RU216363U1

RU216363U1 - Prismatic lithium-ion battery

Info

Publication number: RU216363U1
Application number: RU2022121125U
Authority: RU
Inventors: Владимир Александрович Архипенко; Артём Михайлович Викулин
Original assignee: Акционерное общество "Энергия" (АО "Энергия")
Filing date: 2022-08-02
Publication date: 2023-01-31

Abstract

Полезная модель относится к области электротехники, а именно к литий-ионным аккумуляторам (ЛИА). Повышение удельной емкости и энергии без увеличения габаритных размеров ЛИА является техническим результатом полезной модели, который обеспечивается выполнением двухслойного полимерного корпуса с внешним слоем и внутренним слоем, внутри которого размещен блок электродов из ленточных положительных и отрицательных электродов, при этом блок электродов изготовлен методом плоского рулона, при этом отрицательный токовывод выполнен из ленточной медной фольги с нанесенной на нее анодной активной массой, состоящей из 94,0-96,0% графита, 1,0-1,2% ацетиленовой сажи, 1,6-1,8% натрия карбоксиметилцеллюлозы и анионной полимерной дисперсии - остальное, а положительный токовывод представляет собой алюминиевую фольгу с нанесенной на нее катодной активной массой, состоящей из 88-92% кобальтата лития, 0,8-1,0% ацитиленовой сажи, 6-9% углеродных нанотрубок и поливинилиденфторида - остальное. 1 ил.

The utility model relates to the field of electrical engineering, namely to lithium-ion batteries (LIA). Increasing the specific capacity and energy without increasing the overall dimensions of the LIB is the technical result of the utility model, which is provided by the implementation of a two-layer polymer housing with an outer layer and an inner layer, inside which is placed an electrode block of tape positive and negative electrodes, while the electrode block is made by the flat roll method, while the negative current terminal is made of tape copper foil coated with an anode active mass, consisting of 94.0-96.0% graphite, 1.0-1.2% acetylene soot, 1.6-1.8% sodium carboxymethylcellulose and an anionic polymer dispersion - the rest, and the positive current terminal is an aluminum foil with a cathode active mass deposited on it, consisting of 88-92% lithium cobaltate, 0.8-1.0% acytylene soot, 6-9% carbon nanotubes and polyvinylidene fluoride - the rest. 1 ill.

Description

Полезная модель относится к электрохимической энергетике, в частности к литий-ионным аккумуляторам (ЛИА). Одним из перспективных направлений ЛИА является увеличение удельной емкости и энергии без увеличения габаритных размеров ЛИА.The utility model relates to electrochemical energy, in particular to lithium-ion batteries (LIA). One of the promising directions of LIB is to increase the specific capacity and energy without increasing the overall dimensions of LIB.

Известна конструкция ЛИА (патент ПМ RU №143066, опубликовано 10.07.2014, МПК H01M 10/0525, Н01М 4/131), включающая герметичный корпус с герметично установленными на крышке корпуса положительным алюминиевым и отрицательным медным токовыводами и предохранительным клапаном, электродный блок, состоящий из катода и анода, разделенных сепаратором, пропитанным электролитом, при этом корпус выполнен металлическим, предохранительный клапан состоит из медной фольги, герметизированной при помощи прокладок из резины, стойкой к электролиту, анод, представляющий собой медную фольгу с нанесенной на нее активной массой, состоящей из графита, поливинилиденфторида и углерода при следующем соотношении компонентов, мас.%: графит 90,0-96,0; поливинилиденфторид 0,7-2,9; углерод - остальное, катод, представляющий собой алюминиевую фольгу с нанесенной на нее активной массой, состоящей из кобальтата лития LiCoO₂ поливинилиденфторида, проводящего графита и углерода при следующем соотношении компонентов, мас.%: LiCoO₂ 90,0-94,0; поливинилиденфторид 0,8-3,0; проводящий графит 0,5-2,0; углерод - остальное.The LIB design is known (patent PM RU No. 143066, published on 07/10/2014, IPC H01M 10/0525, H01M 4/131), including a sealed housing with positive aluminum and negative copper current leads hermetically mounted on the housing cover and a safety valve, an electrode block consisting cathode and anode separated by a separator impregnated with electrolyte, while the body is made of metal, the safety valve consists of copper foil sealed with electrolyte-resistant rubber gaskets, the anode is a copper foil coated with an active mass consisting of graphite, polyvinylidene fluoride and carbon in the following ratio of components, wt.%: graphite 90.0-96.0; polyvinylidene fluoride 0.7-2.9; carbon - the rest, the cathode, which is an aluminum foil with an active mass deposited on it, consisting of lithium cobaltate LiCoO ₂ polyvinylidene fluoride, conductive graphite and carbon in the following ratio, wt.%: LiCoO ₂ 90.0-94.0; polyvinylidene fluoride 0.8-3.0; conductive graphite 0.5-2.0; carbon is the rest.

