

mакт = 0,88г

Рассчитаем массы компонентов:

mMnO2= 0,8•mакт = 0,704г

mток пров. доб = 0,1•mакт = 0,088г

mфп= 0,1•mакт = 0,088г

г) Определение массы электролита в объеме положительного электрода

Vж=0,425-0,2125=0,2125 см3

Электролит:

Материал - раствор LiClO4 в смеси сорастворителей ПК и ТГФ (40% и 60%)

сэл = 1,27 г/см3

Масса электролита mэл.к = сэл * Vж = 0,2699г

Масса катода mк = mакт + mэл.к = 0,88+0,2699 = 1,1499г

г) Реальная емкость элемента:

Сэл, реал.= mакт•Ск.реал = 0,88•0,25= 0,22 А•ч

д) Масса элемента

Базовые элементы конструкции оставим неизменными, поэтому:

mконст = mкорп + mкрыш = 1,03+0,70 = 1,73г

mтс = mпол + mотр = 0,016 + 0,014 = 0,03г

Масса прокладки

Материал - полипропилен

спп = 0,989г/см3

mпрок= спп •Vпрок= спп?((р/4)?(D2-dмен2)•hниж+(р/4)?(D2-dср2)•hверх+(р/4)?(dвыс 2-dмен2)•hвыс) = 0,989•((3,14/4)•(2,2452-1,92)•0,13+(3,14/4)•(2,2452-2,1952)•0,09+(3,14/4) •(1,962-1,92)•0,02) = 0,16г

Масса активного материала анода

Материал - литий

сL i= 0,56г/см3

mLi = сL i?VLi = (сL i?р?d2?h)/4 = (0,56?3,14?1,852?0,05)/4 = 0,075г



Масса электролита

Материал - пленка полимера (полисульфона) пропитанная пластификатором (раствор LiClO4 в смеси сорастворителей ПК и ТГФ (40% и 60%)).

Масса полимерной основы

спол = 1,215 г/см3

mпол = спол•Vпол = (спол•р•dпол2•hпол)/4 = (0,215•3,14•2,22•0,0001)/4 = 0,0008г

Масса пластификатора

спласт = 1,27 г/см3

mпласт = спласт•Vпласт в эл + спласт•Vпласт в пол = сэл•(р•dпол эл2•hпол эл ?ч/4) +сэл•(р•dпол2•?hнаб/4)= 1,27•(3,14•1,92•0,1498•0,5/4)+1,27•(3,14•2,22•0,0001/4) = 0,270г

m пол эл = mпол + mпластиф = 0,270 + 0,0008 = 0,2708г

Масса элемента

mэлем. = mLi + mк. + mконст + mтс + mпрок + m пол эл =0,075+1,1499 +1,73+0,03+0,16+0,2708= 3,4157г

е) Реальная удельная емкость элемента:

Сэл, реал. уд.= Сэл, реал/mэл = 0,22/3,4157= 0,0644 А•ч/г

ж) Реальная энергия элемента

Примем за среднее разрядное напряжения элемента напряжение полученное при испытаниях положительного электрода в 3 В

Wэл, реал.= Сэл.реал•U = 0,22•3= 0,66 Вт•ч

з) Реальная удельная энергия элемента

Wэл, реал. уд.= Wэл, реал/mэл= 0,66/3,4157 = 0,1932 Вт•ч/г

и) Реальная мощность на расчетный режим (0,25мА)

Pреал = I•U=0,00025•3 =0,00075 Вт

к) Реальная удельная мощность на расчетный режим (0,25мА)

Pреал = I•U/ mэл =0,00025•3/3,4157г =0,000219 Вт/г

Элемент с ТПЭ (использованы чертежи CR2325 ОАО “Энергия”)

а) Полный объем положительного электрода:

V+= (р•d2)•L/4= 3,14•1,92•0,1498/4= 0,425 см3

б) Объем твердой фазы электрода:

Vтв= V+= 0,425 см3

в) Определение массы твердого вещества в объеме положительного электрода:

mакт=mMnO2+mток пров. доб +mтпэ.=mакт•0,8 +mакт•0,1 +mакт•0,1

Vтв = mакт•0,8/с MnO2+ mакт•0,1/сток пров. доб + mакт•0,1/с фп

0,425= mакт•0,8/5,36+ mакт•0,1/2,2+ mакт•0,1/1,43

mакт = 1,605г

Рассчитаем массы компонентов:

mMnO2= 0,8•mакт = 1,284г

mток пров. доб = 0,1•mакт = 0,1605г

mтпэ= 0,1•mакт = 0,1605г

г) Реальная емкость элемента:

