Водный литий-ионный аккумулятор

(51) 01 10/0525 (2010.01) 01 6/04 (2006.01) 01 4/131 (2010.01) 01 4/133 (2010.01) 01 4/134 (2010.01) 01 2/14 (2006.01) МИНИСТЕРСТВО ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ свойств электролита, обеспечивающих надежность,увеличение срока его службы и экологической безопасности. Данный технический результат достигается за счет того, что в изобретении использованы интеркаляционный катод, металлический и/или электропроводящий инертный анод, разделенные сепаратором со слабокислым раствором электролита с 4-5, содержащем по крайней мере, два вида электрохимически активных катионов и представленное комбинацией одного или множества электрохимических элементов каждый из которых включает металлический анод из цинка, алюминия или другого металла из ряда переходных металлов или инертный анод из нержавеющей стали,углерода, никеля или меди катод из оксидов и солей лития, натрия, магния или других щелочных или щелочноземельных металлов с марганцем,железом,кобальтом,никелем и другими переходными металлами, например 4,4, 4, 24, 2, 1/31/34 и/или их смеси.(57) Изобретение относится к электрохимической промышленности, в частности, водным литийионным аккумуляторам. Задача изобретения создание аккумуляторных батарей с низкой себестоимостью, экологически безопасных, обеспечивающих надежную работу,высокую емкость и длительный срок его службы. Техническим результатом изобретения является повышение эксплуатационных характеристик аккумулятора, в частности, снижение агрессивных(Патент США,20111044644, 2011). Однако данное изобретение имеет следующие недостатки 1. Низкая удельная энергетическая емкость, т.е. не обеспечивается продолжительная работа от одной зарядки, требуется частая зарядка, что ограничивает их использование в крупногабаритных системах хранения энергии, например, от возобновляемых источников 2. Низкая циклируемость, т.е. очень быстро теряют энергетическую емкость и мощность при повторных процессах зарядки/разрядки (при эксплуатации) аккумулятор недолговечен, срок службы ограничен несколькими сотнями циклов зарядки/разрядки, причем при каждом цикле емкость аккумулятора значительно снижается, что объясняется использованием сильнощелочного электролита,приводящему к разрушению интеркаляционных электродов (и анода и катода). Это является главной причиной низкой циклируемости аккумулятора в данном изобретении 3. Наличие сильнощелочного электролита(химический агрессивный, едкий) представляет угрозу для пользователей и оборудования при протекании требуется прочный корпус аккумулятора из специальных устойчивых к сильной щелочи материалов, и тщательная изоляция и герметизация элементов аккумулятора при их производстве для предотвращения протекания электролита, что приводит к значительному удорожанию производства. Известно изобретение наиболее близкое по технической сущности к предлагаемому техническому решению, содержащее корпус, катод,анод, сепаратор с электролитом (Патент США,20090087742, 2009). Однако данное изобретение имеет следующие недостатки 1. Низкая удельная энергетическая емкость, т.е. не обеспечивается продолжительная работа от одной зарядки, требуется частая зарядка, что ограничивает их использование в крупногабаритных системах хранения энергии, например, от возобновляемых источников 2. Низкая циклируемость, т.е. очень быстро теряют энергетическую емкость и мощность при повторных процессах зарядки/разрядки (при эксплуатации) аккумулятор недолговечен, срок службы ограничен несколькими сотнями циклов зарядки/разрядки, причем при каждом цикле емкость аккумулятора значительно снижается, что объясняется использованием сильнощелочного электролита,приводящему к разрушению интеркаляционных электродов (и анода и катода). Это является главной причиной низкой циклируемости аккумулятора в данном изобретении 2(химический агрессивный, едкий) представляет угрозу для пользователей и оборудования при протекании требуется прочный корпус аккумулятора из специальных устойчивых к сильной щелочи материалов, и тщательная изоляция и герметизация элементов аккумулятора при их производстве для предотвращения протекания электролита, что приводит к значительному удорожанию производства. Задача изобретения создание аккумуляторных батарей с низкой себестоимостью, экологически безопасных, обеспечивающих надежную работу,высокую емкость и длительный срок его службы. Техническим результатом изобретения является повышение эксплуатационных характеристик аккумулятора снижение агрессивных свойств электролита,обеспечивающих показателей надежности, срока его службы и экологической безопасности. Данный технический результат достигается за счет того, что в изобретении использованы интеркаляционный катод, металлический и/или электропроводящий инертный анод, разделенные сепаратором со слабокислым раствором электролита с 4-5, содержащем по крайней мере, два вида электрохимически активных катионов и представленное комбинацией одного или множества электрохимических элементов каждый из которых включает металлический анод из цинка, алюминия или другого металла из ряда переходных металлов или инертный анод из нержавеющей стали,углерода, никеля или меди катод из оксидов и солей лития, натрия, магния или других щелочных или щелочноземельных металлов с марганцем,железом,кобальтом,никелем и другими переходными металлами, например 4,4, 4, 24, 2, 1/31/34 и/или их смеси. Сущность изобретения поясняется следующими схемами и графиками на фиг.1 - принципиальная схема водного литийионного аккумулятора, где показана только одна