Недостатком данного технического решения является низкие удельные характеристики за счет применения металлического корпуса, что увеличивает массу аккумулятора.The disadvantage of this technical solution is the low specific characteristics due to the use of a metal case, which increases the weight of the battery.

Известен призматический литий-ионный аккумулятор (ЛИА) в полимерной упаковке (патент ПМ RU №143064, опубликовано 10.07.2014, МПК Н01М 10/0525, Н01М 4/131 принят за прототип), содержащий многослойный (двухслойный) полимерный корпус с герметично запаянными токовыводами положительных и отрицательных электродов, внутри которого размещен электродный блок из положительных и отрицательных электродов, состоящих из токовых коллекторов с нанесенной на них активной массой, между электродами расположен сепаратор, пропитанный электролитом, токовые коллекторы электродов приварены к соответствующим токовыводам, положительный токовывод выполнен из алюминия, отрицательный токовывод выполнен из меди, токовыводы расположены на одной стороне корпуса, отрицательный электрод представляет собой медную фольгу с нанесенной на нее анодной активной массой, состоящей из графита, поливинилиденфторида и углерода при следующем соотношении компонентов, мас.%: 90,0-96,0 графит, 0,8-2,9 поливинилиденфторид, углерод - остальное, положительный электрод представляет собой алюминиевую фольгу с нанесенной на нее катодной активной массой, состоящей из кобальтата лития, поливинилиденфторида и углерода при следующем соотношении компонентов, мас.%: 90,0-95,0 кобальтат лития, 0,94-3,0 поливинилиденфторид, углерод - остальное.Known prismatic lithium-ion battery (LIA) in a polymer package (patent PM RU No. 143064, published 07/10/2014, IPC H01M 10/0525, H01M 4/131 taken as a prototype), containing a multilayer (two-layer) polymer housing with hermetically sealed current leads positive and negative electrodes, inside of which there is an electrode block of positive and negative electrodes, consisting of current collectors with an active mass deposited on them, a separator impregnated with electrolyte is located between the electrodes, the electrode current collectors are welded to the corresponding current leads, the positive current lead is made of aluminum, the negative the current terminal is made of copper, the current terminals are located on one side of the case, the negative electrode is a copper foil with an anode active mass deposited on it, consisting of graphite, polyvinylidene fluoride and carbon in the following ratio of components, wt.%: 90.0-96.0 graphite , 0.8-2.9 polyvinylidene fluoride, carbon - o steel, positive electrode is an aluminum foil with a cathode active mass deposited on it, consisting of lithium cobaltate, polyvinylidene fluoride and carbon in the following ratio, wt.%: 90.0-95.0 lithium cobaltate, 0.94-3.0 polyvinylidene fluoride, carbon - the rest.

За счет использования в конструкции прототипа в электродном блоке электродов в виде набора пластин анода и катода, не используется полный объем блока электродов для достижения повышенных удельных характеристик, что также можно отнести к недостаткам.Due to the use in the design of the prototype in the electrode block of electrodes in the form of a set of anode and cathode plates, the full volume of the electrode block is not used to achieve increased specific characteristics, which can also be attributed to disadvantages.

Предлагаемая полезная модель является вариантом решения проблемы по повышению удельной емкости и энергии без увеличения габаритных размеров ЛИА.The proposed utility model is a solution to the problem of increasing the specific capacity and energy without increasing the overall dimensions of the LIB.

Техническим результатом полезной модели является повышение удельной емкости и энергии без увеличения габаритных размеров ЛИА.The technical result of the utility model is to increase the specific capacity and energy without increasing the overall dimensions of the LIB.

Указанный технический результат достигается предлагаемой конструкцией ЛИА.The specified technical result is achieved by the proposed LIB design.

