Teil Heim
Produktion, Amateur
Funkamateur
Modellflugzeuge, Raketen-
Nützlich, unterhaltsam 		Stealth - Master
Elektronik
Physik
der Technik
Erfindung 		Raum Geheimnis
Erde Mysteries
Secrets of the Ocean
List
Kartenausschnitt
Anfang
Forum
Verwendung des Materials ist für die Referenz (für Websites - Hyperlinks) zulässig
Erfindung
Russische Föderation Patent RU2295178

SOLID NEBEN Source-Strom

SOLID NEBEN Source-Strom

Name des Erfinders: Potanin Aleksandr Abramovich
Der Name des Patentinhabers: Gesellschaft mit beschränkter Haftung "Hochenergiebatteriesystem" (OOO "VEBS")
Korrespondenzanschrift: 607189, Region Nischni Nowgorod, Sarow Str.. Silkin, 5, kv.40, Ltd. "VEBS" AA Potanin
Startdatum des Patents: 2005.04.21

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Elektrotechnik, insbesondere auf die sekundären elektrochemischen Stromquellen (Batterien). Gemäß der Erfindung wird ein Festkörper-Sekundär besteht Stromquelle aus einer Anode aus einem Metall oder einer Metalllegierung, deren Fluorierung führt zu einem Fluorid oder Fluoriden mit einer hohen isobar Potentialbildung von Elektrolyt in Form eines Festkörper-Fluor-Ionenleiter mit hoher ionischer und niedrige elektronische Leitfähigkeit und eine Kathode in Form von Fluorid oder eine feste Lösung von Fluoriden mit niedrigem Isobornyl Bildungspotential, wobei die Anode und die Kathode sind reversibel bezüglich Fluorionen bei Spannungen niedriger als die Spannung der Festelektrolytzersetzung und Anode, Elektrolyt und Kathode enthalten in ihrer Zusammensetzung mindestens eine Komponente, die Zerstörung der Festkörper-Batterie verhindert in Lade-Entlade-Zyklen. Das technische Ergebnis der Erfindung ist es, die spezifischen Energieeigenschaften von Sekundärbatterien und Langzeitarchivierung von elektrischer Energie zu verbessern.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Elektrotechnik, nämlich an den sekundären elektrochemischen Energiequelle (Batterien), vor allem die Verwendung von die elektronischen und mikroelektronischen Vorrichtungen in Telekommunikationssystemen und Laptop - Computer, Elektrofahrzeuge und andere Geräte, für die der Betrieb mit hoher Energie und sichere sekundäre elektrochemische Stromquellen erforderlich ( Batterien) mit geringer Selbstentladung.

Ein vielversprechender Ebene für diese breitere Anwendungen können die folgenden Parameter der Sekundärbatterien in Betracht gezogen werden:

  • Der spezifische Energieverbrauch von 500 Wh / kg,
  • Die Dichte der elektrischen Energie von 600 Wh / l,
  • Die Anzahl der Lade- / Entladezyklen um das Jahr 1000,
  • Die Selbstentladung von 1-3% pro Jahr.

Um die höchsten spezifischen Energieeigenschaften von elektrochemischen Stromquellen sind die günstigste Ausführung des laufenden Bildungsreaktion mit dem elektropositivste Kation Li + und (oder) mit dem elektronegativste Anion F erreichen -.

Zur gleichen Zeit für die elektrochemische Quellen mit hoher spezifischer Energieparameter dringender wird das Problem der Sicherheit der Stromquellen. Nach den / 1 / Ebene Energiedichte chemische Stromquellen Perspektive 500-1000 Wh / dm 3 bzw. 1,8-3,6 kJ / cm 3 ist bereits vergleichbar mit dem Energieniveau explosive Umwandlung von Sprengstoffen wie TNT (6.7 kJ / cm 3). In dieser Hinsicht sind in der Gruppe der elektrochemischen Quellen mit hoher spezifischer Energieparameter die vielversprechendste Festkörperstromquellen, in denen die Anode, Elektrolyt und Kathode sind fest und Festphasenstrom erzeugenden Reaktionen mit dem stabilen Festphase als Kathode und der Anode beim Aufladen und Entladen erreicht wird. In dieser Richtung wird die energieintensivsten und sicheren festen Stand ftorionnye Stromquellen bezogen auf die festen Ionenleiter von Fluorionen / 1 /. Für breitbandige und feste Lösungen von Fluoriden mit Fluoriden Dotierstoffe sind durch eine hohe Mobilität von Fluorionen und Fluor bzw. hohe Ionenleitfähigkeit in der festen Phase gekennzeichnet. Zur gleichen Zeit gibt es eine Korrelation mit der Mobilität des Anions Gitterparameter / 2 /.

Divalente Verbindungen wie MF 2 (M = Ca, Sr, Ba, Cd und Pb) mit einem kationischen Koordinationszahl von 8 - Fluorite.

Divalente Verbindungen wie MF 2 (M = Mg, Mn und Zn) -Verbindung mit einer Koordinationszahl von 6 - Rutil.

Dreiwertige Verbindung MF 2, wobei M = Al, Se und In; M = Y, Gd, und Bi; M = La gehören dem verformten Typ ReO 3, YF 3 und tisonitnogo artigen Strukturen geben jeweils mit dem Kationenkoordinationszahlen 6, 9 und 11.