его ячейка/элемент на фиг.2 - принципиальная схема работы водного литий - ионного аккумулятора на фиг.3 - график изменения потенциала литийионного аккумулятора с водным электролитом, в качестве примера, с 4 катодом, при его зарядке и разрядке при постоянном токе между заданными пределами значений потенциалов верхнего при зарядке и нижнего - при его разрядке на фиг.4 - график циклируемости и эффективности циклирования литий-ионного аккумулятора с водным электролитом, в качестве примера, с 4 катодом и пределов значений потенциалов верхнего при зарядке, и нижнего - при его разрядке,относительно цинкового анода 1-4 В на фиг.5 - в качестве примера, циклическая вольтоммограмма литий-ионного аккумулятора с водным электролитом с 4 катодом. Изобретение включает- катод 1, содержащий смешанную соль интеркалирующих катионов (щелочные и/или щелочноземельные металлы) с другими металлами и представляют собой оксиды, фосфаты, силикаты,сульфаты и/или их смеси- анод 2, состоящий из цинка, алюминия или другого металла из ряда переходных металлов или инертный анод из нержавеющей стали, углерода,никеля или меди.- сепаратор 3 из пористого материала (хлопок,целлюлоза или коммерческие сепараторы для аккумуляторов с электролитами на водной основе типа Поглощенная Стеклоткань (,нетканые сепараторы или другие сепараторы из натуральных или синтетических материалов)- корпус 4 из полипропилена или других непроводящих ток синтетических и полимерных материалов. Сборка и функционирование изобретения осуществляется следующим образом. Готовые катод 1 и анод 2, погруженные в сепаратор 3, помещаются в корпус 4 ячейки элемента/аккумулятора, см. фиг.1. Сепаратор 3 изготавливаются из указанных материалов по размерам, необходимых для того или аккумулятора. Сепаратор 3 может быть использован для его сборки в сухом виде и смачиваться электролитом в конце сборки или непосредственно перед его эксплуатацией. Электролит представляет собой водный раствор солей металлов, ионы которых могут содержаться также в составе катода 1 и/или анода 2, со значением(кислотности раствора),предотвращающим гидролиз ионов металлов электролита. В случае использования цинкового анода и 4 катода, для предотвращения гидролиза ионов цинка, растворенных в электролите наряду с ионами лития, раствора электролита поддерживается равной 4-5. В случае других анодных и катодных материалов, требуемоераствора электролита может быть меньше или больше этого значения, но не должно превышать 8, выше которого происходит гидролиз большинство ионов металлов,за исключением щелочных и щелочноземельных металлов. Механизм работы предлагаемого в данном изобретении литий-ионного элемента/батареи с водным электролитом проиллюстрирован следующим образом. При зарядке на катоде 1 протекает процесс деинтеркалляции (извлечение) иона щелочного или щелочноземельного катиона из структуры интеркалляционного катода, а на аноде 2 протекает процесс разряда(восстановления) катиона материала анода 2 или другого иона, см. фиг.1 и 2. Корпус 4 обеспечивает изоляцию ячеек/элементов аккумулятора друг от друга, а также от окружающей среды. При разрядке, указанные электрохимические процессы протекают в обратном направлении на катоде 1 протекает процесс интеркаляции иона щелочного или щелочноземельного катиона в структуру интеркаляционного катода 1, а на аноде 2 протекает процесс растворения (окисления) катиона материала анода 2 или другого иона, см. фиг.1 и 2. Электролит, содержащийся в сепараторе 3,представляет собой водный раствор с 4-5,содержащий,по крайней мере,два электрохимически активных катиона, что позволяет восстановление на аноде 2 катиона (положительного иона), не входящего в состав катода 1, см. фиг.2. Вследствие протекания электрохимических реакций на катоде 1 и аноде 2 элемента, химическая энергия преобразуется в электрическую. При замыкании катода 1 и анода 2 по внешней цепи,через систему начинает протекать электрический ток. На фиг.3 в качестве примера, приведен профиль изменения потенциала предлагаемого в данном изобретении литий-ионного аккумулятора, с водным электролитом с 4 катодом 2 имеет горизонтальное плато при его рабочем вольтаже,который представляет собой разницу потенциалов катода 1 и анода 2. Пределы потенциалов верхнего при зарядке, и нижнего - при его разрядке определяются материалами электродов (катода 1 и анода 2). На фиг.4 показывает высокую циклируемость данного аккумулятора. На фиг.5 показана циклическая вольтаммограмма протекания анодных и катодных процессов в водном литий-ионном аккумуляторе с 4 катодом 1 и цинковым анодом 2. Наличие только обратимых пиков основного катодного процесса,окисления-восстановления 4,указывает на отсутствие побочных процессов при его работе. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Водный литий-ионный аккумулятор,содержащий корпус, анод, катод, электролит,отличающийся тем, что в нем использованы интеркаляционный катод, металлический и/или электропроводящий инертный анод, разделенные сепаратором со слабокислым раствором электролита с рН 4-5, содержащим, по крайней мере, два вида электрохимически активных катионов,и представлен комбинацией одного или множества электрохимических элементов, каждый из которых включает металлический анод из цинка, алюминия или другого металла из ряда переходных металлов или инертный анод из нержавеющей стали,углерода, никеля или меди катод из оксидов и солей лития, натрия, магния или других щелочных или щелочноземельных металлов с марганцем,железом,кобальтом,никелем и другими переходными металлами и/или их смеси.