Призматический литий-ионный аккумулятор содержит двухслойный полимерный корпус с внешним слоем и внутренним слоем, внутри которого размещен блок электродов из ленточных положительных и отрицательных электродов, блок электродов изготовлен методом плоского рулона, на одной стороне корпуса герметично запаяны токовыводы положительного и отрицательного электродов, состоящих из токовых коллекторов с нанесенной на них активной массой, между электродами расположен сепаратор, пропитанный органическим электролитом, сепаратор скреплен между собой полиамидной высокотемпературной лентой, токовые коллекторы электродов приварены к соответствующим токовыводам, положительный токовывод выполнен из алюминия, отрицательный токовывод выполнен из меди, отрицательный электрод представляет собой ленточную медную фольгу с нанесенной на нее анодной активной массой, состоящей из 94,0-96,0% графита, 1,0-1,2% ацетиленовая сажа, 1,6-1,8% натрий карбоксиметилцеллюлоза, анионная полимерная дисперсия - остальное, положительный электрод представляет собой ленточную алюминиевую фольгу с нанесенной на нее катодной активной массой, состоящей из 88-92% кобальтата лития высокого напряжения, 0,8-1,0% ацитиленовая сажа, 6-9% углеродные нанотрубки, поливинилиденфторид - остальное.A prismatic lithium-ion battery contains a two-layer polymer case with an outer layer and an inner layer, inside which there is a block of electrodes from tape positive and negative electrodes, the block of electrodes is made by the flat roll method, current leads of positive and negative electrodes, consisting of current electrodes, are hermetically sealed on one side of the body. collectors with an active mass deposited on them, a separator impregnated with an organic electrolyte is located between the electrodes, the separator is fastened together with a polyamide high-temperature tape, the current collectors of the electrodes are welded to the corresponding current leads, the positive current lead is made of aluminum, the negative current lead is made of copper, the negative electrode is a tape copper foil coated with an anode active mass, consisting of 94.0-96.0% graphite, 1.0-1.2% acetylene black, 1.6-1.8% sodium carboxymethylcellulose, anionic polymer dispersion - the rest, polo the living electrode is a tape aluminum foil with a cathode active mass deposited on it, consisting of 88-92% high-voltage lithium cobaltate, 0.8-1.0% acetylene soot, 6-9% carbon nanotubes, polyvinylidene fluoride - the rest.

Удельная емкость и энергия ЛИА повышается за счет использования в конструкции двухслойного полимерного корпуса, ленточного положительного и отрицательного электродов, скрученных в плоский рулонный блок электродов, в результате чего увеличивается рабочая площадь электродов, в том числе по торцам блока электродов. Использование углеродной нанотрубки в составе катодной активной массе позволяет увеличить эффективность работы кобальтата лития.The specific capacity and energy of LIB is increased due to the use in the design of a two-layer polymer body, tape positive and negative electrodes twisted into a flat rolled block of electrodes, resulting in an increase in the working area of the electrodes, including at the ends of the block of electrodes. The use of a carbon nanotube as part of the cathode active mass makes it possible to increase the efficiency of lithium cobaltate.

Сущность полезной модели поясняется чертежом.The essence of the utility model is illustrated by the drawing.

На фиг. 1 представлен эскиз конструкции призматического литий-ионного аккумулятора с необходимыми местными разрезами.In FIG. 1 is a sketch of the design of a prismatic lithium-ion battery with the necessary local cuts.

На фигуре представлено:The figure shows:

1 - двухслойный полимерный корпус1 - two-layer polymer body

2 - отрицательный токовывод2 - negative current output

3 - положительный токовывод3 - positive current output

4 - высокотемпературная полиамидная клейкая лента4 - high temperature polyamide adhesive tape

5 - блок электродов, изготовленный методом плоского рулона5 - block of electrodes made by the flat roll method

6 - ленточный отрицательный электрод6 - tape negative electrode

7 - ленточный положительный электрод7 - tape positive electrode

8 - сепаратор8 - separator

Призматический литий-ионный аккумулятор состоит из двухслойного полимерного корпуса 1, снаружи которого выходят отрицательный 2 и положительный 3 токовыводы, внутри корпуса находятся блок электродов 5, изготовленный методом плоского рулона, включающий в себя ленточный отрицательный 6 и положительные 7 электроды, между электродами расположен сепаратор 7, пропитанный электролитом, отрицательный электрод 2 представляет собой электролитическую медную фольгу с нанесенной на нее анодной активной массой, состоящей из 94,0-96,0% графита, 1,0-1,2% ацетиленовой сажи, 1,6-1,8% натрия карбоксиметилцеллюлозы, анионной полимерной дисперсии - остальное, положительный электрод 3 представляет собой электролитическую алюминиевую фольгу с нанесенной на нее катодной активной массой, состоящей из 88-92% кобальтата лития, 0,8-1,0% ацитиленовой сажи, 6-9% углеродной нанаотрубки, поливинилиденфторида - остальное, корпус аккумулятора вакуумирован.A prismatic lithium-ion battery consists of a two-layer polymer case 1, outside of which there are negative 2 and positive 3 current leads, inside the case there is a block of electrodes 5, made by the flat roll method, including tape negative 6 and positive 7 electrodes, a separator 7 is located between the electrodes , impregnated with electrolyte, the negative electrode 2 is an electrolytic copper foil coated with an anode active mass, consisting of 94.0-96.0% graphite, 1.0-1.2% acetylene black, 1.6-1.8 % sodium carboxymethyl cellulose, anionic polymer dispersion - the rest, positive electrode 3 is an electrolytic aluminum foil coated with a cathode active mass, consisting of 88-92% lithium cobaltate, 0.8-1.0% acytylene soot, 6-9% carbon nanotubes, polyvinylidene fluoride - the rest, the battery case is evacuated.

