Пуцылов И.А., Смирнов С.Е., Фатеев С.А., Картушин А.Г.

Национальный исследовательский университет «МЭИ», Россия

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ ЭЛЕКТРОДОВ ЛИТИЕВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

В конце 50 начале 60-х годов были разработаны промышленные технологии получения высокопрочных углеродных волокон и тканей, которые нашли широкое применение в различных областях промышленности. Углеродные ткани получают термообработкой вискозных кордных тканей при 2000, 2400, 2900°С. На выборе именно таких материалов остановились разработчики отечественного фторуглерода во ВНИИЭИ, поскольку считалось, что при фторировании именно таких высокопористых материалов достигается равномерное фторирование всего объема материала и получение стабильного продукта фторирования [1].

В процессе разработки технологии получения фтористого углерода для источников тока с неводным электролитом выяснилось, что структура и свойства фтористого углерода очень чувствительны к колебаниям структурных параметров и свойств исходных углеродных тканей [2]. Очевидно, что структурная нестабильность последних влечет за собой необходимость изменения технологических параметров фторирования, учитывая требования получать фторуглерод с заданными электрохимическими свойствами, так как колебания последних привели бы к получению изделий с нестабильными рабочими характеристиками.

Фторуглеродный материал ИТГ-124, получаемый фторированием графитированной ткани на основе гидратцеллюлозы (УТ – 22) оказался наиболее стабильным по своим свойствам. За счет более толстых нитей удалось реализовать значительную емкость на единицу площади катода. При содержании фтора 57-60 мас.% фторуглеродная ткань достаточно механически прочна. Это позволяет вырезать заготовки катодов практически любой формы, но варьирование их толщины и состава представляет собой достаточно сложную технологическую задачу.

Порошкообразный фторуглеродный материал получают в основном измельчением ИТГ – 124. В отличие от тканевого фторуглеродного материала порошкообразный фторуглерод дает возможность готовить катоды практически любой толщины, пористости и плотности, а также успешно вводить в их структуру различные функциональные добавки.

Настоящая работа посвящена разработке тонкопленочных электродов в традиционном и твердофазном исполнении для источников тока эксплуатируемых в высокотоковых, в том числе импульсных, режимах разряда. В работе были предложены оригинальные методики изготовления электродов. В качестве активного вещества использовали прошкообразный фторуглерод ИТГ – 124. Традиционные катоды готовили следующим образом: cухую смесь, состоящую из фторуглерода и сажи, смачивали ацетоном, затем добавляли раствор алкилсульфата и суспензию фторопласта Ф-4Д. После тщательного перемешивания смесь напылением наносили на подложку. Осушку проводили на воздухе, затем осуществляли подпрессовку и отжиг. Давление прессования варьировали от 50 до 250 кгс/см². Полученные описанным выше способом электроды имели толщину от 50 до 100 мкм. На финальной стадии осуществляли вакуумную пропитку катода раствором жидкого электролита в боксе БП-6ОС заполненном осушенным аргоном. Твердофазные катоды готовили намазным методом, включающим стадию перемешивания фторуглерода, сажи и компонентов твердополимерного электролита в диметилацетомиде ультразвуком на установке УЗ-1 с последующим нанесением полученной смеси на подложку электрода кистью. В качестве полимерной основы твердополимерного электролита использовали сополимер полисульфона с полисульфидсульфоном. Сушку проводили при температуре 100°С в сушильном шкафу до формирования на подложке электрода твердофазного материала. Подпрессовку осуществляли давлением от 50 до 250 кгс/см². Толщину твердофазных катодов легко варьировали в диапазоне от 10 до 150 мкм посредством изменения вязкости раствора исходных компонентов.

В процессе экспериментальных исследований, установлено, что давление прессование по-разному влияет на электрохимические характеристики традиционных и твердофазных катодов. Минимальная поляризация и емкость традиционных электродов достигалась при давлении прессования в диапазоне от 50 до 70 кгс/см², в свою очередь, увеличение давления прессования выше 150 кгс/см² приводило к существенному ухудшению разрядных и поляризационных характеристик за счет снижения общей пористости катода. Увеличение давления прессования твердофазных катодов, напротив повышало их электрохимические параметры на всем исследованном интервале, это обстоятельство объясняется тем, что данные системы обладают принципиальным отличаем от традиционных электродов, а именно отсутствием в составе жидкой фазы электролита, роль которой выполняет твердофазный полимерный электролит. Таким образом, уплотнение структуры твердофазного катода и как следствие повышение ее компактности, имеющие место при повышении давления прессования, увеличивают концентрацию активного вещества в единице объема электрода и повышают качество контакта, между отдельными компонентами его составляющими, что безусловно приводит к снижению внутреннего сопротивления и повышению электрохимических параметров катода.

Максимальное разрядное напряжение и максимальный ток короткого замыкания наблюдались у обоих видов электродов при содержании фторуглерода в катодной массе 70 – 80%. Несмотря на то, что максимальный разрядный ток, рекомендованный для твердофазных катодов, на 20-25% ниже, чем установленный для традиционных электродов, удельная емкость, достигнутая для твердофазных электродов, была несколько выше и составляла 700 мА*ч/г, против 670 мА*ч/г для традиционных. Кроме того, очевидно, что технология изготовления твердофазного катода значительно менее трудоемкая, чем традиционного и позволяет получать более тонкие электроды. При этом к преимуществам твердофазного катода также можно отнести его более высокую стабильность, связанную с инертностью полимерного электролита по отношению к материалам электрода, а также высокую эластичность.

Таким образом, при минимизации толщины металлической подложки до нескольких микрометров, предложенные оригинальные методы, позволяют получать достаточно тонкие и эффективные катоды в традиционном и твердофазном исполнении, которые при определенной площади электрода будут способны реализовывать большие импульсные токи.

Работа выполнена при финансовой поддержке стипендии Президента Российской Федерации для молодых ученых и аспирантов СП-1098.2015.1.

Литература.

1. Фиалков А.С, Полякова Н.В., Дубасова В.С. и др. Сб. тез. докладов 7 Всесоюзного симпозиума по химии неорганических фторидов. 9-11 октября 1984, Душанбе, М.: Наука, 1984, С 325.

2. Фиалков А.С. Применение углерода в химических источниках тока (НПП “Квант”) Авт. Энерг. 2001, № 12, С 13-44.