Lithiumfluorid hat die Struktur hexagonal Koordination mit NaCl. Tetroftorid Zirkonium und ThF 4 sind kationische Koordinationszahl gleich 8 ist , und auf die Struktur der ZrO 4 beziehen.

flyuaritnye So tisonitnye Struktur und kationische Koordinationszahlen 8, 9 und 11 eine hohe Mobilität von Fluorionen und kationische Polarisierbarkeit mit zunehmender anionische Leitfähigkeitserhöhung beobachtet, während der Radius kationische Erhöhung - Reduzierung.

Mit diesen oder anderen festen Fluor-Ionenleiter zu einer breiten Gruppe von Stromquellen patentierten bekannt.

Bekannte Solid-State-Stromquellen auf der Basis der festen Ionenleiter Fluorid, die und Entladevorgänge aufladen kann, das heißt, bis zu einem gewissen Grad können sie zur sekundären Stromquellen zurückzuführen. Folgendes ist eine Zusammensetzung, in der / 3 / Rabatt Stromquellen Insbesondere die im entladenen Zustand:

  • C / PbF 2 (mit Zugabe von KF) / Ag,
  • Pb / PbF 2 (mit Zugabe von KF) / Ag,
  • Pb / PbF 2 (mit Zugabe von KF) / Cu,
  • C / PbF 2 (mit Zugabe von KF) / Cu,
  • C / PbF 2 (mit Zugabe von KF) / C

und berechnet die folgende:

  • Pb / PbF 2 (mit Zusatz von KF) / AgF / Ag,
  • Pb / PbF 2 (mit Zugabe von KF) / CuF 2 / Cu,
  • Pb / PbF 2 (mit Zugabe von KF) / PbF 2 / C.

In diesen Energiequellen ist ein fester Elektrolyt polykristalline Zusammensetzung, die aus Bleifluorid mit dem Zusatz von Kaliumfluorid. Unter Verwendung des Elektrodenpaars von Blei - Silberfluorid in Sekundärbatterien wird durch Reversibilität der Elektrodenprozesse aus, die ihre Verwendung als Primär- und einer Sekundärstromquelle ermöglicht. Wenn jedoch die Energiequelle in der Ausführungsform der sekundären verwendet wird, die in dem Ausführungsbeispiel ist, hat die Batterie einen niedrigen Energieverbrauch. Dies ist, weil, wenn die Batterieladung von Bleianode durch Elektrolyse des Festelektrolyten ausgebildet ist, und besteht aus Bleifluorid, die zur Zerstörung der Elektrolytschicht führt. Als Ergebnis kann die Sekundärquelle der Vorrichtung realisiert werden, wenn der Ladezyklus geringe Ladungskapazität und folglich die Stromversorgung eine niedrige Kapazität aufweist. Zum Beispiel in einem Festkörper-chemische Stromquelle / 3 / elektrische Kapazität ist -0.65 mAh. Eine Erhöhung der Kapazität des Gerätes kann nur durch eine Erhöhung der Größe erreicht werden, was nicht immer akzeptabel und gerechtfertigt ist, als Stromquellen in diesem Fall eine sehr niedrige spezifische Eigenschaften aufweisen. Insbesondere aus den Daten in / 3 / Merkmale galvanischen Sekundärbatteriezellen (elektrische Kapazität von 0,65 mAh, einem Durchmesser von 15 mm, einer Dicke von etwa 1 mm, die durchschnittliche Dichte von etwa 8 g / cm 3 und eine Entladungsspannung von ungefähr 1 V), der spezifische Energieverbrauch ist 0 45 Wh / kg und die Energiedichte von 3,6 Wh / l. Wenn also die eigentliche Umzug in die Batterie-Design, werden diese Parameter um 30-50% reduziert. So haben in / 3 /, fest Sekundärbatterien Einstellungen sehr geringer Leistung wie vorgeschlagen. Beispielsweise eine Nickel-Cadmium-Batterien, ist die Höhe dieser Parameter 70 Wh / kg und 120 Wh / l und für eine Lithium-Ionen - 130 Wh / kg und 300 Wh / l.

In der Stromquelle / 4 / vorgeschlagen, ist es möglich, die Höhe der Nickel-Cadmium-Batterien leicht spezifische Energieeigenschaften erhöhen und nähern. Dies wird in der in der patentierten Stromquelle erreicht , bestehend aus einer Anode auf Bleibasis, wobei die Kathode, Silberfluorid enthält , und fluoridionenleitenden Elektrolyten, der BaF eines Fluorids der seltenen Erdmetalle, wie LaF 3, Alkalimetallfluorid, beispielsweise aus 2 und Alkalimetallfluorid, beispielsweise KF oder LiF tritt tiefer Elektrolyse PbF 2 -Schicht in der Anode während des Ladevorgangs , da der Elektrolyt chemisch stabil ist und zersetzt sich nicht bei der Ladespannung. Von den Eigenschaften der Zelle (elektrische Kapazität von 80 mAh, einem Durchmesser von 20 mm, Dicke 1 mm, die durchschnittliche Dichte von etwa 7 g / cm 3 und eine Entladungsspannung von ungefähr 1 V) angegeben in / 4 /, der spezifische Energieverbrauch von galvanischen Elementen 35 W ist · h / kg und 250 Wh / l und die Batterie 20 bzw. zu erwarten Wh / kg und 130 Wh / l. Dies ist eine ziemlich niedrige Eigenschaften für zukünftige Anwendungen.

