Область техники

Настоящее изобретение относится к области конструкции аккумуляторных батарей и других элементов аккумуляторных батарей, являющихся источниками электрического тока. В частности, настоящее изобретение касается конструкции литий- ионных аккумуляторов, в которых применяются сепараторы, электроды и различные электролиты.

Уровень техники

Конструкция, технология производства различных аккумуляторов хорошо отработана и успешно используется.

Известно решение (патент РФ № 171277, Опубликовано: 29.05.2017 Бюл. № 16) Литий-ионный аккумулятор, содержащий отрицательный электрод, положительный электрод, пористый полимерный сепаратор и электролит.

Также известно решение, описанное в журнале «Наука и жизнь» № 12/2019 г. (стр. 5) графеновый аккумулятор, содержащий отрицательный электрод, положительный электрод, перегородку и электролит.

Известные решения обладают недостаточной эффективностью при использовании данной конструкции сепаратора (перегородки) в аккумуляторах, которые подвергаются частым циклам перезаряда, что обуславливается повышенным износом аккумулятора. Сущность изобретения

Задачей изобретения является увеличение энергоемкости, срока службы и скорости зарядки аккумулятора.

Техническим результатом изобретения, является устранение недостатков известных аналогов, а также расширение арсенала технических средств данного назначения.

Лучший вариант осуществления изобретения

Конструкция заявленного аккумулятора в своем общем виде соответствует классическому построению литий-ионных аккумуляторных батарей и содержит катод, анод, сепаратор, электролит и корпус. Когда аккумулятор заряжается, то на электродах создается разность потенциалов, которая заставляет ионы перетекать от одного электрода к другому, а при разряде в обратную сторону. При заряде аккумулятора под воздействием внешнего источника тока (внешней силы) на электрод извлекаются ионы из этого электрода и попадают в электролит, далее ионам необходимо преодолеть сепаратор (перегородку) - служащий в данном случае изолятором между двух электродов. Сепаратор может быть однослойный, многослойный, а также быть изготовлен из различных материалов и веществ, иметь отверстия различного диаметра для прохождения ионов (катионов и анионов). Преодолев сепаратор через отверстия в сепараторе, ионы попадают в следующий слой электролита, а затем во второй электрод. Далее используется термин ион (электрически заряженная частица) без указания, что отрицательно-заряженная частица (катион) или положительно-заряженная частица (анион).

В конструкции аккумулятора ионам, чтобы совершить цикл заряд-разряд, нужно преодолеть сепаратор (перегородку), который ученые называют «ионопроводящий барьер». При этом создаются аккумуляторы с многокомпонентными электродами, с различными видами электролитов, а ионам все равно нужно преодолевать «ионопроводящий барьер». В настоящем изобретении я поменяю подход к конструкции сепаратора (перегородки) и создам не «ионопроводящий барьер», а ионопроводящую систему. Ионопроводящая система будет иметь один принцип работы, но различные размеры и различную конструкцию, в зависимости от размера аккумулятора и его применения (бытовые, промышленные и т.д.)

В зависимости от поставленных целей или технологических возможностей производства можно применять: однослойные или многослойные, углеродные и неуглеродные нанотрубки, неорганические нанотрубки и органические, состоящие из двух и более веществ (например: углерод-кремний), композитные нанотрубки. А также применять однослойные и многослойные, открытые с обоих концов правосторонне или левосторонне навитые между собой (по принципу протофибриллы - Фиг. 1 (2)) две и более нанотрубки.

Для достижения заявленной задачи предлагается в конструкции сепаратора (перегородки) использовать однослойные углеродные нанотрубки или навитые между собой две, три, четыре и более нанотрубки в однонаправлено перпендикулярно - ориентированном расположении к сепаратору и электродам.

Нанотрубки также можно располагать в твердых электролитах. На Фиг. 2 схематично представлена конструкция трехслойного сепаратора, где 4 - электроды; 5 - трехслойный сепаратор; 6 - сквозное отверстие в сепараторе для прохождения ионов от одного электрода к другому (диаметр отверстия в сепараторе может быть любой); 7; 8 - нанотрубки, которые вставлены в отверстия 6 в сепараторе, 9 - нанотрубки, находящиеся в электролите; 10 - электролит. Нанотрубки могут быть вставлены в сепаратор не до конца противоположной стенки сепаратора, насквозь стенки сепаратора в упорядоченном, последовательном и в хаотичном расположении и при этом на любую длину относительно сепаратора и электрода.

Нанотрубки расположены однонаправлено, перпендикулярно сепаратору, при этом нанотрубки могут располагаться в хаотической (фиг.З) или строго определенной фиг.4) последовательности.

При зарядке - разрядке аккумулятора движущиеся ионы, попадают в каждую из навитых между собой нанотрубок, на выходе получится скрученный, обладающий энергией из движущихся ионов «луч». В тоже время ионы, попавшие в сквозные отверстия 6 сепаратора при зарядке - разрядке будут попадать между лучами движущихся ионов, вышедших из нанотрубок 7-9, что в свою очередь приведет ионы, вышедшие из сквозных отверстий сепаратора к упорядоченному движению к электроду. Если посчитать сколько на 1 см ² навитых между собой нанотрубок получится, то на выходе из такой микрофибрилы (Фиг. 1 (1)) получится уже не просто «луч» из заряженных одинаково частиц, а некое мощное образование энергии движущейся к противоположному электроду (Фиг. 1 (3)).

Одноименно заряженные тела и частицы отталкиваются, а разноименно заряженные притягиваются. Представим трубу, в отверстие которой с одной стороны мы будем вставлять по очереди одноименно заряженными частями друг к другу магнитные бруски, оказывая при этом физическое воздействие на бруски, толкая их с силой в трубу. Происходит движение брусков вперед. Тоже самое будет происходить и с одноименно заряженными частицами (ионами), когда они попадут в нанотрубку.