Призматический литий-ионный аккумулятор работает следующим образом. При заряде и разряде токовыводы 2, 3 подключаются к одноименным клеммам зарядного устройства (на фигуре не показано) или потребителя, которое обеспечивает протекание через ленточные электроды 6 и 7 и анодную и катодную массы тока, обеспечивающего процессы интеркаляции лития в графит на отрицательном электроде 2 и деинтеркаляции лития из кобальтата лития на положительном электроде 3 и наоборот. Сепаратор 8 предотвращает короткое замыкание электродов и обеспечивает равномерный доступ электролита к электродам ЛИА.Prismatic lithium-ion battery works as follows. When charging and discharging, the current leads 2, 3 are connected to the terminals of the same name of the charger (not shown in the figure) or the consumer, which ensures the flow through the strip electrodes 6 and 7 and the anode and cathode current masses, which ensures the processes of lithium intercalation into graphite on the negative electrode 2 and deintercalation of lithium from lithium cobaltate at positive electrode 3 and vice versa. Separator 8 prevents short circuit of the electrodes and ensures uniform access of the electrolyte to the electrodes of the LIB.

Использование в конструкции кобальтата лития совместно с углеродными нанотрубками и поливинилиденфторидом позволяет производит заряд ЛИА до напряжений 4,35 В-4,4 В, в сравнении с обычным кобальтатом лития-4,2 В без снижения характеристик впоследствии.The use of lithium cobaltate in the construction together with carbon nanotubes and polyvinylidene fluoride allows the LIB to be charged up to voltages of 4.35 V-4.4 V, in comparison with conventional lithium cobaltate-4.2 V, without subsequently reducing performance.

Таким образом, совокупность существенных признаков полезной модели обеспечивает повышение удельной емкости и энергии.Thus, the combination of essential features of the utility model provides an increase in specific capacity and energy.

Пример реализации полезной модели.An example of the implementation of the utility model.

Были изготовлены аккумуляторы одинакового типоразмера, по предлагаемому варианту 5 шт. и 5 образцов аккумуляторов по варианту прототипа.Accumulators of the same size were made, according to the proposed option, 5 pcs. and 5 samples of batteries according to the prototype version.

Разряженные аккумуляторы подключили к зарядно-разрядному испытательному стенду. Проводили заряд постоянным током 0,8 А до напряжения 4,2 В, затем падающим током при напряжении 4,2 В до установившегося значения тока 0,12 А. После паузы и выдержки аккумуляторов при нормальных климатических условиях в течение 1 часа, провели разряд током 0,8 А до конечного напряжения 3,0 В с замером разрядной емкости, в результате среднее значение разрядной емкости по варианту прототипа составило 4,2 А⋅ч, по предложенному варианту 4,8 А⋅ч. Средний прирост емкости составил 14,3%.Discharged batteries were connected to a charge-discharge test stand. The charge was carried out with a direct current of 0.8 A up to a voltage of 4.2 V, then with a falling current at a voltage of 4.2 V until a steady current value of 0.12 A. After a pause and holding the batteries under normal climatic conditions for 1 hour, they discharged with a current 0.8 A to a final voltage of 3.0 V with measuring the discharge capacity, as a result, the average value of the discharge capacity according to the prototype version was 4.2 A⋅h, according to the proposed version 4.8 A⋅h. The average increase in capacity was 14.3%.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что предлагаемая полезная модель может быть реализована на практике с достижением заявленного технического результата.Based on the foregoing, it can be concluded that the proposed utility model can be put into practice with the achievement of the claimed technical result.

Claims

A prismatic lithium-ion battery containing a two-layer polymer case with an outer layer and an inner layer, inside of which a block of electrodes is placed, current leads of positive and negative electrodes are hermetically sealed on one side of the case, consisting of current collectors with an active mass deposited on them, a separator is located between the electrodes impregnated with an organic electrolyte, the current collectors of the electrodes are welded to the corresponding current leads, the positive current lead is made of aluminum, the negative current lead is made of copper, while the positive and negative strip electrodes form an electrode block made by the flat roll method, in which the separator is fastened together by a polyamide high-temperature tape , while the anode active mass contains, %: graphite 94.0-96.0, acetylene black 1.0-1.2, sodium carboxymethylcellulose 1.6-1.8, anionic polymer dispersion - the rest, and the cathode active mass, %: lithium cobaltate 88-92, coal native nanotubes 6-9, polyvinylidene fluoride - the rest.