Diese bekannten Stromquellen sind durch einen niedrigen Stromverbrauch aufgrund des geringen Stromverbrauchs der Anode Wechselwirkung mit Bleifluorid aus. Theoretisch B. die Energie der Wechselwirkung der Anodenleitung mit Fluor entspricht 219 Ah / kg Anode oder 26,5 Ah / dm 3 und der Anodenstromquellen haben eine niedrige Leerlaufspannungswert von 1,2-1,3 (OCV)

Ferner sind die Vorrichtung genannten sekundären Solid-State-Stromquellen nicht gelösten Probleme in der Anoden- und Kathodenstrukturen entstehen, sondern auch an den Schnittstellen Anode / Elektrolyt und Kathode / Elektrolyt während des Flusses von Lade- und Entlade-Prozesse. Diese Probleme ergeben sich aus der Tatsache , dass für die anodische Reaktion während der Ladungs PbF 2 + 2e - <-> 2F - + Pb aufgrund des Unterschieds in der Dichte der PbF 2 und Pb Menge der festen Phase nimmt um 37% (während der Entladung ansteigt, jeweils), und für die Kathode, beispielsweise gegen eine Gebühr von Ag + 2F - <-> AgF 2 + 2e - die Menge der festen Phase erhöht sich um 110% (wenn die Entladung entsprechend reduziert). Für die Festphasenverfahren sind solche Änderungen sehr kritisch und kann sogar mit einigen Lade-Entlade-Zyklen zur Zerstörung der Stromquelle zur Folge haben, so dass ihre Bezugnahme auf eine Gruppe von Sekundärstromquellen zu einem großen Teil bedingt ist.

Somit haben die obigen bekannten Festkörper-Stromquellen, die als Ladung und Entladung durchgeführt werden können, die folgenden Nachteile:

- Geringe spezifische Energieeigenschaften, die die Verwendung von Stromquellen für solche Marktsegmente wie elektronische und mikroelektronische Bauelemente in Telekommunikationssystemen und Laptop-Computer, Elektrofahrzeuge und andere Geräte verhindert, für die der Betrieb mit hoher Energie und sichere sekundären elektrochemischen Stromquellen (Batterien) erforderlich;

- Die Stromquellen nicht erlauben, eine große Anzahl von Lade-Entlade-Zyklen zu implementieren, weil ihr Gerät nicht das Problem der mechanischen Festigkeit der Zelle lösen, wenn die Anodenwechsel Materialdichte in der Kathoden- und Festphasenreaktionen während der Lade-Entlade-Zyklen.

Um die spezifischen Energieeigenschaften von Solid-State-Stromquellen erhöhen basierend auf festen Fluor-Ionenleiter ist notwendig, um ein Hochstrom erzeugenden Reaktionen mit Fluorionen zu verwenden.

Die meisten Hochleistungseigenschaften für die Solid-State-Fluor-Ionen-Akkus sind in / 1 / gezeigt. Diese Ergebnisse wurden experimentell erhalten, dass die Kriterien der Machbarkeit von Solid-State-Fluorid-Ionen-Batterien mit sehr hoher Energiedichte erfüllen. Das erreichte Niveau der spezifischen Energieeigenschaften erfüllen das erforderliche Maß an beanspruchten sekundären Solid-State-Stromquelle so Stromquelle Gerät aus / 1 /, gilt als die intimsten und gewählt als Prototyp bekannt.

Die bekannte Vorrichtung Solid-State-Batterie folgende / 1 /:

1) Festkörper-Fluor-Ionen elektrochemische Zelle, die eine mehrschichtige Keramikstruktur und besteht aus einer festen Anode, Elektrolyt und Kathode;

2) eine feste Anode - auf der Basis eines Metalls oder einer Legierung, deren Fluorierung führt zu einem Fluorid mit einem hohen isobar Bildungspotential und eine hohe Fluorionen-Leitfähigkeit;

3) eine feste Kathode - beständige Metallfluorid oder Fluorid feste Lösung mit hohen Fluorid-Ionen-Leitfähigkeit und niedrigen isobar Potential;

4) ein Festelektrolyt - beständige Metallfluorid oder Fluorid feste Lösung mit hohen Fluorid-Ionen-Leitfähigkeit und niedrige elektrische Leitfähigkeit.

Eine solche Festkörper-Stromversorgungseinheit ermöglicht mit der Stromquelle Entladung hochenergetischer Festphasen-Strom erzeugenden Reaktion mit Fluoridionen zu realisieren. Mit der Schließung der externen Schaltung der Ionen F - diffundiert durch Festphasen des festen Ionenleiter bildet die Basis der Kathode, dann den Festelektrolyten. Die anschließende Festphasen Wechselwirkung von Fluoridionen aus dem Anodenmetall führt zur Bildung von Fluoridanion mit hoher Mobilität und die Übertragung von Elektronen an eine externe Schaltung. Somit wird während der Entladung der Metallanodenbereich benachbart der Elektrolytschicht fluoriert eine feste Ionenleiter zu bilden, und nicht die weitere Entladungsprozess nicht blockiert.