Сэл, реал.= mакт•Ск.реал = 1,605 •0,25= 0,4013 А•ч

д) Масса элемента

Базовые элементы конструкции оставим неизменными, поэтому:

mконст = mкорп + mкрыш = 1,03+0,70 = 1,73г

mтс = mпол + mотр = 0,016 + 0,014 = 0,03г

Масса прокладки

Материал - полипропилен

спп = 0,989г/см3

mпрок= спп •Vпрок= спп?((р/4)?(D2-dмен2)•hниж+(р/4)?(D2-dср2)•hверх+(р/4)?(dвыс 2-dмен2)•hвыс) = 0,989•((3,14/4)•(2,2452-1,92)•0,13+(3,14/4)•(2,2452-2,1952)•0,09+(3,14/4) •(1,962-1,92)•0,02) = 0,16г

Масса активного материала анода

Материал - литий

сL i= 0,56г/см3

mLi = сL i?VLi = (сL i?р?d2?h)/4 = (0,56?3,14?1,852?0,05)/4 = 0,075г

Масса электролита

Материал - пленка полимера (полисульфона) пропитанная пластификатором (раствор LiClO4 в смеси сорастворителей ПК и ТГФ (40% и 60%)).

Масса полимерной основы

спол = 1,215 г/см3

mпол = спол•Vпол = (спол?р?dпол2•hпол)/4 = (0,215•3,14•2,22•0,0001)/4 = 0,0008г

Масса пластификатора

спласт = 1,27 г/см3

mпласт = спласт•Vпласт в эл + спласт•Vпласт в пол = сэл•(р•dпол эл2•hпол эл ?ч/4) +сэл•(р•dпол2•?hнаб/4)= 1,27•(3,14•1,92•0,1498•0,5/4)+1,27•(3,14•2,22•0,0001/4) = 0,270г

m пол эл = mпол + mпластиф = 0,270 + 0,0008 = 0,2708г

Масса элемента

mэлем. = mLi + mк. + mконст + mтс + mпрок + m пол эл =

=0,075+1,605 +1,73+0,03+0,16+0,2708= 3,8708г

е) Реальная удельная емкость элемента:

Сэл, реал. уд.= Сэл, реал/mэл = 0,4013/3,8708= 0,1038 А•ч/г

ж) Реальная энергия элемента

Примем за среднее разрядное напряжения элемента напряжение полученное при испытаниях положительного электрода в 3 В

Wэл, реал.= Сэл.реал•U = 0,4013•3= 1,2039 Вт•ч

з) Реальная удельная энергия элемента

Wэл, реал. уд.= Wэл, реал/mэл= 1,2039/3,8708 = 0,311 Вт•ч/г

и) Реальная мощность на расчетный режим (0,25мА)

Pреал = I•U=0,00025•3 =0,00075 Вт

к) Реальная удельная мощность на расчетный режим (0,25мА)

Pреал = I•U/ mэл =0,00025•3/3,8708г =0,000134 Вт/г

В таблице 4.1 приведено сравнение характеристик исследуемых элементов с ГПЭ и ТПЭ, а также с ближайшим аналогом - зарубежным литий-диоксид марганцевым элементом фирмы Matsushita

Таблица 4.1. - Характеристики источников тока

Тип источника тока	Элемент с ТПЭ	Элемент с ГПЭ	Li/MnO2 фирмы Matsushita [6]
Емкость, А•ч	0,4013	0,22	0,19
Уд. емкость А•ч/г	0,1038	0,0644	0,0594
Энергия, Вт•ч	1,2039	0,66	0,57
Уд. энергия, Вт•ч /г	0,311	0,1932	0,178

По результатам сводной таблицы можно сделать вывод, что емкость исследуемого источника тока с ТПЭ на 82,4% выше емкости элемента с ГПЭ и на 111,2 % превышает ближайший аналог -литий-диоксид марганцевый элемент фирмы Matsushita.



Выводы

1. Проведен сравнительный анализ макетов литий-диоксид марганцевых элементов с твердополимерным и жидким электролитом. Установлены особенности работы, преимущества и недостатки данных элементов.

2. Показано, что сравнительно невысокая электропроводно твердополимерного электролита может несколько ограничивать область применения твердофазных систем для высокомощных потребителей в пользу элементов с гелеобразным электролитом.

3. Установлено, что при взаимодействии с гель-полимерным электролитом поляризация литиевого электрода в процессе разряда несколько возрастает, вероятно из-за взаимодействия пластификатора с металлическим литием. Данные эффект не возникает при контакте литиевого электрода с твердополимерным электролитом в составе макета твердофазного источника тока ввиду низкой химической активности полимера по отношению к литию.

4. В процессе хранения макетов элементов установлено, что саморазряд твердофазного макета литиевого источника тока в отличие от макета с гелеобразным электролитом практически неподвержен саморазряду, так как в порах его катода полностью отсутствует агрессивный жидкий электролит.