Такая конструкция сепаратора приведет к следующему техническому результату:

1) Сконцентрированное, упорядоченное движение ионов (заряженных частиц), что приведет к сокращению времени зарядки аккумулятора;

2) Использование электродов различных конструкций (Фиг. 10 (16-21)) увеличивает количество ионов (заряженных частиц) при зарядке аккумулятора, а значит увеличивается емкость аккумулятора.

Принцип однонаправлено расположенных нанотрубок можно применять в аккумуляторах с твердыми и иными видами электролита.

Для того чтобы получить больший объем ионов при зарядке аккумулятора рассмотрим конструкцию электродов. Во время зарядки в некоторых аккумуляторах образуются «дендритные усы», эту проблему ученые из Университета Райса (США) решили с помощью напыления серебра на электрод и покрытие его углеродной нанопленкой. Также в аккумуляторах стали использовать многокомпонентные электроды, состоящие из двух и более веществ (например: литий-кобальтовые, литий-марганцевые и т.д.) и многокомпонентные электролиты.

Чтобы аккуратно, а не разрушительно воздействовать на электрод при зарядке аккумулятора, его нужно заряжать длительное время и при этом по мере набора емкости снижать силу тока. В таких условиях аккумулятор заряжается не более 95 % от емкости. При быстрой зарядке под воздействием большой силы тока аккумулятор подвержен более быстрому выходу из строя и при этом заряжается на

70 % -80 % от своего объема. В настоящем изобретении все элементы, из которых будут состоять электроды, могут иметь разную кристаллическую решетку (могут иметь и одинаковую). Количество электронов у атомов разных веществ, находящихся в узлах кристаллической решетки будет разным. Количество электронов равно порядковому номеру вещества в периодической таблице Менделеева (например: алюминий - 13, золото - 79). Это значит, что частота колебаний (вибрация) в веществах при воздействии одинаковой силы тока на эти вещества, будет разная.

Рассмотрим разные конструкции электродов, изображенные на фиг.5 и фиг.6, где 11 - кабель, 12 - клемма, 13 - электрод, 14 - ионы. На фиг. 6 изображен электрод с последовательным расположением веществ в возрастающей или убывающей последовательности электронов в атомах кристаллической решетки. В следствие чего возникают разные колебания в послойно расположенных веществах, что позволит извлечь больше ионов.

Но это простые конструкции. Предлагаю рассмотреть изогнутую конструкцию электрода. От состава вещества, размера, толщины стенок и изогнутости зависит звон колокола. Звук так же извлекается, когда проводишь пальцем по краю бокала. Также можно привести в пример кумулятивный эффект Монро - усиление действия взрыва путем его концентрации в заданном направлении, достигаемое применением заряда с конической выемкой, основание которой направлено в сторону поражаемого объекта.

Если применять эффект Монро в настоящем изобретении, то направление будет в сторону сепаратора (перегородки), которая в свою очередь является ионопроводящей системой. «Детонатор», в нашем случае кабель (Фиг.7 (15)), расположен у вершины конуса, который в свою очередь расположен по всей поверхности электрода спирально. Электроды могут иметь любую форму - квадратную, прямоугольную, круглую, сферическую, треугольную и иную форму. Но наилучший эффект для зарядки аккумулятора будет иметь вогнутый электрод. Электрод может быть вогнут не сильно. (Фигуры 8 и 9, где 11-кабель, 12-клема, 13-электрод), если смотреть с лицевой стороны, то мы видим окружность. Электроды могут быть выполнены из одного вещества или многослойные, расположенные послойно или перемешаны. Для улучшения зарядки аккумулятора внутри вогнутого электрода необходимо расположить конусы (Фиг.10- (16) или иные конструкции (Фиг.10 (17-21)), где 17) - шары, 18) - проволока («иглы»), 19) - пластины, 20) - волнистые пластины, 21) - спираль. Конусы или иные конструкции могут быть расположены упорядоченно (Фиг.П), хаотично (Фиг.12) или по спирали (Фиг.13). Конусы (или иные конструкции) так же могут быть различных размеров, из однородных, послойных или смешанных веществ и расположенных на электроде упорядоченно, хаотично или по спирали.

В существующей технологии использования в катоде кремниевых пластин с нанесенной на эти пластины однослойной углеродной нанопленкой скорость зарядки высокая, а емкость по отношению к размеру и весу аккумулятора маленькая, что не позволяет использовать такой аккумулятор в смартфонах, телефонах и другой малогабаритной технике. Но если в катод, изготовленный из любых веществ добавить нанотрубки (можно и навитые между собой) в однонаправлено перпендикулярно - ориентированном расположении, то емкость и скорость зарядки аккумулятора существенно увеличатся.

Исследование группы ученых из США и Канады при помощи рентгеновского микроскопа увидели заторы на пути движения заряженных частиц, из-за которых аккумуляторы не работают на полную мощность. С каждым циклом заряд-разряд работа аккумулятора становится хуже. Авторы работы детально рассмотрели как образуется скопление ионов в электролите. Проблема оказалась в «налипающих» на ионы электронах, которые мешают двигаться заряженным частицам. Решением данной проблемы, которое позволит полностью или частично убрать электроны с ионов, является то, что во время зарядки аккумулятора с определенной частотой и силой использовать некий «удар»-вибрацию (электростимуляцию). В результате периодического «удара» можно получит эффект «сбрасывания» электронов с ионов, что в свою очередь улучшит зарядку и увеличит срок службы аккумулятора.