Als konkrete Realisierung einer solchen Vorrichtung einer solchen Stromquelle nach der Leistung der Vorrichtung bekannt. Der Elektrolyt ist ein Solid-State - Fluor-Ionen - Zelle verwendet Fluorid feste Lösungen LAF 3 -BaF 2 und 3 CeF -SrF 2 enthält BaF 2 und 2 SZF etwa 6% (mol.).

In dieser Stromversorgungsvorrichtung hat die Form (Anode / Elektrolyt / Kathode):

  • La / LaF 3 -BaF 2/3 BiF -KF,
  • La / LaF 3 -BaF 2 / PbF 2 -KF,
  • Ce / CEF -SrF 32/3 BiF -KF,
  • Ce / CEF 3 -SrF 2 / PbF 2 -KF.

Wenn die Entladung der elektrochemischen Stromquelle , wie beispielsweise La / LaF 3 -BaF 2/3 BiF -KF folgenden Reaktionen:

An der Anode: La + 3F - ---> LaF 3 + 3e -

An der Kathode: BiF 3 + 3e - -> Bi + 3F -.

In dem Fall der Verwendung der Kathoden PbF 2 -KF haben die folgende Grundkathodenreaktion:

Die Umsetzung eines solchen chemischen Umwandlungen durch geeignete thermodynamischen berechneten Werten und den experimentellen Werten von EMF Leerlaufspannung der Stromquelle unterstützt.

Der spezifische Energieverbrauch dieser Stromquellen wird durch Einführen in die Kathode auf der Basis von festen Lösungen erhöht BiF 3 oder PbF 2 Reihen von Metalloxiden: CuO, V 2 O 5, MnO 3, Ag 2 O, PbO 2 [5, 6]. In diesem Fall wird die Entladungsstromquelle in der Kathodenschicht ferner exotherme Redoxreaktion realisiert ein Festphasenprodukt zu bilden.

Insbesondere der Anode und der Kathode:

An der Anode: 2La + 6F - -6e - -> 2LaF3,

An der Kathode:

Die Gesamtreaktion, welche die emf Stromquelle bestimmt ist gegeben durch:

Die spezifischen Energieeigenschaften der bekannten Energiequellen in Form einer einzigen galvanischen Zelle sind in Tabelle 1 dargestellt.

Tabelle 1

Energieeigenschaften der elektrochemischen La / LaF 3 -BaF 2/3 BiF -KF eingeführt in die Kathoden CuO

(Austrittstemperatur 550 ° C, i = 100 mA / cm 2, die Betriebsspannung von bis zu 2)
Der Gehalt in der Kathode von CuO,% (Gew.) Spezifische chemische Stromquelle Kapazität Die Energiedichte der elektrochemischen Zelle
Ah / kg Ah / dm 3 Wh / kg Wh / dm 3
0 57 323 125 710
1 85 464 197 1120
10 65 366 155 878
20 38 210 91 569
30 33 185 80 449

Diese Festkörper-Stromquellen mit hohen spezifischen Energieparameter weisen folgende Nachteile auf:

Diese Quellen beziehen sich nur auf die Primärbatterie. In ihrer oben beschriebenen Vorrichtung definiert nur die Anforderungen, die für die Strömung des Entladungsprozesses, wenn die elektromotorische Kraft unter der Einwirkung von Fluoridionen von der Kathode durch die Festphasendiffusion durch den Elektrolyten zur Anode übertragen, wo die Anodenreaktion stattfindet. Dies gilt nur für Primärenergiequellen. Cycling verarbeitet die Lade- / Entlade-Kennlinie der Sekundärbatterie in einer solchen Quelle, ist es unmöglich, aus den folgenden Gründen zu implementieren:

1. Wenn, nachdem die Entladung dieser Energiequellen versuchen, eine Ladung, die in der Anfangsphase zu erzeugen, der Laden der Elektrolyse Anodenmaterial Fluorid kann zu Elektrolytschicht gerichtet Fluorid fadenförmigen elektronenleitenden Strukturen Ort mit der Bildung von festen Phase stattfinden. Diese Strukturen Dendriten genannt, und ihre Bildung wird durch die Heterogenität der Ionenleitfähigkeit der Anodenschicht bestimmt. Dies ist für alle Solid-State-Prozesse. Wenn zu dem Elektrolyten diese Dendriten nähern beginnt, die Elektrolyse der Elektrolytschicht und auf Dendriten der Kathodenschicht die Stromquelle erreicht entweder ausfällt oder sehr geringe Ladungskapazität (wenige Prozent von der Entladung) durchgeführt und eine hohe spezifische Energieeigenschaften, von den Primärstromquelle entlädt sich ergebende, praktisch unzugänglich .