5. Расчетным методом показано, что по энергетическим параметрам твердофазные литиевые источники тока в типоразмере CR-2325 значительно превосходят аналоги с гельполимерным и жидким электролитом



Список литературы

1.Кедринский И.А., Дмитриенко В.Е., Грудянов И.И. Литиевые источники тока. - М.: Энергоатомиздат.- 1992. - 241 с

2.Технические ресурсы c айта http://www.power.info

3.Хрусталёв Д.А. Аккумуляторы. М: Изумруд, 2003.

4. Багоцкий В.С., Скундин А.М. Химические источники тока. М.: Энергоиздат, 1981. 360 с.

5. Кромптон. Т. Первичные источники тока. Москва. «Мир». 1986.г.

6. Коровин Н.В. Химические источники тока: Справочник. - Москва: Издательство МЭИ. - 2003. - 740 с.

7. Электротехнический справочник. В 3-х т. Т.2. Электротехнические изделия и устройства/под общ. ред. профессоров МЭИ (гл. ред. И. Н. Орлов) и др. 7 изд. 6 испр. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1986. 712 с.

8.Сербиновский М.Ю. Литиевые источники тока: конструкции, электроды, материалы, способы изготовления и устройства для изготовления электродов / Рос. гос. ун-т. - Ростов-н/Д: РГУ, 2001. - 155 с.

9. Н.Л.Глинка. Общая химия. Издательство "Химия" 1977.

10.. Н.В. Коровин, Э.Л. Филиппов. "Электрохимические процессы". - Москва, 1973 г. -374с.

11. А.И. Левин "Теоретические основы электрохимии". - М.: Металлургия, 1972- 391 с.

12.Ковшов А. Н., Назаров Ю. Ф., Ибрагимов И. М. Основы нанотехнологии в технике; Академия - Москва, 2011. - 240 c

13. Технические ресурсы сайта http://www.ru.wikipedia.ru

14.Багоцкий B.C., Скундин A.M. Проблемы в области литиевых источников тока // Электрохимия.- 1995. - Т.31. - №4. - С.340

15. Елецкий, А.В. Углеродные нанотрубки // Успехи физических наук. - 1997. - Т 167, №9 - С. 945 - 972

16. Анализ мирового и российского рынка литиевых источников тока и перспективы его развития / Сост. Н.Е. Смольская. М: Институт промышленного развития.- 1995. - 63 с.

17. Фатеев С.А. Современные источники тока для кардиоэлектроники // Электрохимическая энергетика. 2011. - Т. - 11, №4. - с. 223-228

18.Цветников А.К., Попович А.А., Онищенко Д.В., Обляков Д.Ю., Курявый В.Г. Инновационные катодные материалы для первичных литиевых источников тока// Исследовано в России.-2007.-C 1-2, 16-18.

19Солнцев Ю. П., Пряхин Е. И., Вологжанина С. А., Петкова А. П. Нанотехнологии и специальные материалы; Химиздат - Москва, 2009. - 336 c.

20. Ковшов А. Н., Назаров Ю. Ф., Ибрагимов И. М. Основы нанотехнологии в технике; Академия - Москва, 2011. - 240 c

21. Титов А.А., Воробьева М.В., Куршева В.В., Гусев А.Л. Перспективные катодные материалы для литий - ионных источников тока: преимущества и недостатки //Альтернативная энергетика и экология. 2011. № 12. С. 112 -126.

22. Данилин Б.С. Вакуумные технологические процессы и оборудование микроэлектроники / Данилин Б.С. - М.: Машиностроение, 1987. - 71 с.

23. Блинов И.Г., Мелехин Ю.Я., Панфилов Ю.В. Процессы и оборудование для нанесения тонких пленок в вакууме. Уч. пособие. М.: Изд. МИЭТа, 1987. - 72 с. Пат. 4763602 США, МКИ 54 0 С23 С14

23.Волков Г. М. Объемные наноматериалы; КноРус - Москва, 2011. - 168 c.

24. Федосеева Ю.В. Рентгеноспектральное исследование электронной структуры фторированных углеродных нанотрубок: Автореф. Дис … канд. физ. мат. наук.- Новосибирск, 2011.-С 1-2

25. Красовский А.М. Получение тонких пленок распылением полимеров в вакууме / А.М. Красовский, Е.М. Толстопятов. - Минск: «Наука и техника», 1989. - 208 с.

26. Скундин А.М. Современное состояние и перспективы развития исследований литиевых аккумуляторов / Скундин А.М., Ефимов О.Н., Ярмоленко О.В. // Успехи химии. - 2002. -Т. 71, № 4. - С. 379.

27.Состояние и перспективы развития производства химических источников тока в России// Аналитич.записка.-Москва.- 2007.- 4c.

28. Онищенко Д.В. Современное состояние вопроса использования,развития и совершенствования химических источников тока// Исследовано в России.-2007.-C 1, 7

29. Материалы сайта powerpuck.ru

Размещено на Allbest.ru