2. Da diese herkömmlichen Festkörperstromquellen mit hohen spezifischen Energieparameter sind nur primäre, das Gerät von ungelösten Fragen der Erhaltung der mechanischen Festigkeit von Festkörperquellen, insbesondere der Anode, Kathode und und Schnittstellen Anode / Elektrolyt und Kathode / Elektrolyt während des Fließens Lade- und Entlade-Prozesse in Festkörper-Stromquellen. Zum Beispiel für die anodische Reaktion 2La + 6F - -6e - -> 2LaF3 während des Abgabevolumen der festen Phase erhöht sich um 31%, und die kathodische Reaktion um 37% reduziert. Für die Primärstromquellen bekannt / 1 / Dieses Problem tritt nicht auf ein Entlade-Zyklus, wenn, so dass eine bekannte Stromquellen nur bei einer hohen Temperatur getestet wurden und mechanischen Belastungen entspannen unter günstigeren Bedingungen. Für Festphasen-Prozesse bei der Umsetzung der Lade-Entlade-Zyklen sind solche Änderungen sehr kritisch und kann sogar an der Schwelle von wenigen Zyklen, die Entlastung der Zerstörung des Solid-State-Stromversorgung führen.

Die vorliegende Erfindung ist eine sekundäre feste, sichere Stromquelle mit hoher spezifischer Energieeigenschaften zu bieten und eine große Anzahl von Lade-Entlade-Zyklen.

Das technische Ergebnis wird durch die Verwendung des erfindungsgemäßen sekundären Solid-State-Stromquelle erreicht, ist wie folgt:

- Erreichen einer hohen spezifischen Energieeigenschaften von Sekundärbatterien auf ein Niveau von 500 Wh / kg und 600 Wh / l, um die Sicherheit der Verwendung solcher Batterien zu gewährleisten;

- Das Erreichen der Anzahl der Lade- / Entladezyklen vor dem Jahr 1000 und

- Hohe Sicherheit der elektrischen Energie in der Energiequelle durch die sehr geringe Selbstentladung bei einem Gehalt von 1-3% pro Jahr.

Um das zu erreichen, diese Aufgabe und technische Ergebnis, nämlich den sekundären Solid-State-Stromquelleneinrichtung mit hoher spezifischer Energieeigenschaften, Eigenschaften seiner Vorrichtung;

1. Ein Festkörperstromquelle besteht aus einer Anode (An 0) ein Metall oder eine Metalllegierung , deren Fluorierung führt zu einem Fluorid oder Fluoriden mit einer hohen isobar Bildungspotential, ein Elektrolyt in Form eines Festkörper-Fluor-Ionenleiter mit geringer Elektronenleitfähigkeit und einer Kathode (KtF 0) in der Form einer festen Lösung von Fluorid oder Fluoride mit einem niedrigen isobar Bildungspotential in kathodische Reaktion während der Entladung KtF 0 + e - -> f - + Kt 'und der Anode während der Entladung ein 0+ f - -> An'F + e - entsprechend der Erfindung sind die Anode und Kathode gegenüber Fluorionen von der Kathodenreaktion während der Lade-Entlade - reversible: Kt 0F x + Xe - <---> XF - + Kt ' und der Anode während des Ladungs-Entladungs - Ein 0+ XF - <- -> An'F x + Xe - bei Spannungen niedriger als die Spannung der Festelektrolytzersetzung und Anode, Elektrolyt und Kathode enthalten in ihrer Zusammensetzung mindestens eine Komponente , die während der Lade-Entlade - Zyklen Zerstörung der Festkörper-Batterie verhindert.

2. Um eine hohe spezifische Energieeigenschaften und zugleich die Sicherheit in der beanspruchten Solid-State-Stromquelle bezogen auf die festen Fluor-Ionenleitern umgesetzt werden hochenergetische Festphasen-Strom erzeugenden Anoden- und Kathodenreaktionen erhalten.

Dafür:

Anode entladen kann die Stromquelle aus Metall Li, K, Na hergestellt werden, Sr, Ba, Ca, Mg, Al, Ce, La oder deren Legierungen oder deren Legierungen mit Pb, Cu, Bi, Cd, Zn, Co, Ni, Cr, Sn, Sb, Fe, und in einem geladenen Zustand bzw. von der Stromquelle von Fluoriden.

Der Festelektrolyt kann gemacht werden:

  • aus Fluoriden La, Ce oder die Verbindung Fluoride auf Basis von ihnen zusätzlich ein Fluorid oder Fluoride von Erdalkalimetallen (CaF 2 SrF 2, BaF 2) und (oder) , Alkalimetallfluoride (LiF, KF, NaF) und (oder) die Chloride von Alkalimetallen enthalten , (LiCl, KCl, NaCl),
  • oder aus einem Fluoridkomplex auf der Basis von Erdalkalifluoriden (CaF 2, SrF 2, BaF 2), ferner enthaltend Fluoride oder Seltenerdmetall (e) und Alkalimetallfluoride (LiF, KF, NaF) hergestellt werden,
  • oder es kann 2 auf PbF basieren enthält SrF 2 oder BaF 2 oder CaF 2 oder SnF 2 und KF - Additiv
  • oder es kann 2 auf BiF enthält SrF basieren 2 oder BaF 2 oder CaF 2 oder SnF 2 und KF - Additiv.

Die Kathode, die in der Ladezustand der Stromquelle kann aus einfachen Fluorids erfolgen: 4 MnF 2, MnF 3, TaF 5, NdF 5, VF 3, VF 5, CuF, CuF 2, AgF, AgF 2, BiF 3, PbF PbF 4, CdF 2, ZnF 2, CoF 2, CoF 3, NiF 2 CRF 3 CRF 3 CRF 5, DaF 3, InF 2, InF 3, GeF 2, SnF 2, SnF 4, SbF 3, MoF 5 , WF 5, fluoriertem Graphit oder deren Legierungen oder Mischungen davon, und die entladene Stromquelle von Mn, Ta, Nd, VF, Cu, Ag , Bi, Pb, Cd, Zn, Co, Ni, Cr, Ga, in, Ge, Sn, Sb, Mo, W, Graphit oder deren Legierungen oder aus Mischungen davon.

Tabelle 2 zeigt die Werte der Energieparameter der Solid-State-Fluorid-Ionen-Batterien mit unterschiedlichen Zusammensetzungen von Kathode und Anode berechnet.

Berechnungen wurden die gewonnen wurden aus:

Zur vereinfachten Festphasenstrom erzeugenden elektrochemischen Reaktion Typ Strom in der Quelle fließt, wobei

Anode: Metall - Me

Der Elektrolyt ist: ein fester Leiter von Fluorionen mit niedriger Elektronenleitfähigkeit;

Kathode: Metallfluorid - ; und Reaktionen an den Elektroden sind in der Form:

Die Anode: z · Me y + · F - -> Me z F y + y · e -

Kathode:

E - Spannungselektrochemische System oder elektromotorischen Kraft einer elektrochemischen Systems (EDS) wurde nach der Gleichung (1) berechnet:

wobei n - die Gesamtzahl der Elektronen in Reaktion potentsialoobrazuyuschey teilnehmen; F - Faraday-Zahl (F = 96485 C / mol); - Gibbs Energie Änderung der Reaktion berechnet aus der Gibbs-Helmholtz-Gleichung (2):

wo - Änderung der Enthalpie und Entropie der Reaktion bei der Temperatur T jeweils

W - Energieintensität, die die elektrische Energie der Entladung pro Gewichtseinheit (Wh / kg) (3):

wobei E - EMF, die Cm - spezifische elektrische Kapazität (Ah / kg), berechnet aus · Y · F, wobei - Die Anzahl der Mole der aktiven Substanz (Mol) bei - Anzahl der Elektronen in der anodischen Reaktion teilnehmenden F - Faraday-Zahl (F = 96485 C / mol oder 26,8 Ah / mol).

W - Spezifische volumetrische Menge der elektrischen Energie (elektrische Leistungsdichte), die die elektrische Energie der Entladungsstromquelle pro Volumeneinheit (Wh / dm3) (4):

wobei V - das Gesamtvolumen der Stromquelle, dm 3.

Tabelle 2 zeigt die Vergleiche, wie zuvor diskutiert Parameter Stromquelle mit einer Bleianode bekannt, und eine Kathode der AgF.

Aus den Ergebnissen in Tabelle 2, so folgt daraus, dass die beanspruchte Festkörper- Sekundär durch die Anoden- und Kathodenzusammensetzungen angeboten Stromquelle sehr hohen spezifischen Eigenschaften Energie erreichen können.

3. feste Anode Gerät ist reversibel in Bezug auf Fluorionen und Anode ermöglicht eine reversible Festphasen - Reaktion (in gekürzter Form: Ein 0+ XF - <---> An'F x + Xe -), für die die reduzierte Form des Anodenmaterial eine 0 hat hohe elektronische Leitfähigkeit, deren Fluorierung führt zur Bildung von Fluor An'F x mit hoher Leitfähigkeit von Fluorionen in fester Phase; oder zur Diffusion von Fluorionen zu anodischen Materials sicherzustellen (An 0+ XF -) und Freigabe von Elektronen in einen externen Stromquellenschaltung (An'F x + Xe -) zusätzlich anodisches Material enthält Zusätze notwendig , die reversible Reaktion als Ionen zu gewährleisten und elektronischen Leitfähigkeit.

4. Vorrichtung nach einem der festen Kathode ist bezüglich Fluorionen reversibel und die Kathode ermöglicht eine reversible Festphasenreaktion (in gekürzter Form: Kt 0F x + Xe - <---> XF - + Kt '), für die der reduzierten Form des kathodischen Materials Kt' hat hohe elektronische Leitfähigkeit, festen fluorhaltigen Phase Kt 0 F x hat eine hohe Leitfähigkeit von Fluorionen oder für die Diffusion von Fluoridionen auf der Kathodenmaterial (XF - + Kt ') und die Elektronenzufuhr von der externen Stromkreis der Stromquelle (Kt 0 F x + Xe -) Kathode Material enthält zusätzlich Additive notwendig, eine reversible Reaktion als Kathode ionische und elektronische Leitfähigkeit zu gewährleisten.

5. Vorrichtung fester Elektrolyt ermöglicht bei sehr geringen oder praktisch nicht vorhanden elektronische Leitfähigkeit hohe Leitfähigkeit von Fluorionen in fester Phase zu realisieren. Festelektrolytzersetzungsspannung während des Ladevorgangs muss höher sein als die Spannung der Festphasenelektrolyse von oxidierter Form von Anodenmaterial. Dies wird durch die Optimierung der chemischen Zusammensetzung des Festelektrolyten oder (ii) weitere Additive in den Elektrolytmaterialien mit geringer oder praktisch nicht vorhanden elektronische Leitfähigkeit erreicht, die Elektrolytzersetzungsspannung erhöhen.

6. Vorrichtung Festkörper- Sekundärstromquelle enthält eine zusätzliche Komponente oder Komponenten, die Teil der Anode, Elektrolyt und Kathode und verhindern die Zerstörung des Festkörperbatterie durch mechanische Beanspruchung während der Lade-Entlade-Zyklen.

Tabelle 3 zeigt die Änderung in dem Volumen der Anode und der Kathode während der Lade-Entlade-Zyklen von einigen Festkörperstromquellen einer Reihe gemäß Absatz 2 oben.

Diese Ergebnisse zeigen, dass der Festkörper-Sekundärstromquelle in der Ladungs-Entladungs-Zyklen auftritt und Volumenänderungen der Anode der Kathode, die mechanische Spannung in der Anode, Kathode und an den Grenzflächen Anode / Elektrolyt und Kathode / Elektrolyt bewirkt. Die Einführung der zusätzlichen Komponente oder Komponenten ermöglichen, die Struktur der Stromquelle zu härten. Die Komponente oder Komponenten von Polymeren wie Fluorpolymeren hergestellt werden, kann der Leiter oder ionische (and) Gläser hergestellt werden.

Die Effizienz des beanspruchten Festkörper- Sekundärstromquelle ist wie folgt:

Wenn die Entladungsstromquelle Festphasenhochenergiestrom bildende Reaktion mit Fluoridionen realisiert wird: der Verschluß von der externen Schaltung an der Grenze der Stromabnehmer / Kathode ankommende Elektronen unter dem Einfluß des internen EMF Diffusion von F initiiert - Ionen an der festen Kathode Phase mit der Bildung der reduzierten Form der Kathode, und dann nach dem Diffusionsübertragung von Fluoridionen auf dem Festelektrolyten und deren Übertragung auf die Anodenzone tritt an der Anode Festkörper Wechselwirkung von Fluorionen mit der Anode und der Bildung von Fluorid (oxidierte Form der Anode) mit nachfolgender Übertragung von Elektronen an eine externe Schaltung.

Wenn die Ladestromquelle, die unter dem Einfluß eines äußeren elektrischen Feldes auf der reversiblen Elektroden - der Anode und der Kathode - die folgenden Prozesse. Unter dem Einfluss eines externen elektrischen Feldes Festphasenelektrolyse erfolgt durch den Elektrolyten mit anschließender Diffusion von Fluorionen Form der Anode oxidiert und der Kathode wiedergewonnen Fluorierung Phasenübergang von Elektronen zu der externen Schaltung. Die beanspruchte Vorrichtung die sekundäre Festkörperstromquelle ermöglicht dieses Verfahren eine technische Ergebnis, nämlich eine hohe spezifische Energieeigenschaften von Sekundärbatterien mit einer großen Anzahl von Lade- / Entladezyklen auf ein Niveau zu erreichen, um die Sicherheit ihrer Verwendung und die langfristige Erhaltung der elektrischen Energie zu gewährleisten.

mit Referenzen

1. Potanin AA "Die Festkörper chemische Stromquelle basierend auf dem Typ von Fluoridionenleiter Lanthan". Ros. Chem. J. (F .. Ros. Chem., Bd. It. Mendelejew) im Jahr 2001, t.45, №5-6, str.58-63. (Prototyp).

2. SSPrasad. Deffect Strukturen und Anionen-leitenden festen Elektrolyten. In dem Buch, Handbuch pp550-552.

3. UK-Patent №1524126, H 01 M 6/18, 10/36, publ. 9.6.78.

4. RF-Patent №2187178 H 01 M 6/18, 10/36, publ. 08.10.02.

5. RF Patent №2136083, H 01 M 6/18, publ. BI №24 1999

6. US-Patent №6,379,841 B1, H 01 M 4/58, 30.04.02.

FORDERUNGEN

1. Festkörper-Sekundärstromquelle, bestehend aus einer Anode, einem Metall oder einer Metalllegierung, deren Fluorierung führt zu einem Fluorid oder Fluoriden mit einer hohen isobar Bildungspotential, einem Elektrolyten in Form einer Solid-State-Fluor-Ionenleiter mit hoher ionischer Leitfähigkeit und niedrige elektronische und Kathode in die Form von Fluorid oder eine feste Lösung von Fluoriden mit einer niedrigen isobar Bildungspotential, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode und die Kathode in bezug auf Fluorionen bei Spannungen niedriger als die Spannung der Festelektrolytzersetzungs reversibel sind, und die Anode, Elektrolyt und Kathode in ihrer Zusammensetzung mindestens eine Komponente enthalten, Verhinderung der Zerstörung des Solid-State-Batterie während der Lade-Entlade-Zyklen.

2. Die sekundären Feststromquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anoden- und Kathodenmaterialien von den Bedingungen der reversiblen Kathodenreaktion während Lade-Entlade ausgewählt sind: KtFx 0+ Xe - <---> XF - + Kt ' und reversible Anode Reaktion während der Lade-Entlade - : Ein 0+ XF - <---> An'F x + Xe -, wo ein und KTF 0x0 - Bezeichnung des Anodenmaterials und dem Kathodenmaterial in Form von Stromquelle Fluorid; Und An'F x Kt jeweiligen entladen, E -, F - - Fluorionen und Elektronen sind; X - die Anzahl der Ladungsträger.

3. Die sekundären Feststromquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reversibilität der Anode und der Kathode ist ferner vorgesehen, deren Struktur ftorionnyh massive Leiter mit hoher Ionenleitfähigkeit einschließlich.

4. Der Sekundärfestkörperstromquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reversibilität der Anode und der Kathode vorgesehen ist, ferner mit ihrer Struktur von festen Leitern mit hoher Elektronenleitfähigkeit.

5. Der Sekundärfestkörper-Stromquelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode in einer Stromquelle entladen wird, gebildet aus Metall Li, K, Na, Sr, Ba, Ca, Mg, Al, Ce, La, oder deren Legierungen oder Legierungen dieser Metalle Pb, Cu, Bi, Cd, Zn, Co, Ni, Cr, Sn, Sb, Fe, und in einem geladenen Zustand bzw. von der Stromquelle von Fluoriden.

6. Der Sekundärfestkörper - Stromquelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode im geladenen Zustand der Stromquelle von Fluorid besteht: MnF 2, MnF 3, TaF 5, NdF 5, VF 3, VF 5, CuF, CuF 2, AgF, AgF 2 BiF 3, von PbF 2, von PbF 4, die CdF 2, ZnF 2, CoF 2, CoF 3, NiF 2 CrF 2 CrF 3 CRF 5, CaF 3, InF 2, InF 3, GeF 2, SnF 2, SnF 4, SbF 3, MoF 5, WF 5, fluorierten Graphit oder deren Legierungen oder Mischungen davon, und die entladene Stromquelle von Mn, Ta, Nd, VF, Cu, Ag , Bi, Pb, Cd , Zn, Co, Ni, Cr, Ga, in, Ge, Sn, Sb, Mo, W, Graphit oder deren Legierungen oder Mischungen davon.

7. Der Sekundärfestkörper - Stromquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Festelektrolyt von Fluoriden La, Ce oder die Verbindung Fluoride auf Basis von ihnen hergestellt ist, ferner mit Fluorid oder Erdalkalifluoriden (CaF 2, SrF 2, BaF 2), und (oder), Alkalimetallfluoride (LiF, KF, NaF) und (oder) die Chloride von Alkalimetallen (LiCl, KCl, NaCl).

8. Die sekundäre Festkörperstromquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Festelektrolyt von Komplexfluoriden auf Basis von Erdalkali - Fluoriden hergestellt ist (CaF 2, SrF 2, BaF 2), zusätzlich Seltenerdmetall Fluoride enthält, und (oder) , Alkalimetallfluoride (LiF, KF, NaF) und (oder) die Chloride von Alkalimetallen (LiCl, KCl, NaCl).

9. Die sekundäre Festkörperstromquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Festelektrolyt der Fluoride auf Basis von PbF 2 hergestellt ist , enthaltend SrF 2 oder BaF 2 oder CaF 2 oder SnF 2 und KF - Additiv.

10. Die sekundäre Festkörperstromquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Festelektrolyt von Fluoriden basierend BiF 3 enthält SrF 2 besteht, oder BaF 2 oder CaF 2 oder SnF 2 und KF - Additiv.

11. Der Sekundärfestkörperstromquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Festelektrolyt aus einer Mischung aus zwei oder mehr festen Elektrolyten besteht.

12. Der Sekundärfestkörperstromquelle nach Anspruch 1, die als Komponenten charakterisiert, die Zerstörung der Festkörper-Batterie während des Ladungs-Entladungs-Zyklen verwendet, Polymermaterialien sind chemisch stabil gegenüber Elektrolytgehalt in der Kathode und Anode der Ladungs-Entladungs-Zyklen zu verhindern.

13. Der zweite Feststromquelle Zustand nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Polymermaterial zu den Materialien der Anode und der Kathode während der Lade-Entlade-Zyklen ausgewählt Fluoropolymere oder Mischungen davon chemisch stabil ist relativ.

14. Die sekundären Feststromquelle nach Anspruch 1, die als Komponenten gekennzeichnet, die ftorionnye Massivleiter Zerstörung des Solid-State-Batterie während der Lade-Entlade-Zyklen ausgewählt verhindern.

15. Die sekundären Feststromquelle nach Anspruch 1, dass als Komponente gekennzeichnet, die während der Lade-Entlade-Zyklen, das feste Material wird als Elektrolyt ftorionnogo Leiter ausgewählt Zerstörung von Solid-State-Batterie verhindert in der Batterie verwendet.

16. Der Sekundär festen Zustand nach Stromquelle 1, die als Komponenten gekennzeichnet, die Zerstörung des Solid-State-Batterie während der Lade-Entlade-Zyklen, ausgewählt aus Glas oder glasähnlichen Materialien zu verhindern.

Druckversion
Erscheinungsdatum 17.03.2007gg